粉煤灰作為灌漿材料對(duì)地下水影響的探究論文
引言
為充分利用粉煤灰，有部分煤礦采用粉煤灰替代黃土作為灌漿材料，但是否會(huì)造成地下水污染存在爭(zhēng)議。有人通過(guò)電廠粉煤灰的浸出試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氟化物含量超過(guò)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，將粉煤灰劃為《一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》中的第Ⅱ類(lèi)一般工業(yè)固體廢物。
1 試驗(yàn)部分
1.1 樣品的采集及制備
以正在使用煤粉鍋爐的太原市道場(chǎng)溝集中供熱站粉煤灰灰場(chǎng)為取樣點(diǎn)取樣。在灰場(chǎng)處布置5個(gè)采樣點(diǎn)，各采樣點(diǎn)間隔1 m，在去除表層粉煤灰后，采集5cm～10 cm深未被污染的粉煤灰1 kg。在每個(gè)采樣點(diǎn)的中心點(diǎn)及以其為圓心半徑在50 cm的圓周四點(diǎn)采集5個(gè)樣品，混合均勻，用塑料袋包裝帶回室內(nèi)風(fēng)干后使用。
1.2 試驗(yàn)主要儀器及試劑
主要試驗(yàn)儀器有：pHS- 3C型pH計(jì)、JM2002電子天平、721可見(jiàn)分光光度計(jì)等。主要化學(xué)試劑有：CH3COCH3、H2SO4、NaF、C7H14CLFN22 ( BF4 ) 、La(NO3 )3·6H2O、CH3COONa、CH3COONa·3H2O、CH3COOH、鹽酸、NaOH、EDTA、(HOCH2CH2)3N、鉻黑T、氨水及NH4Cl等。
1.3 浸出試驗(yàn)方法
取樣品1 kg，按1∶5的灰水比浸泡。在室溫條件下，定時(shí)攪拌，分別于浸泡后12 h、24 h、36 h、48h、60 h和72 h取樣，在取樣前1 h充分?jǐn)嚢瑁o置澄清后用虹吸法取出水樣，經(jīng)0.45 μm濾膜過(guò)濾后，采用EDTA滴定法和氟試劑分光光度法分別測(cè)定浸出液中的總硬度和F-;利用pH計(jì)測(cè)定溶液的pH值。
1.4 浸出試驗(yàn)結(jié)果
粉煤灰中CaO和氟化物的含量分別為18.4 g/kg和71.38 mg/kg。浸出液在第36 h時(shí)F-的濃度達(dá)到2.113 mg/L，超過(guò)GB/T14848- 93 地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中Ⅲ類(lèi)水質(zhì)F-含量≤1.0 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)要求，因此，有可能污染下伏含水層。
2 試驗(yàn)結(jié)果分析
2.1 浸出液的pH值變化情況
粉煤灰的浸出液的pH值隨著時(shí)間的持續(xù)，表現(xiàn)出先降低后增高的特點(diǎn)，pH最低點(diǎn)出現(xiàn)在第31 h時(shí)。
2.2 浸出液中總硬度的變化情況
粉煤灰浸出液中總硬度在試驗(yàn)的前12 h內(nèi)快速增長(zhǎng)，其后增長(zhǎng)變緩，后期趨于穩(wěn)定。
2.3 浸出液中F-的變化情況
由圖3所示，粉煤灰浸出液中的F-濃度在試驗(yàn)過(guò)程中隨著時(shí)間的增長(zhǎng)呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化：在前36 h，F(xiàn)-大量浸出，隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增長(zhǎng);在第36 h達(dá)到最大值2.113 mg/L，隨后F-濃度開(kāi)始下降;再經(jīng)過(guò)浸泡24 h之后，F(xiàn)-濃度值恢復(fù)上升的趨勢(shì)。
在試驗(yàn)初始，F(xiàn)-濃度上升，表明粉煤灰中易溶解的.含氟礦物發(fā)生溶解，隨著鈣鹽的溶解，Ca2+被釋放出，使粉煤灰中的F-與Ca2+發(fā)生水—巖作用，造成F-濃度的變化。
2.3.1 pH值對(duì)F- 的浸出影響
浸出液的pH值偏于弱堿性時(shí)，F(xiàn)-濃度較高。根據(jù)勒沙特列原理，在弱堿性條件下，F(xiàn)-和Ca2+結(jié)合形成CaF2沉淀的反應(yīng)受到抑制，F(xiàn)-處于游離狀態(tài)。但隨著堿性物質(zhì)不斷溶出，pH值逐漸升高，促進(jìn)CaF2沉淀的生成，F(xiàn)-的浸出濃度降低。
2.3.2 總硬度對(duì)F- 的浸出影響
結(jié)合圖2和圖3可知，浸出液的總硬度和F-的浸出情況變化趨勢(shì)一致，這是由于隨著活性CaO逐漸溶出，Ca2+大量浸出，F(xiàn)-和Ca2+結(jié)合形成CaF2沉淀，從溶液中脫離出來(lái)，造成F-濃度下降。但CaF2飽和后，F(xiàn)- 又繼續(xù)溶出，恢復(fù)上升趨勢(shì)。
3 粉煤灰浸出液對(duì)地下水的影響
粉煤灰作為灌漿材料注入井下煤層，受來(lái)自上覆含水層的淋溶浸出，本文以山西省主要可采煤層與含水層為例，結(jié)合煤田水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析。
山西省所開(kāi)采的煤層主要分布于二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)、石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)。山西組煤層下部主要為組內(nèi)砂巖裂隙含水層，太原組煤層下部主要本組石灰?guī)r含水層和奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層，其中最具有供水意義的是奧陶系灰?guī)r含水層。
3.1 粉煤灰作為山西組煤層灌漿材料
粉煤灰漿注入山西組煤層可能受到影響的含水層主要是山西組內(nèi)砂巖裂隙水。該含水層水質(zhì)類(lèi)型為HCO3·SO4- Ca·Mg、HCO3·Cl- Ca·K+Na及HCO3- K+Na型，厚度變化較大，一般0.5 m～27 m，鉆孔單位涌水量0.000 4 L/(s·m)～0.003 L/(s·m)。一方面，由于本含水層砂巖厚度不穩(wěn)定，含水性弱，分布范圍小，供水意義不大;另一方面距離上覆山西組3號(hào)煤層為4m～26 m，其間有砂質(zhì)泥巖隔水層，在沒(méi)有導(dǎo)水構(gòu)造存在的條件下，粉煤灰淋濾液中F-對(duì)地下水影響很小。
3.2 粉煤灰作為太原組煤層灌漿材料
粉煤灰漿體注入太原組煤層時(shí)可能受到影響的含水層主要是太原組石灰?guī)r含水層及奧陶系石灰?guī)r含水層組。其中太原組石灰?guī)r含水層由于層數(shù)和厚度不穩(wěn)定，分布范圍有限，只是局部能作為含水層。奧陶系含水層組是山西省最重要的水源，總厚447 m～554 m，鉆孔涌水量為4.67 L/(s·m)～74.31 L/(s·m)，是地下水保護(hù)的重要目標(biāo)。
3.2.1 隔水層厚度及滲透性的影響
粉煤灰淋濾水對(duì)奧陶系含水層是否造成影響主要取決于兩個(gè)因素，一是隔水層厚度及滲透性，另一個(gè)是導(dǎo)水構(gòu)造發(fā)育程度。
太原組煤層與奧陶系石灰?guī)r含水層之間主要是本溪組泥質(zhì)巖類(lèi)隔水層，本溪組巖性自下而上的沉積層序?yàn)槟鄮r、砂巖、灰?guī)r相互交替循環(huán)沉積建造，且交替程序多、厚度大(10 m～35 m)，滲透系數(shù)集中在10- 10 cm/s～10- 6 cm/s數(shù)量級(jí)范圍，滿足《一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于Ⅱ類(lèi)固廢貯存、處置場(chǎng)的要求：防滲層的厚度應(yīng)相當(dāng)于滲透系數(shù)1.0×10- 7 cm/s和厚度1.5 m的粘土層的防滲性能。
此外，本溪組底部普遍存在一層鋁土泥巖，厚度一般在6 m左右，其重要的水文地質(zhì)特征是具有很強(qiáng)的隔水消壓性能。
綜上，當(dāng)本溪組未與下伏奧陶系灰?guī)r產(chǎn)生水力聯(lián)系時(shí)，粉煤灰淋濾液是不會(huì)污染奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層的。
3.2.2 斷裂構(gòu)造及帶壓開(kāi)采的影響
當(dāng)本溪組通過(guò)斷層、陷落柱等斷裂構(gòu)造與下伏奧灰水發(fā)生水力聯(lián)系時(shí)，或開(kāi)采煤層低于奧灰水位標(biāo)高，可能存在奧灰突水，粉煤灰淋濾液中的F-或灌漿材料有可能進(jìn)入地下水，因此，對(duì)水文地質(zhì)條件復(fù)雜的礦井不宜使用粉煤灰作為灌漿材料。
3.2.3 地下水水化學(xué)條件的影響
除礦井水文地質(zhì)條件外，地下水化學(xué)條件也影響F-的聚積，其中主要作用是離子交換、蒸發(fā)濃縮作用等。
結(jié)合本次試驗(yàn)結(jié)果及水—巖作用可知：隨著Ca2+濃度減少，受CaF2溶解度的限制，F(xiàn)-濃度會(huì)相應(yīng)增加;HCO3-占優(yōu)勢(shì)的堿性環(huán)境有利于F-在水中存在，增加地下水中F-濃度。
此外，在水力坡度小、徑流滯緩的地下水中，蒸發(fā)、蒸騰作用也有利于F-的富集，提高了地下水中F-濃度。
4 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)粉煤灰F-的72 h浸出試驗(yàn)，從煤田地質(zhì)學(xué)和地下水化學(xué)角度論證了煤礦利用粉煤灰灌漿時(shí)氟化物對(duì)地下水的影響。研究表明粉煤灰作為山西組煤層灌漿材料時(shí)，淋濾液中的F-對(duì)地下水影響很小;用于太原組煤層時(shí)由于本溪組隔水層的作用，在沒(méi)有斷裂等構(gòu)造的前提下，對(duì)下伏奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層基本沒(méi)有影響。當(dāng)因存在斷裂構(gòu)造與下伏奧灰水發(fā)生水力聯(lián)系或所開(kāi)采煤層可能存在奧灰突水時(shí)，應(yīng)避免使用粉煤灰灌漿。
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