（水利水电工程专业论文）煤矸石淋溶微量元素污染的水动力学规律研究.pdf

华中科技大学颈士学位论文 蒜要 采矿活动造成矿区地表堆积大撼的固体废物，其中煤矸磊通过降雨淋浴作用产生 戆污染物质黠建下承逡藏麓污染已越袋越严重。为此，本文逐过室遗实验分褥了p h 值对煤矸石中微量元素析出的影嘲：分析了降雨鞭度对于煤矸石中的某些徽鬃元素的 析出速度的影响；分析了不同土质对予微量元素的截流作用；阊时，通过对辽宁省辜 囊亩颏聂懑部戆漂矸由邀送熬蟪下承承褒避孬模糊综合评赞，分橱了萁污染媳区戆污 染程度；并基于多孔介质流体力学和溶质运移动力学理论建立了定基描述微量元素在 土壤水环竣系统中迁穆的数学模型，通过有限元法进行数埴离散，分析了不同质地的 壤巍辫瓣强凄对徽羹元素浓菠分布的效窭，璐妁元素为铡，捌矮f e m l a b 瑟灏了 2 0 年内其在地下水中浓度的分布。闷时阍述了在煤矸石污染控制中应用棱为广泛盼 p r b 技术，葜能有效的控制污染医的微缀元素的扩散。 论文王馋表凌：精经对微量元素其有较强戆蠛整俸薅。漤溶薅驾鹣长短、p h 值的大小 都会对污染造成影响，p h 值对不同微麓元素其淋溶：麓也会有所不问，淋溶 时问越长，微量元素的淋溶量会不断地增加。随糟时间的增加，微量元素污染的范围 薅不鞭扩大。这囊 受有效建治溪矿隧潆爵石露俸凌凌 ；l 效蛰寒兹生态饔境润题具有 理论搬导意义却现实意义。 关键词；煤矸磊：徽薰元素；辫溶实验；动力学模垄；鼗 ! | 薹摸灏：p r b 接术 华中科技大学颈士学位论文 a b s t r a c t m i n i n gw a s t e ，g e n e r a t e df r o ma c t i v ea n di n a c t i v em i n i n gs i t e sa n df r o mb e n e f i c i a t i o n a c t i v i t i e s ，i m p a c t so nh u m a nh e a l t ha n dt h ee n v i r o n m e n t ，w h i c ha r eac o n t i n u i n gp r o b l e m f o rg o v e r n m e n te n t i t i e s ，p r i v a t ei n d u s t r ya n dt h eg e n e r a lp u b l i c t h ed i s c h a r g eo fc o a tm i n e s p o i ll e a d st ot h eg r o u n d w a t e rq u a l i t ys e r i o u s l yp o l l u t e d t h ee f f e c t so fp hv a l u eo rc o a l m i n es p o i lt r a c ee l e m e n t sa r ea n a l y z e do nt h eb a s i so fc o l u m nl e a c h i n ge x p e r i m e n t s t h e r a i n f a l li n t e n s i t ys e p a r a t e so u tt h es p e e dr e g a r d i n gg a n g u ei nc e r t a i nt r a c ee l e m e n t st h e i n f l u e n c ea n da n a l y z e dt h ed i f f e r e n ts o i lt e x t u r et od a mt h ec u r r e n tt h ef u n c t i o nr e g a r d i n g t h et r a c ee l e m e n t ；a tt h es a m et i m e ，t h r o u g hc a r r i e so nt h ef u z z yq u a l i t ys y n t h e t i c e v a l u a t i o nr e g a r d i n gt h el i a o n i n gp r o v i n c ef u x i nn e we a r t h e nm o u n ds o u t hc o a lg a n g u e m o u n t a i na r e ag r o u n d w a t e rq u a l i t ya n dh a sa n a l y z e di t sc o n t a m i n a t e da r e a p o l l u t i o n d e g r e e b a s e do nt h ep o r o u sm e d i af l u i d m e c h a n i c sa n ds o l u t et r a n s p o r tt h e o r ；t h e m a t h e m a t i c a lm o d e l sa r ed e v e l o p e df o rd e s c r i b i n gt h et r a n s p o r t a t i o na n dt r a n s f o r m a t i o no f t h et r a c ee l e m e n t si ng r o u n d w a t e ra q u i f e r s o l u t i o n st ot h ec o u p l e dm o d e la r ea c c o m p l i s h e d b yf i n i t e e l e m e n t m e t h o d t h ed i f f e r e n tt e x t u r es o i la n dr a i ni n t e n s i t i e so nt h e c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no ft r a c ee l e m e n t sa r ea n a l y z e d t a k et h ep be l e m e n ta st h e e x a m p l e ，h a sf o r e c a s ti nf o r2 0y e a r su s i n gf e m l a bi t i nt h eg r o u n dw a t e rt h ed e n s i t y d i s t r i b u t i o n + c o a lm i n es p o i l p o l l u t i o nc o n t r o li n t h ew i d e ra p p l i c a t i o nu s ep r b ，c a n e f f e c t i v e l yc o n t r o lt h es p r e a do fc o n t a m i n a t i o no ft r a c ee l e m e n t s t h ep a p e rw o r ki n d i c a t e dt h a tt h ec o h e s i v es o i lh a ss t r o n g l yt ot h et r a c ee l e m e n t t e m p o r a r i l ys t o p st h ef u n c t i o na n dt h el e a c h i n gt i m ea n dp h v a l u eh a sl a r g ei m p a c to nt h e c o n t a m i n a n t st r a n s p o r t d i f f e r e n tt r a c ee l e m e n t sa r ed i f f e r e n t l ya f f e c t e db yp hv a l u e so f l e a c h i n gm e d i a t h el o n g e ro fl e a c h i n gt i m e ，t h eh i g h e ro ft r a c ee l e m e n t sc o n c e n t r a t i o n 。 t h es u b s u r f a c ep o l l u t i o nr a n g eh a sat r e n do fi n c r e a s ew i t ht i m e i th a saq u i t ei m p o r t a n t t h e o r e t i c a la n dr e a l i s t i cm e a n i n gf o rt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t a lp r o b l e mc a u s e db ys o l i d w a s t ed i s p o s a lm o r ee f f e c t i v e l y k e y w o r d s ：c o a lm i n es p o i l ；t r a c ee l e m e n t s ；l e a c h i n ge x p e r i m e n t ；d y n a m i cm o d e l ；n u m e r i c a l m o d e l i n g ；p e r m e a b l er e a c t i v eb a r r i e r 独创性声哦 本人声秘所呈交的学位论文楚我个人在导掰据导下遴乎亍酶谚究互律及取得黪蓊究 成果a 尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过豹研究成果。对本文的研究徽出贡献麴个火和集体，均已在文中驭明确 方式标霹。本天完全意识鬟，奉声臻静法律结暴盘本人承怒。 学位论文作考签名：2 多萋荔 日期：埘年f 1 月f f 酲 。 学位论文版权使黼授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：举校有权保留 并彝蕊家有关韶f j 或枧约送交论文辫复印传和电予舨，克诲论文被套闭鄂僚阗。本人授 稷华中辩羧大学可骥溥本学位论文鼹全帮或部分内容绫久有关鼗蘩疼送行稔索，虿戳采 用影印、缝印酸扫描簿笈制手段保存稠汇编本学位论文。 ， 穰密曩，在年籍寮器遥蔫本授投书。 本论文属于不保密匦 。 ( 清在以上方撂内打“”) 学位论文作者签名：锐 霞蓑嘉薅年| l 舅 e | i弩 ；矗毯 、jfl， ， ：b 忍 名 雒签年 币， 别导麓 指鹜 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1 概述 随着城市化进程和工业经济的迅速发展，来自工业部门的固体垃圾将会越 来越多，其污染程度也越来越严重。在这所有的工业废物中，煤炭工业所产生 的固体垃圾量居第一，而其中以煤矸石所占的比例最大。由于我国是产煤大国， 最大年产量达到1 4 亿吨。而煤矸石是采煤和沈煤过程中排出的废料，我国矸石的利 用率只有百分之几，其余的被堆放在地面形成了矸石山。到目| ；i 为止，我国现有矸 石山有1 5 0 0 多座，并且每年的煤矸石的排放量占煤炭产量的1 0 1 5 ，估计堆放 总量现己超过3 0 亿吨。这些煤矸石堆放地面形成矸石山，矸石山的存在不仅占 用大量土地，而且通过长期风化、降雨、降雪、淋溶和自身所载水分的作用下， 发生一系列的物理、化学变化，使矸石中大量的有毒有害物质渗透到土壤和土 壤水环境系统中去，污染环境。煤矸石中含有的有害污染物主要是硫化物、碳 酸盐类混合物、可溶性无机盐以及汞，砷，氟、铬、铁、铅和氯等微量元素， 它们随淋溶液以溢流泉的形式溢出地表，使得许多有害物质进入了地表水体和 农田，给附近居民和牲畜的生存造成了威胁。此类矸石山溢流水，由地势低洼 处向外排泄，在排泄过程中以直接渗入的方式进入地下含水层，造成矸石山周 围地区的土壤和地下水严重污染，对社会生产和人民生活造成极大危害，从而 引起了世界各国的重视【“”。 1 2 煤矸石及其微量元素 煤矸石是煤矿生产过程中产生的废渣，包括岩石巷道掘进时产生的掘进矸 石，采煤过程中从顶板、底板和夹在煤层中的岩石夹层里采出来的矸石，以及 沈煤厂生产过程中排出的洗矸石。一般常将采煤过程和洗煤厂生产过程中排出 的矸石叫煤矸石。如图1 - 1 所示，为阜新市新邱南部矸石图。 华中科技大学硕士学位论文 幽l l 煤竹自图 f i g 1 1 1 c c o a l m i n es p o i l o f m a p 煤矸石中有害微量元素是指那些存在于煤矸石中，在煤矸石的加工利用过 程中，对生产，生态环境及人类健康等有直接或间接危害的元素。常见的煤矸 石中微量元素有：氟、氯、汞、砷、铅、铜、铬、铁、铀、磷等。 煤炭是我国的主要能源，在我国一次性能源消费中占7 6 以上。煤矸石是 煤炭生产过程中的主要固体废物。目前，全国约有4 0 多亿吨煤矸石堆积在地表， 在风力、雨水淋滤等自然条件和人为因素作用下，其中的有害微量元素发生化 学变化，并从煤矸石中析出，入渗土壤和含水层中，从而降低土壤功能、污染 水质、影响生态环境和人体健康。因此，煤矸石中潜在的有害微量元素是煤炭 开采出地表以后的主要污染物之一。 1 3 煤矸石的危害 由于煤矸石中含有大量的有害微量元素，淋溶则是使有害微量元素从煤矸石中析 出的主要途径之一。煤矸石以及它们燃烧( 自燃) 的产物( 灰渣) 在地面上贮存过程中， 由于水的淋溶和其他介质的作用，一定量的微量元素从中析出并进入土壤，这些微量 元素是土壤环境中一类潜在危害的污染物。微量元素中还有许多的金属微量元素，某 些金属微量元素与其他污染物不同，它们在土壤中一般不易随水淋溶，不能被土壤微 生物分解：相反土壤中的生物可以富集这些微量元素，使这些有害微量元素在土壤中 积累，甚至可以转化为毒性更大的化合物，从而对土壤产生破坏和影响。例如在富有 游离氧的大气降雨作用下，煤矸石中的硫化铁首先发生氧化，生成硫酸铁和硫酸，使 2 华中科技大学硕士学位论文 水溶液强烈酸化，促使重金属的碳酸盐和氢氧化物溶解；另一方面它又是h g 、p b 、 z n 、c u 等有害微量元素的直接氧化剂，最终使煤或煤矸石中的重金属以硫酸盐形式 随溶液析出、迁移。煤矸石及其燃烧后的灰渣中含有多种有害微量元素，在雨水等溶 液作用下，一定量的有害微量元素被溶出进入水、土壤环境，对环境造成严重污染。 总的来说，煤矸石的危害可以从以下六个方面来叙述【5 。o 】： 1 3 1 对矿区大气环境的污染 随着煤炭的开发和利用，矿区的空 气污染日趋严重，矸石山就是严重的空 气污染源。因矸石在运输、堆放过程中， 会形成一种粉尘颗粒，在风速达到 4 8 m s 时，颗粒就会起飞并悬浮于大气 中，粉尘中含有很多对人体有害的元 素，如汞、铬、镉、铜、砷等；颗粒小 的会被人体吸入肺部，导致如气管炎、 肺气肿、尘肺等疾病，更严重的还能导 图卜2 煤矸石对大气污染 f i g 1 2 t h ea i r p o l l u t i o no f c o a l m i n es p o i l 致癌症的发生；颗粒大的进入眼、鼻，引起感染，危及人体健康。另外，颗粒悬浮于 大气中破坏了大气的温室效应。使气候出现异常。其次，当矸石的含硫量达到1 时， 在加压、吸热和通风的条件下，会发生自燃，矸石山一旦自燃，就会释放出大量的 s 0 2 ，还释放出大量c 0 2 、c o 和h 2 s 气体以及一定量的氮氢化合物等有毒有害物质。 如煤矸石自燃时，着火处s 0 2 浓度高达1 3 9 7 m g m 3 ，同时还伴生大量的煤尘，污染矿 区的大气环境，严重损害人体健康。当空气中c o 的质量分数达5 0 x 1 0 。6 时，会使人 视力减退，更严重的会使人的血液循环输氧系统闭塞而致死；s 0 2 刺激人的呼吸使呼 吸道发生病变。如图1 2 为煤矸山自燃释放出大量的有毒有害气体，从而污染环境。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 2 对水环境的影响 煤矸石在露天堆放过程中，经降 水淋溶后，部分物质会被溶解，并随 降水形成地表径流进入水体，污染了 水源，当人们饮用时，其中的重金属 严重危害人体健康；长期受这种污染 的的水源会使水质逐渐酸化，当用来 养殖时，会造成鱼类和其它淡水生物 的死亡，破坏生态环境。而露天堆放 的煤矸石不仅占用大量土地，而且由 原来的还原环境转变为氧化环境，加 图1 - 3 煤矸石对水环境的污染 f i g 1 - 3t h ew a t e rp o l l u t i o no f c o a lm i n es p o i l 之长期风化、降雨、降雪淋溶和自身所载水分的作用下，发生一系列的物理、化学变 化，从而污染环境，对社会生产和人民生活造成极大危害。 1 3 3 对矿区农田耕地的损害 矸石山对矿区土地的破坏主要有2 个途径： ( 1 ) 矸石山风蚀扬尘 矸石山风蚀扬尘，并悬浮于大气 中，向矸石山周围的地方降落。矸石受 冲刷而使重金属随降水形成地表径流 进入土壤，破坏土壤中重金属的本底值 和平衡关系，同时也破坏了土壤的养 分，并对土壤中微生物的活动产生影 图l _ 4 煤矸石对农田的污染 f i g 1 - 4 t h e f a r m f i e l d p o l l u t i o n o f c o a l m i n es p o i l 响，这些有害成分的存在，不仅有碍植物根系的发育和生长，而且还会在植物有机体 内积蓄，通过食物链危及人体健康。 ( 2 ) 矸石山自燃 4 华中科技大学硕士学位论文 矸石山自燃释放出大量s 0 2 、n o 。气体，这些气体在空气中氧化为酸，并随雨水 降落地面，即酸雨，酸雨会使土壤发生酸化和盐渍化，影响农作物生产。 1 3 4 对矿区景观的破坏 矸石山对矿区景观的破坏主要表现在自然景色上，煤矸石多为灰黑色，自燃 后变为黑褐色，影响大自然的风光。另外，矸石山被风蚀杨尘，尘埃落在建筑物上， 使其失去原来色调，还会降低空气清洁度和大地的光照度，使矿区环境浑浊不清，严 重影响人类及植物的生长，破坏了生物圈。 1 3 5 对人身安全的危害 矸石山一般的灰分为7 0 一8 0 ，发热量 为3 3 5 0 6 2 8 0 j ，硫含量较高，煤矸石堆积后 由于内部发热，温度升高f 可达8 0 0 1 2 0 0 。c ) ， 很容易形成一个内部高温高压的环境。由热 力学理论，当其内部温度和压力达到一定程 度时就会发生爆炸，我国曾多次发生矸石山 盹m 品：篓2 慧黧。胁 爆炸事故，造成多人伤亡。矸石山在轻微爆 炸或受地下开采影响时，经常发生滑坡事故，例如我国某矿1 9 9 2 年3 月发生矸石山 滑坡，滑落土方一万多立方米，破坏坑木场2 0 0 0 多平方米，死亡一人，给国家造成 几十万元的损失。 1 3 6 辐射污染 矸石在采出、运输、堆放等过程中，由于逐渐破碎。裸露面积逐渐增大，从而扩 大了与空气接触面积，其中的放射性元素向空气中大量析出，使空气中的放射性元素 浓度增大，超过其本底值，便造成辐射污染。例如对人们危害最大的氡( r n ) ；它是导 致矿工肺癌的主要原因之一。 5 华申科技大学硕士学位论文 1 4 煤矸石资源化的利用 隧麓国瑟经济懿不薪发震，煤褥石静霆害悉经逐渐弓| 起戆久锯翡议谈，在遂嚣煤 炭开采的同时，煤矸石资源化的利用也已经逐渐成熟。煤矸石资源化的利用主要表 现在以下七个方顽1 1 1 l ； 1 4 1 保护耕地，减少占地 保护耕地是关系到我国粮食安全和保证1 3 亿入吃饭的件大事。我囡的土地资 源菲露綮浃，人筠辫戆占有量哭鸯l 。5 9 袁，仪为整赛久臻承平静4 3 。隧着霪民经 济的发展，每年因基础设施建设、城市用地增加及自然灾害损毁等原因造成耕地的大 量损失。因采煤造成的地表塌陷和煤矸石堆存也是耕地损失的原因之一。据有关部门 鑫诗，我蓬每年薪瓒媒矸石1 0 - 1 ，2 亿睫，占豫6 0 0 0 多富。综合稠焉潆舔蠢，不仅可 以减少对土地的占用( 包括煤矸石建材替代牯土砖减少的耕地破坏) ，用煤矸石做塌 陷区的充填或回填材料，还可以使因采煤塌陷的土地得到复基。所以煤础综合利用 对予绦轳我国手分珍贵静缝资源，意义分麓夭。 1 4 2 减轻矿区大气污染和地下水污染 我鬻骞2 3 7 壅漾繇嚣垂骜发黛遗鑫燃，嚣黪仍骞1 3 4 痉殛石基在不同纛泼缝燃烧。 煤矸耐自燃不仅白臼浪费了宝贵的资源，燃烧过程中排放的二氧化碳、二氯化硫、氮 氧化物及烟尘等，还严重污染大气环境，危害矿区人民的身体健康。煤酐石经雨水淋 溶影藏瓣酸性承渗逡翻速下，会澎染遗下承。瓣藏，综合禚蔫漾殍石，霹瑷减轻矿基 的大气污染和地下水的污染。 l 。4 3 羧变煤矿l 囊澎象，开辟矿区毅产业 煤研石综合利用不仅可以变废为宝，而殿还有助于改变煤炭和煤矿的“肮脏”形 象，使煤炭产业成为不产生或少产生“公害”的产业。有些煤矿提出“石头变砖头，砖 关巅褰楼，锈砖不溺主，瘫砖不震漾”夔蠢号，疆绕漾蟹石豹综会零l 爰，藏形藏了瑟 的产业，或延长了现有的产业链。 矗 华中科技大学硕士学位论文 1 4 。4 促进产业转移和劳动力再就业 据不完全统诗，到2 0 0 0 年末，我溪西资源捂竭关闭报废静矿井4 8 8 楚，注销生 产能力1 3 9 9 0 万吨。由于煤炭资源的枯竭，使矿井产量递减以至最终报废关闭，导致 大量工人失般。寻求产业转移和劳动力露就业成为衰囊报废矿区的头等大事。煤硒石 综合穰霜瓣怒有发震| ； 豢匏接替产鼗之一，著已经袋为诲多矿嚣繇煤产监翳笈震重 点。据有关部门统计，2 0 0 0 年国有重点煤矿综合利用多种经营总额达到5 8 2 亿冗；安 置人员最多时达2 0 8 万人。在煤炭企业多种经营收入超亿元的项蹋中，前l o 僚全部 是潆霹虿发嘏，这是颤说筏箕在 潆产簸中懿蘧位。我嚣每年产鬟鹣潆孬手磊、漾泥等 低热值燃料，按热量折算约为1 5 0 0 1 8 0 0 万吨标准煤。综合利用好这些资源，相当于 新增一个开漳或兖州矿区的煤炭产量。这样，不仅促进了产业转移、劳动力再藏业， 甚至还会因葵含寿特豫成分嚣成为漾炭躐泰待器发瓣“金矿”。 1 4 5 利用煤矸石复垦 潆骚羲笈垦是潆否手蠢零l 矮魏途径之一，在潆矿送广泛应震，凝褥了毙较瑾憨戆成 果，如淮北矿区是具有4 0 多年开采历史的老矿区，4 0 多年来，仅集团公司所属备矿， 因采矿造成的士地塌陷面积就达1 3 万多亩。近l o 多年来，淮北矿区对煤矿塌陷地进 孬了综合浚璎，不瑟总绥茏“鞋复健链”、“以建易缝笈爨”、“将塌垫塌复垦”、“挖深垫 浅”和“矸石、粉煤灰充填”等“还积予民”豹多种方式，先后消除砰石山l o 座，交蕊了 社会、经济、环境效益的统一和矿区的可持续发展。 1 4 6 翻鬻煤爵石发耄 煤矸石发电是煤矸砑综合利用 社会、环境、经济效益楣绕一的最有 效途径，氇怒煤矿发展漾蔷手石综合裁 用的重中之煎，并己形成一定规模。 如阳泉煤业集团始终坚持“煤与非煤 并重”的可持续发震战略，袍 j 在粥 泉煤业集团五矿建设煤砰石综合利附。t 圈h e 嚣黧裟絮篙怎甄m 州。 7 华中科技大学硕士学位论文 用电厂，并进一步延伸产业链发展电解铝，目前已经形成2 4 m w 装机容量和1 万吨 电解铝的规模。2 0 0 1 年取得电解铝产量1 3 2 万吨、销售收入1 4 亿元、利税2 8 0 万元 的好成绩。煤矸石综合利用电厂年消耗煤矸石1 0 0 万吨，选煤厂中煤3 0 万吨。 1 4 7 利用煤矸石制砖 目前我国的墙体材料中9 5 是实心粘土 砖，现在全国有砖瓦企业约1 1 万个，生产粘土 砖多达7 0 0 0 亿块，占地5 0 0 万亩，每年耗土量 相当于1 1 0 万亩土地，实际毁田数十万亩，耗 j i 皂达7 0 0 0 多万吨黼成为一个破坏耕地、 f j g 山，。黑墨兰黧慕m 。删 消耗能源的大户。为此，国家制定了一系列限 制粘土砖，发展新型墙体材料的政策。 目前全国利用煤矸石砖，可以消耗煤矸石1 6 0 0 万吨，年节约土地近万亩，节煤 6 0 万吨标煤。此外，全国利用煤矸石生产粘土内烧结砖的( 平均掺矸石量1 5 左右) 厂家较多，每年生产煤矸石内烧结砖5 0 0 亿块，年利用煤矸石量1 8 0 0 万吨。 1 5 国家对煤矸石污染采取的战略方针及成效 1 5 1 国家煤矸石其污染采取的战略方针 以上为目前国内外煤矸石资源化的利用情况。由于我国是产煤大国，也是燃煤大 国，煤矸石造成的环境污染问题正引起高度的重视。煤矸石除了产生大量的s o 。、n o 。、 c o 。等有害气体外，煤矸石中的有害微量元素会发生转化与迁移并入侵到表生环境 中。我国政府已非常重视燃煤带来的环境问题，将洁净煤技术和燃煤控制有害物质释 放技术列为我国能源与环境协调发展的战略方向，并写入中国2 1 世纪议程。同时， 我国的政策法规配套，环保投入增大。国家相继出台和修订与煤炭矿区环境保护直接 相关的法律法规1 3 项，使矿区环境保护与治理步入法制化轨道，加快了矿山环境保 护事业的发展。矿区的环境改善离不开投入，据不完全统计，“九五”期间煤炭工业投 入环境治理的资金达2 8 6 亿元，平均每年5 7 亿元【1 2 - 1 3 】。 华中科技大学硕士学位论文 1 5 2 国家对煤矸石污染所取得的成效 国家在对煤矸石污染所采取了很好的战略方针，通过这些方针，到目前为止，已 经取得了较好的成效【1 阍。 ( 1 ) 土地复垦取得一定成效 资料显示，目前全国已累计复垦利用各类废弃土地约1 5 0 0 万亩，占废弃土地总 量的8 ；其中复垦利用工矿废弃土地约6 0 0 多万亩，约占工矿废弃土地总量的1 0 。 复垦后的土地7 0 作为耕地或其他农用地，3 0 作为非农业建设用地或其他用途。从 煤炭行业看，“九五”期间，全国复垦采煤塌陷土地1 5 0 h a ，复垦率为1 5 ，完成露天 矿挖损土地复垦量2 1 h a ，复垦率已达到4 1 。 ( 2 ) 三废治理效果显著 “九五”期间，煤矸石利用率达到4 0 ，比l 五”期间提高9 个百分点；截止到 1 9 9 9 年治理灭火矸石山3 1 0 座，灭火率达8 0 。1 9 9 8 年山东省综合利用煤矸石7 0 0 多万吨，占总排放量的7 1 ，并实现利税近7 0 0 0 万元。新的煤矿设计拒绝矸石堆放， 将有力保证今后彻底根除矸石山。统计显示，1 9 9 9 年，全国采掘业共去除工业s 0 2 2 1 5 6 1 0 4 吨，其中燃料燃烧中去除的4 1 5 0 5 吨；去除工业烟尘1 6 4 7 8 9 3 吨。 ( 3 ) 矿区绿化走向绿色生态工程建设 矿区绿化已从单纯植树种草，走向绿色生态工程建设众多矿区不断加大投入，绿 化美化生产生活区。根据矿区所处地理环境，积极采用绿化新技术，营造矿区防护林， 绿化煤矸石山，治沙固土，恢复植被，保持水土。 9 华中科技大学硕士学位论文 1 6 国内外学者对煤矸石研究的动态 最近几十年娃来，国内外学者对矿区，戈熊楚矿区尾矿的化学风亿、萋金属元素 的释放、富集和归宿以及生物环境地球化学效成方面做了大甓研究。并且在矿区土壤 与淀积甥中镑的含爨、食魏链中微量元素以及主壤孛有毒元豢与矿区巧境关系等方嚣 取褥一些重要的成聚。 1 6 。重园外学者对煤矸石研究的动态 农函外，由于函外研究静时阅院国内要旱和深，因而取褥了些较静静成采f 协埘。 b s t r o m b c r g t 等学者通过研究瑞典某矿山殿石场释放金脶的水一岩作用，建立了一 个稳态豹遗球纯学避程动力学模裂。该模型包掇硫优和原塞醚酸盐矿物风亿动力学， 对予次生矿物质的多楣平衡和物秭形成平衡，旃 出水成分的现场监测为该模型的实施 提供了基础。 x 。q u e r o l 等学密对潆矸石巾微量元素数迁穆转纯及燃烧过程中毒窘微量元素对 环境的澎响进行了深入的研究。 k o m n i t s a s ，k 等根据美国内华达州的实践缀验，提出了一种新颖的评价方法。这 弹方法怠挺两个步骤，翻：攒透矿融废物的特鬣秘谬徐其漤巍豹影璃。在游徐过程中， 采用土壤稀释试验和水均衡模拟的新型评价策略来评价矿出废物的潜在影响。 f a n f a n i l 等从淋溶元素的溶解性角度研究了意大利m o n t e v e c c h i o 西部一个矿山 尾矿撼技场建对土壤拳巧境戆黧佥疆污染。 c l a r eg e e 等采用能量色散x 射线扫描电镜分析方法，对不列颠5 个固体废渣的风 化以及污染的土壤谶行了矿物学机理研究。近年来，矿山酸性排7 j ( ( a m d ) 也越来越引 莛磅究嚣载重援，大多都聚焦予痰金藩藏纯秘犷出和潆矿静矿业活魂弓| 越a m d 建球 化学效应。在美国爱达荷洲北部c o e u r d a l e n e 矿业区，2 0 个土壤一水和1 7 个地表水 化学成分分析，发现天然水系统融经遭到重金属的严重污染。这是由于矿山废物、尤 其是鳓年兹蓑 敖鬟c o e u ra l e n e 海戆褒秘雩| 麓豹，芳虽壤零终孛，鹣，z n ，e 疆 的含激严重超标。 华中科技大学硕士学位论文 k k o m n i t s a s i p a s p a l i a r i s 等学者对煤矿开采产生的固体废物在淋溶作用下产生的 有害物质对生态环境的影响以及所采取的防治措施进行环境评价。 s z c e p a n s k a 。t w a r d o w s k a 等对波兰s m o l n i c a 煤矿煤矸石所做的同样研究认为煤矸 石堆周围的水体有毒重金属的污染是显而易见的。 另外，在资源化利用方面，由于越来越多的煤矸石用于建筑和筑路材料，c o l l i n s 探讨了它对环境的潜在性影响。 1 6 2 国内学者对煤矸石研究的动态 国内的起步比较晚，自8 0 年代以来，国内学者从生态环境保护角度出发对煤矸 石中有害物质对环境的影响进行研究，主要是煤矸石淋溶过程中微量元素的迁移析 出、释放控制及其对环境的影响方面进行了较为深入的研究。 党志学者研究了煤矸石一水相互作用的动力学机制以及煤中微量元素在淋溶作 用下的分布、迁移规律等的环境地球化学行为，通过实验模拟方法发现微量元素的氧 化是煤矸石向环境释放的主要途径。 刘桂建，王运泉等学者在通过煤矸石淋溶实验的基础上，研究了有害微量元素从煤 矸石中淋溶析出的浓度与其在煤矸石中的含量和赋存状态的关系【2 1 】i 矧。 李林涛学者对山东某矿区的煤矸石堆周围土壤环境中h g 在垂向上的变化进行了 分析【硐。 余运波，沈照理等学者采用浸泡实验和淋溶实验探讨了煤矸石的堆放对水环境的 影响，除了微量元素对土壤一水造成污染以外，煤矸石中还赋含多种多环芳烃有机污 染物，且含量较高，并能迁移至水体中，导致水环境污染。 李兰学者从煤矸石理化特性、污染机理以及溢流水的浓度分布方面对煤矸石对土 壤一水的污染进行定性研究例。 吴耀国学者对采矿活动对土壤一水化学环境的影响及污染防治技术进行深入研 究【捌。 徐龙君学者采用动态淋溶柱体实验分析了不同酸度、不同温度和不同流速环境条 件下煤矸石酸雨淋溶特征【捌。 华中科技大学硕士学位论文 郑西来等学者利用能量最低原理和质量守恒、电子守恒、电中性方程来构造线性 规划数学模型，建立碴场土壤一水系统的环境地球化学反应模型，研究碴场土壤一水 系统中发生的各种地球化学作用1 2 7 。 罗永德学者建立了由矸石山平均渗水深度、矸石山表面积和矸石山纳水量三参数 来确定的煤矸石淋溶污染的模式【2 町。 华中科技大学硕士学位论文 1 7 本论文研究的意义 以上为国内外学者近几十年以来对煤矸石研究的动态。有害废弃物造成的环境污 染已成为当前和今后最突出的环境问题之一。煤矸石以其量多、污染范围广、污染程 度严重及可利用性低而成为当今世界各产煤大国所关注的热点，人们积极对其开展资 源化研究的同时，对其引发的环境生态问题也逐渐重视起来。而这一问题的解决，其 中将涉及到环境工程、水文地质工程、岩土工程、生物学与环境地球化学等领域，需 要多学科交叉进行综合研究。研究煤矸石中有害微量元素的淋溶不仅能为微量元素的 可利用性及有毒有害元素的可剔除性奠定理论基础，而且对预防煤矸石中有毒有害元 素对环境的影响、保护生态和人类生存的环境也具有理论指导意义和现实意义。总之， 煤矸石对土壤一水系统的污染是一个极其复杂的动力学过程，由于研究所涉及的问题 是多学科的交叉点，加之问题的复杂性，所以，以往的研究多侧重于实验机理方面的 研究，很少从环境水文地质动力学角度出发，对煤矸石中有毒有害物质在土壤水环 境系统迁移转化的动力学行为进行定量化研究。因此，本文基于前人大量机理和实验 研究基础之上，借助相关学科研究成果，深入探讨了煤矸石中有毒有害物质在土壤和 土壤一水系统中迁移转化的特征、环境效应及其时空分布特征，建立了污染物质在地 下环境系统中运移的耦合模型，定量化预测预报污染物质浓度的分布，对于更科学地、 更有效地治理矿区煤矸石固体废物排放带来的生态环境问题具有重要的理论意义和 实际意义p o - 3 ”。 华中科技大学硕士学位论文 2 研究区域环境概况及地下水体污染现状 2 1 地理位置和交通 矿区位于辽宁省中西部，属阜新市所辖。其地理坐标为东经1 2 1 。0 1 - 1 2 2 。2 4 ，北 纬4 1 。4 1 - 4 2 。4 47 ，总面积为7 0 7 1 平方公里，其中阜新县为6 2 4 6 平方公里，阜新市市 区为8 2 5 平方公里，城区面积为3 4 3 平方公里，矿区采煤涉及面积为6 0 0 平方公里1 。 图2 1 辽宁省阜新市交通位置图 f i 9 2 一l t h e t r a f f i cs i t e o f f u x i nl i a o n i n g p r o v i n c e 2 2 研究区域的地貌及气候 研究区在地貌单元上属于辽西低山丘陵的北部边缘地带，北部接近内蒙古沙 华中科技大学硕士学位论文 漠区，东南部为医巫阊山的边缘，西北部、中部地形较高，多由火山岩及变质岩组 成；植被不发育，基岩裸露，常形成尖顶状山峰。山脊线大致呈北东或近东西向延伸， 与区域主要构造线方向相近，地形一般标高3 0 0 5 0 0 m 。乌兰木图山在本区中部，标 高8 3 1 4 m ，是区内最高山峰。向东向南地形逐渐变低，最低处海拔8 0 m 。以乌兰木 图山为中心，水系呈树枝状分布，沿河形成山间谷地和山间河谷平原地形。由于该区 长期处于上升剥蚀状态，在长期内、外地质应力的作用下形成目前的地貌形态。根据 地貌成因类型、形态特征将本区划分为三种成因类型区，八种形态类型亚区，如表2 - 1 所示。 表2 - 1 地质形态类型分区 t a b l c 2 - 1g e o l o g i c a lp a t t e r n st y p e sd i v i s i o n 阜新区处于中纬度北温带，属半干旱半湿润大陆性季风气候，多风沙，主导风向， 夏季为偏南风，冬季为西北风。四季分明，雨热同季；夏季高温多雨，冬季寒冷干燥。 年平均降雨量为5 1 9 9 m m ( 最高8 2 4 7 m m ，最低3 3 8 2 m m ) ，最高目降水量为1 3 1 6 m m 。 区内降水量分配不均，且多集中在7 、8 、9 月，占全年降水量的7 0 。蒸发量大于降 水量，年平均蒸发量1 7 8 6 1 m m ，是多年平均降水量的3 3 倍。年平均温度为9 5 c ， 历年日最高气温4 0 5 c ，日最低气温2 6 4 。c ，无霜期为1 5 0 天，终霜期在4 月下旬，初 霜期在1 0 月初，最大冻土深度1 3 9 米。平均日照时间为2 8 0 0 小时，光能总辐射量1 3 0 千卡平方厘米。 2 3 水文地质特征 阜新区域内大、小河流近三百条，但绝大多数为季节性河流。其中较大的有细河、 丝圈塑：堡刍国塑：塑叁塑：煎塑：焦生塑笠： 华中科技大学硕士学位论文 阜新区域的中部的细河发源于阜新蒙古族自治县他本扎兰北山岳地带，流向由北 向南，于义县复兴堡汇入大凌河。全长1 1 5 k m ，河床宽2 0 0 3 0 0 m ，平均水面宽1 0 1 5 m ， 水深o 2 0 5 m ，最大流量4 6 6 m 3 s 。河身弯曲，河床浅平，河道均由第四系亚砂土、粉 砂、砂砾石组成，厚度5 - l o r e 。细河是阜新地区的主干河流，河道均由第四系亚砂土、 粉砂、砂砾石组成，厚度5 1 0 米。河道的沙砾石含丰富的孔隙水，河床单井出水量 为5 0 0 立方米日，冲积扇区段单井出水量为1 0 0 0 立方米1 5 1 ，地下水埋藏深度3 5 米。 近几年来，因降水量减少，地下水过量开采，造成阜新细河北部地区浅层地下水水位 逐年下降。地下的洪积层含有丰富的孔隙潜水，潜水埋藏深度2 4 米，含水层厚度5 1 5 米，含水层岩性以粗砂、中砂及砂砾石为主，渗透性较好，含水层的渗透系数1 0 0 n 2 0 0 米日。本区域的地下水位变化幅度在2 米左右，最高水位期是每年的九月份( 丰 水期) ，最低水位是每年的四月份( 枯水期细) 。 阜新区内的汤头河发源于阜新县七家子及紫都台乡的帽子山、老鹰山、骆驼山及 平顶山一带，该河上游河段由南向北，在紫台附近转向东行，于清河门区蒲草泡村附 近注入细河。河长6 1 k m ，河道平均比降5 1 3 ，集水面积4 0 5 k m 2 ，年径流量 2 8 6 5 x 1 0 a m 3 。枯水期水位在4 - 2 0 c m 之间，枯水期流量为o 1 6 2 m 3 s ，属夏雨型季节性 河流。 2 4 研究区域矸石山堆积现状调查 经初步调查，阜新矿区内煤矸石总的占地面积为3 2 1 3 5 k m 2 ，总堆积量为1 2 9 0 8 5 亿m 3 。其中现有大型矸石山3 座，有两座分廊在新邱井田，总占地面积为9 7 5 k m 2 ， 总堆积量为2 7 2 7 5 亿m 3 ，一座分布在海州井田，总占地面积为1 8 4 0 o n 2 ；总堆积量 为8 4 0 0 亿m 3 ，中型矸石山有两座，均分布在海州井田，总占地面积为2 1 0 k m 2 、总 堆积量为1 0 5 亿m 3 。中小型矸石山有7 座，主要分前i 在国有矿山的部分井口附近。 如高德矿七井、东梁二井、清河门竖井及二井等，总占地面积约为o 8 8 5 k m 2 ，总堆 积量为0 5 2 8 亿m 3 。另有不具规模的矸石山3 4 0 多座，均为个体小矿形成，零散分布 于各小煤窑附近，总占地面积约2 0 k m 2 ，总堆积量为o 2 0 0 亿m 3 ，详见表2 2 。 阜新矿区1 9 8 4 年前煤矸石生产排放量高达6 0 0 万m 3 年，而后随着开采鼍的逐年 华中科技大学硕士学位论文 萎缩和煤矸石的综合利用，煤矸石排放量已逐年减少。以1 9 9 3 年为例，矿区内年煤 矸石产生量为1 8 7 8 2 9 万吨，综合利用量为1 0 3 2 6 3 3 万吨，利用率为5 4 9 3 ，处理 量为7 5 5 4 8 2 万吨，处理率为4 0 2 2 ，年内地表堆放量仅9 0 1 万吨，主要分布在一 些集体、个体小井井口附近。随着矿产资源的锐减，原有具规模的矸石的堆放量不再 增加。 表2 2 阜新矿区煤矸石堆放统计表 t a b l e 2 2 c o a l m i n es p o i ls t a c k e d t a b l e s o f f u x i n m i n i n g 誓 位置捧放靴 尝尹堆怒度嚣i m 备注 旦f h n lf m li 1 东经：1 2 1 。4 6 d 6 - 1 2 1 + 5 0 3 0 。 北纬：4 2 0 5 4 0 t l 4 2 。0 6 5 0 ” 东经：1 2 1 。4 6 n 6 - 1 2 1 4 8 - 。 北纬：4 2 。0 3 2 0 l 4 2 0 4 2 0 ” 东经：1 2 1 4 2 d 8 t - 1 2 1 4 2 8 0 - 北纬；4 1 5 9 3 0 t - 4 1 4 2 0 8 ” 东经：1 2 1 。4 0 3 0 ” 北纬：4 1 。5 9 3 0 ” 东经：1 2 1 3 c 2 0 - 1 2 1 。4 1 5 1 。 北纬：4 1 5 6 7 5 t l 4 1 5 8 d 6 ” 东经：1 2 1 3 6 2 0 t - - 1 2 1 。4 1 5 1 t 。 北纬：4 1 5 7 3 0 ”4 1 5 8 啪” 东经： 北纬： 8 东经： 北纬： ，篙 1 2 1 。3 5 5 0 ” 4 16 5 3 3 5 ” 1 2 1 。2 9 0 0 4 1 。4 8 1 8 1 2 1 6 2 6 f 4 7 4 1 。4 7 1 2 ” 新邱原北露天矿 3 9 52 0 3 00 9 8 7 5大型 新邱原南露天矿 5 8 02 0 4 0大型 商德东山矸石山 1 2 01 5 - 3 00 5 4 0 中型 高德矿一号井矸石 0 1 57 0o 1 0 5小型 山 海州矿矸石山 1 8 加4 5 5 5 8 4 0 0 大型 五龙平西矸石山 0 9 05 7o 5 1 3小型 东粱二井矸石山0 1 0 5 70 0 5 7小型 艾友矿矸石山0 1 0 7 00 0 7 0小型 艾友- - 矿矸石山 0 1 03 30 0 6 9 3小型 1 0 东经；1 2 1 。2 7 2 5 ” r 鼢 7 ：- j 一井0 0 5 3 30 0 1 6小型 北纬：4 1 4 5 3 0 “ 1 1 东经。1 2 1 。2 7 2 5 ” 清河门二井0 0 7 4 90 0 3 4 3小型 北纬：4 r 4 7 4