煤矿膏体充填对地下水环境影响研究

牛丽菊,郑帅亮

(1.山西中矿充填科技有限公司,山西 长治 046699;2.山西高河能源有限公司,山西 长治 046100)

随着社会经济的发展,环境保护越来越受到社会的关注,传统的煤矿开采带来了种种问题,不仅导致地面塌陷、房屋倒塌、良田损坏,同时矸石外排面临着污染环境。在十九大报告中,习近平总书记明确提出“绿水青山就是金山银山”的发展理念,为此在煤炭行业兴起了加强固体废弃物和垃圾处置,推进资源全面节约和循环利用的热潮,煤矿绿色开采进入了新篇章。

作为目前我国煤炭绿色开采主要技术之一的矸石膏体充填开采也受到多数煤矿的认可[1-4],矸石膏体充填技术就是将矸石破碎成粉料状成品材料,与粉煤灰、胶结料和水按照一定比例加工成一种无临界流速的膏体状浆体,利用充填泵或自重,通过充填管路从地面充填站泵送至井下充填工作面,达到以矸石膏体置换煤炭资源的目的,膏体凝固后支撑上覆岩层,保护地表建筑物的一种开采技术。该技术目前已经在山东淄矿集团岱庄煤矿、许厂煤矿、葛亭煤矿,榆林麻黄梁煤矿、榆林二墩煤矿山西高河能源有限公司等多家煤矿成功应用,由于矸石或者粉煤灰中可能存在重金属(如Pb,Sn,As,Cr),在加工成浆体状膏体后,充填到井下采空区会造成二次污染,影响地下水环境的安全[5-6],为此需要对煤矿膏体充填对地下水环境影响进行相关理论和实测研究,本文结合山西高河能源有限公司膏体充填实例进行了研究,对评价膏体充填开采的环保型具有重要的意义,有利于矸石膏体充填绿色开采技术的推广。

1 高河能源矸石膏体充填开采工程概况

高河能源是潞安化工集团2012年建成投产的新煤矿,“三下”压煤(建筑物下、铁路下、水体下压煤)十分严重,井田内压煤村庄38座,全矿“三下”压煤总量多达3.72×108t,同时矿井每年面临1.5×106t以上的矸石排外压力,为此高河能源采用矸石膏体充填技术破解以上问题,该项目主要利用废弃的煤矸石制作成膏体,通过管道输送至采空区后部,充填置换出建筑物下压煤资源,达到人与自然和谐共生,环境保护与矿井可持续发展的和谐局面。

高河能源矸石膏体充填项目设计年充填采煤能力达每年1×106t,通过项目实际运行表明效果显著,已经累计处理矸石0.8×106t,置换煤炭资源70余万吨。

在膏体充填过程中,将充填物料搅拌、输送等设备根据充填配比进行充分混合,并通过充填管道将合格膏体输送到指定的采场,这一个完整的过程称为膏体充填工艺流程。在整个过程中,必须通过计量设备与控制设备使各物料精确达到充填配比要求,并安全输送到指定位置。

膏体充填材料的强稳定性使其抵抗分层、离析的能力较强,应用过程中即使在密闭的管道中静止数小时,也不会发生沉淀、分层、离析等现象,应用管道输送不易发生堵塞。膏体充填料浆质量浓度83%左右,正是膏体质量浓度大,其屈服切应力及塑性黏度比较强,必须通过外力克服料浆自身的屈服应用才能流动。其在管道中的流动状态为结构柱塞流,在整个管道中进行整体平推运动,同一横截面上浆体流动速度为常数,质量浓度、流速基本不会发生改变,因此稳定性更高。

膏体充填开采的料浆具有较强的可塑性,可保证料浆在管道输送过程中具有较强的抵抗变形能力,每个断面上的颗粒结构均可抵抗错位变形,虽然在通过管道的弯管、接头等部位时形状有所改变,但是其基本结构、成分等均未发生变化。膏体充填料浆不沉淀、不离析、不脱水,即使质量浓度较高也不会影响其可输送性。膏体料浆中包括细粒级物料,比如粉煤灰,使用这些物料作为骨料,可保证骨料粒径在35 mm以下,大大降低了破碎充填骨料的材料加工成本。充填前无须进行复杂的隔离,也不用建设过滤排水设施,不仅不会影响采煤工作面的结构,而且充填水也不会对井下环境造成污染。

膏体充填料浆初凝时间短,而且可以根据煤矿的实际情况对料浆的配方进行调整,材料的初凝时间、初凝强度及终凝强度也会发生改变,可以保证料浆在更短的时间内对围岩产生支撑力,最大限度上延缓围岩变形,保证下一阶段工作及时进行。

膏体充填材料具有技术特点有:浆体质量浓度83%左右,每方膏体中矸石量1.3～1.4 t,膏体坍落度18～27 cm,泌水率小于3%.

2 矸石膏体与矿井水文地质条件的关系

2.1 适合固废填埋的矿井水文地质条件

矸石基固废膏体充填材料在井下是否会对地下水造成污染,可以从2方面进行分析,一方面是材料本身的毒性浸出值,另一方面是充填区域所处的水文地质条件,是否存在地质屏障作用,对有害物质的浸出、转移有一定的限制作用。

固废充填煤层采空区要求填埋体周围具有较好的地质屏障,从水里和地球化学观点考虑,地层屏障的岩石应由高含量的细粒、黏性岩石组成。封闭岩层可以有效隔断有害物质循环,阻断与含水层的水力通道。此外有研究表明黏土和炭质岩具有很好的重金属吸附效应,有害物质从水中析出后再固结到岩石上,这就是地球化学屏障作用。

在煤系地层中往往局部会有地下水的出现,当采矿活动结束后在地下坑道中会有矿井水积存,如果要限制有害物质析出的滤液进入近地表的地下水,一般没有这种有利的水文地质条件。但是矸石基固废膏体中煤矸石和粉煤灰固废以膏体的形式充至采空区,还经过了水泥或胶结料的固化,在矿井下形成一个大体积密实的固化体,固化体本身就对有害物质的转移析出起到了很好的屏障作用。

2.2 高河能源水文地质条件分析

高河井田位于辛安泉域Ⅲ亚区中西部,除南部有零星基岩出露外,其余地段都被松散层所覆盖。含水层大致分6层,分别是中奥陶统峰峰组石灰岩岩溶裂隙含水层、上石炭统太原组含水层组、下二迭统山西组砂岩裂隙含水层组、下二叠统下石盒子组K8砂岩及K8上砂岩裂隙含水层组、基岩风化带裂隙含水层、松散层孔隙含水层组。

主要的隔水层大致分3层,石炭系上统太原组底部及中统本溪组隔水层、二叠系砂岩含水层层间隔水层、第四系底部及第三系隔水层。

高河能源水文地质条件适合固废填埋的矿井水文地质条件,能够有效限制污染物转移的优良水文地质条件。矸石基固废膏体充填至井下,位于原有煤层所在位置。煤层上下都有一定的隔水层,将含水层与充填体分隔,即使存在一定的断层和陷落,有害物质由于固化稳定化作用浸出量也较少,不会对地下水造成污染。隔水层具有地质屏障作用,在固废有害物质本身含量达标的情况下,又上了一道保险,严格杜绝对地下水的污染。

3 充填膏体中重金属的固化稳定性分析

矸石基固废膏体充填至井下会不会对地下水造成污染是当前需要评价的关键性问题。主要涉及两大方面的问题,一是膏体固化体浸出毒性值能否达到地下水安全指标,二是充填固化体与矿井岩层及水文地质条件的关系。

高河煤矿矸石基固废充填膏体的原材料主要是煤矸石、粉煤灰、胶结料及矿井排水。其中煤矸石和粉煤灰都属于工业固废。从煤矸石和粉煤灰的物质组成来看,煤矸石和粉煤灰中都含有不定量的重金属,若重金属含量超标会对人类健康造成一定的危害。煤矸石和粉煤灰作为原材料配制膏体充入矿井下,必须考虑原材料中重金属对地下水的影响。煤矸石和粉煤灰作为原材料配制的膏体凝结形成的固化体可以看做是一种新的固废。通过检测煤矸石、粉煤灰及固化体的重金属浸出值来评价对地下水的影响。

矸石基固废膏体充填至井下,凝结固化后形成一个大体积、堆积密实的整体,固化体与矿井岩层及水文地质的关系也是环境评价的一个方面。

固化稳定化技术开始应用于污染物的处理,主要包括以下几种类型:水泥固化、石灰固化、塑性材料固化、熔融固化和自胶结固化。其中水泥固化最为常用,水泥固化作为一种无机胶结剂固化技术,其工艺简单、易于操作、费用低廉。

膏体充填材料是在原料中加入胶结料等使之形成固体物质,并在一定程度上其原材料与胶结料进行化学反应实现了裹限作用,有些有害的金属离子会被固定在生成晶体的晶格中,膏体充填材料在一定程度上是属于固化的范畴。

4 充填膏体中重金属对环境影响评价

本项目中选用的检测样品,包括原材料检测和固化体检测。本项目充填膏体属于矸石基固废膏体,涉及的原材料主要是煤矸石、粉煤灰、胶结料和矿井排水。煤矸石主要来源于高河煤矿,可选用的粉煤灰有3家,主要是杨暴电厂粉煤灰、漳山电厂粉煤灰和漳泽电厂粉煤灰,目前主要使用的是杨暴电厂粉煤灰。固化体样品主要是添加杨暴粉煤灰的矸石基膏体和杨暴粉煤灰灰浆。主要检测重金属包括镉、铬、镍、铍、铅、砷、铜、硒、锌、银、汞。这些重金属离子不渗滤,水土污染小膏体充填能够降低重金属离子扩散程度,满足环评要求。膏体不离析,充填料浆中的细颗粒水泥和有害离子不会析出。膏体固结后的致密结构渗透性低,有效封闭重金属离子。

4.1 充填体原材料浸出毒性检测分析

高河能源矸石基膏体固体原材料检测结果见表1.检测结果分析可知,高河煤矸石的pH值为8.58,属于Ⅰ类一般工业固体废物。选用的3种粉煤灰的重金属浸出值均未超过最高允许排放质量浓度,pH值超过9,属于Ⅱ类一般工业固体废物。胶结料属于产品,是膏体中的胶凝材料,其浸出毒性检测值均未超过最高允许排放质量浓度,pH值均超过9.

表1 固体原材料的浸出毒性检测结果

煤矸石的重金属浸出值与地下水指标进行比对结果显示,煤矸石中的砷元素和硒元素轻微超地下水Ⅲ类水指标,未超地下水Ⅳ类水指标,为防止对水质的污染,该类矸石不能直接进行填埋,若填埋,需进行防渗处理。

选用的3种粉煤灰中均出现了铬超标的现象,均超过了地下水类Ⅳ水指标,超过地下水Ⅲ类水指标3～4.6倍。选用的3种粉煤灰也都出现了硒超标的现象,均超过了地下水Ⅳ类水指标,超过地下水Ⅲ类水指标17～33倍。

因此,煤矸石和粉煤灰虽然都属于一般固废,但是不能直接进行填埋处置,即使填埋也需要进行防渗处理。

4.2 充填体重金属浸出毒性检测分析

目前充填使用的膏体主要是矸石基固废膏体,膏体中添加少量粉煤灰,目前选用的粉煤灰主要是杨暴电厂粉煤灰,充填体浸出毒性检测结果见表2.

表2 膏体固化体浸出毒性检测结果

从表中对比结果可以看出,充填体浸出毒性值除硒轻微超标以外,其他指标均未超过地下水Ⅲ类水标准。硒是人体所需要的一种微量元素,是谷胱甘肽过氧化物酶的组分。充填体浸出值中硒虽然超标,但是即使充填体浸出液渗入地下水,在地下水的稀释作用下,硒的存在也不会对人体健康造成危害。充填体的浸出液pH呈碱性,这主要是膏体中胶凝材料的水化反应导致的。此结果是在充填体养护28 d后完全破碎后浸出液的pH值,在实际工程中充填体是一个大面积固化体,与水的接触面积远远小于破碎后,其pH值也低于完全破碎后的pH值,此外随着水化反应的结束和充填体强度的不断增长,pH值不会持续增长。

4.3 充填体重金属固化效果分析

从原材料浸出毒性值分析可知,煤矸石中砷元素和硒元素轻微超地下水Ⅲ类水指标;粉煤灰中铬元素和硒元素超地下水Ⅳ类水指标。原材料不能直接填埋,但是可利用固化稳定化技术对其超标元素进行固化包裹处理,处理后可达填埋标准。充填膏体的凝结固化过程就相当于是重金属元素的固化稳定化技术。以超标元素为例,比对原材料和充填体元素含量值,对比结果见表3、图1和图2.

图1 杨暴粉煤灰和充填体中铬元素对比图

图2 杨暴粉煤灰和充填体中硒元素对比图

表3 煤矸石与矸石浆充填体砷元素、硒元素含量对比

从表3中可以看出,煤矸石砷和硒元素轻微超地下水Ⅲ类水指标,远低于地下水Ⅳ类水指标,通过胶结料的固化作用,矸石浆充填体浸出液中没有检出砷元素,监测硒元素含量也较低,充填体固化效果很好。

从图1中可以看出,杨暴粉煤灰铬元素严重超标,超地下水Ⅲ类水指标4倍,超地下水Ⅳ类水指标2倍,但是添加粉煤灰的矸石浆充填体和粉煤灰浆充填体铬元素均未超标。充填体名称中的数值代表的是胶结料的用量,随着胶结料即固化剂的用量增加,铬元素的浸出值越小,固化效果越好。

从图2中柱形图明显的看出,杨暴粉煤灰硒元素严重超标,超地下水Ⅲ类水指标45倍,超地下水Ⅳ类水指标4.5倍,但是添加粉煤灰的矸石浆充填体和粉煤灰浆充填体硒元素浸出量大大降低,虽然有3个充填体中硒元素轻微超标Ⅲ类水指标,但未超标Ⅳ类水指标。充填体名称中的数值代表的是胶结料的用量,硒元素的浸出量随着胶结料即固化剂的用量增加,浸出值越小,当固化剂的量达到一定量时可以实现硒元素的不超标效果。可以通过增加胶结料的用量来减少硒元素的浸出量,增加固化稳定效果。

总之,利用国标浸出方法-水平振荡法对煤矸石、粉煤灰、矿井排水、胶结料及膏体充填体浸出毒性进行浸出和分析,结果显示煤矸石和粉煤灰浸出液中都有2种元素超标,但是配制成膏体后,经过膏体凝结固化后浸出液中除了硒元素轻微超标Ⅲ类水指标,远低于Ⅳ类水指标外,其他元素的浸出值均可以满足地下水Ⅲ类水指标。膏体固化对重金属的固化稳定化效果很好,固化效果随固化剂胶结料的用量增加而增强。

5 结 语

1) 矸石基固废膏体中使用的原材料煤矸石和粉煤灰都属于一般工业固废,浸出毒性检测出重金属元素,且超出了地下水Ⅲ类水指标,原则上煤矸石和粉煤灰不能直接填埋于地下或矿井采空区。

2) 高河能源水文地质显示,含水层与隔水层呈平行复合结构,隔水层具有地质屏障作用,充填体与含水层没有直接联系,充填体中重金属不会对地下水造成污染。

3) 最大极限毒性浸出显示,膏体充填体的重金属浸出毒性值明显低于原材料中相同元素的浸出值,膏体的固化过程对重金属的固化稳定化作用很大。

4) 煤矸石和粉煤灰配制的矸石基固废膏体充填体浸出毒性检测结果显示,最大极限浸出中充填体中的重金属元素可以满足地下水Ⅲ类水指标,膏体充填开采可以控制重金属对井下水环境的影响,不会对地下水环境造成污染。

5) 膏体充填开采进行相应的环评程序,做到从源头保护生态环境。