矿区煤矸石堆对土壤重金属污染时空特征研究

2022-06-05李杰锋

矿产综合利用 2022年2期

李杰锋

（吕梁学院建筑系，山西吕梁 033000）

我国是一个煤矿大国，煤炭在我国能源结构中占有非常重要的地位，对于我国经济发展具有重要的促进作用[1]，能源十三五规划明确指出，至2020 年末，我国煤炭消耗量占一次性能源的62%以内，可见未来相当长时间内，我国能源结构还是以煤炭为主[2]。

截至目前，我国已开采煤炭资源400 多亿吨，煤炭资源开采过程中，井工开采比例已接近90%，井工开采需要开拓巷道[3-4]，大量巷道的开拓产生了巨量的煤矸石，煤矸石在地表堆积，由于风化、水力作用以及自然等作用[5-6]，煤矸石中的大量重金属会释放到周围环境中去，造成环境的大量污染，掌握煤矸石对土壤的环境影响对于环境污染防治具有重要意义[7]。本文以山西某矿区为例，通过测定该矿区煤矸石及周围土壤中的重金属，分析煤矸石堆对周围土壤的重金属影响程度及时空分布特征，为煤矸石土壤重金属污染防治提供技术支撑。

1 实验方法

1.1 样品

山西省中部西侧地区是我国非常重要的主焦煤生产基地，煤矿甲主要开采太原组上部的6 号煤层，煤层平均厚度约5.5 m。煤矿乙主要开采太原组下部的10 号煤层，煤层平均厚度为6.4 m，其采矿历史约为30 年和20 年。煤矸石主要是由巷道掘进产生的矸石、采煤过程中的矸石以及洗选过程中的矸石。主要通过测定矿区矸石中以及矸石周围土壤中的重金属进行分析（Cr、Zn、Cu、Pb、Cd、Hg、As），煤矸石表层土壤样品的选取主要根据其主要风向进行，对于土壤采集点主要是其西北的主要风向，在西北风向分上风口和下风口一定距离下合理选择采集点。共采集26 个点，其中煤矿甲采集12 个点，煤矿乙采集14 个点。

对于煤矿矸石堆的选取各进行取样一份进行实验，其中煤矿甲土壤采集点位于矸石堆西70 m 附近进行采集，煤矿乙土壤采集点在矸石堆东南角60 m 附近进行采集，采集过程中每隔10 cm 取样一次，共采集5 次[8]。

1.2 样品处理及测试方法

将样品进行风干处理并剔除样品中的杂物后，对风干的样品进行研磨并通过0.15 mm 筛。将处理好的样品进行消解，采用湿式消解法[9-10]。实验开始后，选取大约0.5 g 的土样放到50 mL 的聚四氟乙稀坩埚中，并加少量的水进行湿润，再加入10 mL 的盐酸进行消煮，消煮45 min 中剩余大约3 mL，待液体稍微冷却后依次加入5 mL 的硝酸、5 mL 氢氟酸以及3 mL 的高氯酸再次进行消煮到粘稠状停止，采用去离子水将粘稠状液体转移到50 mL 的比色管中进行摇匀。静止一段时间后进行过滤测定溶液中Cr、Zn、Cu、Pb、Cd、Hg、As 的总含量。采用火焰原子吸收分光光度计和石墨炉分光光度计测定Cr、Zn、Cu、Pb、Cd、Hg、As 的含量。在分析过程中采用优级纯的试剂进行实验，使用的水均为去离子水。每个样品进行两次平行测量。分析过程按照国家标准进行质量控制[11]。

2 实结果分析与讨论

2.1 矸石堆周围土壤金属污染评价

采用中国环境监测总站1990 年编写的中国土壤元素背景值中的山西省土壤重金属含量作为基础数据进行比对比分，得出基础数据和矸石堆重金属测定结果见表1。

表1 矸石中重金属含量对比/(mg·kg-1)Table 1 Comparison of heavy metal content in gangue

由表1 可知，煤矿甲和乙矸石堆堆积后其重金属含量明显升高，其中尤以煤矿甲最为严重，其Cr 的污染值增加得最大，比背景值增加了145.5 mg/kg，污染非常严重。Hg 的污染增加含量最小，其含量增加值为0.1037 mg/kg，但其增加倍数最大，是背景值的6.37 倍；对于煤矿乙，其Cr 的污染值增加得最大，比背景值增加了53.3 mg/kg，污染比较严重。Hg 的污染增加含量最小，其含量增加值为0.0647 mg/kg，但其增加倍数最大，是背景值的4.35 倍。

采用地质累计指数法对矿区周围土壤重金属污染进行评价，该方法不但考虑了自然地质过程造成的背景值影响，该很好的反映了重金属分布的自然变化特征，能够很好的判别煤矸石的存在对于环境的影响，得出矸石堆周围土壤重金属污染评价结果见表2。

由表2 结果可知，对于煤矿甲其重金属污染程度Pb＞Cr＞Hg＞Cd＞As＞Zn＞Cu。煤矿乙其重金属污染程度Hg＞Pb＞Cd＞As＞Cr＞Cu＞Zn。甲乙两个煤矿受到重金属污染程度存在差别。大但存在一定的同样性。均受到重金属Pb 的较重污染，同时，煤矿乙受到Hg 的污染最严重。Cu、Zn 的污染程度较低，基本上与矸石中重金属污染保持一致，由此可知，在煤矿的长期活动中，煤矸石在风化、林溶的作用下导致周边土壤发生累积性重金属污染。而且煤矿甲的土壤重金属污染明显高于煤矿乙对土壤的污染，经分析其与煤矿甲多十年的采矿活动有关；在两煤矿矸石堆周围，下风向区域的重金属污染含量明显高于上风向的重金属含量。经分析，该地区以西北风为主，当矸石堆受到风化、水蚀等作用后转化成粉末状，在风的作用下迁移到下风口，导致其含量明显高于上风口。

表2 矸石堆周围土壤重金属污染评价结果Table 2 Evaluation of heavy metal pollution in soil around gangue pile

2.2 矸石堆周围土壤表层重金属分布特征

煤矿矸石堆周围土壤重金属元素平面分布特征见图1。其中横坐标正方向代表东南方向，横坐标负方向代表西北方向。

图1 重金属分布规律Fig.1 Distribution of heavy metals

由图1 可知，煤矿矸石堆周围重金属元素含量随着距矸石堆的距离增加而减少，其变化趋势存在差异。两煤矿在下风口重金属含量随着距离的增加而减少的趋势非常明显。在上风口其变化趋势不明显。其中煤矿甲Pb 在上风口随着距矸石堆的距离增加而不断减少，这与其靠近公路以及农田施肥、灌溉有关。而煤矿乙的Pb 含量在东南10 m 处有明显增加，这与其靠近公路有关。

煤矿土壤中重金属元素分布及其迁移受多种因素影响，其中最主要的是风化迁移以及雨水的冲刷流动和农业灌溉等。不同的重金属元素对于土壤的污染程度也各不相同。说明重金属在煤矸石中的赋存特征以及风化迁移存在着差异。两个煤矿由于其地理特征不同，其重金属污染变化特征也存在着差异。随着采矿活动的不断进行，矿区矸石堆周围土壤中能够明显的表现出重金属积累的特征，两个开采多年的煤矿，矸石堆对周围土壤污染程度将有逐步增加的变化趋势。

2.3 矸石堆周围土壤剖面重金属分布特征

为了进一步分析矸石堆对于土壤不同深度的污染程度，对其不同深度的土壤重金属含量进行分析，得出土壤剖面方向上重金属分布特征曲线见图2。

图2 矸石堆周围土壤不同深度下重金属元素浓度分布特征Fig.2 Distribution characteristics of heavy metal element concentrations in different depths of soil around gangue pile

由图2 可知，甲、乙煤矿矸石堆周围土壤重金属元素浓度随着深度的增加浓度呈递减趋势，但存在一定的波动性。这些重金属元素随着土壤溶液下渗过程中受到雨量的季节性变化。土壤中的重金属元素主要集中在土壤表层，而对于土壤深度由于植物根系的吸收作用，能够大大降低重金属含量，但这也增加了重金属元素进入到实物链的风险。煤矿甲在剖面方向上重金属含量煤明显高于煤矿乙，表明，土壤重金属污染受时间影响明显，且煤矿甲的土壤剖面重金属污染尤其严重。