两淮矿区煤矸石的卫生填埋与生态恢复.pdf

第 2 6卷第 4期 2 0 0 1 年8月 煤 炭 学 报 J OURNAL OF CHI NA COAL S OCI E TY 2 6 No． 4 Au g ． 2 0 0I 文章编号 0 2 5 39 9 9 3 2 0 0 a 0 4 0 4 2 8 0 4 两淮矿 区煤矸石的卫生填埋与生态恢复 王国 强 ， 赵华 宏 ， 吴 道样 ， 刘 洋 ， 谢明 贤 1 ． 台肥工业大学 资源与环境科学系， 安徽 台肥2 3 0 9 ； 2 安徽省公路勘测设计院．安徽 台肥2 3 0 0 4 1 摘要利用煤矸石填充塌陷区， 对矿 区土地复垦起到一定的积极作用， 但煤矸石的淋溶渗滤 波， 已给地下水资源和土壤带来了极大的污染． 通过畸淮南矿区堞矸石常规填埋法造成的危害及 其污染途径进行讨论， 提出对煤矸石进行卫生填埋， 走综合治理与可持续发展相站合的道路， 以 恢复矿 区生态环境的观点． 关键词煤矸石； 二次污染； 卫生填埋； 防渗；生态恢复 中图分类号 T D 8 4 9 5 ；X 1 4 1 ； X 7 0 5 文献标识码A 两淮矿区是我国重要 的能源生产基地 ，也是存在严重环境问题 的矿区矿 区曾利用煤矸 石填充塌 陷 区， 复垦造田， 对矿区固体废弃物的治理、 生态环境的恢复起到了一定的作用． 但是 ， 这种简易填埋法产生 的煤矸石淋滤液的二次污染， 危害人体健康， 影响工农业生产，已引起人们的重视 而卫生填埋法可以解 决二次污染这一 问题 1 两淮矿区地面塌陷及煤矸石的分布 两谁煤田随着煤炭资源的不断开发， 一方面造成大量的煤矸石堆积； 另一方面， 由于采动影响形成大 面积的塌陷区和积水湖 ，给矿区生态 环境造成巨大压力据初步统计， 地 表塌陷区主要集中在淮河南岸的老矿 区， 及淮 北的岱河煤矿 、张庄 煤矿和 杨庄煤矿等矿区 图 1 ．仅淮南矿区 的开采沉陷面积已达 1 1 2 ． 1 6 k ， 全 区积水面积 为 1 4 ． 1 7 k m2 ．而 煤矸 石 的堆积占地面积也大得惊人． 淮北市 较大的煤矸石堆有 6 处 ， 占地面积为 4 7 ． 8 h mz ，占淮北市 固废堆放地面积 的 3 4 ． 1 4 ％，其主要分 布于各 煤矿周 围的低洼地带【 “ ； 淮南煤矿已形成 1 0 余座矸石山， 截止 1 9 9 6年底， 煤矸石 a 图 1 两淮矿区地表沉陷区域分布 据淮南矿务局，1 9 9 2改 Fig． 1 Th e g r c n d s u b s i d e n c e d i s t r i b u t i o n i n t h e Hu a i n a n a n d Hu a i b e i Mi n i n g Ar e a a 淮北地表沉陷分布； b 谁南地表沉陷分布 堆存量约 3 6 0 0万 t ，占地面积约 1 3 3 ． 3 ． 预计到2 0 2 0年， 煤矸石的新增累计量将达 1 2 4 8 0 万 t ， 累计 塌陷区达 1 8 3 ． 2 5 k m 2 ， 到 2 0 5 0年， 矸石累计量将达 2 9 5 8 0 万 t ， 塌陷区达4 5 2 k m 2 2 煤矸石简易填埋的危害 煤矸石的常规填埋法， 是将煤矸石直接填人塌陷而成的塘、 湖、沟或低洼地区， 对场地和废弃物不作 牧稿日期2 o o l毗 一 0 5 基盒项 目 安徽省 自然科学基金资助项 目 0 0 0 4 7 1 0 2 维普资讯 第4期 王国强等两淮矿区煤矸石的卫生填埋与生态恢复 4 2 9 任何处理． 其工艺简单， 成本低廉， 但是造成环境的二次污染 ， 是具有较大威胁的污染源． 2 ． 1 对水土体的污染 煤矸石简易填埋造成的二次污染， 主要是其淋溶液中的重金属元素c d ， P b ， Ia g ， A s ， C u ， Z n 等的排放 与转移 ， 对周围接纳水体和土壤造成一定的污染． 据崔龙鹏对淮南某矿的研究表明l 2 J ， 煤矸石淋溶水中， 除汞外其它污染物浓度均大大超过国家第一类污染物最高允许排放标准 表 1 ， p H值也严重超标 ． 同时测 得煤矸石中重金属含量一般均高于土壤中相应成分含量 A s 例外 ， 部分重金属含量甚至接近土壤的 1 倍 表 2 ． 根据扩散及渗透原理， 这些重金属元素的排放与转移， 必然会对塌陷区积水及周围水土体造成严 重污染 ． 当然 ， 不同塌陷区的污染程度， 与煤矸石的成分、 淋溶面积、 淋溶水量和酸碱度、 塌陷区积水量、 与外界水力联系程度及其自 净能力等有关． 寰 1 煤矸石淋溶水质与标准对比 T a b l e 1 Th e l e a c h ing w a t c x q u a ff t y o f g a n g n e p m n gwI c ht h e s “m d a r 吐 s r a g ／ L 寰 2 攥矸石与 土壤 的元素 含量 对比 T a b l e 2 Th e m p a 1 0 fde me n t t e n l sf o r g a n g n e a n d s 0 I l mg ／ k g 2 ． 2 污染途径 在煤矸石充填塌陷区的整个过程中， 煤矸石会因受地下水及下渗雨水的浸泡， 而淋溶出一些重金属元 素、 易溶盐离子及煤矸石中矿物成分发生氧化分解而生成的有害物质 等． 多数地表塌陷区已沉到潜水位以下， 使煤矸石长期处于水力浸泡 环境之中， 为煤矸石发生一系列物化反应及生成物的运移提供了很好 的环境介质条件． 首先， 重金属元素及易溶盐逐渐淋溶出来， 并经地 下水 的运移而渗入土壤和地下 水中，造成土壤 及地 下水 的污染 ；其 次 ， 煤矸石中有较多的硫铁矿成分， 研究表明， 它会发生氧化分解反 应 2 F e S 2 q - 7 0 2 2 H 2 O一2 F q - 4 S O 4 q - 4 H ， 使淋溶水呈酸 性． 一方面， 在酸性环境下又加速了煤矸石中重金属元素的溶出， 另 一 方面造成酸性污染 ． 煤矸石 中还有其他物化反应发生以及氟 、 氨等 物质成分析出， 都会对地下水和土壤造成污染． 煤矸石淋溶液不仅污染塌陷区积水 ， 而且， 通过各种水力联系 导水砂层、地层裂隙、农灌 、河流等 发生污染转移 图 2 ．由于采 空塌陷产生大量的裂缝， 并错断原隔水层， 加强 了地下水的水力联 J 1 3 t 一 l 一 、1 图 2 固体废物污染环境的主要方式 据 K e l l E ． A． 。1 9 7 9 [ 3 ] 改 Hg． 2 E n v i r o n me n t mo d e l 0 f s dl dⅥ s 【 鹳 l 污染地下水 ； 2 土壤嗳附； 卜 一 农 作物吸收； 4 污染植物； 5 雨木琳滤 6 一废物； 7 一地下木位 系， 使周围土壤、 水体受到污染， 从而影响工农业生产， 主要是水产养殖业受到危害 其中， 毒性最大的是 c d ， P b ， H ， A s ， 它们不但不能被生物降解， 相反， 却能在食物链的生物放大作用 许多物质在水生生物体 内的浓度， 比在水中浓度高几十倍、 几百倍甚至上千倍 下， 大量地富集， 最后进入人体， 对人体健康产生 长远的不良影响， 会引起急、 慢性中毒 ， 造成肝、 肾、 肺、 骨等组织的损坏 ； 会侵害人体呼吸、 血液循环、 神 经和心血管系统， 甚至能够致癌、 致畸、 致死． 3 煤矸石的卫生填埋处理 目 前， 垃 圾卫生 填 埋法是 世界 上最常 用的固 体 废料处理 技术， 也是我国现阶 段固 废的 主萼处 理技术． 它是在科学选址的基础上， 采用必要的场地防护手段和合理的填埋结构， 以最大程度地减缓和消除垃圾对 环境 ， 尤其是对地下水污染的技术． 其主要优点是 ①技术成熟可靠， 能防止场地周边环境。 尤其是地下水 的污染； ②经济适用， 成本低； ③处理完全彻底， 不存在二次污染 ； ④根据垃圾堆放情况 ， 可将垃圾场改造 维普资讯 煤 炭 学 报 2 0 0 1 年 第2 6 卷 为农牧业用地或绿地 ， 改善环境及景观等H ． 煤矸石卫生填埋场 ， 主要由底部防渗层、 问隔粘土层、 侧村、 封 顶层、 矸石填埋单元及截水沟等附属设施组成 图 3 ． 结构体各部分 设计 的一般要求 为便于施工及排水 ，侧衬坡角在 1 5 ～3 0 。 ， 一般用 粘土压实即可， 厚度应根据具体情况和实验而定． 而塌陷坑形成的自 然坡面一般在安息角范围内， 基本符合要求， 局部地区可单独处理； 封顶层也要求有一定的坡度， 既便于排水， 又不发生冲刷侵蚀作用， 坡角应小于 1 5 。 ， 厚度应根据植物的根系而定， 但一般不小于6 0 c m； 矸石填埋单元厚度一般在2 ～1 0 m为宜； 间隔粘土层厚度一般为矸石 单元厚度的 1 ／ 1 0 左右， 但不小于3 0 c m； 底部防渗层是填埋场的关键 部位， 一般由过滤层、 砾石排水层和隔水层 粘土、 塑料、 薄膜等 相 凰3 煤矸石卫生填埋场模式 F ． 3 Th e s a n i t a r yl a n d fi l l 0 f i g u e 1 间隔牯土层； } 衬防水层； 3 一底部防水层； 4 煤矸石； }一 截水沟； 上疆土层 间组成l 5 1 ． 一般要求底部高于地下水位 1 0 ～1 5 m， 这在淮南煤矿塌陷区是不可能达到的， 这就要求对底部 防渗层采取特殊措施 ，以保证填埋场中污水不外渗和流动． 由图 3 看出， 卫生填埋场的防渗技术是由底部防渗层、间隔粘土层、 侧衬和顶封层组成的四位一体防 渗体系， 其各部分的防渗净化机理主要表现为间隔粘土层的主要作用 ①利用粘土表面的吸附 离子交换 作用 ， 净化矸石淋溶水； ②调节淋溶水的排放量． 大气降水有季节性， 粘土层的阻隔作用可以减缓雨季降 水迅速下渗； ③调节和控制填埋体中地下水位， 填埋体中水位高， 必将增大淋溶水的渗透压力和渗透量， 因此． 必须通过粘土层调节水位． 而底部隔水层、 侧村防水层和封顶粘土都主要起隔水作用， 底部防渗层 中的排滤层， 一方面控制填埋体内水头与周围地下水位间的平衡； 另一方面可将废物淋溶液抽出， 进行净 化处理． 而顶部防渗层的上覆土， 可植树种草， 复垦造田， 既恢复生态环境， 还能取得经济收益． 在整个防 渗系统中， 防渗效果主要取决于防渗体系的渗透性和填埋场内外的水压力平衡， 这就要求． 施工中应控制 填料的含水率和碾压能．以控制防渗层的密实度， 从而控制其渗透性； 在运营中应适时调整填埋场内水位， 使其与周围水压力基本保持平衡， 防止渗透与反渗透， 从而不使污染物向外界扩散，以达到保护地下水资 源的目的． 实践证明， 有效的填埋场底部防渗层， 可使渗入地下水中的有害物质不超过总量的 1 ％l 6 J ． 卫生填埋法的设计、 施工， 应综合考虑研究固体废物的成分、 物理化学性质及其可能造成的污染程度， 要勘察评价、 选择合适的填埋场地， 以及防渗层的设计、 防渗材料的选用、 经济等一系列问题， 达到成本、 效果最优平衡点． 在实际治理施工过程中， 要考虑成本与效果的最佳结合 ， 且尽可能降低成本， 为此， 在施工前须对煤 矸石进行堆浸试验， 测定堆浸液中污染物成分、 浓度及有关所需参数； 根据综合治理的可行性， 选择查明 塌陷区的水文地质条件， 特别是其与周边的水力联系， 试验确定其水力扩散的弥散系数， 根据污染物的传 播机理， 综合考虑各方面因素， 预估其可能造成的危害， 以确定底部防渗层的材料、 施工方法等． 一般情况 下， 由于塌陷区特别是塌陷湖， 可采用抛洒粘土的方法做底部防渗层， 粘土矿物颗粒细腻， 其在塌陷湖底 一 方面形成淤积层， 具有很好的防渗功能 其渗透系数一般都小于 1 0 ～ m／ s ， 达到国家卫生填埋防渗标 准 ； 另一方面， 在渗流的携带下， 能更好的填充堵塞地下水的运移通道， 既节省粘土材料， 又简便施工方 法， 起到哪里渗水哪里堵的良好嫂果． 4 生态恢复 煤矸石的任意堆放和地面塌陷使矿区生态环境严重恶化， 主要表现在吞噬和破坏大面积农田， 造成土 壤结构破坏， 养分流失， 植被毁坏； 废渣、 废水和矸石山造成大气、 土壤和地下水的污染； 改变永循环， 破 坏承资源； 改变局部地区生态环境， 使生态系统遭到扰乱， 稳定性降低等几个方面， 使生态循环进人一个 资源浪费与环境污染的恶性循环圈 对煤矸石进行卫生填埋， 并有目的、 有计划地实施生态环境工程 ， 走综合治理与可持续发展相结合的 维普资讯 第 4期 王 国强等 两淮矿 区煤矸石的卫生填埋与生态恢复 4 3 1 道路， 对矿区生态恢复具有很大意义 1 保护水资源． 由于大面积的塌陷湖， 使地下水成为地表水， 即造 成水体污染， 又因蒸发而造成很大的浪费； 2 实施植被工程可采用木本植物密植， 以利于重金属的吸收 和净化； 恢复森林、 草地， 能有效地调节小气候， 由于植物叶片有过滤空气和吸附粉尘的作用， 还有利于净 化空气， 减轻污染和改善填埋场环境质量和景观； 3 复垦造 田． 按照一定的复垦标准， 使矿山废弃地能重 新利用， 进行大农业生产， 可取得一定的环境效益和经济效益； 4 走综合治理的道路． 实施农业生态系统 工程及城市生态系统工程， 宜农则农 ， 宜渔则渔， 还可在填埋场上修建公共休憩娱乐场所， 创建城市景观， 美化环境 ，提高生活质量 ． 5 结 语 两淮煤矿大面积的采煤塌陷区和大量的煤矸石有待综合治理利用， 利用卫生填埋法处理煤矸石， 前者 为后者提供填埋场地， 后者可使前者恢复土地功能，防渗材料可取用本地的粘土． 利用当地资源优势， 对 煤矸石进行卫生填埋处理， 既可杜绝简易填埋法带来的二次污染， 又可恢复矿区生态环境， 进行综合科用 和开发 ， 使矿区环境得到彻底的治理和恢复． 参考文献 [ 1 ] 李良军， 杨则东遥感技术在淮北市环境“ 三废” 调查中的应用[ J ．安徽地质， 1 9 9 7 ， 7 1 6 6 7 8 ． [ 2 ] 崔龙鹏． 淮南煤矿塌陷区煤矸石填充复垦及其对环境的影响_ J ] ． 安徽地质 ， 1 9 9 8 ， 8 3 5 8 ～6 1 [ 3 ] Kd l e E A E n v i r o n me n t a l G e o l o ． - s e o o n d e d i ti o n [ M] US A． C h a r l e s Me r r i l l P u b l i s h i n g C mp a n y ，1 9 7 9 [ 4 ] 周乃杰， 胡冰， 张志强． 植被对恢复卫生填埋场环境的作用[ J 上海环境科学， 1 9 9 8 ，1 7 4 4 1 --4 5 [ 5 ] 王国强． 城市垃圾性质及其填埋场的工程地质评价[ J ] ． 水文地质工程地质，1 9 9 9 6 2 0 --2 3 ． [ 6 ] 孔德坊． 生活垃圾卫生填埋及其地质环境效应概述[ J ] ． 地质灾害与环境保护， 1 9 9 9 ，1 0 增刊 1 ～l 1 ． 作者简介 王国强 1 9 5 1 一 ， 男， 教授，1 9 7 5 年毕业于南京大学 ， 1 9 8 7 年获硕士学位．现从事岩土工程与环境地质方面的教学和科 研工作，发表论文3 0多篇． Ga ng u e s a n i t a r y l a n df i l l a nd r e c o v e r i n g e c o l o g i c al e n v i r o nme n t ‘ i n Hu a i b e i a nd Hu a i na n mi ni n g a r e a W ANG Gu o - q i a n g ，Z HAO Hu a h o n g ，WU Da o - x i a n g ．LI U Ya n g ，XI E M i n g x i a n z 1 ． 脚。 ， Re s O u r c e a n dD mf S c i e n c e ． 强 [ J n i v e r i t yo fT e c h n o l o g y， 胁 崩2 3 0 0 0 9 ，C i n a ； 2 ． Hi g h a yS u r e ya n dDe s ig n I n s t i t u t e o fAn h u ／ P ，胁 2 3 0 0 4 1 ， Ab s t r a c l Th e r e i s S O I T I e s i g n i f i c a n c e i n r e c l a r n a t [ o n b y f i l l i n g t h e d 印 r 目 o r I s wi t h浏g a n g u e ，b u t t } 1 me t h o d m t k e s s e r i o u s e n v i r o n me n t p o l l u t i o n，e s p e c i a l l y ，t o t h e g r o u n d wa t e r a n d s o i l ．Th e a g a l n po l l u t i o n a n d p o l l u t i o n p a t h o ft h e s i mp l e g a n g u el an d f i l l a r e d i s c u s s e dhe r e ．an dt he a r t i c l e p r o v i d e s a n e w i d e a o f f i l l i ng d e p r e s s i o n a r e a s wi t h g a n g u e b y t h e s a n i t a r y l an d f i ll i n s t e a d o f s i mp l e l a n d fi l 1 ． an d s y n t h e t i c h a r n e s s i n g an d s u s t a i n a b l e d e v e l o p me n t wo u l d b e f o l l o we d t o d e a l wi t h e c o l o g i c a l e n v i ron me n t p r o b l e m i n c o a l mi n i ng a r e a ． Ke y wo r d s o 0 a 1 g a n g u e ；a g an PO l l u t i o n；s a n i t a r y l a n d f i l l ；an t i p e r me a t e ；r e s t o r a t i o n o f e e o l o g y s y s t e m 维普资讯