非饱和煤矸石淋滤仪改进及应用

王念秦， 鲁兴生， 苏颜曦

(1.西安科技大学地质与环境学院， 西安 710054，2.陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室，西安 710054)

2016—2017年，中国原煤产量达35.2×108t[1],而煤矸石排放量占煤炭开采总量的8%～20%[2-3]。露天堆放的煤矸石严重影响到矿山生态地质环境及矿区可持续发展[4]。主要体现在矿区煤矸石不合理堆放造成土地空间利用浪费，诱发滑坡、泥石流等地质灾害的发生。更重要的是，在降雨条件下，煤矸石淋滤物质渗入土中，改变土体结构，劣化土体物理力学特征，造成土壤污染。因此，探究煤矸石淋滤特征及规律对矿区环境保护和煤矸石处理利用具有较大意义。

目前，在煤矸石淋滤规律及机理研究方面已取得大量成果[5-6]。王念秦等[7]认为煤矸石中有害元素在大气降水的淋滤作用下释放至淋滤液中，淋滤液进一步散流造成水土污染。张祥雨等[8]研究了风化程度和淋溶液pH对煤矸石微量重金属元素淋出规律的影响，结果表明重金属淋出量对上述两种因素均较为敏感，且各元素原生含量与其淋出量呈正相关关系。刘志斌等[9]对比研究了煤矸石在酸性淋溶液和中性淋溶液作用下As元素释放量，结果表明酸性淋溶液可使淋滤液As元素浓度显著升高。赵洪宇等[10]采用自行研发的淋溶装置开展了持续168 h煤矸石淋滤试验，分析了淋滤液Cr、Pb、Zn、Cu元素浓度动态变化规律。

既有研究[7]表明：传统煤矸石淋滤装置仅能实现对固定降雨路径的模拟，真实性与准确性欠佳。因此对淋滤仪降雨模拟系统进行改进，实现随机降雨路径模拟，增大煤矸石有效淋滤体积，以期提升试验合理性与结果准确性。进而利用改进后的煤矸石淋滤仪揭示了韩城桑树坪煤矿煤矸石淋滤特征是一次有益尝试。

1 煤矸石淋滤仪改进

1.1 煤矸石淋滤仪组成

改进后的煤矸石淋滤仪由供水系统(图1)、淋滤系统和降雨模拟系统(图2)组成。其中，供水系统包括供水瓶、LZB2型转子流量计和导水橡胶管。淋滤系统包括亚克力有机玻璃管、带孔隔板和排水橡胶管。降雨模拟系统包括电动机及带孔锥形盘。

图1 煤矸石淋滤仪供水系统Fig.1 Water supply system of coal gangue leaching instrument

图2 煤矸石淋滤仪淋滤系统及降雨模拟系统Fig.2 Leaching system and rainfall simulation system of coal gangue leaching instrument

改进后的淋滤仪在降雨模拟系统中增设带孔锥形盘，其在电动机带动下高速转动。供水系统导水橡胶管位于锥形盘上方，当水滴下落时遇到小孔，则直接滴于矸石试样表面。若水滴下落过程中没有遇到小孔，则积聚于锥形盘内，最终随机通过某个小孔落在矸石表面。由于锥形盘一直处于高速旋转状态，水滴在离心力作用下散落，其在矸石表面的落点是随机分布的，以此模拟实际降雨过程中雨滴分布的随机性。同时，随机散落的水滴也可有效增大煤矸石淋滤范围。

1.2 基本操作步骤

(1)预处理煤矸石试样，装样完毕后安装、连接供水系统、淋滤系统与降雨模拟系统。

(2)打开流量计排水开关，以排除流量计及导水橡胶管中的空气。进一步调整流量计旋钮，以按设计流量均匀供水。

(3)淋滤试验开始后，按预设时间通过亚克力有机玻璃管底部的排水橡胶管收集煤矸石淋滤液，以备后续检测、分析。

(4)拆分淋滤仪，对剩余煤矸石试样进行回收，反复清洗亚克力有机玻璃管及带孔隔板，并替换排水橡胶管，以避免煤矸石淋滤液及试样残留。

2 淋滤试验流程

2.1 煤矸石采样及预处理

采样地点为韩城市桑树坪煤矿排矸场(图3)。在排矸场中分别采取新鲜煤矸石和风化3 a煤矸石各10 kg。在室内将煤矸石研碎、过筛，选取粒径5～10 mm的新鲜矸石和风化3 a矸石各1 kg备用。

2.2 煤矸石浸泡液检测

图3 桑树坪煤矿排矸场及煤矸石取样地点Fig.3 Gangue field and sampling spot of Sangshuping coal mine

表1 桑树坪煤矿煤矸石浸泡液有害元素检测结果Table 1 The harmful elements testing results of coal gangue soaking solution of Sangshuping coal mine

2.3 淋滤液采集与检测

图4 煤矸石淋滤液σ-t关系曲线Fig.4 The σ-trelation curve of coal gangue leachate

3 试验结果及分析

3.1 淋滤液电导率

煤矸石淋滤液电导率σ随淋滤时间t变化规律如图4所示。由图4可知，四种试验条件下淋滤液电导率均随淋滤时间增长而降低。其中，83 mm/h降雨强度和风化3 a矸石条件下，淋滤液电导率在3 h时出现极大值(388.0 μS/m)，与电导率整体变化趋势不符，应视为异常值。剔除异常值后，根据σ-t关系曲线拐点位置可将其分为两阶段;快速下降阶段(1～3 h)和缓降趋稳阶段(3～6 h)。快速下降阶段淋滤液电导率平均变化率介于12.4 ～112.0 μS/(m·h)，其中167 mm/h降雨强度和风化3 a矸石条件下电导率平均变化率最大[112.0 μS/(m·h)]，167 mm/h降雨强度和新鲜矸石条件下电导率平均变化率最小[12.4 μS(m·h)]。缓降趋稳阶段淋滤液电导率平均变化率介于0.5 ～26.7 μS/(m·h)，其中83 mm/h降雨强度和风化3 a矸石条件下电导率平均变化率最大[26.7 μS/(m·h)]，167 mm/h降雨强度和新鲜矸石条件下电导率平均变化率最小[0.5 μS/(m·h)]。

3.2 淋滤液浓度

图5 煤矸石淋滤液c-t关系曲线Fig.5 The c-t relation curve of coal gangue leachate

3.3 关系曲线拟合及敏感性分析

(1)

图6 煤矸石淋滤液σ-t拟合曲线Fig.6 The σ-t fitting curve of coal gangue leachate

图7 煤矸石淋滤液c-t拟合曲线Fig.7 The c-t fitting curve of coal gangue leachate

表2 关系曲线拟合结果及参数Table 2 The fitting results and parameters of relation curves

表3 敏感性指标Is计算结果Table 3 The calculation results of sensitivity index Is

4 结论

通过在降雨模拟系统中增设电动机和带孔锥形盘对传统煤矸石淋滤仪进行改进，实现对随机降雨路径的模拟。进一步以韩城桑树坪煤矿煤矸石为研究对象，验证了改进煤矸石淋滤仪的合理性与实用性。