煤矸石回填地基的環(huán)境效應(yīng)研究

李樹志，白國良，田迎斌

（煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院，河北唐山063012）

0 引言

煤矸石是煤炭開采、洗選加工過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，也是中國工業(yè)固體廢料中產(chǎn)生量、累計量、占地面積最大的固體廢料。到“十五”末期，中國國有煤礦擁有煤矸石山1 500余座，堆積量30×108t以上（占中國工業(yè)固體廢物排放總量的40%以上）。煤矸石的大量堆放，不僅壓占土地，影響生態(tài)環(huán)境，其淋溶水污染周圍土壤和地下水，而且煤矸石中含有一定的可燃物，在適宜條件下發(fā)生自燃，排放二氧化硫、氮氧化物、碳氧化物和煙塵等有害物質(zhì)污染大氣環(huán)境［1－3］，此外煤矸石中賦存的放射性元素可能影響礦區(qū)居民的身體健康［4－5］。

研究表明，煤矸石具有良好的工程特性，是較為理想的地基回填材料，已廣泛用于中國采煤沉陷區(qū)遷村建設(shè)工程中［6－8］。煤矸石回填地基的環(huán)境效應(yīng)一直深受社會各界廣泛關(guān)注，但尚未進行過深入研究。筆者以開灤礦區(qū)呂家坨礦業(yè)分公司復(fù)墾新村為例，探討了煤矸石回填地基對水環(huán)境、大氣環(huán)境以及放射性影響。

1 研究區(qū)概況

復(fù)墾新村位于呂家坨礦業(yè)分公司一、三采區(qū)采煤塌陷地。該區(qū)域位于燕山南麓山前沖洪積平原區(qū)，處于沙河沖洪積扇上部，原地表開闊平坦，略呈北高南低，標(biāo)高22～31m。采礦活動引起地表沉陷，地表形成許多大小不等的沉陷洼地和積水坑等人工地貌，塌陷深度一般為3～5m，地面標(biāo)高多為25～27m。

本區(qū)上覆地層從上至下分別為第四系沖積層、下二疊統(tǒng)唐家莊組、二疊系石炭統(tǒng)趙各莊組。上述地層中均有含水層發(fā)育，其中第四系沖積層含水層厚度約為34m，為弱—中等含水層，巖性為卵石，粗、中細(xì)沙，上部水質(zhì)類型為-HCO－3－Cl－－Ca2＋－Mg2＋，下部為HCO－3－Ca2＋－Mg2＋。該區(qū)地下水埋藏淺，一般在2.5m左右。

本區(qū)屬東部季風(fēng)暖溫帶濱海半濕潤氣候，四季分明，最高溫度40℃，最低溫度－20℃，平均溫度25.6℃。土壤凍結(jié)一般在每年11月至次年3月，最大凍土深度800mm。全年平均降水量600～700mm，降水量集中在7月至8月份。

2 地基回填煤矸石工藝

經(jīng)過燃燒的煤矸石粒徑較小，且比較均勻，孔隙率較小，分層回填，分層碾壓，密實度較好，不均勻沉降較小，適用于充填塌陷區(qū)復(fù)墾作建筑用地。未自燃的煤矸石，粒徑大小不一，孔隙率較小，可采用煤矸石與粉煤灰或土混填，這樣既防止了煤矸石自燃，又降低了回填地基的孔隙率，減小了煤矸石地基的不均勻沉降。

地基回填煤矸石應(yīng)進行分區(qū)分層回填，采用汽車運輸，推土機整平，壓路機振動壓實。根據(jù)采用的振壓機能力和煤矸石特性，在現(xiàn)場試驗后確定分層充填、分層振動壓實參數(shù)及碾壓趟數(shù)。經(jīng)試驗確定煤矸石與土體積之比5∶2比較合理，即若回填一層厚500mm煤矸石，需回填一層厚200mm粉煤灰或土。煤矸石復(fù)墾塌陷區(qū)作建筑用地，地表覆土厚度一般為0.3～0.5m，為了取得良好的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，地表覆土厚度確定為0.5m（圖1）。

圖1 地基分層回填煤矸石示意圖Fig.1 Sketch of Foundation Backfilled in Layer with Coal Gangue

3 煤矸石成分分析

煤矸石是在成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量較低、比煤堅硬的黑灰色巖石，包括巷道掘進過程中的掘進矸石、采掘過程中從頂板和底板及夾層里采出的矸石以及洗煤過程中挑出的洗選矸石。煤矸石的礦物成分主要為高嶺土、石英、蒙脫石、長石、伊利石、石灰石、硫化鐵、氧化鋁等。

不同地區(qū)的煤矸石由不同種類礦物組成，其含量相差也很懸殊。煤矸石的化學(xué)成分較復(fù)雜，所包含的元素可多達數(shù)十種。一般而言，其常量組分為C、Si、Na、K、Ca、Mg、S、Fe等，另外含有數(shù)量不等的Fe2O3、CaO、MgO、SO3、K2O、Na2O、P2O5以及多種微量元素，如Cu、Pb、As、Mn、Cr、Hg、Zn、Ba等。開灤礦區(qū)掘進矸石和洗選矸石試樣的主要化學(xué)成分見表1。

由表1可知，掘進和洗選矸石試樣的SiO2和Al2O3含量較高，屬基性巖類，該巖類在礦物成分上

表1 開灤礦區(qū)掘進矸石和洗選矸石試樣的化學(xué)成分及含量Tab.1 Chemical Composition and Content of Tunnelling and Washing Gangues Samples from Kailuan Mining Area

以輝石為主，其次為橄欖石、角閃石和黑云母，并含有大量斜長石，又由于煤矸石含有炭、鋁和CaO等物質(zhì)，使煤矸石發(fā)生水解和風(fēng)化等現(xiàn)象。強堿弱酸鹽礦物（如鉀長石、鈣長石）遇水后水解還可能發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)［9－10］

上述化學(xué)反應(yīng)使水環(huán)境中pH值升高，水中Ca2＋和Na＋等離子的質(zhì)量濃度增加，同時總硬度和溶解性總固體質(zhì)量濃度升高。

4 煤矸石回填地基的環(huán)境效應(yīng)

4.1 地基回填煤矸石對水環(huán)境的影響

由于氧化還原環(huán)境的改變，天然堆放的煤矸石在自然風(fēng)化和雨水淋濾作用下發(fā)生一系列的物理化學(xué)變化，賦存于煤矸石中的有毒有害物質(zhì)可能釋放出來，最終對水環(huán)境造成污染。為了研究煤矸石對水環(huán)境的潛在危害性，將開灤礦區(qū)采集的煤矸石進行破碎處理，進行淋溶實驗。實驗時，先在內(nèi)徑為300mm淋溶柱底部鋪設(shè)一層紡?fù)凉げ?，在其上裝入厚5cm的石子，在石子上再放一層紡?fù)凉げ?，接著在其上再裝入10cm厚黏土層，黏土層上則裝入60cm厚的煤矸石，淋溶柱最上方裝入30cm厚的普通土，便于模擬雨水的均勻下滲［11］。以唐山市歷年降雨量平均值作為參考標(biāo)準(zhǔn)，對1年內(nèi)的降雨進行模擬，采用定水頭裝置控制水位，當(dāng)淋溶液從底部頂口滲出后，每0.5h取樣一次，對煤矸石淋溶液中重金屬及氟化物進行測試分析，測試結(jié)果最大值見表2。

從實驗結(jié)果可以看出，煤矸石淋溶液呈偏堿性，淋溶液中除Pb超標(biāo)外，重金屬元素Cd、Cr6＋、Cu、Ni、Hg和氟化物的含量均符合《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》［12］Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表2 煤矸石淋溶水中重金屬質(zhì)量濃度Tab.2 Mass Concentration of Heavy Metal in Eluviating Water of Coal Gangue

煤矸石經(jīng)破碎處理增加了煤矸石與淋溶水的接觸面積，同時淋溶液與降雨相比，相對比較集中。這些措施增強了溶質(zhì)的淋出量，因此該條件下淋溶液實驗值應(yīng)大于野外條件下的實際值。

為了進一步檢驗煤矸石回填地基對復(fù)墾區(qū)水環(huán)境的影響，在呂家坨礦尖角新村煤矸石回填地基復(fù)墾區(qū)地下水徑流下游方向?qū)Φ乇硭ㄩ_采沉陷影響淺層地下水滲出形成）和地下水進行了取樣，對pH值、總硬度（CaCO3）、F－、SO2－4、Pb、Cd和Cr6＋濃度等水環(huán)境指標(biāo)進行分析，分析結(jié)果見表3。由分析結(jié)果可知，地下水分析指標(biāo)中除總硬度存在超標(biāo)現(xiàn)象外，其他各指標(biāo)均符合《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 煤矸石回填地基復(fù)墾區(qū)水樣分析結(jié)果Tab.3 Results of Water Samples from the Reclamation Zone of Foundation Backfilled with Coal Gangue

對比淋溶實驗，Pb、Cr6＋均未檢出，表明復(fù)墾后Pb、Cr6＋等重金屬污染物溶出量降低，這是由于煤矸石與土分層回填振動壓實后，地基孔隙度降低，顯著減小了煤矸石與空氣的接觸面積，降低了煤矸石的風(fēng)化速度。根據(jù)前人對煤矸石堆的研究及煤矸石在工業(yè)中應(yīng)用情況，證實煤矸石在0.5m至幾米的覆層下不會風(fēng)化，因此，煤矸石中重金屬析出量降低；壓實的土壤與煤矸石相比孔隙度更低，淋溶液組分在土壤中遷移的速度降低；土壤本身具有一定的自凈能力，吸附解吸作用對淋溶液中重金屬污染物起到凈化作用；淋溶液的pH值對重金屬元素的滲出具有重要影響，重金屬極易在酸性環(huán)境下滲濾，并且酸性越強，滲濾液中重金屬濃度增加越快，同樣條件下，初始滲濾液pH值的微小變化會導(dǎo)致滲濾后溶液中重金屬濃度差異很大［13］，開灤礦區(qū)巖性為基性巖類，淋溶液顯偏堿性，這也在很大程度上抑制了重金屬元素的滲出。

上述研究表明，在開灤礦區(qū)將煤矸石作為充填材料不會對水環(huán)境造成污染，采用煤矸石與土分層回填振動壓實的復(fù)墾工藝對減少賦存在煤矸石中污染物的釋放量以及降低煤矸石對水環(huán)境的影響效果顯著。

4.2 煤矸石回填對大氣環(huán)境的影響

由于風(fēng)化作用，露天堆積的煤矸石表層（尤其是黏土巖類煤矸石）不斷風(fēng)化。其中干燥和濕潤是最重要的因素，潮濕的煤矸石處于冷熱交替環(huán)境下會加速風(fēng)化，最初風(fēng)化物的粒度大多數(shù)大于2mm，經(jīng)過反復(fù)風(fēng)化，粒度不斷減小。在風(fēng)力作用下，這些粉塵會進入大氣環(huán)境，使附近大氣和土壤受到污染。根據(jù)有關(guān)礦區(qū)環(huán)境影響評價的現(xiàn)狀監(jiān)測，大氣環(huán)境中主要污染物總懸浮顆粒物都已超標(biāo)。

此外，煤矸石自燃對大氣環(huán)境的污染也是非常嚴(yán)重的問題，煤矸石自燃不僅影響區(qū)域氣候，而且自燃后產(chǎn)生的SO2等有毒有害氣體對大氣環(huán)境構(gòu)成巨大危害。地基回填煤矸石分層壓實降低了煤矸石與空氣的接觸面積，有效避免了煤矸石自燃現(xiàn)象的發(fā)生，將煤矸石作為地基回填材料，不僅使大量煤矸石得以消耗，使大面積壓占的土地得以利用，而且煤矸石被分層壓實后，顯著減少了粉塵和有害氣體的排放量，減少了對大氣和土壤的污染，因此煤矸石回填地基使復(fù)墾新村大氣環(huán)境得到明顯改善。

4.3 回填煤矸石放射性的影響

如果煤矸石中的放射性元素及放射性水平達到一定限值，便會對人體產(chǎn)生放射性危害［14］?！冻鞘蟹派湫詮U物管理辦法》規(guī)定：含人工放射性核素、比活度大于2×104Bq／kg，或含天然放射性核素、比活度大于7.4×104Bq／kg的污染物，應(yīng)作為放射性廢物看待；小于此水平的放射性污染物應(yīng)妥善處置［15］。

煤矸石作為建筑材料，其放射性水平應(yīng)滿足以下要求［16］

式中：IRa為內(nèi)照指數(shù)；IT為外照指數(shù)；CRa、CTh、CK分別為建筑材料中天然放射性核素226Ra、223Th和40K的放射性比活度。

呂家坨礦尖角新村回填的煤矸石放射性檢驗結(jié)果見表4［17］。從檢驗結(jié)果來看，該礦區(qū)煤矸石不屬于放射性廢物，符合國家對建筑材料放射性核素限量標(biāo)準(zhǔn)的要求，其產(chǎn)銷與使用范圍不受限制。因此，該礦區(qū)煤矸石的放射性對人體健康沒有影響，不論是堆放還是回填利用，都不會對人居環(huán)境產(chǎn)生放射性污染。

表4 回填的煤矸石放射性檢驗結(jié)果Tab.4 Results of Radioactivity of Coal Gangue Backfilled into Foundation

5 結(jié)語

（1）淋溶實驗和現(xiàn)場取樣水化學(xué)分析表明，煤矸石回填地基不會對復(fù)墾區(qū)地表水和地下水造成污染。

（2）地基回填煤矸石釋放了煤矸石壓占的土地，減少了粉塵和有害氣體的排放量，使復(fù)墾區(qū)大氣質(zhì)量得到明顯改善。

（3）放射性檢驗結(jié)果表明，該研究區(qū)煤矸石不屬于放射性廢物，不會影響人體健康，可作為建筑材料使用，使用范圍不受限制。

（4）研究區(qū)地基分層回填的復(fù)墾工藝不會對環(huán)境造成污染，改善了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。

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