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粉煤灰作為灌漿材料對地下水影響的探究論文
引言
為充分利用粉煤灰，有部分煤礦采用粉煤灰替代黃土作為灌漿材料，但是否會造成地下水污染存在爭議。有人通過電廠粉煤灰的浸出試驗發現氟化物含量超過《地下水質量標準》中Ⅲ類水質標準，將粉煤灰劃為《一般工業固體廢物貯存、處置場污染控制標準》中的第Ⅱ類一般工業固體廢物。
1 試驗部分
1.1 樣品的采集及制備
以正在使用煤粉鍋爐的太原市道場溝集中供熱站粉煤灰灰場為取樣點取樣。在灰場處布置5個采樣點，各采樣點間隔1 m，在去除表層粉煤灰后，采集5cm～10 cm深未被污染的粉煤灰1 kg。在每個采樣點的中心點及以其為圓心半徑在50 cm的圓周四點采集5個樣品，混合均勻，用塑料袋包裝帶回室內風干后使用。
1.2 試驗主要儀器及試劑
主要試驗儀器有：pHS- 3C型pH計、JM2002電子天平、721可見分光光度計等。主要化學試劑有：CH3COCH3、H2SO4、NaF、C7H14CLFN22 ( BF4 ) 、La(NO3 )3·6H2O、CH3COONa、CH3COONa·3H2O、CH3COOH、鹽酸、NaOH、EDTA、(HOCH2CH2)3N、鉻黑T、氨水及NH4Cl等。
1.3 浸出試驗方法
取樣品1 kg，按1∶5的灰水比浸泡。在室溫條件下，定時攪拌，分別于浸泡后12 h、24 h、36 h、48h、60 h和72 h取樣，在取樣前1 h充分攪拌，靜置澄清后用虹吸法取出水樣，經0.45 μm濾膜過濾后，采用EDTA滴定法和氟試劑分光光度法分別測定浸出液中的總硬度和F-;利用pH計測定溶液的pH值。
1.4 浸出試驗結果
粉煤灰中CaO和氟化物的含量分別為18.4 g/kg和71.38 mg/kg。浸出液在第36 h時F-的濃度達到2.113 mg/L，超過GB/T14848- 93 地下水質量標準中Ⅲ類水質F-含量≤1.0 mg/L的標準要求，因此，有可能污染下伏含水層。
2 試驗結果分析
2.1 浸出液的pH值變化情況
粉煤灰的浸出液的pH值隨著時間的持續，表現出先降低后增高的特點，pH最低點出現在第31 h時。
2.2 浸出液中總硬度的變化情況
粉煤灰浸出液中總硬度在試驗的前12 h內快速增長，其后增長變緩，后期趨于穩定。
2.3 浸出液中F-的變化情況
由圖3所示，粉煤灰浸出液中的F-濃度在試驗過程中隨著時間的增長呈現出有規律的變化：在前36 h，F-大量浸出，隨時間的增長而增長;在第36 h達到最大值2.113 mg/L，隨后F-濃度開始下降;再經過浸泡24 h之后，F-濃度值恢復上升的趨勢。
在試驗初始，F-濃度上升，表明粉煤灰中易溶解的含氟礦物發生溶解，隨著鈣鹽的溶解，Ca2+被釋放出，使粉煤灰中的F-與Ca2+發生水—巖作用，造成F-濃度的變化。
2.3.1 pH值對F- 的浸出影響
浸出液的pH值偏于弱堿性時，F-濃度較高。根據勒沙特列原理，在弱堿性條件下，F-和Ca2+結合形成CaF2沉淀的反應受到抑制，F-處于游離狀態。但隨著堿性物質不斷溶出，pH值逐漸升高，促進CaF2沉淀的生成，F-的浸出濃度降低。
2.3.2 總硬度對F- 的浸出影響
結合圖2和圖3可知，浸出液的總硬度和F-的浸出情況變化趨勢一致，這是由于隨著活性CaO逐漸溶出，Ca2+大量浸出，F-和Ca2+結合形成CaF2沉淀，從溶液中脫離出來，造成F-濃度下降。但CaF2飽和后，F- 又繼續溶出，恢復上升趨勢。
3 粉煤灰浸出液對地下水的影響
粉煤灰作為灌漿材料注入井下煤層，受來自上覆含水層的淋溶浸出，本文以山西省主要可采煤層與含水層為例，結合煤田水文地質條件進行分析。
山西省所開采的煤層主要分布于二疊系下統山西組(P1s)、石炭系上統太原組(C3t)。山西組煤層下部主要為組內砂巖裂隙含水層，太原組煤層下部主要本組石灰巖含水層和奧陶系石灰巖巖溶裂隙含水層，其中最具有供水意義的是奧陶系灰巖含水層。
3.1 粉煤灰作為山西組煤層灌漿材料
粉煤灰漿注入山西組煤層可能受到影響的含水層主要是山西組內砂巖裂隙水。該含水層水質類型為HCO3·SO4- Ca·Mg、HCO3·Cl- Ca·K+Na及HCO3- K+Na型，厚度變化較大，一般0.5 m～27 m，鉆孔單位涌水量0.000 4 L/(s·m)～0.003 L/(s·m)。一方面，由于本含水層砂巖厚度不穩定，含水性弱，分布范圍小，供水意義不大;另一方面距離上覆山西組3號煤層為4m～26 m，其間有砂質泥巖隔水層，在沒有導水構造存在的條件下，粉煤灰淋濾液中F-對地下水影響很小。
3.2 粉煤灰作為太原組煤層灌漿材料
粉煤灰漿體注入太原組煤層時可能受到影響的含水層主要是太原組石灰巖含水層及奧陶系石灰巖含水層組。其中太原組石灰巖含水層由于層數和厚度不穩定，分布范圍有限，只是局部能作為含水層。奧陶系含水層組是山西省最重要的水源，總厚447 m～554 m，鉆孔涌水量為4.67 L/(s·m)～74.31 L/(s·m)，是地下水保護的重要目標。
3.2.1 隔水層厚度及滲透性的影響
粉煤灰淋濾水對奧陶系含水層是否造成影響主要取決于兩個因素，一是隔水層厚度及滲透性，另一個是導水構造發育程度。
太原組煤層與奧陶系石灰巖含水層之間主要是本溪組泥質巖類隔水層，本溪組巖性自下而上的沉積層序為泥巖、砂巖、灰巖相互交替循環沉積建造，且交替程序多、厚度大(10 m～35 m)，滲透系數集中在10- 10 cm/s～10- 6 cm/s數量級范圍，滿足《一般工業固體廢物貯存、處置場污染控制標準》中關于Ⅱ類固廢貯存、處置場的要求：防滲層的厚度應相當于滲透系數1.0×10- 7 cm/s和厚度1.5 m的粘土層的防滲性能。
此外，本溪組底部普遍存在一層鋁土泥巖，厚度一般在6 m左右，其重要的水文地質特征是具有很強的隔水消壓性能。
綜上，當本溪組未與下伏奧陶系灰巖產生水力聯系時，粉煤灰淋濾液是不會污染奧陶系石灰巖巖溶裂隙含水層的。
3.2.2 斷裂構造及帶壓開采的影響
當本溪組通過斷層、陷落柱等斷裂構造與下伏奧灰水發生水力聯系時，或開采煤層低于奧灰水位標高，可能存在奧灰突水，粉煤灰淋濾液中的F-或灌漿材料有可能進入地下水，因此，對水文地質條件復雜的礦井不宜使用粉煤灰作為灌漿材料。
3.2.3 地下水水化學條件的影響
除礦井水文地質條件外，地下水化學條件也影響F-的聚積，其中主要作用是離子交換、蒸發濃縮作用等。
結合本次試驗結果及水—巖作用可知：隨著Ca2+濃度減少，受CaF2溶解度的限制，F-濃度會相應增加;HCO3-占優勢的堿性環境有利于F-在水中存在，增加地下水中F-濃度。
此外，在水力坡度小、徑流滯緩的地下水中，蒸發、蒸騰作用也有利于F-的富集，提高了地下水中F-濃度。
4 結語
通過粉煤灰F-的72 h浸出試驗，從煤田地質學和地下水化學角度論證了煤礦利用粉煤灰灌漿時氟化物對地下水的影響。研究表明粉煤灰作為山西組煤層灌漿材料時，淋濾液中的F-對地下水影響很小;用于太原組煤層時由于本溪組隔水層的作用，在沒有斷裂等構造的前提下，對下伏奧陶系石灰巖巖溶裂隙含水層基本沒有影響。當因存在斷裂構造與下伏奧灰水發生水力聯系或所開采煤層可能存在奧灰突水時，應避免使用粉煤灰灌漿。
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