煤矿采空区固体密实充填介质污染组分溶解-释放-运移过程研究

In application of coalmine solid dense stow technology, medium of stow mass have hazards and impacts on coalmine water environment. In view of these problems, this project studies the leaching-release-transfer patterns of major contaminants in porous-inhomogeneous dense stow mass under coalmine water-soil/water-rock interaction. Firstly, this project studies the porosity-heterogeneity properties of dense stow medium by studying dense stow medium porosity and medium mass grain size spatial distribution properties with different ratio of raw materials, grain size gradation and compaction degree, then establish the numerical model of the dense stow medium porosity-heterogeneity properties. Secondly, by using the method of combinated dynamic and static leaching, as well as column dynamic simulating experiment to analysis the leaching-release-transfer patterns of major contaminants with different ratio of raw materials, grain size gradation and compaction degree of dense stow medium; Then，by combining with model of the solid dense stow medium porosity-heterogeneity properties and major contaminants leaching-release characteristics, to reveal the general pattern an properties of major contaminants leaching-release-migration in dense stowing mass medium, provides theoretical supplements for establishment of an environment hazard and impacts assessment system for solid dense coalmine goaf stowing technology.

本项目针对充填采煤所造成的固体密实充填介质对矿井水环境的污染问题，开展对固体充填体介质内主要污染组分在井下水-土/水-岩作用下溶解-释放-运移过程的研究。主要研究内容包括：研究固体密实充填介质的多孔非均质特性，主要通过在不同物料配比、粒度级配以及压实度等条件下，研究固体密实充填体介质的孔隙度特征与介质粒度空间分布特征的变化规律，并建立固体密实充填介质体多孔非均质特征模型；提出通过动-静态组合淋溶以及土柱动态模拟试验的方法，研究不同物料配比、粒度级配以及压实程度的充填体介质在不同水质的矿井水作用下主要污染物的溶解-释放-运移过程。继而通过固体密实充填介质体多孔非均质特征模型，结合污染物溶解-释放-运移的特性和过程，揭示固体密实充填介质主要污染组分在矿井水环境作用下溶解-释放-运移过程的一般规律，为建立固体密实充填开采综合污染与危害评价体系提供理论基础和依据。

本研究按计划书要求，针对充填采煤所造成的固体密实充填介质对矿井水环境的污染问题，开展了对固体充填体介质内主要污染组分在井下水动力学与水化学作用下溶解-释放及迁移过程合规律的研究。主要取得以下成果：第一，通过场地实测及实验研究，开发了基于CCD传感器摄影测量与图像处理技术的研究松散堆积体粒度分布特征的方法、技术和设备，以及先进的信号去噪与图像分析与处理技术，可以有效的分析和测定松散物料堆积过程中的粒径偏析与粒度分布规律，操作过程与效率优于传统方法。第二，通过力学实验研究与应用现场实测研究，得到了不同配比充填物料的孔隙度与压实应力之间的变化规律，得到了充填物料力学最优的配比为1:0.6-1:0.8之间，压实孔隙度最小，压实率变化程度最低，充填效果最好，且孔隙度的变化与压实应力呈负指数相关关系。第三，通过实验研究揭示了充填物料中主要重金属元素的溶解释放与迁移规律，初步证实了充填物料的安全性。由540天土柱淋溶实验研究得出，Cu、Pb、Zn、Cd淋滤后的元素在水动力学的作用下向土柱底部发生迁移，其余元素则相对稳定，几乎全部所测元素的赋存状态的迁移活性均显著降低。充填物料中Cd和Ni淋滤后的残渣态含量较淋滤前有大幅提高，Mn和Zn淋滤后的残渣态和碳酸盐结合态含量较淋滤前有明显提升；Cr淋滤前后的各赋存状态变化很小，该元素在土柱内几乎不发生迁移；Pb淋滤后的可交换态，碳酸盐结合态，铁锰结合态含量较淋滤前有明显降低，有机硫化物结合态与残渣态明显升高；Cu淋滤后的可交换态和铁锰结合态含量较淋滤前增幅明显，而碳酸盐结合态降幅很大。总体上，Cd、Ni、Zn、Cr、Pb较淋滤前对环境造成影响的可能性降低，而Cu由于铁锰结合态，Mn由于碳酸盐结合态和有机硫结合态的增加，理论活性增加，可能对周边环境构成潜在威胁。但考虑到碳酸盐结合态在碱性条件下非常稳定，而研究区地质含水普遍处于碱性，故释放迁移的威胁很小，从重金属污染的角度分析，可以认为是安全的。