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矿区煤矸石堆对土壤重金属污染时空特征研究

花匠小妙招
2024-12-21 04:00

我国是一个煤矿大国，煤炭在我国能源结构中占有非常重要的地位，对于我国经济发展具有重要的促进作用，能源“十三五”规划明确指出，至2020年末，我国煤炭消耗量占一次性能源的62%以内，可见未来相当长时间内，我国能源结构还是以煤炭为主。

截至目前，我国已开采煤炭资源400多亿吨，煤炭资源开采过程中，井工开采比例已接近90%，井工开采需要开拓巷道，大量巷道的开拓产生了巨量的煤矸石，煤矸石在地表堆积，由于风化、水力作用以及自然等作用，煤矸石中的大量重金属会释放到周围环境中去，造成环境的大量污染，掌握煤矸石对土壤的环境影响对于环境污染防治具有重要意义。本文以山西某矿区为例，通过测定该矿区煤矸石及周围土壤中的重金属，分析煤矸石堆对周围土壤的重金属影响程度及时空分布特征，为煤矸石土壤重金属污染防治提供技术支撑。

1、实验方法

1.1样品

山西省中部西侧地区是我国非常重要的主焦煤生产基地，煤矿甲主要开采太原组上部的6号煤层，煤层平均厚度约5.5 m。煤矿乙主要开采太原组下部的10号煤层，煤层平均厚度为6.4 m．其采矿历史约为30年和20年。煤矸石主要是由巷道掘进产生的矸石、采煤过程中的矸石以及洗选过程中的矸石。主要通过测定矿区矸石中以及矸石周围土壤中的重金属进行分析( Cr、Zn、 Cu、Pb、Cd、Hg、As)，煤矸石表层土壤样品的选取主要根据其主要风向进行，对于土壤采集点主要是其西北的主要风向，在西北风向分上风口和下风口一定距离下合理选择采集点。共采集26个点，其中煤矿甲采集12个点，煤矿乙采集14个点。

对于煤矿矸石堆的选取各进行取样一份进行实验，其中煤矿甲土壤采集点位于矸石堆西70m附近进行采集，煤矿乙土壤采集点在矸石堆东南角60m附近进行采集，采集过程中每隔10cm取样一次，共采集5次。

1.2样品处理及测试方法

将样品进行风干处理并剔除样品中的杂物后，对风干的样品进行研磨并通过0.15 mm筛。将处理好的样品进行消解，采用湿式消解法。实验开始后，选取大约0.5 g的土样放到50mL的聚四氟乙稀坩埚中，并加少量的水进行湿润，再加入10mL的盐酸进行消煮，消煮45 min中剩余大约3mL，待液体稍微冷却后依次加入5mL的硝酸、5mL氢氟酸以及3mL的高氯酸再次进行消煮到粘稠状停止，采用去离子水将粘稠状液体转移到50mL的比色管中进行摇匀。静止一段时间后进行过滤测定溶液中Cr、Zn、Cu、Pb、Cd、 Hg、As的总含量。采用火焰原子吸收分光光度计和石墨炉分光光度计测定Cr、Zn、Cu、Pb、Cd、 Hg、As的含量。在分析过程中采用优级纯的试帮进行实验，使用的水均为去离子水。每个样品进行两次平行测量。分析过程按照国家标准进行质量控制。

2、实结果分析与讨论

2.1矸石堆周围土壤金属污染评价

采用中国环境监测总站1990年编写的中国土壤元素背景值中的山西省土壤重金属含量作为基础数据进行比对比分，得出基础数据和矸石堆重金属测定结果。

2.2矸石堆周围土壤表层重金属分布特征

煤矿矸石堆周围土壤重金属元素平面分布特征。其中横坐标正方向代表东南方向。横坐标负方向代表西北方向。

2.3矸石堆周围土壤剖面重金属分布特征

为了进一步分析矸石堆对于土壤不同深度的污染程度，对其不同深度的土壤重金属含量进行分析，得出土壤剖面方向上重金属分布特征曲线。

3、结论

(1)甲、乙煤矿的矸石中七种重金属元素含量明显高于当地背景值，Cr的污染值增加得最大，污染增加最小的是Hg。

(2)煤矿甲其重金属污染程度Pb>Cr>Hg>Cd>As>Zn>Cu。煤矿乙其重金属污染程度Hg>Pb>Cd>As>Cr>Cu>Zn。两煤矿重金属的污染程度基本上一致；下风向区域的重金属污染含量明显高于上风向的重金属含量；煤矿甲的土壤重金属污染明显高于煤矿乙对土壤的污染与煤矿矸石堆放时间有关。

(3)煤矿矸石堆周围重金属元素含量随着距矸石堆的距离增加而减少，其变化趋势存在差异；随着采矿活动的不断进行，矿区矸石堆周围土壤中能够明显的表现出重金属积累的特征，矸石堆对周围土壤污染程度将有逐步增加的变化趋势。

(4)甲、乙煤矿矸石堆周围土壤重金属元素浓度随着深度的增加浓度呈递减趋势，但存在一定的波动性。土壤中的重金属元素主要集中在土壤表层。煤矿甲在剖面方向上重金属含量煤明显高于乙。