为解决“三下”压煤等煤炭资源浪费和煤矸石露天排放产生的环境污染问题，相关高校及科研院所与煤炭企业共同研发出了固体充填采煤技术[1-4]。目前已推广至全国十多个矿区近40多个工作面，高效地将地面矸石山充填至煤矿采空区，实现了矿井矸石零排放，解决了困扰煤矿多年的矸石山治理难题[5]。随固体充填技术迅速的发展，煤矸石作为充填体大规模充填至采空区，其内含的重金属元素处于2次富集的状态。在上覆岩层顶板裂隙发育以及煤层开采过程中均会有水涌出，充入采空区的煤矸石会一直处于一个水环境中，也给地下水带来了潜在的污染风险，如图1所示[6-8]。
图1 采空区煤矸石地下水环境的潜在影响
Fig.1 Potential effects of coal gangue in goaf on groundwater environment
近年来，国内外学者主要针对地面矸石山堆积造成的污染问题和垃圾填埋场的污染物扩散时空变化规律进行了大量的研究。刘桂建等[9-12]通过研究发现矸石中含有多种有害的污染组分，其中重金属元素污染组分居多，在经过长期的矿井水淋溶浸泡作用下，煤矸石中的有害重金属和无机盐经过水溶解后就会从煤矸石中析出;齐文跃等[13]通过实验得到了煤矸石中重金属元素释放的规律;叶李胜等[14-15]对填埋场温度场和气体压力场进行耦合数值模拟研究，揭示了填埋场内温度和浓度的变化情况;杨强等[16-18]认为一旦矸石中的污染组分通过水体自循环的补给、裂隙渗流、扩散等方式透过底板岩层渗入含水层中，对地下水环境造成永久性破坏，并通过地下水的循环被植物吸收，通过食物链的放大作用危害到人类健康。但对于不同底板岩性对煤矸石充填体重金属元素迁移影响规律的研究仍处于空白阶段。因此，笔者通过建立渗流场、浓度场耦合数值模型的方式对不同底板岩性中重金属元素的扩散特征及迁移规律进行了研究，同时对固体充填采煤中如何预防地下水污染提出了相应的对策。本文研究内容将进一步完善固体充填采煤的理论体系，对实现绿色开采及地下水资源的保护具有一定的借鉴意义[19-20]。
1 煤矸石静态浸泡实验
为了揭示煤矸石在静态浸泡的条件下重金属元素溶解释放规律，笔者以煤矸石中重金属元素析出浓度为检测指标对煤矸石重金属元素溶解释放规律进行实验研究。由于矿井水大多为偏酸性[21-22]，用初始pH=5的酸性去离子水作为母液，通过室内常温条件下煤矸石浸泡试验的方法，研究充填煤矸石中重金属元素的析出机理，为重金属元素在底板岩层中迁移数值模拟初始值的选取提供参考依据。
1.1 试验器材
本试验所需器材包括:粉碎机;粒径分离筛;铁锤;大塑料桶;pH计;玻璃棒;搅拌棒;研钵;移液管;恒温箱;试剂瓶;1 000 mL容量瓶;温度计;等离子体发射光谱仪(ICP);D/Max-3B型X射线衍射仪;X射线荧光光谱仪等。本试验所需试剂为去离子水、盐酸。
图2 等离子体发射光谱仪
Fig.2 Plasma emission spectrometer
1.2 本底元素含量测定
首先按照标准GB5225—1986的K值法对煤矸石本身的本底元素含量进行定量分析，煤矸石的X-射线衍射图谱如图3所示，化学成分测试结果见表1。
煤矸石物质组成成分主要为SiO2和Al2O3，分别占比59.9%和20.7%。化学元素中包含的重金属主要为Mn,Be,Cu,Zn,Ti,Ba,Pb等元素。
图3 煤矸石的X-射线衍射图谱分析
Fig.3 XRD patterns of coal gangue
表1 煤矸石中元素或化合物种类及含量
Table 1 Content of elements or compounds in coal gangue %
1.3 试验步骤
用小锤或破碎机将煤矸石破碎至50 mm以下，如图4所示，选取0～15,15～30,30～50 mm三种有代表性的煤矸石作为试验样品，将按粒径混合后的煤矸石样品，分别在105 ℃条件下干燥24 h，装入广口瓶后即为代表样品。
图4 实验样品制备
Fig.4 Preparation of test samples
分别称取1 000 g A(0～15 mm)、B(15～30 mm)、C(30～50 mm)3种单一级配的煤矸石样品，置于大容量塑料桶中，加母液10 000 mL进行浸泡。每隔48 h取样1次，将待测溶液用玻璃瓶装好密封，贴好标签，待溶液收集完毕后，用等离子体发射光谱仪(ICP)对收集溶液进行检测。
1.4 实验结果分析
通过等离子体发射光谱仪(ICP)按照我国地下水质量分类标准[23]对浸泡液中重金属元素浓度进行检测。在静态浸泡条件下，各组固液比在不同粒径条件下，重金属元素的溶解释放规律如图5所示。
图5 不同粒径浸泡溶解析出重金属元素变化曲线
Fig.5 Variation curves of heavy metal element were analyzed by soaking coal gangue with different particle size
由图5可知:
(1)上述元素溶解释放大致分为两个阶段，快速溶解释放期(0～8 d)和溶解释放平衡期(8～12 d)，快速溶解释放期的溶解释放速度快，平衡期为慢速释放，逐渐趋于稳定，总体来说，释放浓度随浸泡时间的增长而增长，但其释放速率会随浸泡时间的增长而逐渐降低。
(2)重金属元素溶解释放速率与粒径成负相关，粒径越小溶解释放速率越快，且在快速溶解释放期表现尤为明显。这是由于粒径越小煤矸石与水接触比表面积越大，金属元素溶解释放速率越高。
(3)根据地下水质量分类标准，当粒径分别为0～15,15～30,30～50 mm时Be元素析出浓度最终稳定在0.014,0.022,0.018 mg/L，Mn元素析出浓度最终稳定在2.180,1.816,1.048 mg/L，其浓度根据地下水质量分类指标均属于地下水质量Ⅴ类标准，主要浓度超标组分为铍(Be)、锰(Mn)。
2 重金属元素渗流场-浓度场耦合数值模拟
2.1 模型的建立
以某充填矿井三采区13080工作面为研究背景，固体充填采煤工作面具体参数如下:工作面长度为150 m，区段煤柱宽度为25 m，煤厚为5 m，直接底岩层厚度为20 m。
所建几何模型采用自由剖分三角网格进行剖分，单元类型为拉格朗日二次单元，网格形状为三角形。为了在适当的简化模型计算的同时保证数据的可靠性，对充填体部分的剖分进行了加密。所建几何模型剖分网格时，剖分为由4 785域单元和469边界单元组成的完整网格，几何模型尺寸及边界具体标号如图6所示。为进一步研究底板岩层中重金属元素扩散距离及浓度随时间变化的规律，在采空区中心深5 m处设置观测点A。
图6 充填采场有限元模型
Fig.6 Finite element model of filling stope
模型的左右两侧及底部含水层顶底部边界为无流动边界条件，压力梯度为静水压力梯度，顶部为大气压力边界，即P0=0。假设采空区充满水，压力水头设为5 m。
2.2 模型方案设计
通过大量现场调研结果发现煤矿采空区底板的典型岩性为灰岩、砂岩、花岗岩和泥岩，因此模拟选用4种典型底板岩性进行计算。同时为了对比采空区铺设黏土垫层前后对重金属元素扩散的影响的，参考垃圾填埋场防止渗滤液下渗时采取的铺黏土垫层措施，分别对铺设黏土垫层前后的Mn元素在底板岩层中的迁移扩散进行了数值模拟，具体模拟方案见表2。
表2 模拟方案设计
Table 2 Design of simulated Project
参照矸石淋溶浸泡实验，由于充填材料粒径大部分为15～30 mm，因此将粒径为15～30 mm的Mn2+析出稳定浓度作为数值模型的初始值。模拟区域溶质传输模型计算参数[24]见表3。
表3 数值模型计算参数
Table 3 Numerical model calculation parameters
2.3 数值模拟结果分析
2.3.1 未铺设黏土垫层时浓度及渗流场分布
采用COMSOL Multiphysics分别对底板岩性为泥岩、花岗岩、砂岩、灰岩的模型进行数值求解，得到时间为10 a时不同底板岩性中Mn元素浓度分布，如图7所示。
图7 Mn元素浓度分布云图
Fig.7 Profile of Mn element concentration
由图7可知:
时间为10 a时，不同岩性底板的重金属元素浓度分布均为充填体中浓度最高，沿底板深度方向逐渐降低，反映出Mn元素扩散能力随深度增加不断减弱。Mn元素的迁移是在非筛滤作用下发生的，主要是由基质力和水动力等对渗流产生影响所引起其迁移。且泥岩底板、花岗岩底板、砂岩底板、灰岩底板中Mn元素在底板中的扩散距离分别为5.2,12.5,16,19 m，说明底板岩性影响了重金属元素的扩散范围。这是由于不同岩性的底板具有不同的渗透性系数及孔隙率，导致流体中的元素在底板中的扩散过程发生改变，从而影响重金属元素的扩散范围。
10 a后不同岩性底板中Mn元素浓度分布曲线如图8所示。
图8 不同岩性底板中Mn元素浓度分布
Fig.8 Distribution of Mn concentration in different rock floor
由图8可知:
Mn元素浓度随深度变化率为泥岩>花岗岩>砂岩>灰岩，说明重金属元素扩散能力随深度的增加不断减弱，且减弱程度为泥岩>花岗岩>砂岩>灰岩。这是由于不同岩性底板孔隙裂隙的发育程度和渗透系数不同，渗透系数越小浓度梯度越大，浓度变化越明显，底板抑制元素扩散的作用越强。
根据在底板中布置的监测点A得到的数据，绘制得到不同底板岩性在A点的重金属元素浓度随时间变化曲线，如图9所示。
图9 观测点A处Mn元素浓度
Fig.9 Mn element concentration at observation point A
由图9可知:
泥岩底板中观测点A的浓度变化量极小，而花岗岩、砂岩、灰岩底板中观测点A的浓度变化较大。在模拟最终结束时，泥岩、花岗岩、砂岩、灰岩底板中观测点A的浓度分别为1.673×10-7,3.629×10-6,4.615×10-6,10.857×10-6 mol/L，且浓度变化速率为灰岩>砂岩>花岗岩>泥岩。说明底板岩性不仅能够影响重金属元素的扩散速率，还可以决定重金属元素所达到的最终浓度。
2.3.2 铺设黏土垫层后浓度及渗流场分布
在底板与充填体之间加黏土垫层后，采用COMSOL程序分别对底板岩性为泥岩、花岗岩、砂岩、灰岩的模型进行数值求解，得到时间为10 a时不同底板岩性中Mn元素浓度及渗流场分布，如图10所示。
图10 铺设黏土垫层后Mn元素浓度分布云图
Fig.10 Profile of Mn element concentration after laying down the clay cushion
由图10可知:
在底板与充填体之间铺设黏土垫层后，大部分重金属元素富集于采空区，减少了其向底板岩层继续扩散。且泥岩底板、花岗岩底板、砂岩底板、灰岩底板中Mn元素扩散距离分别为0.9,2.8,5.2,9.1 m与未铺设黏土垫层相比，分别下降了82.69%,77.60%,67.50%,52.10%。这说明在铺设黏土垫层后，明显抑制了重金属元素在底板岩层中的扩散，减小了重金属元素的扩散距离，大大的降低了地下含水层受影响的风险。
在铺设黏土垫层后，不同岩性底板中Mn元素浓度分布曲线如图11所示。
图11 铺设黏土垫层后不同岩性底板中Mn元素浓度分布
Fig.11 Distribution of Mn element concentration in different rock floor after laying clay cushion
图11为铺设黏土垫层后不同岩性底板中重金属元素浓度分布。由图11可知，Mn元素浓度随底板深度变化率仍然为泥岩>花岗岩>砂岩>灰岩，这是由于不同岩性底板渗透系数不同，渗透系数越小浓度梯度越大浓度变化越明显。但在底板岩层与充填体的边界位置元素浓度及其变化率均发生突变。这是由于在底板岩层与充填体之间铺设了一层黏土垫层，抑制了重金属元素在底板岩层中的扩散。该黏土垫层由渗透系数极小的黏土材料制成，减小了重金属元素在底板中的扩散距离，从而降低地下含水层受影响的风险。
3 结 论
(1)煤矸石物质组成中SiO2含量最高，其次为Al2O3。重金属元素中主要为Mn,Be,Cu,Zn,Ti,Ba,Pb等元素，其中Mn,Be元素含量最高，分别为0.094%,0.011%。矸石浸泡试验的测试结果显示，浸泡液属于地下水质量Ⅴ类标准，主要浓度超标组分为铍(Be)、锰(Mn)。
(2)煤矿采空区底板岩性的不同影响重金属元素在底板中的迁移距离，底板的渗透系数越大重金属元素在其中的迁移距离越大。通过利用COMSOL Multiphysics有限元软件对不同底板岩性条件下Mn元素迁移进行了模拟，得到了泥岩、花岗岩、砂岩、灰岩底板中Mn元素在底板中的扩散距离分别为5.2,12.5,16,19 m。
(3)底板岩性的不同影响底板岩层中重金属元素的最终浓度，底板的渗透系数越大重金属元素在其中的最终浓度越大。通过利用COMSOL Multiphysics有限元软件对不同底板岩性条件下Mn元素迁移进行了模拟，得到了泥岩、花岗岩、砂岩、灰岩底板中观测点A最终的浓度分别为1.673×10-7,3.629×10-6,4.615×10-6,10.857×10-6 mol/L，且浓度变化速率为灰岩>砂岩>花岗岩>泥岩。
(4)在底板与充填体之间铺设黏土垫层后，大部分重金属元素富集于采空区，减少了其向底板岩层继续扩散。且泥岩底板、花岗岩底板、砂岩底板、灰岩底板中Mn元素扩散距离分别为0.9,2.8,5.2,9.1 m与未铺设黏土垫层相比，分别下降了82.69%,77.60%,67.50%,52.10%。铺设黏土垫层阻止了重金属元素向底板岩层中扩散，降低了地下水受影响的风险，达到绿色开采的目的。
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