煤矿采空区煤矸石充填体重金属离子释放迁移机理与防控方法研究

Zero emission of coal gangue and coal mining technology with backfilling has become an effective way of coal gangue governance, and is employed widely, however the heavy metal ions in coal gangue has the potential influence on the groundwater environment. This project is based on the test and classification of the heavy metal occurrence form in coal gangue of coal-bedded stratum which was formed in different coal forming periods in China typical coal mining with backfilling areas. First, the coal gangue static immersion test system under the multi factors interaction is established and improved, and the release law of heavy metals in coal gangue under the interaction of multi factors such as temperature, particle size, pH value and pressure are obtained. Secondly, the migration models of heavy metal ions in coal gangue backfill are established under different seepage field, temperature field and stress field. The concentration field distribution of heavy metal ions under multi field coupling is revealed. Then, the release-migration control mechanism of heavy metal ions from coal gangue is proposed in terms of the type and size of coal gangue, the pH value of water, and the temperature. Finally, underground test method and monitoring feedback mechanism of groundwater pollution by coal gangue backfill are established. This project will provide scientific theoretical basis and guidance for scientific prevention and control of the groundwater environmental pollution problems caused by the coal gangue backfilling.

煤矸石零排放与充填采煤技术成为矸石山治理的有效技术途径并得到了较大规模的推广应用，但煤矸石中的重金属离子会对地下水环境造成潜在的影响。本项目在对我国典型充填开采矿区不同成煤年代含煤地层煤矸石重金属元素赋存形态测试与分类的基础上：首先，建立并完善多因素交互影响下煤矸石静态浸泡试验系统，探明温度、粒径、酸碱度、压力等多因素交互影响下煤矸石中重金属元素析出释放规律；然后，建立不同渗流场、温度场、应力场条件下采空区煤矸石充填体重金属离子迁移模型，揭示多场耦合作用下重金属离子浓度场分布规律；再次，利用层次分析法构建煤矸石充填体对地下水污染风险评估模型；最后，从煤矸石种类与粒径、矿井水酸碱度、温度等方面提出煤矸石重金属离子释放迁移控制机制，建立煤矸石充填体对地下水污染的井下测试方法及监测反馈机制。本项目研究将为科学预防、控制和治理矿区煤矸石井下处理引起的地下水环境污染问题提供科学理论依据与指导

煤矸石采空区充填技术目前已成为矸石固废合理处置的有效技术途径并得到了较大规模的推广应用，但煤矸石中的重金属元素会对地下水环境造成潜在的影响。本项目分析了我国典型充填开采矿区不同成煤年代煤矸石重金属元素赋存形态及分布规律，研发了多因素交互影响下煤矸石淋溶与静态浸泡试验系统，研究粒径、酸碱度、压力等多因素交互影响下煤矸石中重金属元素析出释放规律；建立了不同渗流场、应力场条件下采空区煤矸石充填体重金属离子迁移模型，揭示了多场耦合作用下重金属离子浓度场分布规律；利用层次分析法构建煤矸石充填体对地下水污染风险评估模型，提出了从煤矸石种类与粒径、矿井水酸碱度等方面煤矸石重金属离子释放迁移控制体系，建立了煤矸石充填体对地下水污染的井下测试方法及监测反馈机制。研究表明：重金属离子的迁移距离主要与其本底含量、浸泡过程中的溶解释放能力相关，受固液比、矸石粒径、PH值、应力环境、底板岩性等因素影响，重金属元素多场耦合作用下大致呈现以下规律：① 应力场与矸石重金属元素的迁移距离大致呈正相关；② 重金属元素迁移过程大致分为三个阶段：0~20年快速增长期，20~60年增长速率减缓，60~100年趋于平稳；③ 底板岩性与矸石重金属元素迁移距离关系大致表现为：中粒砂岩底板>泥岩底板>细粒砂岩底板>黏土岩底板>灰岩底板；④ 重金属元素类型与矸石重金属元素的迁移距离表现为：Mn＞Zn＞Co＞Ni＞Be＞Cu＞Pb＞As＞Se＞Cd。通过重金属离子溶解-释放-迁移监测反馈系统、重金属污染防控方法以及科学合理的固液比、粒径比、改变水环境、应力条件能够有效控制煤矸石中金属元素的溶解、释放与迁移。对科学有效地预防、控制和治理矿区煤矸石井下处理所引起的地下水环境影响问题具有重要的意义。