探讨煤炭开采中硫对地下水环境的影响及防治措施

2022-09-10

我国用煤平均硫分1.72%, 煤炭资源中有20%原煤的总硫大于2%, 生产高硫煤的矿井已形成2亿多吨的生产规模。目前国家虽然控制非动力性高硫的开采, 但因其在能源中所占比重很大, 绝对数量还是相当可观。煤层开采对地下水影响主要是对浅层地下水的疏干和对水质污染, 对地下水的疏干影响已经有很多文章进行了阐述, 我在本文中主要针对煤矿中的硫对地下水水质污染的影响进行简析。

1 煤中硫的赋存形态

煤中各种形态的硫的总和称为煤的全硫 (St) 。煤中硫分, 按其存在的形态分为有机硫和无机硫两种。煤中的有机硫, 主要是以有机物形态存在于煤中的硫, 其结构复杂, 大体有以下官能团:硫醇或醚基化合物 (R-SH) ;噻吩类杂环硫化物, 如噻吩、苯骈噻吩;硫醌化合物类, 如对硫醌;硫醚类 (R-SR’) 或二硫醚硫 (R-S-S-R) ;硫蒽类等。

煤中无机硫, 是以无机物形态存在于煤中的硫。无机硫又分为硫化物硫、硫酸盐硫和单质硫。硫化物硫绝大部分是黄铁矿硫 (FeS2) , 约占全煤硫的60%, 少部分为白铁矿硫 (FeS2) 和砷黄铁矿硫, 呈结核状、块状、层状或浸染状。还有少量的ZnS, PbS等。硫酸盐硫主要存在于石膏 (CaSO4·2H2O) 、绿矾 (FSO4·7H2O) 中。

2 反应机理

煤矿在采掘过程中, 硫的影响主要是硫铁矿氧化生成酸对地下水的pH值的影响, 特别是高硫煤矿, 随着开采期的延长, 硫对地下水pH的影响就越大, 其影响一般是长期的。煤矿开采破坏了硫铁矿其自身的氧化外膜, 特别是对体积大的呈结核状的硫铁矿同时增加了其比表面积, 使它较快的发生氧化, 反应的热化学方程式如下 (此反应有硫杆菌作催化剂) :

这个反应在标准状况下也可以自发进行。

3 硫对地下水环境的影响

3.1 影响方式

硫的氧化产生的酸性物质对地下水的影响主要是在开采后期或闭矿以后, 影响就会尤为突出。当煤矿开采时对地质环境影响可分为3种, 冒落带、裂隙带、整体移动带, 具有重要影响的是冒落带和裂隙带。由于井、巷道、采空区的出现, 加之采空区顶板塌陷, 增加了大量垂向张裂缝, 有的裂缝直通地表, 在地面形成地裂、地陷, 成为采空区以上各类含水层中地下水快速渗流的通道。不但疏干了煤系地层中的地下水, 也疏干了上覆松散岩系中的地下水, 同时也影响下伏奥陶系岩溶水的储水量及水质。

在矿压和水压作用下, 当底板有效隔水层厚度小于破坏厚度时, 如果水位高于煤层底板, 则会发生矿井突水, 造成淹井事故, 如果水位低于煤层底板, 则煤矿开采的积水有可能渗入下伏含水层, 对岩溶水造成污染。

3.2 影响分析

煤矿开采受影响的主要是对上覆各含水层的疏干, 增加含水层间的水力联系, 在水质有明显的地层中, 会造成对水质的污染, 影响地下水的使用;煤炭开采其本身产生的直接污染轻微, 主要是矿井水中COD, BOD和SS的影响, 并且该含量一般都小于相关排放标准。但是随着采期的延长, 废弃井巷的增多, 因井巷在开采过程中破坏了煤层边部岩石中硫化铁自身的氧化外膜, 极易发生氧化反应产生大量的酸, 封堵的越晚产生的越多, 从而在一定时期内, 井巷中的pH值能够达到3~4, 随着深层地下水开采水位的降低, 该污染水会通过裂隙带渗入地下水, 严重影响地下水的使用, 并且为深层地下水的正常使用埋下很深的隐患;同时, 因水的酸性增大, 这时煤矿围岩中有害金属元素如砷、镉、铅等在酸性条件下极易游离出来, 形成新的污染因素, 随着地下水的迁移, 影响面会逐渐扩大, 危害也就越大。例如, 山西省个别地区已经出现浅层地下水酸度明显超标的情况, 失去其饮用水功能。

4 防治措施

完全杜绝硫对地下水的影响, 按目前开采技术条件是不可能的, 可以通过以下几种方试减缓或是杜绝对地下水影响的结果。

首先, 消灭污染源, 即对高硫煤矿严禁开采, 这样就使煤层中硫不至于因开采受到影响, 没有源项和源强;其次, 开采低硫煤层时, 把围岩中富集的硫排出地表, 作为伴生矿综合利用;同时, 改长壁式开采方式为短壁开采, 改炮采为综采, 减少对围岩的影响并减少煤硫暴露在空气中的时间;再者, 及时封堵废弃井巷, 减少反应的过程。开采过程中采取措施严禁对下覆隔水层破坏, 并在构造带留足够长的保护煤柱, 防止因水力贯通对下伏地下水资源的影响。