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浅析煤矸石的治理方法
发布时间:2018-01-23浏览次数:146返回列表

浅析煤矸石的治理方法

邱亮亮,敬 毅,刘宁宁

(中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州221008)

  摘 要:主要研究通过注浆和微生物脱硫的方法,解决煤矸石山自燃和煤矸石中硫的赋存的问题,同时通过对废弃的煤矸石山进行整形和复垦,以达到绿化矸石山的效果。

  关键词:煤矸石;注浆灭火;微生物;土地复垦

中图分类号:X 752    文献标识码:B文章编号:1671 - 9816 ( 2009 ) 02 - 0061 - 03

1 前 言

  煤矸石是一种在煤形成过程中与煤伴生、共生的岩石,是煤炭生产和加工过程中产生的废弃物,排放量相当于煤炭产量的8%~20%,平均约为12%。目前国内大、中型煤矿有矸石山1500多座[1],另外还有无数的小煤矿的矸石山,矸石排放量达30亿t以上,占地面积约2.6万hm2。还有增加的趋势,这将进一步加剧我国可耕地资源短缺的局面。另外,据统计,全国正在自燃的矸石山约200座,在自燃过程中排出大量有害气体,如SO2、H2S、CO2氮氧化合物和烟尘等[2],污染空气,形成酸雨,污染水源和土地,抑制植物生长,危及人类健康。故煤矸石的治理就变得越来越重要了。但仅仅治理煤矸石山并不能从根本上解决问题,因此,煤矸石的治理需要与整个煤矿区的治理结合起来,使环境保护、生态恢复与煤矿建设生产同步发展。

2 煤矸石山自燃的治理

  煤矸石自燃后的环境污程度远大于没自燃的煤矸石,所以要防止煤矸石自燃。对于自燃矸石山的治理技术可分为防与治两个方面。在可防止矸石发生自燃方面,国内外都积累了较多的经验。根据研究表明,改变排矸工艺是最为切合实际和行之有效的。我国目前多采用锥形与平面形堆积方式。把矸石拉到矸石山的最高处后,让其顺坡自然滚落,使体积和质量大的矸石滚落在矸石山侧面的边坡底部,中块矸石、块煤以及部分体积相对较小的矸石则停留在矸石堆的中上部。这样形成的不同粒度物料的分层堆积,为矸石内部供养提供了有利的条件,因此易于发生氧化燃烧。由此可知只要改善煤矸石堆积的物理性状,使空气不能进入矸石山内部,自燃率就可大大降低。现在一般采用分层压实的方法堆放煤矸石。首先对堆场进行密封防渗处理,然后进行分层堆放,边堆放边压实,压实后进行覆土绿化,在矸石山形成以后,对整体覆土绿化。另外,为了防止矸石山受雨水冲刷后不稳定,在分层堆放时,可在每层边缘设置一些排水沟。

  对已自燃的矸石山,要采取措施进行熄灭火源。熄灭矸石山自燃发火的技术措施有:挖掘火源法、表面覆盖法、泡沫灭火法和注浆法。挖掘熄灭法是直接挖除自燃的矸石;表面覆盖法是将黄土等惰性物质覆盖在燃烧区上,隔绝空气,以达到灭火目的;泡沫灭火法是用水和发泡剂组成灭火介质,送入矸石山内部火区,形成的灭火泡沫可以保持较长时间和扩展到较大范围,起到隔绝空气和降低温度的作用;注浆法是将灭火材料制成浆液后,再借助机械力将其压入矸石山内部,使浆液渗透充填到矸石山的空隙中,阻止矸石进一步氧化。注浆法是目前国内在防灭自燃矸石山时常用方法。图1所示为某矿自燃矸石山在注浆后时间与温度变化的关系。从图中可以看出注浆后高温区的温度迅速下降,达到较好的灭火效果。

3 微生物脱硫

  煤矸石山治理的另一重点是解决矸石中硫的问题,这是矸石山治理的关键。目前发现,能够脱去黄铁矿中无机硫的微生物有氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌等。研究发现,当水和氧存在时,黄铁矿可被氧化为SO42-和Fe2+[3],但反应很缓慢。当存在某些嗜酸的硫杆菌时,黄铁矿的氧化过程将大大加快,其中可能包括2种途径,一是黄铁矿直接被微生物氧化成SO42-和Fe3+;二是对Fe2+有氧化能力的硫杆菌将Fe2+迅速氧化为Fe3+,Fe3+作为强氧化剂与金属硫化物反应,将黄铁矿氧化为SO42-或元素硫[4]。

与上述2种途径相对应的是微生物脱去煤炭中黄铁矿硫的2种作用形式,即通常所说的直接和间接作用。直接作用是指微生物参与了黄铁矿的氧化过程,使煤矸石中的黄铁矿发生降解生成高价铁离子和硫酸根[5]。间接作用是指微生物催化氧化黄铁矿所生成的SO42-和Fe2+这2个过程中产生的大量的H+又可作为氧化剂,加速黄铁矿的氧化溶解过程。这2种作用实际上是将煤中的黄铁矿氧化溶解,使煤矸石中的黄铁矿硫从固相转入液相,从而达到脱硫的效果。据国外报道,使用像氧化亚铁硫杆菌这样的硫铁矿氧化生物对煤矸石进行微生物脱硫具有效果好,技术简单,成本低等优点[6-7]。

  虽然硫杆菌有较好的脱硫效果,但会引起矸石山的酸化,而且生成的氢氧化三铁会从水中析出,因其具有强氧化性质,能杀死河里的大量生物,因此需要与能够中和酸性的碱性物质同时使用。

4 改良土壤,复垦种植

  复垦种植,首先要改良土壤。煤矸石风化后大都不易成土粒,而呈砾状。同时未燃烧过的矸石表面呈黑色或灰黑色,表面温度远高于土,因此最好在风化物上覆盖或掺入一定量的表土等覆盖物,使其表层质地变细,颜色变浅。在未覆盖的风化物上虽能复垦种植,但其难度较大。覆土与不覆土种植方法的选择主要取决于土壤特性和技术经济2主要因素。一般认为覆土种植比较好。据淮北、阳泉、开滦等地的试验结果,作物产量随覆土厚度的增加而增加(图2),且存在一最佳覆土厚度,因为覆土厚度增加到一定值,再增加覆土厚度,作物产量不再增加或增加缓慢,而覆土费用是随着覆土厚度增加而增加的[8-10]。覆土与不覆土相比虽然覆土费用较高,但种植后对植物生长比较有利,且可使施肥量适当减少。

另外,对呈酸性的煤矸石风化物,则需施石灰中和酸性后才能复垦种植。因煤矸石风化物中植物需要的养分缺乏,故施肥是很必要的。最好施有机肥料,因为有机肥既可供给全面的养分,又能为风化物提供有机质和大量微生物,以利矸石风化物表层质地的改变。补充必要的化肥也是很需要的,但只是在培肥风化层以后进行,才能巩固复垦种植的成果[11]。因煤矸石风化物不像土壤那样有吸附性能,保水、保肥、缓冲性能等都较差,栽培与管理必须并重,才能保证植物的成活率。

  通过实践可知,微生物活化剂或微生物与有机物的混合剂对复垦后的贫瘠土地进行熟化和改良,也可达到恢复土壤肥力和活性的效果。另外,采用微生物复垦并不需要进行覆土,这样既减少了工序,有降低了成本[12]。

5 发展养殖业和第三产业

  因为渔业开发要求边坡稳定,水深和水质都要符合渔业卫生要求。因此,可利用采煤塌陷形成的大面积水体发展养殖业。最具典型的是基塘复垦模式,是指采用深挖垫浅的方法来获得一定比例的田地和池塘,即再将要做池塘的深水里用泥浆泵抽取可用土壤,在对某些水域垫入已脱硫的煤矸石,使水底有一定的坡度,形成鱼塘;然后再将抽取上来的深层土壤垫在水体周围形成可耕的田地,然后对田地和水面按生态学的原理进行复垦,使整体上形成一种人工水陆复合型生态系统。结合这个系统和农业生产结构,我们还可以建设成渔—牧—果—粮共同发展的多样生态农业系统[13-14],如下图3。

  另外,将传统的农业生产型开发为服务型也不失为一个好办法。在有些矿区地段可根据自身的实际情况,建设一些公园、观光园、动物园等。在恢复较好的具有较好地貌的矿区建立赛车场、跑马场、网球场、高尔夫球场等娱乐设施,积极发展娱乐事业。

6 结 语

  大量堆放的煤矸石虽然可能会对环境造成危害,但如果对它们进行大规模的综合治理,不仅可以取得可观的经济效益,减少对周边环境的影响,还可能节约大量的人力、物力、财力,达到治理的效果。

参考文献:

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