粉煤灰礦井灌漿防滅火對地下水的影響

祁鵬飛，康靜文

（太原理工大學環境科學與工程學院，山西 太原 030024）

隨著煤粉鍋爐的推廣應用，其附屬產物粉煤灰的處置問題顯得尤為突出?？紤]到煤礦煤層自燃的問題，部分礦井考慮利用粉煤灰進行礦井灌漿防滅火，但運用粉煤灰灌漿是否會對地下水產生影響尚未有相關研究。下面針對利用粉煤灰礦井灌漿防滅火對地下水的影響進行探討。

1 粉煤灰的形成

煤粉在燃燒時，煤粉中的不可燃物大量混雜在高溫煙氣中，受高溫作用后部分熔融，由于表面張力的作用，形成大量細小的球形顆粒。隨著煙氣溫度的降低，部分熔融的細粒因急冷呈玻璃體狀態，經過除塵器被分離、收集，形成粉煤灰。煤粉經過燃燒后，有害的重金屬和放射性物質以較高濃度留存于粉煤灰中。粉煤灰的主要成 分 是 SiO2，Al2O3，Fe2O3，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等放射性元素也會留存在粉煤灰中[1]。

2 粉煤灰灌漿工藝流程

預防性灌漿是將水、漿材按適當比例混合，配制成一定濃度的漿液，借助輸漿管路輸送到可能發生自燃的區域，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。將灌漿材料運送至井口料場，在配料站用高壓水槍沖刷灌漿材料并攪拌成灰漿，經注漿管路送入井下，利用井下注漿系統，通過管路運輸漿體至注漿現場，把漿液注入采空區或巷道等防滅火地點。

3 粉煤灰灌漿對地下水的影響

煤礦在開采過程中會產生人為導水通道，增大含水層間的水力聯系，地下水地球化學環境由封閉變得相對開啟，天然的還原狀態變為開放的氧化狀態。由于煤層中所含硫元素的影響，上覆巖層來水表現為偏酸性，約為 6.4[9]。

灌漿結束后，漿體處于地下環境中，主要受來自于上覆巖層水的淋濾。山西省各地區所開采的煤層主要涉及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，漿體中部分元素會被浸出。對地下水造成影響的因素有：重金屬、氟化物以及放射性物質。

國內外眾多學者對關于粉煤灰在淋濾條件下的浸出進行了研究。Hjelamr[2]的研究表明：As，Cr，Mo，Se和 V 在堿性環境中有一定溶出；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]利用柱淋濾試驗研究得出：As，Sb和Se在堿性環境中的濾出大于酸性和中性環境；Cd，Fe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]通過對粉煤灰中重金屬元素淋濾特性研究，表明粉煤灰灰場灰樣中重金屬的遷移規律為：Cd＞Zn＞Cu＞Pb＞Cr＞Co。

3.1.1 Cd的淋濾

根據龔勛等人的研究成果可知，粉煤灰眾多重金屬元素中Cd具有較強的遷移性，遷移率達到52%。但黃存捍等[5]認為粉煤灰中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。

龔勛認為，Cd的淋出率隨pH值的升高而降低，尤其是pH值為11.45時，基本未檢測出Cd的濾出，因此，在堿性條件下，粉煤灰中的Cd非常穩定，當pH值為11.45時不發生遷移。

3.1.2 Cr6+的淋濾

范俊玲等[6]對老灰和新灰進行了浸溶和淋濾試驗，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]對粉煤灰進行了淋溶試驗并對Cr6+進行了淋濾試驗，結果表明，長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]針對粉煤灰中的Pb進行了淋濾試驗，結果表明：粉煤灰的淋溶液中，重金屬Pb在沒有生物富集和其他積累作用下不會對水環境產生污染。這是由于沒有考慮到pH值的影響所造成的。

當pH值在9.88～10.27之間時，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有淋出，同時淋出率隨淋濾液固比增大而增大。

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

3.2 氟化物對地下水的影響

時紅等[10]通過對太原二電廠陽坡溝粉煤灰灰場灰水下滲的測量，灰水中氟化物濃度1.78 mg/L，模型計算在21年后，在三種不同滲透系數10-2m/d，10-4m/d和10-6m/d條件下，進入含水層中氟離子的質量濃度分別為1.39 mg/L，1.32 mg/L和1.22 mg/L。黃爽等[11]對粉煤灰灰場中周圍地下水進行了測量，其中所含的氟化物幾乎都大于《地下水質量標準》規定的1 mg/L。此外，張紅等[12]對神頭二電廠的粉煤灰灰場灰水進行測量，灰水進口處氟離子的濃度高達3.33 mg/L，灰水出口處氟離子濃度為2.43 mg/L。許佩瑤等[13]對保定熱電廠儲灰場灰水中的氟化物進行測量，濃度為3.32 mg/L。

由此可見，粉煤灰中含有較多氟離子。在淋濾條件下，將會有很高濃度的氟離子浸出，雖然在下滲過程中會有所減少，但仍然會對地下水產生污染。

3.3 放射性物質對地下水的影響

孫中惠等[14]對蘭村水源地帶進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，粉煤灰堆放時間越長，水體中總β放射性濃度越大?！兜叵滤|量標準》規定，Ⅲ類水總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，均超過標準。

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圍固體高，放射性物質隨浸泡時間的延長、攪拌強度增大而增加。

由此可見，在灌漿結束后，淋濾液隨著時間的推移，放射性污染有加劇的趨勢。

4 結語

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，灌漿結束后，在淋濾條件下會淋濾出眾多的重金屬元素以及氟化物，造成對地下水的污染，甚至還會對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，從保護地下水的角度來講，建議不采用粉煤灰作為灌漿材料來防滅火。

[1]郝永艷，郝峰，陳軍鋒，等.電廠粉煤灰堆放對水環境的影響及防治對策[J].山西水利，2010（11）:19-21.

[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].華中科技大學博士學論文，2010.

[5]黃存捍，鄧寅生，黃俊雄.粉煤灰井下填充的環境影響及控制實驗研究[J].礦業安全與環保，2004（1）:4-22.

[6]范俊玲，朱利霞.粉煤灰堆放場Cr6+離子的溶出規律[J].河南科技大學學報，2010（5）:98-100.

[7]蔣和平，職音，郭慧霞，等.火電廠粉煤灰中Cr6+遷移規律的試驗研究[J].焦作工學院學報，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驗研究[J].河北化工，2008（3）:23-24.

[9]喬小娟，李國敏，周金龍，等.采煤對地下水資源與環境的影響分析——以山西太原西山煤礦開采區為例[J].水資源保護，2010（1）:49-52.

[10]時紅，張永波.粉煤灰水在土壤包氣帶中的垂直遷移規律[J].水資源保護，2007（3）:30-32.

[11]黃爽，蔡樹英，楊金忠.電廠粉煤灰對地下水影響的初步研究[J].武漢大學學報，2001（5）:7-11.

[12]張紅，上官鐵梁.神頭二電廠灰場植物群落分析研究[J].西北植物學報，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學模型[J].安全與環境學報，2003（6）:6-8.

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