人工冻结法的环境污染防治.pdf

人工冻结法的环境污染防治 温汉宏 1 李林 2 1． 北京中煤矿山工程有限公司， 北京 100013;2． 天地科技股份有限公司， 北京 100013 摘要 人工冻结法于 1955 年引入我国凿井领域， 近 60 年的工程应用， 不仅使该技术不断成熟， 其与环境的冲突日渐尖 锐。如何处理好人工冻结法与环境的关系， 有效预防环境污染事故的发生， 制定合理有效地应急预案成为制约该技术 应用范围继续扩大的一个瓶颈。针对人工冻结法在生产过程中存在的各类环境污染隐患， 进行了分析和研究， 并针对 不同隐患提出相应的解决方案， 为今后人工冻结法环境问题的处理提供了有价值的参考。 关键词 人工冻结法; 环境污染; 防治 PREVENTION AND TREATMENT OF ENVIRONMENTAL POLLUTION FROM ARTIFICIAL FREEZING Wen Hanhong1Li Lin2 1．Beijing China Coal Mine Engineering Co．， Ltd， Beijing 100013，China; 2．Tian Di Science and Technology Co．， Ltd， Beijing 100013，China AbstractThe artificial freezing was introduced in 1955． In the past 60 years， the technology has become perfect ， while the contradiction between it and environmental protection is increasingly prominent． Researching and developing the economical and reasonable s to establish a good relationship between them is a bottleneck to the promotion of the technology． It is analysed all kinds of environmental pollution problems in the construction process and proposed corresponding solutions，which provides valuable reference for treating the future environmental pollution from artificial freezing ． Keywordsartificial freezing ;environmental pollution;prevention and treatment 0引言 近年来， 我国环境影响评价领域一直很重视环境 风险评价。国家环保总局于 2004 年颁布的“建设项 目环境风险评价技术导则” ， 使环境风险评价成为环 境影响评价的重要组成部分 ［1］。自 1955 年从波兰引 进人工冻结法凿井技术并在开滦煤矿林西风井首次 应用成功 ［2］。50 多年来， 应用人工冻结法施工了 700 多个立井井筒， 累计人工冻结法井筒延米达 150 km， 最大冻结深度 950 m， 冲积层最大厚度 587. 4 m， 国内 正在建设中的甘肃核桃峪副立井更是达到了 950 m 的世界最深冻结深度。随着我国浅层煤炭资源的持 续开采和煤炭需求总量的不断增加， 我国煤炭开采势 必向着埋深更大、 地质条件更为复杂的深部发展。而 当深度超过 700 m 时人工冻结法则成为了现有的主 要可行特殊凿井方法。但是， 随着冻结深度的增大， 人工冻结法所需的各类工业原料和产生的废料总量 也成倍增加， 这使得原本并不突出的环保问题日益被 重视， 亟需对人工冻结法与环境的关系进行系统而科 学的研究。 1人工冻结法简介 人工冻结法最早用于俄国金矿开采， 后由德国工 程师用于煤矿矿井建设 ［3］， 现已广泛应用于地铁、 深 基坑、 矿井建设等工程中。其实质是在不稳定含水地 层中修建地下工程时， 借助人工制冷手段暂时加固地 层和隔断地下水的一种特殊施工方法 ［4］， 常用于竖 井工程。在井筒开挖之前， 从地面沿其外围一定距离 的同心圆周上按等间距向下钻孔， 孔底深入不透水 层， 然后向每个钻孔中沉放用无缝钢管做的下端封闭 的冻结管; 在地面安装冷冻设备， 采用氨 NH3 、 氟利 昂为制冷剂， 将冷媒剂氯化钙溶液 习称盐水 冷却 到 － 20 ～ － 30℃ ， 用循环泵和插至冻结管深处的聚氯 乙烯供液管将盐水送入冻结管。经低温盐水长时间 连续地吸取管外的热量， 使周围地层冻结。盐水吸取 地层的热量后温度上升， 在循环泵的作用下， 经回路 421 环境工程 2012 年 6 月第 30 卷第 3 期 管回到冷冻设备和制冷剂接触而重新冷却。原为液 态的氨， 在减压的条件下蒸发时摄取盐水的热量后， 经压缩和冷凝又使其液化， 在管道内循环流动， 重复 使用。在每一冻结管周围形成的冻土圆柱体， 其直径 随时间而增大， 这些圆柱体互相交接成密实而闭合的 冻土墙， 能承受水、 土压力并阻隔地下水， 在它的保护 下开挖地层和修筑衬砌。 2人工冻结法的主要环境污染隐患及防治 人工冻结法主要应用于矿山立井和地铁隧道建 设， 对于煤矿立井建设， 因煤矿多处于偏远地区， 经济 社会比较落后， 环保意识较弱， 加之部分人工冻结法 施工单位受利益驱使， 常常导致对环境的肆意破坏; 对于地铁施工， 因我国现阶段修建的地铁主要以缓解 地面交通压力， 疏散人流为主要目的， 故经过区域多 为国内发达城市的核心商业办公区和人口密集居住 区。在这样的环境下施工， 即使很小的环境污染事故 也会造成极大的人身伤亡和社会影响 这也是在地 铁人工冻结法施工中严禁使用氨作为制冷剂的主要 原因 。因而必须对人工冻结法的环境隐患进行充 分的研究， 避免危害的发生。 2. 1制冷剂的环境污染隐患及防治 氨作为人工冻结法的主要制冷剂， 因其单位制冷 量大， 设备自重轻而被广泛应用于矿山立井建设。冷 冻站用液氨量一般在 60 t 以内。但因氨具有一定危 险性， 有毒性、 易燃易爆且具有腐蚀性。危险等级 2， 属于高度危险物质。轻度吸入氨中毒表现有鼻炎、 咽 炎、 喉痛、 发音嘶哑。严重吸入中毒可出现喉头水肿、 声门狭窄以及呼吸道黏膜脱落， 可造成气管阻塞， 引 起窒息。个别病人吸入极浓的氨气可发生呼吸心跳 停止， 直接危害生命。皮肤或眼睛接触可能导致严重 疼痛和 烧 伤 ［5］。氨 泄 漏 隐 患 主 要 存 在 于 以 下 几 方面 1 设备安装调试期。冷冻站制冷换热设备包括 氨系统、 盐水系统、 清水系统和油路系统。不仅安装 工程量大， 而且各设备间相对高差要求严格， 焊缝质 量要求高。极易产生漏点、 误连接或安装焊接质量不 符合要求， 造成打压期间管道破裂、 阀门爆裂等急性 泄漏事故。 2 设备运行期。经过前一个阶段的打压试漏和 补漏， 基本不存在漏点和质量隐患。但因设备正常运 行期较长， 个别工程甚至会达到 300 余天。在如此长 的一段时间内， 操作人员和管理人员很容易产生思想 上的麻痹。疏于对设备的正常检修和维护。储氨罐， 冷凝器等更是长期工作于室外恶劣气候环境， 阀门锈 蚀严重， 安全阀有效动作性在很大程度上被削弱。 3 设备拆除期。冻结时， 矿方因进度和场地需 要， 多会限期拆除完毕。而冷冻站站内空间有限， 大 型吊装机械无法进入， 以人工拆除为主。各类管道阀 门重量较大， 如不慎跌落， 极易砸损氨管路， 造成泄 漏。另外由于部分系统残存氨液和溶解在冷冻机油 中的氨液无法完全排尽， 加之其存在位置分散， 难以 集中防治， 对人员安全构成了一定的威胁。 对于上述隐患， 应采取以下措施进行必要的预防 和处置 第一、 深化设备进场检验制度， 对各类压力容 器， 承压管道进行严格的检查， 对于高压氨管路应对 焊缝进行无损检测， 将事故发生的可能性降到最低; 第二、 配备足够数量、 安全可用的防护用品。并进行 定期检查养护; 第三、 加强人员培训和管理， 提高人员 的专业性和安全意识。在上述三个不同时期有针对 性的开展安全教育。保证所有人员都能熟练正确使 用防毒面具， 掌握氨中毒的急救措施。 另一种主要制冷剂氟利昂， 其本身化学性质稳 定， 无毒不燃， 但其会对大气臭氧层造成严重破坏。 上升进入平流层后在紫外线的照射下严重破坏臭氧。 导致紫外线增加和全球变暖。对其泄漏污染的防治 主要以定期检查设备运行情况， 发现氟利昂不足时， 先全面检查排除漏点方可对其进行补充， 否则会造成 氟利昂的长期泄漏， 危害臭氧层安全。也可考虑采用 近年来开发出的各类氟利昂替代品替代氟利昂 ［6- 7］。 2. 2冷凝器外排水汽造成空气湿度局部过高的环境 污染隐患及防治 高压气态氨需经冷凝器冷凝转化为液态氨。国 内主要冷凝设备以水冷凝器为主， 为了提高换热效 率， 在冷凝器上多设有大型风机， 以便增加水汽扩散 速度。在大型冷冻站中， 当 20 余台冷凝器风机同时 工作时， 会极大地改变局部空气湿度。空气湿度过 大， 会刺激人体的松果腺体分泌激素， 致使体内甲状 腺素及肾上腺素的浓度相对降低， 细胞活性降低， 造 成人萎靡不振， 而且容易患呕吐、 恶心、 便秘、 食欲不 振、 烦躁、 疲倦、 头晕、 偏头痛、 脑血栓等病症 ［8］。潮 湿的空气里霉菌种类也会增多， 有些真菌孢子可以附 着在灰尘上， 形成有毒尘埃， 导致人们发生过敏反应。 另外， 居室内潮湿会引起人体血管压力加大和呼吸不 畅， 进而诱发多种疾病。如施工场地有限， 冷凝器被 521 环境工程 2012 年 6 月第 30 卷第 3 期 迫安放于居住区上风口时， 极易因局部空气湿度过高 造成人身损害。 针对冷凝器外排水汽造成的空气湿度局部过高， 可通过尽量避免将冷凝器设置于上风位置， 在冷凝器 与人口聚居区之间架设挡雾墙， 降低冷却循环水温度 等措施进行有效防治， 避免因空气湿度过大， 破坏人 体的热代谢和水盐代谢平衡， 对人员健康造成不利 影响。 2. 3氯化钙废液和备用氯化钙的环境污染隐患及 防治 人工冻结法以氯化钙溶液作为冷媒剂实现地层 与氨之间的热量传递。一般选用 CaCl2 2H2O。对于 设计制冷量较大的冷冻站， 用量一般在 500 t。其中 90 用于配置氯化钙溶液， 预留 10 进行浓度调试 和冻结管断裂， 盐水泄漏时的应急物资。氯化钙溶液 用量一般在 3 000 m3。现阶段， 在冻结完成后， 人工 冻结法施工单位多设计采用潜水泵将废液抽排到贮 存池进行物理沉淀， 待液体中杂物沉淀后， 排入矿内 的污水管道。但因撤场工期短， 且对于数量如此巨大 的氯化钙废液， 不存在足够容积的容器或构筑物 如 沉淀池 进行沉淀。兴建新的沉淀池因场地有限、 成 本过高也很难被实现。在冻结完成后， 部分施工单位 进行挖坑渗排的方法处理。剩余 10 的固体氯化钙 因在长达一年的冻结施工期内包装风化， 加之运距较 远， 产品本身成本低， 也多不进行回运， 而是采取就地 掩埋的方法。这种处理方式极大地污染了当地的地 下潜水。严重破坏了地下水的酸碱平衡。对当地环 境和地下水质量构成长期威胁。 针对氯化钙溶液的处理， 目前尚没有系统科学的 处理方法。但氯化钙作为一种重要的化工原料， 无机 工业可用作制造金属钙、 氯化钡、 各种钙盐 如磷酸 钙等 的原料。建筑工业用作防冻剂， 以加速混凝土 硬化和增加建筑砂浆的耐寒能力。此外， 还用作织物 的防火剂、 海港的消雾剂、 路面的集尘剂和食品的防 腐剂等。是生产色淀颜料的沉淀剂。用于废纸加工 脱墨 ［9］。因氯化钙应用范围如此广泛， 故在矿区周 边联系相关化工厂进行回收利用是比较经济可行的 处理方法。不仅可以创造一定的经济效益， 而且解决 了大量氯化钙溶液的处理难题， 避免了氯化钙对环境 的污染和破坏。 3结论 人工冻结法作为深部煤层开采建井的主要特殊 凿井方法近年来随着深部煤层的开发得到更为广泛 的应用。冻结深度加深、 总设计制冷量的加大也使得 原本并不突出的人工冻结法对环境的不利影响日益 突出。本文根据多年人工冻结法设计施工经验， 针对 人工冻结法施工过程中可能对环境造成的不利影响 氨和氟利昂泄漏、 冷凝器水汽导致空气湿度偏高、 氯化钙固体及溶液的处理 分别分析了其产生原因 并提出相应的防治措施。以便将人工冻结法对环境 的不利影响在现有技术水平下， 经济合理地降到最 小。促进人工冻结法的进一步推广， 保证我国煤炭资 源的安全高效开采。 参考文献 ［1］岳波波， 马俊杰，王伯铎， 等． 合成氨 － 尿素生产建设项目环境 风险评价［J］． 环境工程， 2008， 26 1 78- 81． ［2］中国矿业学院． 特殊凿井［M］． 北京 煤炭工业出版社， 1981． ［3］特鲁巴克 H Г． 冻结凿井法［M］． 北京 煤炭工业出版社， 1958． ［4］陈湘生． 地层冻结技术 40 年［J］． 煤炭科学技术， 1996， 24 1 13- 15． ［5］豆怀斌． 大型氨罐液氨泄漏的预防与处理对策［J］． 石油化工 应用， 2010 5 101- 103． ［6］刘天成， 宁平， 王红斌， 等． MoO- 3 /ZrO- 2 催化分解氟利昂的工 艺研究［J］． 环境工程， 2009， 27 S1 319- 321． ［7］胥金辉，张天胜． 氟利昂替代品研究现状［J］． 化工新型材料， 2004， 32 8 1- 5． ［8］郑波， 张建明， 马小杰． 矿井高温高湿环境危害分析及治理措 施［J］． 工业安全与环保， 2008， 34 9 27- 28． ［9］李宁，王树轩， 王寿江， 等． 氯化钙生产和应用综述［J］． 盐业与 化工， 2009， 38 6 42- 44． 作者通信处李林100013北京市朝阳区和平里青年沟路五号天 地大厦 426 室天地科技股份有限公司 E- mailllsryx 126． com 2011 － 11 － 21 收稿 621 环境工程 2012 年 6 月第 30 卷第 3 期