《武汉工程大学学报》 2011年09期
72-76
出版日期：2011-09-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
煤炭开采对周边土壤环境的影响
0引言我国煤炭资源丰富，随着煤炭开采行业的发展，煤矸石的产生量与日俱增.据统计，我国煤矸石的产生量约为原煤总产量的15%~20%，已经积存70亿吨，占地面积约70 km2，而且排放量正以1.5亿吨/年的速度增长.目前，我国煤矸石综合利用水平较低，尚不到煤矸石排放量的15%，大部分未被利用的煤矸石采用沟谷倾倒式自然松散的堆放在矿井四周，不仅侵占大量土地，而且还会产生自燃或滑坡等地质灾害.另外，由于露天堆放的矸石较松散，渗透系数大，产生的淋溶水对周围水体及土壤环境可能产生极大污染［13］.因此，解决煤炭开采过程中产生的土壤环境影响已迫在眉睫.目前，国外对煤炭行业开采引起的环境问题研究主要表现为采煤事故防范、煤炭开采过程中 “三废”的产生情况以及治理措施、煤炭开采对土地资源的破坏［45］.国内对煤炭行业开采引起的环境问题的研究主要集中在煤炭开采对周边生态环境的影响，包括以下两点：a.煤炭开采导致土地资源破坏及生态环境恶化；b.煤炭开采破坏地下水资源，引起地下水水位下降、恶化水系生态环境，使矿区干旱缺水局面更加严重，加剧供水紧张形势［610］.本论文通过测定煤炭开采附近土壤中的重金属，分析煤炭开采对土壤环境的影响，论文的创新点在于针对煤炭开采对土壤的环境影响，提出有效的污染防治措施.广西罗城伟隆煤业有限公司昌盛煤矿位于罗城县四把镇四把社区境内，矿井走向长0.96~142 km，倾斜宽0.75 km，面积0.876 km2，开采深度+350 m～+200 m标高.可采储量为20.09万吨，开采规模为6万吨/年，煤矸石临时堆放场占地约800 m2，目前堆放在临时堆放场的煤矸石总量约900 m3.本文选取该煤矿周围土壤为研究对象，采用《土壤环境监测技术规范》(HJ//T166-2004)、火焰原子吸收分光光度法和可见分光光度法［1114］，对土壤中铜、锌、铅、镉、总铬、砷等重金属进行监测，并将监测结果与土壤环境质量标准值和罗城县土壤背景值进行比较，据此分析煤炭开采对土壤的环境影响并提出有效的污染防治措施.1实验部分1.1样品的采集及预处理
1.1.1样品的采集本实验的样品取自广西罗城伟隆煤业有限公司昌盛煤矿矿井周围土壤，共布设四个采样点，具体如下：1#位于昌盛煤矿矿井废水在苗洛甫溪汇入口上游500 m处断面小溪河床底泥；2#位于昌盛煤矿工业广场南面100 m处甘蔗地；3#位于昌盛煤矿矿井废水在苗洛甫溪汇入口下游500 m处断面小溪河床底泥；4#位于昌盛煤矿工业广场西面150 m处农田.取样点布置如图1所示.样品的采集方法参照《土壤环境监测技术规范》（HJ／T166-2004）.图1土壤取样点示意图
Fig.1Diagram of sampling sites in the demonstration field1.1.2样品的预处理将采集的土壤样品(一般不少于500 g)混匀后用四分法缩分至约100 g.缩分后的土样经风干后，除去土壤样品中石子和动植物残体等异物，用玛瑙棒研压，通过2 mm尼龙筛(除去2 mm以上的砂砾)，混合均匀.用玛瑙研钵将通过2 mm尼龙筛的土样研磨至全部通过孔径为0149 mm（100目）的尼龙筛，混合均匀后备用.1.2实验仪器及药品
1.2.1实验仪器原子分光光度计；可见分光光度计；原子吸收分光型数控超声波清洗器（KQ5200DBTAS-990，昆山市超声仪器有限公司）；砷反应发生器；翻转式振荡机；干燥箱；过滤装置；电子分析天平；其它常规玻璃仪器.
1.2.2实验药品盐酸（AR）；硝酸（AR）；硫酸（AR）；氢氟酸（AR）；高氯酸（AR）；氯化铵溶液（质量分数10%）；重铬酸钾（AR）；硝酸镧La(NO3)3.6H2O；铜粉；铅粉；锌粉；镉粉；磷酸氢二铵溶液（AR，质量分数5%）；砒霜（AR，北京化工厂）；二乙基二硫代氨基甲酸银（AR）；醋酸铅（AR）；氢氧化钠（AR）；硫酸铜（AR）；碘化钾（AR）；氯化亚锡（AR）；无砷锌粒；吡啶（AR）.1.3实验方法
1.3.1标准曲线的绘制［11］a.1 g/L标准贮备溶液配制：准确称取1.000 0 g（精确至0.000 2 g）铜粉、锌粉、铅粉、镉粉，分别溶解在20 mL(1+1)HNO3溶液中，待全部溶解后，移至1 000 mL的容量瓶中，用蒸馏水定容到标线，摇匀.准确称取在105 ℃烘干2 h后的重铬酸钾2.828 9 g，用水溶解后全量移到1 000 mL容量瓶中，用蒸馏水定容到标线，摇匀；准确称取0.132 0 g干燥至恒重的As2O3，溶于2 mLNaOH溶液(2 mol/L)中，待全部溶解后，加入10 mL(1+1)H2S04溶液，转移到100 mL容量瓶中，用蒸馏水稀释至标线，摇匀.b.标准混合溶液配制：分别移取铜标准贮备液10 mL，锌标准贮备液5 mL，铅标准贮备液25 mL，镉标准贮备液1.25 mL，铬标准贮备液25 mL至500 mL容量瓶中，用1%HNO3溶液稀释到刻度，摇匀.此时，混合标准溶液中各重金属的质量浓度分别为，铜：20 mg/L；锌：10.0 mg/L；铅：50 mg/L；镉：2.5 mg/L；铬：50 mg/L.第9期梅明，等：煤炭开采对周边土壤环境的影响
武汉工程大学学报第33卷
c.标准曲线测定：分别移取0.00、2.50、5.00、7.50、10.00、15.00、2000 mL的重金属标准混合溶液至25 mL的容量瓶中，用1%HNO3溶液进行定容，用火焰原子吸收分光光度计测定溶液的吸光度.准确移取000、2.50、5.00、7.50、10.00、15.00、20.00 mL的砷标准贮备液至砷化氢发生器的反应瓶中，加入4 mL的KI溶液（150 g/L）、2 mL的氯化亚锡溶液（4 g/L），混合均匀后放置15 min.向装有乙酸铅棉花的吸收管中加入5 mL二乙基二硫代氨基甲酸银-吡啶吸收液（05%），在砷发生器的反应瓶中加入4 g无砷锌粒，迅速将吸收管与砷反应瓶连接.同时做空白，在室温下维持反应时间1 h，使砷化氢完全释出.将砷发生器吸收管内的溶液在510 nm处，用空白溶液将分光光度计调“0”后，用10 cm的比色皿测定溶液的吸光度.通过浓度和吸光度绘制各标准曲线.
1.3.2样品的测定样品的测定包括含水率及吸光度的测定，测定方法及参考标准见表1.表1样品的测定
Table 1The determination of sample测定项目含水率吸光度测定方法f=（W1-W2）/W1×100%
式中：f为土样水分含量，%；W1为烘干前土样质量，g；W2为烘干后土样质量，g用火焰原子吸收分光光度计分别测定样品中铜、锌、铅、镉、总铬；用可见分光光度计测定砷的吸光度参考标准参照土壤质量监测附录中的方法参照《土壤质量铜、锌的测定火焰原子吸收分光光度法，GB/T17138-1997》、《土壤质量铅、镉的测定石墨炉原子吸收分光光度法，GB/T17141-1997》、《土壤质量总铬的测定火焰原子吸收分光光光度法，GB/T 17134-1997》、《土壤质量总砷的测定二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法，GB/T17134-1997》2实验结果与讨论2.1含水率测定通过含水率的测定方法，测定四组样品的含水率分别为7.1%、1.4%、5.7%、2.8%.2.2标准曲线的绘制按照1.3.1的方法分别测得铜、锌、铅、镉、总铬、砷的标准曲线，对标准曲线通过线性回归，得出标准曲线的回归方程及r值，具体结果见表2.表2标准曲线回归方程及r值
Table 2Standard curve regression equation and the r value元素回归方程rCuA = 0.163 1ρ+0.003 20.999 7ZnA = 0.526 2ρ+0.020.999 7PbA = 0.001 5ρ+0.001 30.999 9CdA = 0.485 5ρ+0.0310.999 7CrA = 0.038 4ρ+0.000 30.999 7AsA = 0.024 8ρ-0.005 040.999 92.3土壤样品测定结果分别对四组土壤样品消解试液做平行试验，采用火焰原子吸收分光光度计在各自确定的条件下，分别测定消解液样品中铜、锌、铅、镉、总铬的含量，用可见分光光度计测定各消解液样品中砷的含量，土壤样品中各重金属的含量W（mg/kg）按式（1）计算.
W=C×Vm×（1-f）（1）式（1）中：C为试液的吸光度减去空白的吸光度，然后在校准曲线上查得的重金属含量（mg/L）； V为试液定容的体积，mL； m为称取试样的质量，g； f为试样的水分含量，%.各土壤样品中重金属测定结果如表3所示.表3土壤中重金属含量测定结果
Table 3The content of heavy metals in soil
determination results测定结果1#2#3#4#pH值（无量纲）6.506.566.506.60铜/（mg/kg）74.570.275.373.4锌/（mg/kg）336.9307.5353.0272.8铅/（mg/kg）38.021.039.327.3镉/（mg/kg）1.830.9692.10.94总铬/（mg/kg）11670.217273.4砷/（mg/kg）43.641.644.028.4对昌盛煤矿的煤矸石进行浸出毒性试验，浸出液试验结果详见表4.
表4煤矸石浸出液监测结果
Table 4Coal gangue leachate monitoring results unit
mg/L (pH除外)项目监测
结果GB5085.3-2007对浸出液浓度的限值GB8798-1996中污染物最高允许排放浓度pH7.75——6～9铜0.0321002.0铅＜0.0551.0锌0.0081005.0镉0.0310.1总铬0.29250.5砷（As）0.01650.52.4测定结果分析
2.4.1土壤评价标准土壤中重金属执行GB15618-1995《土壤环境质量标准》二级标准，见表5.
表5土壤环境质量标准
Table 5Soil environmental quality standardsmg/kg (pH除外)GB15618-1995《土壤环境
质量标准》二级pHCdAs水田
≤旱地
≤CuPbCr水田
≤旱地
≤Zn＞7.50.6020251003503502503006.5～7.50.3025301003003002002502.4.2土壤评价方法采用单因子污染指数法进行评价，即：
Pi=Ci/Si.式中：Pi为土壤中i项污染物的污染指数；Ci 为土壤中i项污染物浓度实测值，mg/kg；Si 为i项污染物浓度标准值，mg/kg.
2.4.3土壤评价结果本文各监测点监测数据、土壤环境标准值和罗城县土壤背景值数据见表6.土壤评价结果见表7.表6相关数据一览表
Table 6Related data listmg/kg (pH除外)项目监测因子pH值CrCuZnPbCdAs1#监测点7.21116.0116.0336.938.01.8343.62#监测点7.9670.270.2307.521.00.9741.63#监测点7.98172.0172.0353.039.32.1044.04#监测点8.3373.473.4272.827.30.9428.4土壤环境标准值>7.5 350水田
250旱地1003003500.620水田
25旱地6.5~7.5 300水田
200旱地1002503000.325水田
30旱地当地土壤背景值——378.5943.59263.4816.081.059838.56注：表中当地土壤背景值数据引自广西环境科学研究所1992年编写的《土壤背景值研究方法及广西土壤背景值》表7土壤样品评价结果
Table 7The evaluation results of soil samples测定项目pH值CrCuZnPbCdAs1# 测定值7.21116.074.5336.938.01.8343.6Pi/0.330.741.120.113.051.74最大超标倍数/000.1202.050.742#测定值7.9670.270.2307.521.00.9741.6Pi/0.20.701.020.061.621.66最大超标倍数/000.0200.620.663#测定值7.98172.075.3353.039.32.1044.0Pi/0.490.751.180.113.501.76最大超标倍数/000.1802.50.764#测定值8.3373.473.4272.827.30.9428.4Pi/0.210.730.910.081.571.42最大超标倍数/00000.570.42由表7可知，各取样点土壤pH、Cr、Cu、Pb的浓度均符合GB15618-1995《土壤环境质量标准》二级标准，说明土壤未受到pH、Cr、Cu、Pb的污染.1#、2#、3#监测点土壤的Zn浓度超过GB15618-1995《土壤环境质量标准》二级标准，其超标倍数在0.02～0.18.各监测点土壤的Cd和As浓度均超过GB15618-1995《土壤环境质量标准》二级标准，Cd浓度的超标倍数在0.57～2.5，As浓度的超标倍数在0.12～0.76.据调查，土壤取样点周边无冶炼厂等排放重金属的污染源.导致土壤的As、Cd、Zn超标的主要原因有两点：一是罗城县为广西地区土壤中As、Cd、Zn含量比较高的地区，实验中的土壤样品取于矿区范围内，土壤中As、Cd、Zn含量与罗城县其他地方比相对较高；二是取样点均靠近煤矸石临时堆场，煤矸石堆场产生的淋溶水导致土壤中重金属含量增加.3结论及建议3.1结论煤炭开采过程中，产生大量的煤矸石，煤矸石露天堆放，在雨季，煤矸石堆场产生的淋溶水渗透到土壤中，导致土壤中砷、隔、锌等重金属含量增加，破坏了土壤的性质，对土壤环境造成较大的污染.3.2建议针对煤炭开采对土壤环境的污染，提出以下两点防治措施：a.硬化煤矸石临时堆场的地表面，煤矸石及时外卖给砖厂制砖或者进行合理的综合利用，避免长久堆放.b.在煤矸石临时堆场周围设置环形截水沟，工业广场内设置排水沟渠，下游设置初期雨水收集池.煤矸石淋溶水和工业广场内的冲刷雨水经排水沟渠引至初期雨水收集池内，再经过中和池、沉淀池处理后回用于厂区内洒水降尘.