祁鵬飛，康靜文

（太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

隨著煤粉鍋爐的推廣應(yīng)用，其附屬產(chǎn)物粉煤灰的處置問(wèn)題顯得尤為突出?？紤]到煤礦煤層自燃的問(wèn)題，部分礦井考慮利用粉煤灰進(jìn)行礦井灌漿防滅火，但運(yùn)用粉煤灰灌漿是否會(huì)對(duì)地下水產(chǎn)生影響尚未有相關(guān)研究。下面針對(duì)利用粉煤灰礦井灌漿防滅火對(duì)地下水的影響進(jìn)行探討。

1 粉煤灰的形成

煤粉在燃燒時(shí)，煤粉中的不可燃物大量混雜在高溫?zé)煔庵?，受高溫作用后部分熔融，由于表面張力的作用，形成大量?xì)小的球形顆粒。隨著煙氣溫度的降低，部分熔融的細(xì)粒因急冷呈玻璃體狀態(tài)，經(jīng)過(guò)除塵器被分離、收集，形成粉煤灰。煤粉經(jīng)過(guò)燃燒后，有害的重金屬和放射性物質(zhì)以較高濃度留存于粉煤灰中。粉煤灰的主要成 分 是 SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，CaO，MgO，K2O，Na2O 和 SO3等，此外還含有 Ba，B，Cr，Co，Cu，Mn，Mo，Ni，V，Zn，硫酸鹽和氟化物等金屬元素及化合物。Th和U等放射性元素也會(huì)留存在粉煤灰中[1]。

2 粉煤灰灌漿工藝流程

預(yù)防性灌漿是將水、漿材按適當(dāng)比例混合，配制成一定濃度的漿液，借助輸漿管路輸送到可能發(fā)生自燃的區(qū)域，以防止煤炭自燃，這是目前使用最為廣泛、效果最好的一種技術(shù)。將灌漿材料運(yùn)送至井口料場(chǎng)，在配料站用高壓水槍沖刷灌漿材料并攪拌成灰漿，經(jīng)注漿管路送入井下，利用井下注漿系統(tǒng)，通過(guò)管路運(yùn)輸漿體至注漿現(xiàn)場(chǎng)，把漿液注入采空區(qū)或巷道等防滅火地點(diǎn)。

3 粉煤灰灌漿對(duì)地下水的影響

煤礦在開(kāi)采過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生人為導(dǎo)水通道，增大含水層間的水力聯(lián)系，地下水地球化學(xué)環(huán)境由封閉變得相對(duì)開(kāi)啟，天然的還原狀態(tài)變?yōu)殚_(kāi)放的氧化狀態(tài)。由于煤層中所含硫元素的影響，上覆巖層來(lái)水表現(xiàn)為偏酸性，約為 6.4[9]。

灌漿結(jié)束后，漿體處于地下環(huán)境中，主要受來(lái)自于上覆巖層水的淋濾。山西省各地區(qū)所開(kāi)采的煤層主要涉及K6，K7，K8和K9等砂巖含水層，淺部含裂隙潛水，深部含裂隙承壓水。下石盒子組以K4等砂巖為主要含水層，富水性弱，主要隔水層為本溪組地層。在淋濾條件下，漿體中部分元素會(huì)被浸出。對(duì)地下水造成影響的因素有：重金屬、氟化物以及放射性物質(zhì)。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)關(guān)于粉煤灰在淋濾條件下的浸出進(jìn)行了研究。Hjelamr[2]的研究表明：As，Cr，Mo，Se和 V 在堿性環(huán)境中有一定溶出；Ca2+，SO2-，As，B，Cd，Cr，Cu，Mo，Ni，Pb，Se 和 V 的濃度隨液固比的上升而降低。Kim[3]利用柱淋濾試驗(yàn)研究得出：As，Sb和Se在堿性環(huán)境中的濾出大于酸性和中性環(huán)境；Cd，F(xiàn)e和室Pb等元素的淋出較小，Cr，Mg，Mn和Zn等元素在酸性條件下微溶，而在堿性條件下基本不可溶。

3.1 重金屬的淋濾

龔勛[4]通過(guò)對(duì)粉煤灰中重金屬元素淋濾特性研究，表明粉煤灰灰場(chǎng)灰樣中重金屬的遷移規(guī)律為：Cd＞Zn＞Cu＞Pb＞Cr＞Co。

3.1.1 Cd的淋濾

根據(jù)龔勛等人的研究成果可知，粉煤灰眾多重金屬元素中Cd具有較強(qiáng)的遷移性，遷移率達(dá)到52%。但黃存捍等[5]認(rèn)為粉煤灰中Cd雖然含量偏高，但遷移性很弱，這是由于所采用的粉煤灰試樣的pH值偏高。

龔勛認(rèn)為，Cd的淋出率隨pH值的升高而降低，尤其是pH值為11.45時(shí)，基本未檢測(cè)出Cd的濾出，因此，在堿性條件下，粉煤灰中的Cd非常穩(wěn)定，當(dāng)pH值為11.45時(shí)不發(fā)生遷移。

3.1.2 Cr6+的淋濾

范俊玲等[6]對(duì)老灰和新灰進(jìn)行了浸溶和淋濾試驗(yàn)，均有Cr6+溶出，新老灰淋濾能力分別為0.794 μg/g和0.823 μg/g。蔣和平等[7]對(duì)粉煤灰進(jìn)行了淋溶試驗(yàn)并對(duì)Cr6+進(jìn)行了淋濾試驗(yàn)，結(jié)果表明，長(zhǎng)期處于堿性條件下有利于Cr6+的存在。

3.1.3 Pb的淋濾

程艷坤等[8]針對(duì)粉煤灰中的Pb進(jìn)行了淋濾試驗(yàn)，結(jié)果表明：粉煤灰的淋溶液中，重金屬Pb在沒(méi)有生物富集和其他積累作用下不會(huì)對(duì)水環(huán)境產(chǎn)生污染。這是由于沒(méi)有考慮到pH值的影響所造成的。

當(dāng)pH值在9.88～10.27之間時(shí)，粉煤灰中重金屬的淋出率都很低，甚至有的重金屬元素基本沒(méi)有淋出，同時(shí)淋出率隨淋濾液固比增大而增大。

因此，在淋濾條件沒(méi)有控制好的情況下，粉煤灰中部分重金屬元素浸出，對(duì)地下水造成影響，但如果能合理調(diào)整淋濾條件，可有效降低重金屬元素對(duì)地下水的污染。

3.2 氟化物對(duì)地下水的影響

時(shí)紅等[10]通過(guò)對(duì)太原二電廠陽(yáng)坡溝粉煤灰灰場(chǎng)灰水下滲的測(cè)量，灰水中氟化物濃度1.78 mg/L，模型計(jì)算在21年后，在三種不同滲透系數(shù)10-2m/d，10-4m/d和10-6m/d條件下，進(jìn)入含水層中氟離子的質(zhì)量濃度分別為1.39 mg/L，1.32 mg/L和1.22 mg/L。黃爽等[11]對(duì)粉煤灰灰場(chǎng)中周?chē)叵滤M(jìn)行了測(cè)量，其中所含的氟化物幾乎都大于《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的1 mg/L。此外，張紅等[12]對(duì)神頭二電廠的粉煤灰灰場(chǎng)灰水進(jìn)行測(cè)量，灰水進(jìn)口處氟離子的濃度高達(dá)3.33 mg/L，灰水出口處氟離子濃度為2.43 mg/L。許佩瑤等[13]對(duì)保定熱電廠儲(chǔ)灰場(chǎng)灰水中的氟化物進(jìn)行測(cè)量，濃度為3.32 mg/L。

由此可見(jiàn)，粉煤灰中含有較多氟離子。在淋濾條件下，將會(huì)有很高濃度的氟離子浸出，雖然在下滲過(guò)程中會(huì)有所減少，但仍然會(huì)對(duì)地下水產(chǎn)生污染。

3.3 放射性物質(zhì)對(duì)地下水的影響

孫中惠等[14]對(duì)蘭村水源地帶進(jìn)行了放射性污染源的分析研究，研究表明：粉煤灰堆放處地下水總α放射性濃度明顯偏高，粉煤灰堆放時(shí)間越長(zhǎng)，水體中總β放射性濃度越大?！兜叵滤|(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，Ⅲ類(lèi)水總α比活度不大于0.1 Bq/L，總β比活度不大于1.0 Bq/L。而粉煤灰堆放處部分區(qū)域的污水總α比活度為0.11 Bq/L，總β比活度為0.18 Bq/L，均超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)。

研究還表明，粉煤灰的放射性比活度及與其接觸水體的放射性要比周?chē)腆w高，放射性物質(zhì)隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)、攪拌強(qiáng)度增大而增加。

由此可見(jiàn)，在灌漿結(jié)束后，淋濾液隨著時(shí)間的推移，放射性污染有加劇的趨勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

由于上覆巖層水的pH值特性以及粉煤成分含量的特殊性，粉煤灰作為煤礦礦井防滅火灌漿材料，灌漿結(jié)束后，在淋濾條件下會(huì)淋濾出眾多的重金屬元素以及氟化物，造成對(duì)地下水的污染，甚至還會(huì)對(duì)地下水造成放射性污染。因此，在未采取任何有效防治措施的前提下，從保護(hù)地下水的角度來(lái)講，建議不采用粉煤灰作為灌漿材料來(lái)防滅火。

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[2]Hjelamr,o.Leachate from Land Disposal of Fly Ash[J].Waste Mangement and Reseach,1990（8）:429-449.

[3]Kim,A.G,Kazonich,G,Dahlberg,M.Relative solubility of cations in Class F fly ash[J].Environmental Science&Technology.2003，37（19）:4507-4511.

[4]龔勛.典型西部粉煤灰中重金屬元素淋濾特性研究[D].華中科技大學(xué)博士學(xué)論文，2010.

[5]黃存捍，鄧寅生，黃俊雄.粉煤灰井下填充的環(huán)境影響及控制實(shí)驗(yàn)研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2004（1）:4-22.

[6]范俊玲，朱利霞.粉煤灰堆放場(chǎng)Cr6+離子的溶出規(guī)律[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（5）:98-100.

[7]蔣和平，職音，郭慧霞，等.火電廠粉煤灰中Cr6+遷移規(guī)律的試驗(yàn)研究[J].焦作工學(xué)院學(xué)報(bào)，2002（4）:262-265.

[8]程艷坤，趙文霞，李麗，等.粉煤灰中有害元素淋濾實(shí)驗(yàn)研究[J].河北化工，2008（3）:23-24.

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[12]張紅，上官鐵梁.神頭二電廠灰場(chǎng)植物群落分析研究[J].西北植物學(xué)報(bào)，2002（5）:1109-1114.

[13]許佩瑤，朱洪濤.保定電廠沖灰水下滲污染地下水的數(shù)學(xué)模型[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2003（6）:6-8.

[14]孫中惠，郭建新，馮金仙.粉煤灰對(duì)太原市地下水造成的放射性污染[J].華北地質(zhì)礦產(chǎn)雜志，1996（2）:199-208.