内蒙古唐家会矿区煤矸石污染组分的淋滤特征研究

焦永进，程爱民，翟恩发，常德喜，白铁兵

(鄂尔多斯市华兴能源有限责任公司唐家会煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000)

1 引言

煤矸石是煤矿开采及洗选过程中的产物，现已成为我国产生量、累积量和储存量最大的固体工业废料[1～3]，存放到环境中的煤矸石数量每年以15～20 亿t的速度增长[4]。煤矸石中的污染组分经过长期的自然侵蚀，发生风化、迁移，并随降水渗进土壤中[5]，污染地下水，会造成严重的环境问题[6]，污染组分随着大气降水过程进入到水体威胁到周边的环境生态安全及人类的身体健康[7,8]。

目前，学者研究了有关煤矸石动态淋滤[9,10]及煤矸石中重金属的静态淋溶[11,12]，为了更深入地了解煤矸石在露天堆放条件下雨水浸泡冲刷过程中污染组分的释放规律，本文结合研究区的气象和降雨条件，对采集的煤矸石样进行室内间歇性淋滤实验，分析在降雨条件下煤矸石中污染组分的释放规律，为煤矸石堆放场周围地下水及地表水的污染治理提供一定的科学依据。

2 实验材料及方法

2.1 研究区概况

唐家会矿区位于内蒙古鄂尔多斯市准格尔煤田，该矿区属于大陆性干旱气候，主要植被为草地，矿区南边地形起伏，地表景观生态板块破碎，受井工开采的影响，地表容易出现塌陷问题[13,14]。煤田地质构造较简单，煤层的厚度深，可采煤层 5层，生产的长焰煤热值在6000 kCal/kg以上[15]。矿井工业场包括主井、副井、风井、主井生产系统，副井辅助生产系统，风井场地，生活福利区，动力设施等。原煤运到原煤缓冲仓后，再筛分破碎后进入选煤厂生产系统，选后产品进入产品煤仓和汽车装车仓进行外运。

2.2 样品采集及运输

煤矸石样品采自鄂尔多斯唐家会矿区临时排矸场的新鲜样品，采样点如图1所示。样品运输及处理过程中不得接触金属及橡胶制品，室内密封保存，采用人工破碎煤矸石的方法，使煤矸石碎样粒径直径为2～6 cm，破碎后将不同种类的煤矸石采用四分法混合缩分，待用。

图1 唐家会矿区采样点

2.3 实验方法

将直径为2～6 cm大小的煤矸石块填充到内径为10 cm、长度170 cm的有机玻璃柱内，填充高度为160 cm，填充装置见图2。

图2 间歇性淋滤实验装置示意

利用SWAT模型中国大气同化驱动数据集得到研究区2016 年的全年逐日降雨量，根据研究区全年降雨、无雨天数及雨量大小来设计模拟淋滤实验条件，具体时间分配见表1。了解到研究区无酸雨记录，所以模拟实验用水为去离子水。煤矸石淋滤实验模拟的是研究区一年的降雨情况，故分为4 个周期，每周期30 d，每时期第一阶段浸泡煤矸石4 d模拟降雨天气，再放水检测淋出液，之后煤矸石在无水条件下静置7 d，模拟无降雨天气；第二阶段浸泡3 d，第三阶段2 d，其他条件同第一阶段相同。

表1 淋滤实验时间及周期

收集实验淋出液，按照表2相关研究方法进行污染组分检测并分析污染组分的释放规律，分析项目包括TDS、pH值、F-、SO42-、总碱度、Cl-、总硬度及COD。

表2 淋滤液分析项目及方法[16]

3 结果与分析

3.1 污染组分变化分析

为了更加清楚地了解煤矸石山经过雨水浸泡冲刷后所释放出的污染组分，对9 种污染组分进行了检测分析。

如图3 污染组分变化折线图所示，除pH值外，其余各污染组分均随实验周期呈降低趋势，表明煤矸石中的各污染组分不断被淋出，其可淋出含量越来越少。淋滤液的pH值变化不大，保持在中性左右，在Ⅱ期第1阶段和IV期第1阶段时pH值由高降低是因为煤矸石中的碱性物质在淋滤过程中逐渐被淋滤出来，导致后期pH值增高；TDS、总硬度和总碱度三者浓度随实验时间进行总体变化类似，整体趋势呈先快后慢下降。其中TDS浓度在Ⅲ期第1阶段和Ⅳ期第1阶段时出现明显上升趋势，说明新一期实验时期中煤矸石的TDS又被淋滤出；总硬度在Ⅱ期第3阶段到Ⅲ期第1阶段时上涨幅度较大，在Ⅳ期第2阶段时降为整个周期最小值；总碱度在第Ⅱ期整体保持平稳状态，数值基本没有变化，但在Ⅲ期下降较快，幅度也大，在Ⅲ期第3阶段时下降到最低，为28.78 mg/L，之后随实验时间不断波动，在Ⅲ期第3阶段时达到最低，为28.78 mg/L；淋滤液中的钙离子变化趋势同总硬度相同；氯离子浓度在前两期实验中呈下降趋势，但在后两期整体呈上升趋势。在Ⅱ期第2阶段时降到最低为5.32 mg/L，平缓上升一段时间后在Ⅳ期第1阶段时又下降至最低值；硫酸根浓度总体呈上下波动状，在Ⅱ期第3阶段时上升后，持续下降至最低值9.4 mg/L，后又上升，最后Ⅳ期第3阶段时又出现下降趋势；滤液中氟离子浓度在4 个周期内下降趋势明显，从Ⅲ期第1阶段后呈现急剧下降情况。

图3 污染组分变化折线

从4 个周期的淋滤实验看出，煤矸石中的各种污染组分随淋滤液持续性释放，具体释放的周期还需进一步继续研究。但是对于实际情况中煤矸石的露天堆积问题需要采取一定的措施，减少或避免煤矸石淋滤液污染地表水，进而对人类生活用水产生威胁。

3.2 相关性分析及主成分分析

由表3间歇浸泡指标相关系数可知，COD浓度与其他污染组分相关性较弱，pH值与其他污染组分呈负相关且相关性较弱。总碱度与TDS、钙离子、总硬度及硫酸根离子有显著正相关性，相关性系数最高达到0.916。硫酸根与TDS、Cl-、钙离子和总硬度的相关性系数分别为0.932、0.736、0.879和0.907，相关性显著。Cl-与TDS相关性系数均达到0.8以上，呈显著正相关关系。氟离子的浓度与总碱度有显著的相关性，因此得出结论控制氟离子浓度必须重点关注总碱度。

表3 不同污染组分之间的相关性

表4和图4为9种污染组分主成分分析的相关图表。主成分分析是通过降低维度来提取主因子识别煤矸石淋出液中最主要的污染组分。结果利用主成分分析提取公因子，从而进行因子分析。

表4 各污染组分含量主成分分析

图4 主成分分析

主成分分析结果总体解释了80.70%的变量方差贡献率。第一主成分即因子载荷1解释了67.61%的变量方差，主要载荷元素为TDS、钙离子和总硬度；第二主成分即因子载荷2解释了13.10%的变量方差，主要载荷元素为F-和pH值；因子载荷3解释了9.13%的变量方差，主要载荷元素为pH值和COD。

4 结论

(1)研究区煤矸石淋滤实验结果表现煤矸石污染组分在Ⅰ期内的释放量较大，Ⅱ和Ⅲ期呈波动状，Ⅳ期时趋于平稳，整个淋滤过程较为漫长。在真实的矿区煤矸石大量堆积，随着在各种环境条件下煤矸石逐渐崩解，被雨水浸泡过的煤矸石中的污染物总量逐渐上升。

(2)由污染物浸出相关性分析可知关键性指标氟离子与总碱度有关，因此控制煤矸石的风化过程与碱度值是控制氟离子浓度的关键。

(3)主成分分析结果解释了80.70%的变量方差贡献率，由第一主成分结果可知主要载荷元素为TDS、钙离子和总硬度，这三种污染组分具有较强的同源性。