煤矸石和矿井废水的成因分析

(1)煤矸石的组成及酸化

现场调查和取样结果表明，3号井煤矸石堆主要由炭质泥岩、炭质页岩、杂砂岩和少量石灰岩碎块组成。在自然堆叠的情况下，大小是混合的，并且没有排序。其中，块径大于10cm的煤矸石约占29%，5 ~ 10 cm的块径约占22%，3 ~ 5 cm的块径约占14%，1 ~ 3~5cm的块径约占22%，块径0.5。炭质泥岩和炭质页岩所占比例较高。这种岩块不仅含碳量高，而且有大量肉眼可识别的黄铁矿晶体集合体和散在晶体，有的还呈现黄色硫化物或磁铁矿的锈痕。此外，X射线衍射物相分析表明，煤矸石中还含有不同比例的绿泥石、伊利石、应时和粘土矿物(表4.2)。

通过ICP-AEs分析发现，煤矸石碎屑混合样品中铁和硫的含量很高，其中铁含量为148.76g/kg，有效态为4.57g/kg。硫的含量为117.82g/kg，有效态为1.45g/kg。其他化学成分远不及铁和硫。详见表4.3。

据此计算，煤矸石堆中约有4.75×104t铁、1.45×104t硫及相当数量的重金属元素。它能溶解在酸性水环境中，并随渗滤液向下游地区迁移，从而在矿区形成长期污染源。

表4.2大峪沟三矿煤矸石的矿物组成

表4.3大峪沟三矿井田煤矸石化学成分含量(单位:mg/kg)

由于煤矸石中的硫含量普遍较高，主要以黄铁矿的形式存在，在风化和雨水过程中缓慢氧化成Fe2O3和SO2，与水反应生成Fe2(SO4)3和H2SO4。这样，一部分硫以气体的形式排放到大气中，另一部分以离子的形式进入水和土壤中，从而造成酸化。

(2)矿井废水的化学成分及成因

根据2007年8月9日采集的水样测试分析结果(表4.4和表4.5)，矿井废水的化学成分具有以下特征:

1)总盐量较高，其中盐度达到2400mg/L，相当于咸水-半咸水型，水中悬浮物2400mg/L，主要由石膏和无定形物质组成。

2)碱金属离子和碱土金属离子是主要阳离子。钾、钠、钙、镁离子总量占阳离子总量的90%以上，阴离子中硫酸根含量极高，达到1685mg/L，占全部阴离子的90%以上，而碳酸氢根离子仅为3.05 mg/L。

3)重金属以锌和锰为主，分别为2.4mg/L和1.8mg/L，铜、砷、铅、镉和六价铬含量很少，均小于0.05 mg/L..

4)4)pH值为3.07，属于酸性水。这些特征与矿井废水的形成条件直接相关。

现在排出的矿井水大部分来自a 1煤周围的裂隙水和岩溶水。根据a 1煤和煤矸石的化学成分，这些地层含有极高的硫和铁。在巷道开拓和开采之前，这些物质处于还原环境，大部分以不溶性硫化物的形式封存在地下。一旦人工暴露，巷道和采煤工作面形成氧化环境，矿井水的酸度会增加。酸度增加的机理有三个方面:

表4.4矿井排水和矿井井口水样测试数据(单位:mg/L)

注:采样地点，矿井出水口(N34°43 ' 02.46 "，e 113° 05 ' 43.28 ")；室内电话，856。

矿井井口(不带中和剂)(N34°43 ' 07.40 "，e 113° 05 ' 35.26 ")；室内电话，857。

采样时间，2007年7月。

表4.5矿井排水和矿井井口水样测试数据(单位:mg/L)

注:采样地点，矿井出水口(N34°43 ' 02.46 "，e 113° 05 ' 43.28 ")；室内号码，1323。

矿井井口(不带中和剂)(N34°43 ' 07.40 "，e 113° 05 ' 35.26 ")；室内号码，1462。

抽样时间:2007年6月165438+10月。

一种是煤层和顶底板中的含硫化合物在氧气和水的存在下被氧化成游离的H2SO4，反应方程式如下

煤矿地质环境问题综合管理研究

其次，式(4.1)中铁和其他金属的硫酸盐水解释放H+，反应过程如下

煤矿地质环境问题综合管理研究

三是地下水中H2CO3的分解。在大峪沟-1煤矿巷道条件下，硫化物的氧化和硫酸铁的水解对矿井水的酸化影响最为突出。此外，H2CO3分解还会带出一定量的Ca2+和Mg2+。由于H2SO4浸出，钙、锌等金属可能转化为硫酸盐，从矿物中沉淀出来。硫化细菌在上述反应中起着重要的催化作用。巷道内良好的通风条件和适宜的湿度促进了硫杆菌等细菌的繁殖，加快了Fe2+的氧化速度，获得了自身繁殖所需的能量。同时，它们将煤层中含有的元素硫快速氧化成硫酸，提高了矿井水的酸度。