煤炭開采對周邊土壤環境的影響

梅 明, 李俊峰, 周 旋, 丁成程

(武漢工程大學環境與城市建設學院,湖北武漢 430074)

0 引 言

我國煤炭資源豐富，隨著煤炭開采行業的發展，煤矸石的產生量與日俱增.據統計，我國煤矸石的產生量約為原煤總產量的15%～20%，已經積存70億噸，占地面積約70 km2，而且排放量正以1.5億噸/年的速度增長.目前，我國煤矸石綜合利用水平較低，尚不到煤矸石排放量的15%，大部分未被利用的煤矸石采用溝谷傾倒式自然松散的堆放在礦井四周，不僅侵占大量土地，而且還會產生自燃或滑坡等地質災害.另外，由于露天堆放的矸石較松散，滲透系數大，產生的淋溶水對周圍水體及土壤環境可能產生極大污染[1-3].因此，解決煤炭開采過程中產生的土壤環境影響已迫在眉睫.

目前，國外對煤炭行業開采引起的環境問題研究主要表現為采煤事故防范、煤炭開采過程中 “三廢”的產生情況以及治理措施、煤炭開采對土地資源的破壞[4-5].國內對煤炭行業開采引起的環境問題的研究主要集中在煤炭開采對周邊生態環境的影響，包括以下兩點：a.煤炭開采導致土地資源破壞及生態環境惡化；b.煤炭開采破壞地下水資源，引起地下水水位下降、惡化水系生態環境，使礦區干旱缺水局面更加嚴重，加劇供水緊張形勢[6-10].本論文通過測定煤炭開采附近土壤中的重金屬，分析煤炭開采對土壤環境的影響，論文的創新點在于針對煤炭開采對土壤的環境影響，提出有效的污染防治措施.

廣西羅城偉隆煤業有限公司昌盛煤礦位于羅城縣四把鎮四把社區境內，礦井走向長0.96～1.42 km，傾斜寬0.75 km，面積0.876 km2，開采深度+350 m～+200 m標高.可采儲量為20.09萬噸，開采規模為6萬噸/年，煤矸石臨時堆放場占地約800 m2，目前堆放在臨時堆放場的煤矸石總量約900 m3.本文選取該煤礦周圍土壤為研究對象，采用《土壤環境監測技術規范》(HJ//T166-2004)、火焰原子吸收分光光度法和可見分光光度法[11-14]，對土壤中銅、鋅、鉛、鎘、總鉻、砷等重金屬進行監測，并將監測結果與土壤環境質量標準值和羅城縣土壤背景值進行比較，據此分析煤炭開采對土壤的環境影響并提出有效的污染防治措施.

1 實驗部分

1.1 樣品的采集及預處理

1.1.1 樣品的采集 本實驗的樣品取自廣西羅城偉隆煤業有限公司昌盛煤礦礦井周圍土壤，共布設四個采樣點，具體如下：1#位于昌盛煤礦礦井廢水在苗洛甫溪匯入口上游500 m處斷面小溪河床底泥；2#位于昌盛煤礦工業廣場南面100 m處甘蔗地；3#位于昌盛煤礦礦井廢水在苗洛甫溪匯入口下游500 m處斷面小溪河床底泥；4#位于昌盛煤礦工業廣場西面150 m處農田.取樣點布置如圖1所示.

樣品的采集方法參照《土壤環境監測技術規范》(HJ/T166-2004).

圖1 土壤取樣點示意圖

1.1.2 樣品的預處理 將采集的土壤樣品(一般不少于500 g)混勻后用四分法縮分至約100 g.縮分后的土樣經風干后，除去土壤樣品中石子和動植物殘體等異物，用瑪瑙棒研壓，通過2 mm尼龍篩(除去2 mm以上的砂礫)，混合均勻.用瑪瑙研缽將通過2 mm尼龍篩的土樣研磨至全部通過孔徑為0.149 mm(100目)的尼龍篩，混合均勻后備用.

1.2 實驗儀器及藥品

1.2.1 實驗儀器 原子分光光度計；可見分光光度計；原子吸收分光型數控超聲波清洗器(KQ5200DBTAS-990，昆山市超聲儀器有限公司)；砷反應發生器；翻轉式振蕩機；干燥箱；過濾裝置；電子分析天平；其它常規玻璃儀器.

1.2.2 實驗藥品 鹽酸(AR)；硝酸(AR)；硫酸(AR)；氫氟酸(AR)；高氯酸(AR)；氯化銨溶液(質量分數10%)；重鉻酸鉀(AR)；硝酸鑭La(NO3)3.6H2O；銅粉；鉛粉；鋅粉；鎘粉；磷酸氫二銨溶液(AR，質量分數5%)；砒霜(AR，北京化工廠)；二乙基二硫代氨基甲酸銀(AR)；醋酸鉛(AR)；氫氧化鈉(AR)；硫酸銅(AR)；碘化鉀(AR)；氯化亞錫(AR)；無砷鋅粒；吡啶(AR).

1.3 實驗方法

1.3.1 標準曲線的繪制[11]

a.1 g/L標準貯備溶液配制：準確稱取1.000 0 g(精確至0.000 2 g)銅粉、鋅粉、鉛粉、鎘粉，分別溶解在20 mL(1+1)HNO3溶液中，待全部溶解后，移至1 000 mL的容量瓶中，用蒸餾水定容到標線，搖勻.準確稱取在105 ℃烘干2 h后的重鉻酸鉀2.828 9 g，用水溶解后全量移到1 000 mL容量瓶中，用蒸餾水定容到標線，搖勻；準確稱取0.132 0 g干燥至恒重的As2O3，溶于2 mLNaOH溶液(2 mol/L)中，待全部溶解后，加入10 mL(1+1)H2S04溶液，轉移到100 mL容量瓶中，用蒸餾水稀釋至標線，搖勻.

b.標準混合溶液配制：分別移取銅標準貯備液10 mL，鋅標準貯備液5 mL，鉛標準貯備液25 mL，鎘標準貯備液1.25 mL，鉻標準貯備液25 mL至500 mL容量瓶中，用1%HNO3溶液稀釋到刻度，搖勻.此時，混合標準溶液中各重金屬的質量濃度分別為，銅：20 mg/L；鋅：10.0 mg/L；鉛：50 mg/L；鎘：2.5 mg/L；鉻：50 mg/L.

c.標準曲線測定：分別移取0.00、2.50、5.00、7.50、10.00、15.00、20.00 mL的重金屬標準混合溶液至25 mL的容量瓶中，用1%HNO3溶液進行定容，用火焰原子吸收分光光度計測定溶液的吸光度.準確移取0.00、2.50、5.00、7.50、10.00、15.00、20.00 mL的砷標準貯備液至砷化氫發生器的反應瓶中，加入4 mL的KI溶液(150 g/L)、2 mL的氯化亞錫溶液(4 g/L)，混合均勻后放置15 min.向裝有乙酸鉛棉花的吸收管中加入5 mL二乙基二硫代氨基甲酸銀-吡啶吸收液(0.5%)，在砷發生器的反應瓶中加入4 g無砷鋅粒，迅速將吸收管與砷反應瓶連接.同時做空白，在室溫下維持反應時間1 h，使砷化氫完全釋出.將砷發生器吸收管內的溶液在510 nm處，用空白溶液將分光光度計調“0”后，用10 cm的比色皿測定溶液的吸光度.通過濃度和吸光度繪制各標準曲線.

1.3.2 樣品的測定 樣品的測定包括含水率及吸光度的測定，測定方法及參考標準見表1.

表1 樣品的測定

2 實驗結果與討論

2.1 含水率測定

通過含水率的測定方法，測定四組樣品的含水率分別為7.1%、1.4%、5.7%、2.8%.

2.2 標準曲線的繪制

按照1.3.1的方法分別測得銅、鋅、鉛、鎘、總鉻、砷的標準曲線，對標準曲線通過線性回歸，得出標準曲線的回歸方程及r值，具體結果見表2.

表2 標準曲線回歸方程及r值

2.3 土壤樣品測定結果

分別對四組土壤樣品消解試液做平行試驗，采用火焰原子吸收分光光度計在各自確定的條件下，分別測定消解液樣品中銅、鋅、鉛、鎘、總鉻的含量，用可見分光光度計測定各消解液樣品中砷的含量，土壤樣品中各重金屬的含量W(mg/kg)按式(1)計算.

(1)

式(1)中：C為試液的吸光度減去空白的吸光度，然后在校準曲線上查得的重金屬含量(mg/L)；V為試液定容的體積，mL；m為稱取試樣的質量，g；f為試樣的水分含量，%.

各土壤樣品中重金屬測定結果如表3所示.

表3 土壤中重金屬含量測定結果

對昌盛煤礦的煤矸石進行浸出毒性試驗，浸出液試驗結果詳見表4.

表4 煤矸石浸出液監測結果

2.4 測定結果分析

2.4.1 土壤評價標準 土壤中重金屬執行GB15618-1995《土壤環境質量標準》二級標準，見表5.

表5 土壤環境質量標準

2.4.2 土壤評價方法

采用單因子污染指數法進行評價，即：

Pi=Ci/Si.

式中：Pi為土壤中i項污染物的污染指數；Ci為土壤中i項污染物濃度實測值，mg/kg；Si為i項污染物濃度標準值，mg/kg.

2.4.3土壤評價結果

本文各監測點監測數據、土壤環境標準值和羅城縣土壤背景值數據見表6.

土壤評價結果見表7.

表6 相關數據一覽表

表7 土壤樣品評價結果

由表7可知，各取樣點土壤pH、Cr、Cu、Pb的濃度均符合GB15618-1995《土壤環境質量標準》二級標準，說明土壤未受到pH、Cr、Cu、Pb的污染.1#、2#、3#監測點土壤的Zn濃度超過GB15618-1995《土壤環境質量標準》二級標準，其超標倍數在0.02～0.18.各監測點土壤的Cd和As濃度均超過GB15618-1995《土壤環境質量標準》二級標準，Cd濃度的超標倍數在0.57～2.5，As濃度的超標倍數在0.12～0.76.

據調查，土壤取樣點周邊無冶煉廠等排放重金屬的污染源.導致土壤的As、Cd、Zn超標的主要原因有兩點：一是羅城縣為廣西地區土壤中As、Cd、Zn含量比較高的地區，實驗中的土壤樣品取于礦區范圍內，土壤中As、Cd、Zn含量與羅城縣其他地方比相對較高；二是取樣點均靠近煤矸石臨時堆場，煤矸石堆場產生的淋溶水導致土壤中重金屬含量增加.

3 結論及建議

3.1 結 論

煤炭開采過程中，產生大量的煤矸石，煤矸石露天堆放，在雨季，煤矸石堆場產生的淋溶水滲透到土壤中，導致土壤中砷、隔、鋅等重金屬含量增加，破壞了土壤的性質，對土壤環境造成較大的污染.

3.2 建 議

針對煤炭開采對土壤環境的污染，提出以下兩點防治措施：

a.硬化煤矸石臨時堆場的地表面，煤矸石及時外賣給磚廠制磚或者進行合理的綜合利用，避免長久堆放.

b.在煤矸石臨時堆場周圍設置環形截水溝，工業廣場內設置排水溝渠，下游設置初期雨水收集池.煤矸石淋溶水和工業廣場內的沖刷雨水經排水溝渠引至初期雨水收集池內，再經過中和池、沉淀池處理后回用于廠區內灑水降塵.

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