煤矸石的淋溶浸泡、对水环境的污染研究

摘要：通过对兖济腾矿区长期填充煤矸石的塌陷区内地表水、浅层地下水中有害微量元素的分析，研究了淋溶、浸泡两种长期行为对煤矸石中有害微量元素析出的作用机理，认为煤矸石被用来充填塌陷区是可行的，但潜在的危害还是只得进一步研究和引起重视。

关键词：淋溶浸泡  煤矸石  综合利用  塌陷区

煤矸石是我国当前及今后一段时间内煤炭开采以及洗选过程中产生的累积储存量最大、占地面积最广的工业固体废物。随着矿区生态综合治理的不断深入，煤矸石被大量充填于塌陷区、路基、河堤等。其对土壤和水体的影响范围将大大扩大，有必要对综合利用于各处的煤矸石对环境的影响进行深入研究。作者选择了山东省重要的能源基地济腾矿区的煤矸石作为对象，研究了综合利用于填充塌陷区的煤矸石经长期淋溶、浸泡后有害微量元素对环境的影响。

1.样品采集及分析测试

1.1 煤矸石的物质组成

兖济腾矿区煤矸石主要以粉砂岩、泥岩、灰质泥岩为主。利用D/Max-3B型X射线衍射仪对矸石进行矿物组成测试表明：矿区内矸石样品主体成分均为高岭石、石英、，绝大部分样品还含有部分或少量的伊利石、伊利石/蒙脱石混层、蒙脱石、长石和方解石、白云石、黄铁矿等矿物。

煤矸石的化学成分比较复杂，主要为一些金属元素和非金属的氧化物，也含有一定量的微量、痕量元素（表1）。其中SiO2（52.6%）和AlO3 （20.7%）占有相当高的比例，而FeO3、CaO、MgO平均含量分别为3.6%、1.2%、1.3%。

1.2 煤矸石中的有害微量元素

为了研究煤矸石中有害微量元素对塌陷区水环境的影响，以及利用煤矸石作为塌陷区回填材料的可行性。根据实际情况，对矿区填充于煤矸石的塌陷区内水样进行了采集是与测试（表2、表3）。

2环境影响评价

与生活饮用水卫生标准进行对比显示，除元素在七五煤矿塌陷区水井内超标外，其他各处均不超标;F元素超标严重，超标率为43%，特别是在东滩煤矿塌陷区水井内超标倍数达3.18倍，值得关注。所测试的五种元素中，除外，其余元素均未超标。东滩煤矿塌陷区水井内pH值为10.5，大大高于了标准所限定的范围，除此点之外，其余各点pH值均不超标。全部水样pH值均大于7，显碱性。

煤矸石中微量元素的析出与所处环境的pH值有关，酸性的增强有利于大部分有害微量元素（例如As、Cu、Pb、Zn）的析出，酸性的降低有利于F等元素的析出。填充于塌陷区的煤矸石经长期淋溶、浸泡后，积水区及水井内水pH值均大于7，显碱性，不利于大部分有害微量元素的析出，所以等有害微量元素浓度（除个别点外）没有超过标准，而东滩煤矿、南屯煤矿高异常的pH值，也加快了矸石中F的析出，使得F元素浓度偏高。

被填充于塌陷区的煤矸石，经过长期雨淋、浸泡后，煤矸石中有害微量元素（除个别元素外）析出浓度没有超过生活饮用水卫生标准的要求，煤矸石综合利用于填充塌陷区对矿区水环境影响不明显。

然而，对本矿区煤矸石的淋溶实验表明，淋溶如果在酸性条件下（pH<7），煤矸石中被淋溶析出的有害微量元素的含量（例如：As、Cu、Pb、Zn、F）均超过了生活饮用水卫生标准。在正常情况下，由于大气中含有一定的二氧化碳（约占0.03%），降水时二氧化碳溶解在水中，降水pH<7，呈弱酸性，而对于以采掘、燃煤发电为主的矿区，煤中的楼话务及有机质经氧化、燃烧而排放出大量的二氧化硫和氮氧化物等，常使降水pH5.6，形成酸雨。所以外界條件的改变（如pH值、气候、水动力条件等等），能够加大煤矸石中有还微量元素的析出，可能导致生态环境的恶化。这种潜在的、长远的危害应该给与严重重视。

3浸泡、淋溶煤矸石行为对环境的影响探讨

有的学者把浸泡作为淋溶的极限情况来评价煤矸石中有害微量元素对环境的影响。作者认为，淋溶跟浸泡行为对有害微量元素析出的地球化学变化是不一样的。浸泡虽作为淋溶的极限情况，但在实际中，不能用浸泡的结果来说明长期淋溶对煤矸石中有害微量元素的析出。

浸泡是煤矸石大部分或全部在水中，煤矸石处于还原环境下，在水岩相互作用中有害微量元素浓度达到某种平衡，而且浸泡后的溶液一般呈碱性，不利于煤矸石中微量元素的析出。从煤矸石中微量元素存在形态分析，浸泡实验只能使可交换态、碳酸盐态以及铁锰胶体态的全部或者一部分微量元素析出来，而对于残余态的微量元素不可能析出。

长期的淋溶行为对煤矸石的改变更为重要。矸石山大都为长期露天堆放，煤矸石在淋溶风化淋溶的长期行为下，微量元素含量及存在形态将发生变化（表4）。长期的淋溶风化有时可以使一部分重金属产生富集，而且矸石山风化自燃的内部温度可达1000℃左右，在此温度下，煤矸石中微量元素存在形态分析，淋溶首先可将微量元素中可交换态、碳酸盐态的一部分析出。如果淋溶的雨量较大，同时又有有利的地形条件，煤矸石也同时发生浸泡。当煤矸石不受淋溶时，煤矸石又暴露于空气中，处于风化氧化状态，矸石中微量元素的存在形态以及存在方式发生重组和转化，残余态的或者铁锰胶体态的微量元素会有一部分发生转移，成为可交换态，使一部分浸泡不可能析出的微量元素在下一次的淋溶中随着雨水析出。所以煤矸石淋溶风化淋溶的长期行为比浸泡可以析出更多的微量元素。

新鲜的煤矸石被综合利用于填充积水塌陷区，浸泡行为占主要作用，而露天 积存在的矸石山因淋溶冲刷产生的污染，虽然比煤矸石填充到塌陷区浸泡产生的污染更严重，但由于矸石山堆放面积相对于整个矿区面积来说较小，矸石山的有害微量元素污染可能只局限在矸石山周围，而综合利用于各处矸石由于范围很大，其产生的长期影响还有待关注。

参考文献

[1]史永红，等.安徽淮南矿区煤矸石中环境意义微量元素研究 [J].矿业科学技术，2004（1）：34-39.

[2]刘桂建，等.煤矸石中潜在有害微量元素淋溶析出研究 [J].高校地质学报，2001，7（4）：449-457.

作者简介：张帅，汉族，1988-，男，山东泰安人，工程师，工学硕士，主要从事水库管理工作。