非飽和煤矸石淋濾儀改進(jìn)及應(yīng)用

王念秦， 魯興生， 蘇顏曦

(1.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院， 西安 710054，2.陜西省煤炭綠色開發(fā)地質(zhì)保障重點實驗室，西安 710054)

2016—2017年，中國原煤產(chǎn)量達(dá)35.2×108t[1],而煤矸石排放量占煤炭開采總量的8%～20%[2-3]。露天堆放的煤矸石嚴(yán)重影響到礦山生態(tài)地質(zhì)環(huán)境及礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展[4]。主要體現(xiàn)在礦區(qū)煤矸石不合理堆放造成土地空間利用浪費(fèi)，誘發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。更重要的是，在降雨條件下，煤矸石淋濾物質(zhì)滲入土中，改變土體結(jié)構(gòu)，劣化土體物理力學(xué)特征，造成土壤污染。因此，探究煤矸石淋濾特征及規(guī)律對礦區(qū)環(huán)境保護(hù)和煤矸石處理利用具有較大意義。

目前，在煤矸石淋濾規(guī)律及機(jī)理研究方面已取得大量成果[5-6]。王念秦等[7]認(rèn)為煤矸石中有害元素在大氣降水的淋濾作用下釋放至淋濾液中，淋濾液進(jìn)一步散流造成水土污染。張祥雨等[8]研究了風(fēng)化程度和淋溶液pH對煤矸石微量重金屬元素淋出規(guī)律的影響，結(jié)果表明重金屬淋出量對上述兩種因素均較為敏感，且各元素原生含量與其淋出量呈正相關(guān)關(guān)系。劉志斌等[9]對比研究了煤矸石在酸性淋溶液和中性淋溶液作用下As元素釋放量，結(jié)果表明酸性淋溶液可使淋濾液As元素濃度顯著升高。趙洪宇等[10]采用自行研發(fā)的淋溶裝置開展了持續(xù)168 h煤矸石淋濾試驗，分析了淋濾液Cr、Pb、Zn、Cu元素濃度動態(tài)變化規(guī)律。

既有研究[7]表明：傳統(tǒng)煤矸石淋濾裝置僅能實現(xiàn)對固定降雨路徑的模擬，真實性與準(zhǔn)確性欠佳。因此對淋濾儀降雨模擬系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，實現(xiàn)隨機(jī)降雨路徑模擬，增大煤矸石有效淋濾體積，以期提升試驗合理性與結(jié)果準(zhǔn)確性。進(jìn)而利用改進(jìn)后的煤矸石淋濾儀揭示了韓城桑樹坪煤礦煤矸石淋濾特征是一次有益嘗試。

1 煤矸石淋濾儀改進(jìn)

1.1 煤矸石淋濾儀組成

改進(jìn)后的煤矸石淋濾儀由供水系統(tǒng)(圖1)、淋濾系統(tǒng)和降雨模擬系統(tǒng)(圖2)組成。其中，供水系統(tǒng)包括供水瓶、LZB2型轉(zhuǎn)子流量計和導(dǎo)水橡膠管。淋濾系統(tǒng)包括亞克力有機(jī)玻璃管、帶孔隔板和排水橡膠管。降雨模擬系統(tǒng)包括電動機(jī)及帶孔錐形盤。

圖1 煤矸石淋濾儀供水系統(tǒng)Fig.1 Water supply system of coal gangue leaching instrument

圖2 煤矸石淋濾儀淋濾系統(tǒng)及降雨模擬系統(tǒng)Fig.2 Leaching system and rainfall simulation system of coal gangue leaching instrument

改進(jìn)后的淋濾儀在降雨模擬系統(tǒng)中增設(shè)帶孔錐形盤，其在電動機(jī)帶動下高速轉(zhuǎn)動。供水系統(tǒng)導(dǎo)水橡膠管位于錐形盤上方，當(dāng)水滴下落時遇到小孔，則直接滴于矸石試樣表面。若水滴下落過程中沒有遇到小孔，則積聚于錐形盤內(nèi)，最終隨機(jī)通過某個小孔落在矸石表面。由于錐形盤一直處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，水滴在離心力作用下散落，其在矸石表面的落點是隨機(jī)分布的，以此模擬實際降雨過程中雨滴分布的隨機(jī)性。同時，隨機(jī)散落的水滴也可有效增大煤矸石淋濾范圍。

1.2 基本操作步驟

(1)預(yù)處理煤矸石試樣，裝樣完畢后安裝、連接供水系統(tǒng)、淋濾系統(tǒng)與降雨模擬系統(tǒng)。

(2)打開流量計排水開關(guān)，以排除流量計及導(dǎo)水橡膠管中的空氣。進(jìn)一步調(diào)整流量計旋鈕，以按設(shè)計流量均勻供水。

(3)淋濾試驗開始后，按預(yù)設(shè)時間通過亞克力有機(jī)玻璃管底部的排水橡膠管收集煤矸石淋濾液，以備后續(xù)檢測、分析。

(4)拆分淋濾儀，對剩余煤矸石試樣進(jìn)行回收，反復(fù)清洗亞克力有機(jī)玻璃管及帶孔隔板，并替換排水橡膠管，以避免煤矸石淋濾液及試樣殘留。

2 淋濾試驗流程

2.1 煤矸石采樣及預(yù)處理

采樣地點為韓城市桑樹坪煤礦排矸場(圖3)。在排矸場中分別采取新鮮煤矸石和風(fēng)化3 a煤矸石各10 kg。在室內(nèi)將煤矸石研碎、過篩，選取粒徑5～10 mm的新鮮矸石和風(fēng)化3 a矸石各1 kg備用。

2.2 煤矸石浸泡液檢測

圖3 桑樹坪煤礦排矸場及煤矸石取樣地點Fig.3 Gangue field and sampling spot of Sangshuping coal mine

表1 桑樹坪煤礦煤矸石浸泡液有害元素檢測結(jié)果Table 1 The harmful elements testing results of coal gangue soaking solution of Sangshuping coal mine

2.3 淋濾液采集與檢測

圖4 煤矸石淋濾液σ-t關(guān)系曲線Fig.4 The σ-trelation curve of coal gangue leachate

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 淋濾液電導(dǎo)率

煤矸石淋濾液電導(dǎo)率σ隨淋濾時間t變化規(guī)律如圖4所示。由圖4可知，四種試驗條件下淋濾液電導(dǎo)率均隨淋濾時間增長而降低。其中，83 mm/h降雨強(qiáng)度和風(fēng)化3 a矸石條件下，淋濾液電導(dǎo)率在3 h時出現(xiàn)極大值(388.0 μS/m)，與電導(dǎo)率整體變化趨勢不符，應(yīng)視為異常值。剔除異常值后，根據(jù)σ-t關(guān)系曲線拐點位置可將其分為兩階段;快速下降階段(1～3 h)和緩降趨穩(wěn)階段(3～6 h)?？焖傧陆惦A段淋濾液電導(dǎo)率平均變化率介于12.4 ～112.0 μS/(m·h)，其中167 mm/h降雨強(qiáng)度和風(fēng)化3 a矸石條件下電導(dǎo)率平均變化率最大[112.0 μS/(m·h)]，167 mm/h降雨強(qiáng)度和新鮮矸石條件下電導(dǎo)率平均變化率最小[12.4 μS(m·h)]。緩降趨穩(wěn)階段淋濾液電導(dǎo)率平均變化率介于0.5 ～26.7 μS/(m·h)，其中83 mm/h降雨強(qiáng)度和風(fēng)化3 a矸石條件下電導(dǎo)率平均變化率最大[26.7 μS/(m·h)]，167 mm/h降雨強(qiáng)度和新鮮矸石條件下電導(dǎo)率平均變化率最小[0.5 μS/(m·h)]。

3.2 淋濾液濃度

圖5 煤矸石淋濾液c-t關(guān)系曲線Fig.5 The c-t relation curve of coal gangue leachate

3.3 關(guān)系曲線擬合及敏感性分析

(1)

圖6 煤矸石淋濾液σ-t擬合曲線Fig.6 The σ-t fitting curve of coal gangue leachate

圖7 煤矸石淋濾液c-t擬合曲線Fig.7 The c-t fitting curve of coal gangue leachate

表2 關(guān)系曲線擬合結(jié)果及參數(shù)Table 2 The fitting results and parameters of relation curves

表3 敏感性指標(biāo)Is計算結(jié)果Table 3 The calculation results of sensitivity index Is

4 結(jié)論

通過在降雨模擬系統(tǒng)中增設(shè)電動機(jī)和帶孔錐形盤對傳統(tǒng)煤矸石淋濾儀進(jìn)行改進(jìn)，實現(xiàn)對隨機(jī)降雨路徑的模擬。進(jìn)一步以韓城桑樹坪煤礦煤矸石為研究對象，驗證了改進(jìn)煤矸石淋濾儀的合理性與實用性。