文章编号 :100121986 (2004) 0520015203
煤矸石堆周围土壤重金属污染特征分析
———以焦作市中马村矿为例
李东艳1 ,方元元1 ,任玉芬1 ,胡 斌1 ,Matthieu Francois2
(1. 焦作工学院资源与环境工程系 ,焦作 454000 ;
2. Institut Supérieur d′Agriculture2Laboratoire Sols et Environnement ,Lille ,France)
摘要 :利用扇形布点法采集了焦作市中马村矿矸石堆周围土壤 ,对其中的 Cr、Pb、Cu、Mn 4 种重金属
含量进行了研究。结果
明 :煤矸石的堆放对周围土壤造成不同程度的污染 ,重金属的含量随离矸
石堆距离增大呈减小的趋势 ,主要受到风向的影响。
关 键 词 :煤矸石 ;重金属 ;土壤 ;污染
中图分类号 :P575. 9 P595 文献标识码 :A
1 前言
目前全国有煤矸石山 1 500 多座 ,累计堆存煤
矸石 34 亿 t ,占地 13 333 ha (公顷)以上 ,而且随着煤
炭产量的增加 ,每年还要新增占地 400 多 ha。煤矸
石的堆积不仅占用大量土地 ,而且还会对周围生态
环境造成威胁[1 ] 。本文以焦作市中马村矿煤矸石堆
周围的土壤为研究对象 ,着重分析了煤矸石的堆放
是否对周围土壤造成重金属污染以及影响重金属的
迁移的因素。
2 采样点布设与样品采集
中马村矿位于焦作市东郊 ,于 1955 年建成并投
产。煤矸石直接堆放于地表 ,体积约 2 ×106 m3 ,占地
面积 64 480 m2 。矸石山周围的农作物主要为小麦和
玉米。该地区风向受季风环流和太行山的影响 ,全年
风向有两次明显的转换 ,春秋季盛行西南风 ,冬季盛
行东北风。多年平均降水量为 695. 7 mm。土壤类型
以潮土为主[2 ] 。结合土壤样品采集布点原则和中马
村矿所处的地理位置 ,考虑了自然风向、矸石堆坡向
等情况 ,作者采用扇形布点法 ,布设了 3 条采样线。
为了研究影响重金属迁移的因素 ,在矿区的主导风方
向上选定两条采样线 (Line1 和Line2) ,在正东方向上
设置一条采样线 (Line3) ,作为与前两条采样线的对
比。每条采样线上 ,按以下方法设置采样点 :20 m 以
内 ,每 5 m一个采样点 ;50 m 以内 ,每 10 m 一个采样
点 ;100 m以内 ,每 20 m一个采样点 ;500 m以内 ,每 50
m一个采样点 (如图1) 。为避开建筑物 ,在Line3上
从 100 m外开始取样。每个采样点在 1 m2 范围内 3
处取表土 (10~15 cm处) ,混匀后贴上标签 ,并
采
样点周围作物、构筑物情况。
3 样品分析
本次研究共采集土样 51 个 ,其中L1 线 12 个 ,L2
线 18 个 ,L3 线 17 个 ,矸石样 4 个。土样经自然风干
后 ,除去石块、残根等杂物 ,研磨 ,过 0. 25 mm 筛。用
HCl - HNO3 - HF - HClO3 全分解方法消解。
取土样 0. 3 g 置于聚氟乙烯坩埚中 ,用少许蒸
馏水润湿后 ,加入 9 mL HCl 和 6 mL HNO3 ,将坩埚置
于电热板上 ,电热板调温至 110 ℃。在加热过程中 ,
为避免液体沸腾而溅到电热板或其他坩埚中 ,腐蚀
电热板和影响实验的准确性 ,在坩埚上加盖。消解
约 1. 5 h ,直至溶液近干时 ,向坩埚中加入 9 mL HF
和 3 mL HClO4 ,将温度调高至 130 ℃,继续加热约 2
h。最后 ,向坩埚中加入 5 mL 王水 ,继续加热 ,使土
壤样品溶解充分。待土样消解液冷却后 ,用蒸馏水
定容到 50 mL 的容量瓶中。火焰原子吸收分光光度
法测定 (Z - 5 000 日立原子吸收光谱仪) ,分析全过
程严格避免重金属的各种可能性污染[3 ,4 ] 。
图 1 矸石堆周围土壤采样点图 (以矸石堆为原点)
收稿日期 :2004202210
基金项目 :河南省自然科学基金 (0111070400) ,焦作工学院博士基金及中青年骨干教师基金资助
作者简介 :李东艳 (1971 —) ,女 ,河南沁阳人 ,焦作工学院博士 ,副教授 ,从事土壤与地下水污染控制与治理的教学与科研工作 1
·51·
第 32 卷 第 5 期
2004 年 10 月
煤田地质与勘探
COAL GEOLOGY & EXPLORATION
图 2 各种元素含量随采样点距矸石堆的距离变化图
注 :为便于比较 ,在作此图时 ,将L3 上第一个采样点当作原点
(a) ———w (Cr)随距离变化图 ; (b) ———w (Mn)随距离变化图 ; (c) ———w (Cu)随距离变化图 ; (d) ———w (Pb)随距离变化图
4 结果与讨论
实验所得数据剔除异常值[4 ]后取算术平均值作
为土壤样品的质量比。样品中各种元素的含量随采
样点离矸石堆的距离变化 ,如图 2 所示。
图中 w (Cr) 的范围在 25. 94~99. 44 mgΠkg 之
间 ,其中L3 随距离增大而下降的趋势非常明显 ,到
180 m 附近时质量比趋于稳定 ; w (Mn) 的范围在
326. 07~602. 1mgΠkg 之间 ,没有明显的变化趋势 ; w
(Cu)的范围在 21. 42~64. 57mgΠkg 之间 ; w ( Pb) 的范
围在 5. 6~100. 1 mgΠkg 之间。通常情况下 ,采矿引
起的土壤污染一般都呈表面富集[5 ] ,并且由近及远
重金属污染程度呈逐渐降低的趋势。作为参照线的
L3 ,Cu 和 Pb 的质量比有随距离增大而下降的趋势 ,
w (Cr) 变化趋势明显 ;到距矸石堆 180 m 外 , w (Cu)
趋于稳定。由于 L1 和 L2 是该地区季风方向 ,煤矸
石粉尘沿主导风向迁移 ,在调查区内 ,L1 线和 L2 线
方向上随距离增大而减小的趋势不明显。
对照土壤环境质量
[6 ] ( GB15618 - 1995) 和
河南省土壤背景值 (如表 1) 可以看出 ,在调查区 , w
(Cr)只有 L3 线上离矸石堆 180 m 以内点的值超出
土壤背景值[7 ] ; w (Cu)的值皆大于土壤背景值 ; 而 w
(Pb)只有L3 上极个别点低于土壤背景值 ,但皆低于
国家二级标准 (本调查区土壤 pH值皆大于 7. 5) 。w
(Pb)随距离变化图中 ,L3 线的最高峰出现在约 180
m 处 ,而此处为该采样线经过的唯一一条公路。
实验还采集了矸石堆中的 4 个矸石样品 ,旨在
与所调查的土壤进行对比。样品 1 和样品 2 是新鲜
的矸石样 ,样品 3 和样品 4 是部分风化过的样品。
经调查发现 ,矸石中所调查的重金属质量比并不高
于周围土壤中的重金属质量比 (如表 2) ,其原因可
能是重金属在土壤表面富集 ,致使本身重金属含量
不高的矸石堆周围土壤重金属质量比反而高。通过
表 2 还可以看出 ,部分风化的矸石重金属质量比反
而高。原因可能是新鲜的矸石有机质质量比高 ,风
化后的矸石中重金属质量比所占比例大。这与党志
(2001)等的调查结果一致[8 ] 。
5 结论
a . 该调查区重金属质量比未超过土壤环境质
表 1 土壤环境质量标准( GB15618 - 1995)和背景值 w/ mg·kg - 1
项 目
河南省
土壤元
素背景
值 [8 ]
国家一
级标准
自然背
景值
国家二级标准 (pH值)
< 6. 5
6. 5 ≤或
≤7. 5
> 7. 5
铬 (Cr) ≤ 63. 8 90 150 200 250
锰 (Mn) 579 ——— ——— ——— ———
铜 (Cu) ≤ 19. 7 35 50 100 100
铅 (Pb) ≤ 19. 6 35 250 300 350
表 2 矸石中 4 种重金属质量比 w/ mg·kg - 1
样品
元素
Cr Mn Pb Cu
矸石 1 20. 97 131. 08 31. 46 20. 97
矸石 2 32. 57 258. 86 49. 72 36. 00
矸石 3 44. 73 270. 09 44. 73 37. 85
矸石 4 41. 75 377. 52 31. 32 26. 10
·61· 煤田地质与勘探 第 32 卷
·矿井地质·
文章编号 :100121986 (2004) 0520017203
采场工作面顶板突水的渗流场分析
张后全2 ,杨天鸿2 ,赵德深1 ,李连崇2 ,唐春安1 ,3
(11 大连大学材料破坏力学数值试验研究中心 ,辽宁 大连 116622 ;2. 东北大学岩石破裂
与失稳研究中心 ,辽宁 沈阳 110004 ;3. 中国科学院岩土力学重点实验室 ,湖北 武汉 430071)
摘要 :应用东北大学岩石破裂与失稳研究中心 (CRISR)自主开发的 F - RFPA2D渗流与应力耦合分析
系统 ,对煤层顶板随着开采的逐步进行 ,采动裂隙逐渐向上发展并最终与含水层连通 ,进而发生顶
板突水的全过程进行了数值模拟 ,直观地显示了煤层顶板的变形、破坏过程以及渗流场在整个岩体
的运移过程及其突水前后渗流场的变化情况 ,从而较好地揭示了顶板突水过程。
关 键 词 :采动裂隙 ;顶板突水 ;数值模拟
中图分类号 :P641. 4 文献标识码 :A
1 引言
前人对煤矿顶板突水事故作过大量的研究 ,在
突水机理、预测预报、防治技术等方面取得了一些突
破性进展 ,先后发展了红外测温技术、直流电法、等
效数值法、光度滴定法等 ,用来判定突水潜在危险
区 ,并开发出了相关数值模拟软件与分析系统 ,提出
了钻孔放水法 ,预采疏放法等防治技术[1 - 5 ] 。归纳
起来 ,前人主要依靠工程监测、理论解析、数值模拟
3 种手段对问题进行研究 ,但这 3 种手段各自都存
在着明显的不足。由于目前监测手段的局限性 ,使
得现场监测不能有效获取分析问题所需的足够信
收稿日期 :2004212210
基金项目 :国家自然科学基金 (50204003)和国家自然科学基金 (50174013 资助项目
作者简介 :张后全 (1979 —) ,男 ,四川邻水县人 ,大连大学硕士研究生 ,主要从事岩石力学与工程的数值模拟研究工作 1
量标准 ( GB15618 - 1995)二级标准 ,但对 w (Cu) 和 w
(Pb)的污染应加以重视 ;
b. 到目前为止 ,该调查区还适于种植农作
物 ,但其重金属污染应加以重视 ,建议种植一些抗重
金属污染的作物 ,如向日葵[9 ] ,或施加适量的改良
剂 ,如海泡石 ,钙镁磷肥等[10 ] ;
c . 矸石山周围土壤中微量元素质量系数高是
长期积累的结果 ,风化和雨水淋溶是影响矸石堆周
围土壤重金属迁移的重要因素[11 ] ;
d. 在调查区煤矸石堆是主要的污染源 ,其他
外界输入是次要的污染源。
参考文献
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Analysis of heavy metal pollution in vicinity soil of coal gangue dump
———Taking Zhongmacun Mine of Jiaozuo as an example
LI Dong2yan1 , FANG Yuan2yuan1 , REN Yu2fen1 , HU Bin1 , MATTIEU Francois2
(1. Department of Resources and Environmental , Jiaozuo Institute of Technology , Jiaozuo 454000 ;
2. Institut Supérieur d′Agriculture2Laboratoire Sols et Environnement , Lille , France)
Abstract : In order to investigate heavy metal content concerning Cr , Pb , Cu and Mn , soil samples were collected using fan shape allocation
method in the vicinity of Zhongmacun Mine , Jiaozuo. The results show that coal gangue pile causes various heavy metal pollution to ambient soil ,
and that heavy metal pollution has a trend that the farther from the pile , the weaker the contamination is. The main factor affecting the movement
of heavy metals in topsoil is the prevailing wind.
Key words : coal gangue ;heavy metal ;soil ; pollution
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2004 年 10 月
煤田地质与勘探
COAL GEOLOGY & EXPLORATION