牛麗菊,鄭帥亮

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

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,環(huán)境保護(hù)越來(lái)越受到社會(huì)的關(guān)注,傳統(tǒng)的煤礦開(kāi)采帶來(lái)了種種問(wèn)題,不僅導(dǎo)致地面塌陷、房屋倒塌、良田損壞,同時(shí)矸石外排面臨著污染環(huán)境。在十九大報(bào)告中,習(xí)近平總書(shū)記明確提出“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念,為此在煤炭行業(yè)興起了加強(qiáng)固體廢棄物和垃圾處置,推進(jìn)資源全面節(jié)約和循環(huán)利用的熱潮,煤礦綠色開(kāi)采進(jìn)入了新篇章。

作為目前我國(guó)煤炭綠色開(kāi)采主要技術(shù)之一的矸石膏體充填開(kāi)采也受到多數(shù)煤礦的認(rèn)可[1-4],矸石膏體充填技術(shù)就是將矸石破碎成粉料狀成品材料,與粉煤灰、膠結(jié)料和水按照一定比例加工成一種無(wú)臨界流速的膏體狀漿體,利用充填泵或自重,通過(guò)充填管路從地面充填站泵送至井下充填工作面,達(dá)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(hù)地表建筑物的一種開(kāi)采技術(shù)。該技術(shù)目前已經(jīng)在山東淄礦集團(tuán)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(yīng)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(qū)會(huì)造成二次污染,影響地下水環(huán)境的安全[5-6],為此需要對(duì)煤礦膏體充填對(duì)地下水環(huán)境影響進(jìn)行相關(guān)理論和實(shí)測(cè)研究,本文結(jié)合山西高河能源有限公司膏體充填實(shí)例進(jìn)行了研究,對(duì)評(píng)價(jià)膏體充填開(kāi)采的環(huán)保型具有重要的意義,有利于矸石膏體充填綠色開(kāi)采技術(shù)的推廣。

1 高河能源矸石膏體充填開(kāi)采工程概況

高河能源是潞安化工集團(tuán)2012年建成投產(chǎn)的新煤礦,“三下”壓煤(建筑物下、鐵路下、水體下壓煤)十分嚴(yán)重,井田內(nèi)壓煤村莊38座,全礦“三下”壓煤總量多達(dá)3.72×108t,同時(shí)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(shù)破解以上問(wèn)題,該項(xiàng)目主要利用廢棄的煤矸石制作成膏體,通過(guò)管道輸送至采空區(qū)后部,充填置換出建筑物下壓煤資源,達(dá)到人與自然和諧共生,環(huán)境保護(hù)與礦井可持續(xù)發(fā)展的和諧局面。

高河能源矸石膏體充填項(xiàng)目設(shè)計(jì)年充填采煤能力達(dá)每年1×106t,通過(guò)項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行表明效果顯著,已經(jīng)累計(jì)處理矸石0.8×106t,置換煤炭資源70余萬(wàn)噸。

在膏體充填過(guò)程中,將充填物料攪拌、輸送等設(shè)備根據(jù)充填配比進(jìn)行充分混合,并通過(guò)充填管道將合格膏體輸送到指定的采場(chǎng),這一個(gè)完整的過(guò)程稱為膏體充填工藝流程。在整個(gè)過(guò)程中,必須通過(guò)計(jì)量設(shè)備與控制設(shè)備使各物料精確達(dá)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(qiáng)穩(wěn)定性使其抵抗分層、離析的能力較強(qiáng),應(yīng)用過(guò)程中即使在密閉的管道中靜止數(shù)小時(shí),也不會(huì)發(fā)生沉淀、分層、離析等現(xiàn)象,應(yīng)用管道輸送不易發(fā)生堵塞。膏體充填料漿質(zhì)量濃度83%左右,正是膏體質(zhì)量濃度大,其屈服切應(yīng)力及塑性黏度比較強(qiáng),必須通過(guò)外力克服料漿自身的屈服應(yīng)用才能流動(dòng)。其在管道中的流動(dòng)狀態(tài)為結(jié)構(gòu)柱塞流,在整個(gè)管道中進(jìn)行整體平推運(yùn)動(dòng),同一橫截面上漿體流動(dòng)速度為常數(shù),質(zhì)量濃度、流速基本不會(huì)發(fā)生改變,因此穩(wěn)定性更高。

膏體充填開(kāi)采的料漿具有較強(qiáng)的可塑性,可保證料漿在管道輸送過(guò)程中具有較強(qiáng)的抵抗變形能力,每個(gè)斷面上的顆粒結(jié)構(gòu)均可抵抗錯(cuò)位變形,雖然在通過(guò)管道的彎管、接頭等部位時(shí)形狀有所改變,但是其基本結(jié)構(gòu)、成分等均未發(fā)生變化。膏體充填料漿不沉淀、不離析、不脫水,即使質(zhì)量濃度較高也不會(huì)影響其可輸送性。膏體料漿中包括細(xì)粒級(jí)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(wú)須進(jìn)行復(fù)雜的隔離,也不用建設(shè)過(guò)濾排水設(shè)施,不僅不會(huì)影響采煤工作面的結(jié)構(gòu),而且充填水也不會(huì)對(duì)井下環(huán)境造成污染。

膏體充填料漿初凝時(shí)間短,而且可以根據(jù)煤礦的實(shí)際情況對(duì)料漿的配方進(jìn)行調(diào)整,材料的初凝時(shí)間、初凝強(qiáng)度及終凝強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生改變,可以保證料漿在更短的時(shí)間內(nèi)對(duì)圍巖產(chǎn)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(shí)進(jìn)行。

膏體充填材料具有技術(shù)特點(diǎn)有:漿體質(zhì)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(zhì)條件的關(guān)系

2.1 適合固廢填埋的礦井水文地質(zhì)條件

矸石基固廢膏體充填材料在井下是否會(huì)對(duì)地下水造成污染,可以從2方面進(jìn)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(qū)域所處的水文地質(zhì)條件,是否存在地質(zhì)屏障作用,對(duì)有害物質(zhì)的浸出、轉(zhuǎn)移有一定的限制作用。

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

在煤系地層中往往局部會(huì)有地下水的出現(xiàn),當(dāng)采礦活動(dòng)結(jié)束后在地下坑道中會(huì)有礦井水積存,如果要限制有害物質(zhì)析出的濾液進(jìn)入近地表的地下水,一般沒(méi)有這種有利的水文地質(zhì)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(qū),還經(jīng)過(guò)了水泥或膠結(jié)料的固化,在礦井下形成一個(gè)大體積密實(shí)的固化體,固化體本身就對(duì)有害物質(zhì)的轉(zhuǎn)移析出起到了很好的屏障作用。

2.2 高河能源水文地質(zhì)條件分析

高河井田位于辛安泉域Ⅲ亞區(qū)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(tǒng)峰峰組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層、上石炭統(tǒng)太原組含水層組、下二迭統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水層組、下二疊統(tǒng)下石盒子組K8砂巖及K8上砂巖裂隙含水層組、基巖風(fēng)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(tǒng)太原組底部及中統(tǒng)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(zhì)條件適合固廢填埋的礦井水文地質(zhì)條件,能夠有效限制污染物轉(zhuǎn)移的優(yōu)良水文地質(zhì)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(zhì)由于固化穩(wěn)定化作用浸出量也較少,不會(huì)對(duì)地下水造成污染。隔水層具有地質(zhì)屏障作用,在固廢有害物質(zhì)本身含量達(dá)標(biāo)的情況下,又上了一道保險(xiǎn),嚴(yán)格杜絕對(duì)地下水的污染。

3 充填膏體中重金屬的固化穩(wěn)定性分析

矸石基固廢膏體充填至井下會(huì)不會(huì)對(duì)地下水造成污染是當(dāng)前需要評(píng)價(jià)的關(guān)鍵性問(wèn)題。主要涉及兩大方面的問(wèn)題,一是膏體固化體浸出毒性值能否達(dá)到地下水安全指標(biāo),二是充填固化體與礦井巖層及水文地質(zhì)條件的關(guān)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(jié)料及礦井排水。其中煤矸石和粉煤灰都屬于工業(yè)固廢。從煤矸石和粉煤灰的物質(zhì)組成來(lái)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(biāo)會(huì)對(duì)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(duì)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(jié)形成的固化體可以看做是一種新的固廢。通過(guò)檢測(cè)煤矸石、粉煤灰及固化體的重金屬浸出值來(lái)評(píng)價(jià)對(duì)地下水的影響。

矸石基固廢膏體充填至井下,凝結(jié)固化后形成一個(gè)大體積、堆積密實(shí)的整體,固化體與礦井巖層及水文地質(zhì)的關(guān)系也是環(huán)境評(píng)價(jià)的一個(gè)方面。

固化穩(wěn)定化技術(shù)開(kāi)始應(yīng)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(jié)固化。其中水泥固化最為常用,水泥固化作為一種無(wú)機(jī)膠結(jié)劑固化技術(shù),其工藝簡(jiǎn)單、易于操作、費(fèi)用低廉。

膏體充填材料是在原料中加入膠結(jié)料等使之形成固體物質(zhì),并在一定程度上其原材料與膠結(jié)料進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了裹限作用,有些有害的金屬離子會(huì)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(duì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)

本項(xiàng)目中選用的檢測(cè)樣品,包括原材料檢測(cè)和固化體檢測(cè)。本項(xiàng)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(jié)料和礦井排水。煤矸石主要來(lái)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(cè)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(kuò)散程度,滿足環(huán)評(píng)要求。膏體不離析,充填料漿中的細(xì)顆粒水泥和有害離子不會(huì)析出。膏體固結(jié)后的致密結(jié)構(gòu)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(cè)分析

高河能源矸石基膏體固體原材料檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1.檢測(cè)結(jié)果分析可知,高河煤矸石的pH值為8.58,屬于Ⅰ類一般工業(yè)固體廢物。選用的3種粉煤灰的重金屬浸出值均未超過(guò)最高允許排放質(zhì)量濃度,pH值超過(guò)9,屬于Ⅱ類一般工業(yè)固體廢物。膠結(jié)料屬于產(chǎn)品,是膏體中的膠凝材料,其浸出毒性檢測(cè)值均未超過(guò)最高允許排放質(zhì)量濃度,pH值均超過(guò)9.

表1 固體原材料的浸出毒性檢測(cè)結(jié)果

煤矸石的重金屬浸出值與地下水指標(biāo)進(jìn)行比對(duì)結(jié)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(biāo),未超地下水Ⅳ類水指標(biāo),為防止對(duì)水質(zhì)的污染,該類矸石不能直接進(jìn)行填埋,若填埋,需進(jìn)行防滲處理。

選用的3種粉煤灰中均出現(xiàn)了鉻超標(biāo)的現(xiàn)象,均超過(guò)了地下水類Ⅳ水指標(biāo),超過(guò)地下水Ⅲ類水指標(biāo)3～4.6倍。選用的3種粉煤灰也都出現(xiàn)了硒超標(biāo)的現(xiàn)象,均超過(guò)了地下水Ⅳ類水指標(biāo),超過(guò)地下水Ⅲ類水指標(biāo)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(jìn)行填埋處置,即使填埋也需要進(jìn)行防滲處理。

4.2 充填體重金屬浸出毒性檢測(cè)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(cè)結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 膏體固化體浸出毒性檢測(cè)結(jié)果

從表中對(duì)比結(jié)果可以看出,充填體浸出毒性值除硒輕微超標(biāo)以外,其他指標(biāo)均未超過(guò)地下水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。硒是人體所需要的一種微量元素,是谷胱甘肽過(guò)氧化物酶的組分。充填體浸出值中硒雖然超標(biāo),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(huì)對(duì)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(yīng)導(dǎo)致的。此結(jié)果是在充填體養(yǎng)護(hù)28 d后完全破碎后浸出液的pH值,在實(shí)際工程中充填體是一個(gè)大面積固化體,與水的接觸面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yīng)的結(jié)束和充填體強(qiáng)度的不斷增長(zhǎng),pH值不會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。

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(biāo);粉煤灰中鉻元素和硒元素超地下水Ⅳ類水指標(biāo)。原材料不能直接填埋,但是可利用固化穩(wěn)定化技術(shù)對(duì)其超標(biāo)元素進(jìn)行固化包裹處理,處理后可達(dá)填埋標(biāo)準(zhǔn)。充填膏體的凝結(jié)固化過(guò)程就相當(dāng)于是重金屬元素的固化穩(wěn)定化技術(shù)。以超標(biāo)元素為例,比對(duì)原材料和充填體元素含量值,對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3、圖1和圖2.

圖1 楊暴粉煤灰和充填體中鉻元素對(duì)比圖

圖2 楊暴粉煤灰和充填體中硒元素對(duì)比圖

表3 煤矸石與矸石漿充填體砷元素、硒元素含量對(duì)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(biāo),遠(yuǎn)低于地下水Ⅳ類水指標(biāo),通過(guò)膠結(jié)料的固化作用,矸石漿充填體浸出液中沒(méi)有檢出砷元素,監(jiān)測(cè)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(yán)重超標(biāo),超地下水Ⅲ類水指標(biāo)4倍,超地下水Ⅳ類水指標(biāo)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(biāo)。充填體名稱中的數(shù)值代表的是膠結(jié)料的用量,隨著膠結(jié)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(yán)重超標(biāo),超地下水Ⅲ類水指標(biāo)45倍,超地下水Ⅳ類水指標(biāo)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(gè)充填體中硒元素輕微超標(biāo)Ⅲ類水指標(biāo),但未超標(biāo)Ⅳ類水指標(biāo)。充填體名稱中的數(shù)值代表的是膠結(jié)料的用量,硒元素的浸出量隨著膠結(jié)料即固化劑的用量增加,浸出值越小,當(dāng)固化劑的量達(dá)到一定量時(shí)可以實(shí)現(xiàn)硒元素的不超標(biāo)效果?？梢酝ㄟ^(guò)增加膠結(jié)料的用量來(lái)減少硒元素的浸出量,增加固化穩(wěn)定效果。

總之,利用國(guó)標(biāo)浸出方法-水平振蕩法對(duì)煤矸石、粉煤灰、礦井排水、膠結(jié)料及膏體充填體浸出毒性進(jìn)行浸出和分析,結(jié)果顯示煤矸石和粉煤灰浸出液中都有2種元素超標(biāo),但是配制成膏體后,經(jīng)過(guò)膏體凝結(jié)固化后浸出液中除了硒元素輕微超標(biāo)Ⅲ類水指標(biāo),遠(yuǎn)低于Ⅳ類水指標(biāo)外,其他元素的浸出值均可以滿足地下水Ⅲ類水指標(biāo)。膏體固化對(duì)重金屬的固化穩(wěn)定化效果很好,固化效果隨固化劑膠結(jié)料的用量增加而增強(qiáng)。

5 結(jié) 語(yǔ)

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(yè)固廢,浸出毒性檢測(cè)出重金屬元素,且超出了地下水Ⅲ類水指標(biāo),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(qū)。

2) 高河能源水文地質(zhì)顯示,含水層與隔水層呈平行復(fù)合結(jié)構(gòu),隔水層具有地質(zhì)屏障作用,充填體與含水層沒(méi)有直接聯(lián)系,充填體中重金屬不會(huì)對(duì)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(guò)程對(duì)重金屬的固化穩(wěn)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(cè)結(jié)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(biāo),膏體充填開(kāi)采可以控制重金屬對(duì)井下水環(huán)境的影響,不會(huì)對(duì)地下水環(huán)境造成污染。

5) 膏體充填開(kāi)采進(jìn)行相應(yīng)的環(huán)評(píng)程序,做到從源頭保護(hù)生態(tài)環(huán)境。