煤礦膏體充填對地下水環境影響研究

牛麗菊,鄭帥亮

(1.山西中礦充填科技有限公司,山西 長治 046699;2.山西高河能源有限公司,山西 長治 046100)

隨著社會經濟的發展,環境保護越來越受到社會的關注,傳統的煤礦開采帶來了種種問題,不僅導致地面塌陷、房屋倒塌、良田損壞,同時矸石外排面臨著污染環境。在十九大報告中,習近平總書記明確提出“綠水青山就是金山銀山”的發展理念,為此在煤炭行業興起了加強固體廢棄物和垃圾處置,推進資源全面節約和循環利用的熱潮,煤礦綠色開采進入了新篇章。

作為目前我國煤炭綠色開采主要技術之一的矸石膏體充填開采也受到多數煤礦的認可[1-4],矸石膏體充填技術就是將矸石破碎成粉料狀成品材料,與粉煤灰、膠結料和水按照一定比例加工成一種無臨界流速的膏體狀漿體,利用充填泵或自重,通過充填管路從地面充填站泵送至井下充填工作面,達到以矸石膏體置換煤炭資源的目的,膏體凝固后支撐上覆巖層,保護地表建筑物的一種開采技術。該技術目前已經在山東淄礦集團岱莊煤礦、許廠煤礦、葛亭煤礦,榆林麻黃梁煤礦、榆林二墩煤礦山西高河能源有限公司等多家煤礦成功應用,由于矸石或者粉煤灰中可能存在重金屬(如Pb,Sn,As,Cr),在加工成漿體狀膏體后,充填到井下采空區會造成二次污染,影響地下水環境的安全[5-6],為此需要對煤礦膏體充填對地下水環境影響進行相關理論和實測研究,本文結合山西高河能源有限公司膏體充填實例進行了研究,對評價膏體充填開采的環保型具有重要的意義,有利于矸石膏體充填綠色開采技術的推廣。

1 高河能源矸石膏體充填開采工程概況

高河能源是潞安化工集團2012年建成投產的新煤礦,“三下”壓煤(建筑物下、鐵路下、水體下壓煤)十分嚴重,井田內壓煤村莊38座,全礦“三下”壓煤總量多達3.72×108t,同時礦井每年面臨1.5×106t以上的矸石排外壓力,為此高河能源采用矸石膏體充填技術破解以上問題,該項目主要利用廢棄的煤矸石制作成膏體,通過管道輸送至采空區后部,充填置換出建筑物下壓煤資源,達到人與自然和諧共生,環境保護與礦井可持續發展的和諧局面。

高河能源矸石膏體充填項目設計年充填采煤能力達每年1×106t,通過項目實際運行表明效果顯著,已經累計處理矸石0.8×106t,置換煤炭資源70余萬噸。

在膏體充填過程中,將充填物料攪拌、輸送等設備根據充填配比進行充分混合,并通過充填管道將合格膏體輸送到指定的采場,這一個完整的過程稱為膏體充填工藝流程。在整個過程中,必須通過計量設備與控制設備使各物料精確達到充填配比要求,并安全輸送到指定位置。

膏體充填材料的強穩定性使其抵抗分層、離析的能力較強,應用過程中即使在密閉的管道中靜止數小時,也不會發生沉淀、分層、離析等現象,應用管道輸送不易發生堵塞。膏體充填料漿質量濃度83%左右,正是膏體質量濃度大,其屈服切應力及塑性黏度比較強,必須通過外力克服料漿自身的屈服應用才能流動。其在管道中的流動狀態為結構柱塞流,在整個管道中進行整體平推運動,同一橫截面上漿體流動速度為常數,質量濃度、流速基本不會發生改變,因此穩定性更高。

膏體充填開采的料漿具有較強的可塑性,可保證料漿在管道輸送過程中具有較強的抵抗變形能力,每個斷面上的顆粒結構均可抵抗錯位變形,雖然在通過管道的彎管、接頭等部位時形狀有所改變,但是其基本結構、成分等均未發生變化。膏體充填料漿不沉淀、不離析、不脫水,即使質量濃度較高也不會影響其可輸送性。膏體料漿中包括細粒級物料,比如粉煤灰,使用這些物料作為骨料,可保證骨料粒徑在35 mm以下,大大降低了破碎充填骨料的材料加工成本。充填前無須進行復雜的隔離,也不用建設過濾排水設施,不僅不會影響采煤工作面的結構,而且充填水也不會對井下環境造成污染。

膏體充填料漿初凝時間短,而且可以根據煤礦的實際情況對料漿的配方進行調整,材料的初凝時間、初凝強度及終凝強度也會發生改變,可以保證料漿在更短的時間內對圍巖產生支撐力,最大限度上延緩圍巖變形,保證下一階段工作及時進行。

膏體充填材料具有技術特點有:漿體質量濃度83%左右,每方膏體中矸石量1.3～1.4 t,膏體坍落度18～27 cm,泌水率小于3%.

2 矸石膏體與礦井水文地質條件的關系

2.1 適合固廢填埋的礦井水文地質條件

矸石基固廢膏體充填材料在井下是否會對地下水造成污染,可以從2方面進行分析,一方面是材料本身的毒性浸出值,另一方面是充填區域所處的水文地質條件,是否存在地質屏障作用,對有害物質的浸出、轉移有一定的限制作用。

固廢充填煤層采空區要求填埋體周圍具有較好的地質屏障,從水里和地球化學觀點考慮,地層屏障的巖石應由高含量的細粒、黏性巖石組成。封閉巖層可以有效隔斷有害物質循環,阻斷與含水層的水力通道。此外有研究表明黏土和炭質巖具有很好的重金屬吸附效應,有害物質從水中析出后再固結到巖石上,這就是地球化學屏障作用。

在煤系地層中往往局部會有地下水的出現,當采礦活動結束后在地下坑道中會有礦井水積存,如果要限制有害物質析出的濾液進入近地表的地下水,一般沒有這種有利的水文地質條件。但是矸石基固廢膏體中煤矸石和粉煤灰固廢以膏體的形式充至采空區,還經過了水泥或膠結料的固化,在礦井下形成一個大體積密實的固化體,固化體本身就對有害物質的轉移析出起到了很好的屏障作用。

2.2 高河能源水文地質條件分析

高河井田位于辛安泉域Ⅲ亞區中西部,除南部有零星基巖出露外,其余地段都被松散層所覆蓋。含水層大致分6層,分別是中奧陶統峰峰組石灰巖巖溶裂隙含水層、上石炭統太原組含水層組、下二迭統山西組砂巖裂隙含水層組、下二疊統下石盒子組K8砂巖及K8上砂巖裂隙含水層組、基巖風化帶裂隙含水層、松散層孔隙含水層組。

主要的隔水層大致分3層,石炭系上統太原組底部及中統本溪組隔水層、二疊系砂巖含水層層間隔水層、第四系底部及第三系隔水層。

高河能源水文地質條件適合固廢填埋的礦井水文地質條件,能夠有效限制污染物轉移的優良水文地質條件。矸石基固廢膏體充填至井下,位于原有煤層所在位置。煤層上下都有一定的隔水層,將含水層與充填體分隔,即使存在一定的斷層和陷落,有害物質由于固化穩定化作用浸出量也較少,不會對地下水造成污染。隔水層具有地質屏障作用,在固廢有害物質本身含量達標的情況下,又上了一道保險,嚴格杜絕對地下水的污染。

3 充填膏體中重金屬的固化穩定性分析

矸石基固廢膏體充填至井下會不會對地下水造成污染是當前需要評價的關鍵性問題。主要涉及兩大方面的問題,一是膏體固化體浸出毒性值能否達到地下水安全指標,二是充填固化體與礦井巖層及水文地質條件的關系。

高河煤礦矸石基固廢充填膏體的原材料主要是煤矸石、粉煤灰、膠結料及礦井排水。其中煤矸石和粉煤灰都屬于工業固廢。從煤矸石和粉煤灰的物質組成來看,煤矸石和粉煤灰中都含有不定量的重金屬,若重金屬含量超標會對人類健康造成一定的危害。煤矸石和粉煤灰作為原材料配制膏體充入礦井下,必須考慮原材料中重金屬對地下水的影響。煤矸石和粉煤灰作為原材料配制的膏體凝結形成的固化體可以看做是一種新的固廢。通過檢測煤矸石、粉煤灰及固化體的重金屬浸出值來評價對地下水的影響。

矸石基固廢膏體充填至井下,凝結固化后形成一個大體積、堆積密實的整體,固化體與礦井巖層及水文地質的關系也是環境評價的一個方面。

固化穩定化技術開始應用于污染物的處理,主要包括以下幾種類型:水泥固化、石灰固化、塑性材料固化、熔融固化和自膠結固化。其中水泥固化最為常用,水泥固化作為一種無機膠結劑固化技術,其工藝簡單、易于操作、費用低廉。

膏體充填材料是在原料中加入膠結料等使之形成固體物質,并在一定程度上其原材料與膠結料進行化學反應實現了裹限作用,有些有害的金屬離子會被固定在生成晶體的晶格中,膏體充填材料在一定程度上是屬于固化的范疇。

4 充填膏體中重金屬對環境影響評價

本項目中選用的檢測樣品,包括原材料檢測和固化體檢測。本項目充填膏體屬于矸石基固廢膏體,涉及的原材料主要是煤矸石、粉煤灰、膠結料和礦井排水。煤矸石主要來源于高河煤礦,可選用的粉煤灰有3家,主要是楊暴電廠粉煤灰、漳山電廠粉煤灰和漳澤電廠粉煤灰,目前主要使用的是楊暴電廠粉煤灰。固化體樣品主要是添加楊暴粉煤灰的矸石基膏體和楊暴粉煤灰灰漿。主要檢測重金屬包括鎘、鉻、鎳、鈹、鉛、砷、銅、硒、鋅、銀、汞。這些重金屬離子不滲濾,水土污染小膏體充填能夠降低重金屬離子擴散程度,滿足環評要求。膏體不離析,充填料漿中的細顆粒水泥和有害離子不會析出。膏體固結后的致密結構滲透性低,有效封閉重金屬離子。

4.1 充填體原材料浸出毒性檢測分析

高河能源矸石基膏體固體原材料檢測結果見表1.檢測結果分析可知,高河煤矸石的pH值為8.58,屬于Ⅰ類一般工業固體廢物。選用的3種粉煤灰的重金屬浸出值均未超過最高允許排放質量濃度,pH值超過9,屬于Ⅱ類一般工業固體廢物。膠結料屬于產品,是膏體中的膠凝材料,其浸出毒性檢測值均未超過最高允許排放質量濃度,pH值均超過9.

表1 固體原材料的浸出毒性檢測結果

煤矸石的重金屬浸出值與地下水指標進行比對結果顯示,煤矸石中的砷元素和硒元素輕微超地下水Ⅲ類水指標,未超地下水Ⅳ類水指標,為防止對水質的污染,該類矸石不能直接進行填埋,若填埋,需進行防滲處理。

選用的3種粉煤灰中均出現了鉻超標的現象,均超過了地下水類Ⅳ水指標,超過地下水Ⅲ類水指標3～4.6倍。選用的3種粉煤灰也都出現了硒超標的現象,均超過了地下水Ⅳ類水指標,超過地下水Ⅲ類水指標17～33倍。

因此,煤矸石和粉煤灰雖然都屬于一般固廢,但是不能直接進行填埋處置,即使填埋也需要進行防滲處理。

4.2 充填體重金屬浸出毒性檢測分析

目前充填使用的膏體主要是矸石基固廢膏體,膏體中添加少量粉煤灰,目前選用的粉煤灰主要是楊暴電廠粉煤灰,充填體浸出毒性檢測結果見表2.

表2 膏體固化體浸出毒性檢測結果

從表中對比結果可以看出,充填體浸出毒性值除硒輕微超標以外,其他指標均未超過地下水Ⅲ類水標準。硒是人體所需要的一種微量元素,是谷胱甘肽過氧化物酶的組分。充填體浸出值中硒雖然超標,但是即使充填體浸出液滲入地下水,在地下水的稀釋作用下,硒的存在也不會對人體健康造成危害。充填體的浸出液pH呈堿性,這主要是膏體中膠凝材料的水化反應導致的。此結果是在充填體養護28 d后完全破碎后浸出液的pH值,在實際工程中充填體是一個大面積固化體,與水的接觸面積遠遠小于破碎后,其pH值也低于完全破碎后的pH值,此外隨著水化反應的結束和充填體強度的不斷增長,pH值不會持續增長。

4.3 充填體重金屬固化效果分析

從原材料浸出毒性值分析可知,煤矸石中砷元素和硒元素輕微超地下水Ⅲ類水指標;粉煤灰中鉻元素和硒元素超地下水Ⅳ類水指標。原材料不能直接填埋,但是可利用固化穩定化技術對其超標元素進行固化包裹處理,處理后可達填埋標準。充填膏體的凝結固化過程就相當于是重金屬元素的固化穩定化技術。以超標元素為例,比對原材料和充填體元素含量值,對比結果見表3、圖1和圖2.

圖1 楊暴粉煤灰和充填體中鉻元素對比圖

圖2 楊暴粉煤灰和充填體中硒元素對比圖

表3 煤矸石與矸石漿充填體砷元素、硒元素含量對比

從表3中可以看出,煤矸石砷和硒元素輕微超地下水Ⅲ類水指標,遠低于地下水Ⅳ類水指標,通過膠結料的固化作用,矸石漿充填體浸出液中沒有檢出砷元素,監測硒元素含量也較低,充填體固化效果很好。

從圖1中可以看出,楊暴粉煤灰鉻元素嚴重超標,超地下水Ⅲ類水指標4倍,超地下水Ⅳ類水指標2倍,但是添加粉煤灰的矸石漿充填體和粉煤灰漿充填體鉻元素均未超標。充填體名稱中的數值代表的是膠結料的用量,隨著膠結料即固化劑的用量增加,鉻元素的浸出值越小,固化效果越好。

從圖2中柱形圖明顯的看出,楊暴粉煤灰硒元素嚴重超標,超地下水Ⅲ類水指標45倍,超地下水Ⅳ類水指標4.5倍,但是添加粉煤灰的矸石漿充填體和粉煤灰漿充填體硒元素浸出量大大降低,雖然有3個充填體中硒元素輕微超標Ⅲ類水指標,但未超標Ⅳ類水指標。充填體名稱中的數值代表的是膠結料的用量,硒元素的浸出量隨著膠結料即固化劑的用量增加,浸出值越小,當固化劑的量達到一定量時可以實現硒元素的不超標效果?？梢酝ㄟ^增加膠結料的用量來減少硒元素的浸出量,增加固化穩定效果。

總之,利用國標浸出方法-水平振蕩法對煤矸石、粉煤灰、礦井排水、膠結料及膏體充填體浸出毒性進行浸出和分析,結果顯示煤矸石和粉煤灰浸出液中都有2種元素超標,但是配制成膏體后,經過膏體凝結固化后浸出液中除了硒元素輕微超標Ⅲ類水指標,遠低于Ⅳ類水指標外,其他元素的浸出值均可以滿足地下水Ⅲ類水指標。膏體固化對重金屬的固化穩定化效果很好,固化效果隨固化劑膠結料的用量增加而增強。

5 結 語

1) 矸石基固廢膏體中使用的原材料煤矸石和粉煤灰都屬于一般工業固廢,浸出毒性檢測出重金屬元素,且超出了地下水Ⅲ類水指標,原則上煤矸石和粉煤灰不能直接填埋于地下或礦井采空區。

2) 高河能源水文地質顯示,含水層與隔水層呈平行復合結構,隔水層具有地質屏障作用,充填體與含水層沒有直接聯系,充填體中重金屬不會對地下水造成污染。

3) 最大極限毒性浸出顯示,膏體充填體的重金屬浸出毒性值明顯低于原材料中相同元素的浸出值,膏體的固化過程對重金屬的固化穩定化作用很大。

4) 煤矸石和粉煤灰配制的矸石基固廢膏體充填體浸出毒性檢測結果顯示,最大極限浸出中充填體中的重金屬元素可以滿足地下水Ⅲ類水指標,膏體充填開采可以控制重金屬對井下水環境的影響,不會對地下水環境造成污染。

5) 膏體充填開采進行相應的環評程序,做到從源頭保護生態環境。