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成庄矿矸石山处置项目方案

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成庄矿煤矸石处理方法及复垦技术研究

项 目 方 案

山西先导科技开发有限公司
二〇一〇年四月

目 录

一、 项目目标 2
二、 技术指标 2
三、 工程量 3
四、 研究内容 3
五、 具体工作 4
六、 进度安排 25
七、 人员安排 26
八、 承担单位与合作方的具体责任和分工: 26

成庄矿煤矸石处理方法及复垦技术研究
项 目 方 案

煤矸石是煤矿开采和洗煤排放的固体废弃物, 是煤矿生产的必然产物。 当前, 煤矿的排矸量约占煤炭开采量的8%～20%, 平均约为12%; 已成为矿区堆积量和占用场地最多的工业废弃物主要的污染源之一。由于矸石大量堆积形成的矸石山, 不但直接占压土地, 引发严重的土壤污染, 破坏植被的生长, 水土流失和地质灾害, 而且由于矸石中一般含有残煤、 碳质泥岩、 硫铁矿、 碎木材等可燃物质, 在长期露天堆积后, 往往会产生自燃现象, 并排放出大量的CO、 CO2 、 SO2 、 H2S、 NO 等有害气体, 造成大气、 地表水、 地下水的严重污染,矸石山下风向的村庄、 城镇及矸石沟下游的农田、 河流、 水库等生态敏感点造成不良环境影响。再是矸石山为自然堆积而成,内部结构疏松, 受矸石中炭的自燃、 有机质灰化及硫分解挥发等作用的影响, 使得矸石山非常易发生自燃、 崩塌、 滑坡, 可能形成泥石流等灾害。据统计, 中国每年煤矸石的排放量高达1.5×108t, 占地4.8×105m2, 现已形成大小数千座矸石山, 累计堆存量达5.0×109t, 占地近2.0×108m2, 现全国大约1/3的矸石山正在发生燃烧。因此, 对矿区煤矸石自燃防治及复垦技术的研究, 改进煤矸石山的环境条件, 加快植被恢复, 最大限度地减少煤矸石山对周围环境的污染已成为煤矿环保工作和煤炭清洁生产的一项重要任务, 对煤炭工业可持续发展乃至整个国民经济的健康发展具有十分重要的现实意义。
山西晋城蓝焰煤业股份公司成庄煤矿,1989年建矿, 年产原煤800万t, 配套有800万t/年的洗煤厂, 每年排放3#煤矸石100万t, 排矸量约占煤炭开采量的8%, 累计存矸约800万t。 当前, 成庄煤矿现有3个排矸场, 其中1# 工业区排矸场已于 封场, 复垦还田209亩; 2# 排矸场于 底即封场, 进行复垦还田; 3# 排矸场选址确定, 开始存放矸石。
1# 排矸场虽已填沟造田, 且农作物长势较好, 但由于没有科学的进行立地环境分析及植被演替规律的探讨, 缺乏合理的矸石山填埋复垦技术, 致使 1# 排矸场仍就存在矸石自燃、 矸石溃坝的潜在因素, 不可避免地出现农作物生长多年后由于水土流失造成的生态效应减小以及土壤生产力下降的现象。因此, 有必要进行山西晋城蓝焰煤业股份公司成庄矿1#工业区煤矸石自燃及填埋复垦项目的研究, 建立一套完整的理论与技术标准, 为成庄矿申报国家环境友好企业及矿区环境保护提供科学依据; 同时也为后续排矸场在科学、 合理的治理复垦基础上, 创造更高的生产力和经济价值, 实现矸石山稳定的自维持的植被生态系统的最终有效利用。
一、 项目目标
本项研究以山西晋城蓝焰煤业股份公司成庄煤矿排矸场为研究对象, 应用定性和定量方法对煤矸石、 覆土层成份及地表植物成份进行测试分析 深入系统地研究煤矸石的自燃防治、 复垦还田、 植被恢复、 景观治理等11项研究内容, 给出成庄矿矸石山堆放、 复垦综合治理的技术规范及标准, 为晋煤集团及国内外矸石山综合治理提供经验。
二、 技术指标
1．给出矸石元素成份、 工业性分析及覆土元素分析指标;
2．给出边坡稳定参数, 合理确定坡度、 坝高;
3．给出覆土种植技术中覆土厚度;
4．给出矸石场合理的排水系统参数, 确定地表径流排水渠和渗透水排水暗涵的规格、 尺寸。
三、 工程量
1.矸石堆场址及其周边的地形测量。
2.钻探工程:
( 1) 深孔3～5个, 用于采集矸石山基底土样;
( 2) 浅孔110～120个, 用于采集矸石堆内部温度、 气体信息以及测量不同矸石堆不同部位覆土厚度。
3.对于麦田黄化局部区域进行重锤夯实或碾压。
4．矸石示范工程包括矸石沟削坡、 平底、 建设防渗层、 建设排洪暗涵、 构筑拦渣坝以及矸石覆土、 植被恢复等。
四、 研究内容
1.采集新鲜煤矸石、 已堆放煤矸石, 进行元素分析及工业性分析。
2.矸石覆土层样品采集、 成份测试、 数据分析及计算。
3.对照取土场样品成份测试、 数据分析及计算。
4.堆积矸石基底层土样采集、 成份测试、 数据分析及计算。
5.覆土层植物( 含农作物) 样品采集、 重金属成分测试、 数据分析及计算。
6.对照取土场植物( 含农作物) 样品采集、 重金属成分测试、 数据分析及计算。
7.进行不同覆土厚度栽培植物对比试验。
8.测定1#矸石场地表最大径流量和渗透系数及其渗透量。
9.利用钻孔法测试工业区矸石场内部温度及其变化规律、 采集气体样品分析其组份, 得出地面植物黄化的原因, 并提出治理的技术措施。
10.研究煤矸石堆积状态、 堆积厚度及漏风对煤矸石自燃的影响, 给出成庄矿煤矸石山自燃的预防和治理技术措施。
11．给出成庄矿矸石山堆放、 复垦综合治理的技术规范及标准。
经过上述内容的研究, 为成庄煤矿提出一套科技含量高、 安全可靠性好、 景观效应好、 农作物生长旺盛、 经济收益好的矸石山治理与复垦技术。
五、 具体工作
项目实施主要经过现场调查、 确定技术路线、 采集各种样品、 实验室测试、 数据计算分析、 现场实施等完成。
( 一) 新鲜煤矸石、 已堆放煤矸石元素分析及工业性分析
煤矸石自燃发是一种物理、 化学作用自动加速过程, 随着放热和散热这对矛盾运动的发展, 其实质是破碎煤矸石体以及煤体表面力场失去平衡, 与空气中的氧发生物理吸附、 化学吸附和化学反应, 从而放出热量, 在一定的蓄热条件下, 当产生的热量大于散失的热量时, 就使得矸石山温度不断升高, 最终导致自燃的发生。
经过较为全面、 科学和系统地研究了代表性的矸石山煤矸石样的元素分析、 工业性分析, 给出煤矸石自燃的内因及主要影响因素。
1.煤矸石采样和制备
根据调研情况决定到矸石山现场根据分析需要按国家取样标准( GB475—96) 进行各类别、 各层次取样, 所取样品装入特制的专用采样罐中。装样时不能破坏样品的粒度, 而且运输过程中不要使样品破损。样品到实验室迅速对所取将要分析的煤矸石样进行缩分, 而且按照需要进行的实验对煤矸石样品进行制备。制备好的样品用高于大气压0.02MPa的压力下进行氮气清洗三次, 清洗好的样品迅速装入样品瓶, 然后进行腊封、 编号、 待实验用。

表1 实验用煤矸石样明细表
成庄矿煤矸石
新鲜煤矸石块样
Ⅰ-1-1;
新鲜煤矸石粉样
Ⅰ-1-2。

正在燃烧的煤矸石表层样Ⅰ-2-1;
正在燃烧的煤矸石0.5m样Ⅰ-2-2;
正在燃烧的煤矸石1.5m 样Ⅰ-2-3

已经燃烧的煤矸石表层样Ⅰ-3-1
已经燃烧的煤矸石0.5m样Ⅰ-3-2;
已经燃烧的煤矸石1.5m样Ⅰ-3-2;

2. 各类煤矸石样的x射线莹光光谱元素分析
将各类需要进行实验的煤矸石样用落捶将大块矸石破碎成小颗粒, 用缩分法进行缩分, 将缩分后的样用小型磨碎机磨细并过120目筛。最后将筛下的煤矸石于50MPa压应力下制成面积1cm片以备分析用。
仪器: X－射线荧光光谱仪, X－射线荧光光谱仪测定各试样的荧光－X射线, 经过荧光－X射线的波长定性分析样品的元素组成。

图1 X－射线荧光光谱仪

其测量结果见表2所示。
表2煤矸石块样
元素
Fe
S
Si
K
Ti
Ca
Mn
Zn
Cu
Ni
Cr
Ga
Sc
I-1-1

I-1-2

I-2-1

I-2-2

I-2-3

I-3-1

I-3-2

I-3-3

3.煤矸石水分的测定
( 1) 试剂
氮气, 纯度 99.9%, 含氧量小于100ug.g-1。
( 2) 仪器设备
小空间干燥箱: 箱体严密, 具有较小的自由空间, 有气体进、 出口, 并带有自动控温装置, 能够保持温度在 105~110℃范围内。
流量计: 量程为 100~1000ml.min-1;
分析天平: 感量 0.0001 的分析天平。
( 3) 测定步骤
用预先干燥好并称量过的称量瓶称取过200目筛的各类煤矸石样10g±0.1g, 精确到0.0002g, 平摊在称量瓶中, 打开称量瓶, 放入预先通入干燥氮气并已经加热到105～110℃的干燥箱中。干燥3h, 冷却到室温后称重。然后再放入干燥箱干燥1h 称重这样重复到质量恒定, 然后根据煤矸石的质量损失计算出水分的百分含量。
( 4) 结果计算
氮气干燥法煤矸石水分计算: Mad=m1/m×100
式中: Mad—氮气干燥煤矸石样的水分含量, %;
m1—煤矸石干燥后失去的重量, g;
m—煤矸石的质量, g。
( 5) 测定结果
表3 各类煤矸石混合样水分含量

新鲜煤矸石样
水分含量/%

4.煤矸石挥发分的测定
( 1) 仪器设备
马弗炉: 带有高温计和调温装置, 温度能够保持在900±10℃, 而且有足够的恒温区, 炉内有排气小孔和热电偶;
图2 马弗炉
分析天平: 感量0.0001的分析天平;
秒表。
(2) 试剂
氮气, 纯度 99.9%, 含氧量小于100ug.g-1。
分析天平: 感量 0.0001 的分析天平。
( 3) 测定步骤
用预先在900℃温度下灼烧至质量恒定的带盖瓷坩埚, 称取粒度小于0.2mm的氮气干燥煤矸石样10±0.1g, 精确到0.0002g, 然后将煤矸石样轻轻放入瓷坩埚中, 并斜盖上盖, 迅速将坩埚放入预先加热到900℃的马弗炉中, 开始炉温会有所下降, 可是必须在3min内使炉温升到900℃, 准确加热7min。
( 4) 结果计算
煤矸石挥发分的计算: Vad=m1/m×100-Mad
5．煤矸石中各种形态硫的定量分析
5.1硫酸盐硫的测定
( 1) 分析原理
用稀盐酸煮沸待测煤矸石样, 浸出煤矸石中所含的硫酸盐, 使其成为硫酸钡沉淀, 根据硫酸钡的重量, 计算出煤矸石中硫酸盐中硫的含量。
( 2) 仪器
分析天平, 精度为 0.0002g。
箱形电炉, 带有热电偶可升温到 900℃的可调电炉。
( 3) 试剂
所用试剂除特别规定外均为分析纯, 所用的水均为蒸馏水。
HCl 3%, HCl 5N, NH3H2O 1:1, BaCl2 10%的水溶液, 30%的 H2O2, KSCN 2%的水溶液, AgNO3 1%的水溶液置于深色瓶中并加入数滴硝酸, 95%CH3CH2O甲基橙 0.2%的水溶液。
( 4) 测定步骤
A．准确称取粒度小于0.2 mm分析煤矸石样1g( 准确到 0.0002g) , 放入 250ml锥形瓶中, 加入0.5～1ml乙醇润湿样品, 然后加入5N盐酸50ml, 在瓶口上放一个小漏斗, 摇荡均匀, 加热微沸30min。
B．稍冷后, 先用倾洗法用致密的漫速定性纸过滤, 用热水冲洗样品数次然后将煤矸石样全部转移到滤纸上, 并用热水洗到无铁离子为止( 加数滴过氧化氢和硫氰酸钾溶液检验) 。( 如液体呈黄色, 须加入约0.1g Zn粉微热, 使黄色消失后再过滤, 用水洗到滤液无铁离子为止) 。过滤完毕, 将煤矸石样与滤纸一起叠好后, 放入原锥形瓶中, 供测定硫化铁中硫备用。
C．向滤液中加入2～3滴甲基橙指示剂, 用1:1氨水中和至微酸性( 溶液变成黄色) , 再加5N盐酸调至溶液呈酸性( 溶液变成红色) , 再过量加入2ml, 使溶液体积在200ml左右, 加热到沸腾, 在不断搅拌下滴加10%氯化钡溶液10ml, 放在电热板上或沙盘上微沸2 h, 最后保持溶液体积在200ml左右。
D．用慢性的定量滤纸过滤, 并用热水洗到无氯离子为止( 用硝酸银溶液检验) 。
E．将沉淀物连同滤纸移入已知重量的瓷坩锅中, 先在低温下灰化滤纸, 然后在温度800～850℃箱形电炉中灼烧40min, 取出坩埚在空气中稍稍冷却后, 再放入干燥器冷却到室温称重。
F．对每一批试剂, 应按 A) ～ D) 步骤不加煤矸石样进行空白测定。
( 5) 计算
测定结果按下式计算:
S=( G1-G2) ×0.1374×100/G
式中 S—分析煤矸石样中硫酸盐硫含量, %;
G1—测定煤矸石样的硫酸钡重量, g;
G2—空白测定的硫酸钡重量, g;
G—煤矸石样重量。
表4 各类煤矸石样中硫酸盐中硫含量/ %

新鲜矸石块
正在燃烧矸石
表层
0.5M
1.5M
已燃烧矸石
第一测定

第二测定

5.2硫化铁硫的测定
( 1) 原理
用稀盐酸浸出煤矸石中非硫铁矿的铁, 浸出后的煤矸石样用稀硝酸溶解, 以重铬酸钾滴定法测定硝酸浸出液中以硫化铁形式结合的铁含量, 再以铁的量计算煤矸石中硫化铁的量。
( 2) 试剂
HNO3 1:7, NH3.H2O 1:1, 30%H2O2, HCl 5N, H2SO4-H3PO4, SnCl2 10%, HgCl2( 饱和溶液) , KCrO4 0.050%, 二苯胺黄酸钠指示剂0.2%。
( 3) 测定
A．向盛有用盐酸浸洗过的煤矸石样的锥形瓶中加入 1:7 硝酸 50ml, 在瓶口上放一个小漏斗, 煮沸 30min, 冲洗小漏斗, 用致密的漫速定性滤纸过滤, 并用热水洗到无铁离子为止( 用硫氰酸钾溶液检验) 。
B．在滤液中加入 2ml 过氧化氢, 并煮沸5min, 以消除由于煤矸石分解时产生的颜色。
C．铁的沉淀: 向煮沸的溶液中加入 1:1 氨水至出现铁的沉淀, 待沉淀完全时, 再多加 2ml, 将溶液煮沸, 用快速定性滤纸过滤, 用热水冲洗沉淀与烧杯壁 1～2 次, 穿破滤纸用热水把沉淀洗到原烧杯中, 并用 5ml 5N 盐酸冲洗滤纸四周, 以除去滤纸上微量的铁, 再用热水洗涤滤纸数次洗净为止( 用硫氰酸钾溶液检验) 。
D．铁的测定: 盖上表面皿, 将溶液加入到沸腾( 溶液体积 20～30ml) , 在不断搅拌下滴加氯化亚锡溶液, 直到黄色消失, 多加两滴迅速冷却, 冲洗表面皿与杯壁。加 10ml 氯化汞饱和溶液, 此时将形成丝状的氯化亚汞沉淀, 放置片刻用水稀释到100ml, 加入 15ml 硫酸-磷酸混合酸和 5 滴二苯胺黄酸钠指示剂, 用 0.050N 重铬酸钾标准溶液滴定直到溶液成稳定的紫色, 即为终点, 记下重铬酸钾标准溶液的体积。
( 4) 计算
测定结果按下式计算:
Sf=( V1-V0) ×N×0.05585×1.148×100/G
式中 Sf—分析煤矸石样中硫化铁中硫含量, %;
V1——测定煤矸石样时重铬酸钾标准溶液用量, ml;
V0——测定空白时重铬酸钾标准溶液用量, ml;
N—重铬酸钾标准溶液的当量浓度;
G—煤矸石样重量, g;
0.05585—铁的克毫当量;
1.148—由铁换算成硫的因数。

表 5 各类煤矸石样中硫化铁硫含量/ %

新鲜矸石块
正在燃烧的矸石
表层
0.5M
1.5M
已燃烧的矸石
第一测定

第二测定

5.3各类煤矸石样的全硫分析
( 1) 原理
采用重量法( 艾氏卡法) , 将煤矸石样与艾氏剂混合, 在 850℃时灼烧, 生成硫酸盐, 然后使硫酸根离子生成硫酸钡沉淀。根据硫酸钡的重量, 计算煤样中全硫含量的百分率。
( 2) 试剂
a) 艾氏剂: 以 2 份重的化学纯轻质氧化镁( HGB3114—59) 与 1 份重的化学纯无水碳酸钠( GB639—77) 研细至小于 0.2mm, 并混合均匀;
b) 盐酸: 化学纯, 比重 1.19, 配制成 1:1 的水溶液;
c) 氯化钡: 化学纯, 10%的水溶液;
d) 甲基橙指示剂: 0.2%水溶液;
e) 硝酸银: 化学纯, 1%的水溶液, 贮于深色瓶中, 并加入几滴硝酸。
( 3) 测定
A．称取粒度为 0.2mm 以下的分析煤样 1g( 准确到 0.0002g) 和艾氏剂 2g, 仔细混合均匀, 盛于 30ml 坩埚内, 再加入 1 克艾氏剂覆盖( 艾氏剂称准到 0.1g) ;
B．将装有煤样的坩埚移入通风良好的箱形电炉内, 必须在 1～2 h 内将电炉从室温逐渐升到 800～850℃, 并在该温度下加热 1～2 h;
C．将坩埚从电炉中取出, 冷却到室温, 将坩埚中的灼烧物用玻璃棒搅拌。以玻璃棒仔细捣碎, 放入 400ml 烧杯中, 用热蒸馏水冲洗坩埚内壁, 将冲冼液加入烧杯中, 再加入 100～150ml 刚煮沸的蒸馏水, 充分搅拌, 如果此时发现尚有未烧尽的煤的黑色颗粒飘浮在液面上, 则本次测定作废。
D．用倾泻法以定性滤纸过滤, 用热蒸馏水倾泻法冲冼三次, 然后将残液渣移入漏斗中, 用热蒸馏水仔细冲冼, 其次数不得少于 10 次, 冼液总体积约为 250～300ml。
E．向滤液中滴入 2～3 滴甲基橙剂, 然后加入 1:1 盐酸至中性, 再加入 2 毫升盐酸, 使溶液呈弱酸性。将溶液加热到沸腾, 用玻璃不断地搅拌, 并滴入 10%氯化钡 10 毫升, 保持近沸腾状态约 2 h, 最后溶液体积为 200 ml 左右。
F．用致密无灰定量滤纸过滤, 并用蒸馏水洗至无氯离子为止( 用硝酸银检验)
G．将沉淀连同滤纸移入已知重量的瓷坩锅中, 先在低温下灰化滤纸, 然后在温度 800～850℃箱形电炉内灼烧 20～40min, 取出坩锅在空气中稍加冷却后, 再放入干燥器中冷却到室温( 约 25～30min) , 称重。
H．每配制一批艾氏剂或改换其它任一试剂, 应进行空白试验( 试验除不加煤样外, 全部按本标准第二章试验步骤进行) , 同时测定 2 个以上, 而且最高值与最低值不得大于 0.0010g( BaSO4) 。取算术平均值作为空白值。
( 4) 计算
测定结果按下式计算:
SQf =(G1-G2)×0.1374×100/G
式中 SQf－分析煤样中的全硫含量, %;
G1－硫酸钡重量, g;
Guhyy－空白试样的硫酸钡重量, g;
G－煤矸石样重量, g;
0.1374－由硫酸钡换算为硫的系数。
表 6 各种煤矸石样的全硫测定/ %

新鲜矸石块
正在燃烧的矸石
表层
0.5m
1.5m
已燃烧的矸石
第一测定

第二测定

表7 煤矿矸石山各种煤矸石样的各类形态硫统计表/ %

新鲜煤矸石块样
正在燃烧煤矸石
表层
0.5m
1.5m
已燃煤矸石样
全硫

硫酸盐硫

硫化铁硫

单质硫和有机硫

( 二) 矸石覆土层、 对照取土场及堆积矸石基底层土样采集、 成份测试、 数据分析计算
1.土壤样品的采集
土壤样品的采集时土壤分析工作的重要环节, 是关系到分析结果和由此得出的结论是否正确的一个先决条件。实践表明, 采样误差对结果的影响往往大于分析误差, 因此, 所采土样要有充分的代表性, 能真实的放映土壤的实际状况。
在调查矸石场及周边地区自然条件、 农业生产情况、 土壤性状及污染历史与现状的前提下, 选择代表性的一定面积区域或地块, 并挑选一定面积的对照地区或地块, 布置一定数量的采样点。
( 1) 采样点选择: 针对煤矸石场的污染特点及堆放复垦状况, 采用棋盘式采样法, 按照10×10m网格采样。对照取土场采样点应选在远离污染源, 布置3～5个以上的重复样点。
( 2) 采样深度: 由矸石场地表覆土层到基底每隔0.5m施工钻孔逐层采集, 隔层内用小土铲切取一片片土壤, 然后集中起来混合均匀。用于重金属项目分析的土样, 应将和金属采样器接触部分剥去。对照取土场采样深度一般采集覆土厚度( 1～1.5m) 以内的表土和心土。
( 3) 采样时间: 采样时间根据地表植被生长或收获季节同时采集土壤和植物样品。
( 4) 采样数量: 1kg
2.土壤样品的制备
( 1) 土壤的风干: 将土样全部倒在朔料薄膜或纸上, 趁半干状态时把土压碎, 除去杂物, 铺成薄层, 经常翻动, 在阴凉处使其慢慢风干。
( 2) 磨碎与过筛: 风干后的土样用有机玻璃棒碾碎后过2毫米的筛, 再将风干的细土重复按4分法弃取, 留下足够分析的用量( 重金属测定留100g) 。过筛后的样品, 充分摇匀装瓶备分析用。在制备样品时注意不要被污染。
3.分析结果的表示与含水量的测定
在百分之一精度的天平上取土样20-30g置于铝盒中, 在105℃烘4-5小时, 干燥至恒重, 计算水分占烘干土重的百分数。
4.成份测定
( 1) 镉和铅的测定
测定方法: 原子吸收分光光度法。
仪器: 原子吸收分光光度计及石墨炉无火焰装置。
图3 分光光度计
计算: 镉、 铅( 毫克/公斤) =(M/V)×V总/W总
式中: M-曲线查得含量( 微克) ;
V-萃取测定的样品体积( 毫升) ;
V总-试样定容总体积( 毫升) ;
W总-称样重量( 克) 。
( 2) 汞的测定
测定方法: 冷原子吸收法。
仪器: 测汞仪、 多孔电热水浴器。

图4 测汞仪
计算: 汞( 毫克/公斤) =(M/V)×V总/W总
式中: M-曲线查得含量( 微克) ;
V-萃取测定的样品体积( 毫升) ;
V总-试样定容总体积( 毫升) ;
W总-称样重量( 克) 。
( 3) 砷的测定
测定方法: 二乙基二硫代氨基甲酸银比色法。
仪器: 分光光度计、 砷化氢发生器。
图5 砷化氢发生器
计算: 砷( 毫克/公斤) =测得砷量( 微克) /取样量( 克)
( 4) 全氮的测定
测定方法: 样品在加速剂的参与下, 用浓硫酸消煮时, 各种含氮有机化合物, 经过复杂的高温分解反应, 转化为铵态氮。碱化后蒸馏出来的氨用硼酸吸收, 以酸标准溶液滴定, 求出土壤全氮含量(不包括全部硝态氮)。包括硝态和亚硝态氮的全氮测定, 在样品消煮前, 需先用高锰酸钾将样品中的亚硝态氮氧化为硝态氮后, 再用还原铁粉使全部硝态氮还原, 转化成铵态氮。
仪器: 土壤样品粉碎机、 土壤筛: 孔径1.0mm(18目)、 0.25mm(60目)、 半微量定氮蒸馏装置、 半微量滴定管: 容积10ml, 25ml。
计算:
公式: 土壤全氮(％)=(V—V0)×CH×0.014×100／m
式中: V——滴定试液时所用酸标准溶液的体积, m1;
V0——滴定空白时所用酸标准溶液的体积, ml;
CH——酸标准溶液的浓度, mol／L:
0.014——氮原子的毫摩质量;
m——烘干土样质量, g。
平行测定结果, 用算术平均值表示, 保留小数点后三位。
平行测定结果的相差: 土壤含氮量大于0.01%时, 不得超过0.005%; 含氮0.1-0.06%时, 不得超过0.004%; 含氮小于0.06%时, 不得超过0.003%。
( 5) 全钾的测定
测定方法: 土壤中的有机物先用硝酸和高氯酸加热氧化, 然后用氢氟酸分解硅酸盐等矿物, 硅与氟形成四氟化硅逸去。继续加热至剩余的酸被赶尽, 使矿质元素变成金属氧化物或盐类。用盐酸溶液溶解残渣, 使钾转变为钾离子。经适当稀释后用原子吸收分光光度发测定溶液中的钾离子浓度再换算为土壤全钾含量。
仪器: 紫外原子吸收分光光度计。

图6 紫外原子吸收分光光度计
计算: 土壤全钾量的百分数(按烘干土计算)由下式给出:

式中: C——从校准曲线查得的土壤待测液钾含量, mg／L;
V1——消解液定容体积, mL;
V2 —— 消解液吸取量, mL;
V——待测液定容体积, mL;
m——称样量, g;
10-4——由mg／L换算为百分数的系数;
100/( 100-H) ——以风干土计换算成以烘干土计的系数。H为风干土水分含量百分数;
用平行测定的结果的算术平均值表示, 保留小数点后两位。
两次平行测定允许绝对相差不超过0.05％。
( 6) 全磷的测定
测定方法: 土壤样品与氢氧化钠熔融, 使土壤中含磷矿物及有机磷化合物全部转化为可溶性的正磷酸盐, 用水和稀硫酸溶解熔块, 在规定条件下样品溶液与钼锑抗显色剂反应, 生成磷钼蓝, 用分光光度法定量测定
仪器: 土壤样品粉碎机、 土壤筛: 孔径1mm和0.149mm、 分光光度计: 要求包括700nm波长。
计算:
土壤全磷量的百分数(按烘干土计算), 由下式给出

式中:
C——从校准曲线上查得待测样品溶液中磷的含量, mg／l;
m——称样量, g;
V1——样品熔融后的定容体积, ml;
V2——显色时溶液定容的体积, ml;
V3——从熔样定容后分取的体积, ml;
10-4——将mg／l浓度单位换算为百分含量的换算因数;
H——风干土中水分含量百分数。
用两平行测定的结果的算术平均值表示, 小数点后保留三位。
允许差: 平行测定结果的绝对相差, 不得超过0.005％。
( 三) 覆土层及对照取土场植物( 含农作物) 样品采集、 重金属成分测试、 数据分析及计算
1.植物样品的采集
( 1) 采样前的准备工作: 采样前预先准备好小铲、 剪刀等采样工具及布口袋或塑料袋、 标签、 记录本、 样品采集登记表格等物品。
( 2) 样品采集量: 要求1kg干重样品, 新鲜样品需采集3kg。
( 3) 样品采集: 根据研究对象在选好的样区内分别采集不同植株的根、 茎、 叶、 果等植物的不同部位。
2.植物样品制备
( 1) 新鲜样品的制备: 制备时先将各平均样品在半小时内用清水冲洗3-4遍, 然后用去离子水系2遍晾干或用干净纱布轻轻擦干。然后切碎、 混合均匀, 称取100g放入电动捣碎机的捣碎杯中, 加同样重量的蒸馏水打碎1分钟左右, 使成均匀浆状。
( 2) 风干样品的制备: 用干样进行分析的样品, 应尽快在干燥通风处晾干。样品干燥后, 去掉灰尘、 杂物, 将其剪碎, 用电动磨碎机粉碎。
3.分析结果的表示与含水量的测定
在百分之一精度的天平上取植物样品20-30g置于铝盒中, 在105℃烘4-5小时, 干燥至恒重, 计算水分占烘干土重的百分数。
4.成份测定
植物样品的成分测定同土壤样品。
( 1) 镉和铅的测定
测定方法: 原子吸收分光光度法。
仪器: 原子吸收分光光度计及石墨炉无火焰装置。
计算: 镉、 铅( 毫克/公斤) =(M/V)×V总/W总
式中: M-曲线查得含量( 微克) ;
V-萃取测定的样品体积( 毫升) ;
V总-试样定容总体积( 毫升) ;
W总-称样重量( 克) 。
( 2) 汞的测定
测定方法: 冷原子吸收法。
仪器: 测汞仪、 多孔电热水浴器。
计算: 汞( 毫克/公斤) =(M/V)×V总/W总
式中: M-曲线查得含量( 微克) ;
V-萃取测定的样品体积( 毫升) ;
V总-试样定容总体积( 毫升) ;
W总-称样重量( 克) 。
( 3) 砷的测定
测定方法: 二乙基二硫代氨基甲酸银比色法。
仪器: 分光光度计、 砷化氢发生器。
计算: 砷( 毫克/公斤) =测得砷量( 微克) /取样量( 克)
( 四) 不同覆土厚度栽培植物对比试验
经过施工钻孔找到不同覆土厚度位置, 在各种覆土厚度地表确定栽培地块, 地块规格5×5m, 规划种植小麦、 玉米、 谷子、 大豆, 在各个厚度地块上每种植物种植3块。
在矸石场周边500m处按上面规格进行对照栽培。
观察每一块栽培样地上植物的出苗时间、 出苗率、 生长发育状况, 并对植物的生物量和种子产量进行采集、 分析等。
经过对比分析找出各类地块上植物生长发育及其产量的差异, 并分析造成这些差异的原因, 为合理确定矸石覆土厚度提供依据。
( 五) 矸石场地表最大径流量及其渗透量测定
根据当地气象部门提供的年降水量和年内一次最大降水量观测数据来计算矸石覆土地面形成的年径流深度和一次最大径流量。
在矸石场覆土区域出水沟谷底部设置一个地表径流观测断面, 连续观测1年, 获取经过观测断面流量以及一次最大径流量。
比较分析两者的差异来确定出矸石覆土场对年地表径流量的影响和一次最大径流量的影响。
( 六) 矸石场内部温度、 气体信息检测及植物黄化的原因分析, 提出治理的技术措施。
为了查清矸石复垦土地生长小麦提前返青及黄化原因, 在黄化区域布置钻孔检测矸石场内部温度变化规律、 气体成份, 分析温度、 气体成份与小麦提前返青及黄化其相关性, 并结合小麦生长过程中根部对温度及养分的需求, 提出针对性的治理措施。
用GC-960矿井火灾气体分析色谱仪( 图7) 分析O2、 N2、 CO、 CO2、 CH4、 C2H4、 C2H6、 C2H2、 H2等火灾气体; DSQ气质联用仪( 图8) 分析SO2、 H2S、 NxOy等有毒有害气体。

图7 GC-960矿井火灾气体分析色谱仪

图8 DSQ气质联用仪
图9、 图10是气体采样设备和钻孔温度测量仪。

图9 地便携气体采样系统 图10 便携式钻孔温度测量仪
( 七) 成庄矿煤矸石山自燃的预防和治理技术措施。
矸石山自燃是一种比较特殊的燃烧系统。它的起燃和维持燃烧、 火区的转移和一般灭火有很大差别。在采取措施进行预防自燃时不但需要考虑常规灭火的一般规律, 还要考虑矸石山的特殊规律。由于影响矸石山自燃的因素比较多, 因此在实施预防工程之前, 必须先了解矸石山的自燃系统和燃烧的特殊因素, 确保预防工程的可靠性和安全性。
针对煤矸石自燃的特点和历程, 只要把其中任意一种发生自燃过程中的链条阻断都能够达到预防和灭火的目的。当然, 最好的方法是阻断空气进入矸石山内部的通道。例如: 分层压实方法或分层表面覆盖黄土压实相结合的综合治理方法等。可是, 现在各矿区从眼前利益出发, 几乎没有在矸石山倾倒煤矸石时采取任何预防措施, 而是自由倾倒, 因此造成现在大部分矸石山都在燃烧。
针对已燃矸石山燃烧的特点, 要扑灭已燃煤矸石则必须从以下方面入手:
( 1) 隔断空气。可采用表层覆盖方法、 压实法、 燃烧区域内部注浆法等。
( 2) 迅速散热降温。可采用灌水和水淹法、 燃烧区域内部注浆法等。
( 3) 抑制矸石山煤矸石氧化发热、 自燃等措施。可经过向燃烧区域内部注入添加能有效抑制矸石山煤矸石氧化发热试剂的水或浆料等方法, 从而以达到有效抑制矸石山煤矸石进一步氧化、 自燃的目的。
( 4) 抑制矸石山煤矸石中挥发分的低温析出。
因此研究矸石山煤矸石的堆积状态、 堆积厚度、 坡度与自燃的关系, 给出成庄矿煤矸石山自燃的预防和治理技术措施:
1.对新鲜矸石场经过碾压( 重锤) 覆盖法工艺流程
工艺路线: 从上到下, 分层排矸, 边角夯实, 整体碾压, 边坡设置挡矸坝, 挡矸坝为阶梯布置, 布置排水沟。

图11　重锤夯实机具 图12 重锤夯实效果图
碾压( 重锤) 施工工艺流程, 如下图13所示。

图13 碾压( 重锤) 覆盖法工艺流程
主要研究内容:
( l) 黄土与水对密实度的影响
( 2) 压实效果与渗透率的关系
( 3) 施工工艺参数的确定
2.对燃烧区或高温区钻孔压注新型凝胶降温灭火
基料泵
促凝剂泵
基料箱
促凝剂料箱
混合器
分流器
至钻孔
至钻孔
阀门
泵入口
泵出口
泵入口
泵出口

图14 钻孔压注新型凝胶降温灭火技术工艺

图15 现场注浆图
主要研究内容:
( 1) 配方原材料的选择
( 2) 胶体的流变性分析
( 3) 注胶参数的确定
12．给出成庄矿矸石山堆放、 复垦综合治理的技术规范及标准。
经过上述内容的研究, 建设一矸石安全处理、 复垦示范工程, 为成庄煤矿提出一套科技含量高、 安全可靠性好、 景观效应好、 农作物生长旺盛、 经济收益好的矸石山治理与复垦技术规范及标准。
六、 进度安排
用一年半的时间, 即 05月开始, 到 12月结束, 完成全部工作。
．05～ ．07 现场勘测, 资料收集, 确定研究技术路线;
．08～ ．02 现场采集样品、 实验室测试、 数据分析计算;
．03～ ．09 方案设计、 现场实施及工业性试验;
．10～ ．12 成果整理、 编写研究报告
七、 人员安排
课题负责人( 单位、 姓名、 职称、 职务、 承担内容) :
成 庄 矿 矿 长 项目总负责
山西先导 邬剑明 教 授、 董事长 项目技术总负责
课题工作人员(单位、 姓名、 职称、 职务、 承担内容):
成 庄 矿
山西先导 王应刚 教 授 方案制定
翟建山 副教授 理论分析
王俊峰 讲 师 实验室试验
吴玉国 讲 师 实验室试验
周春山 讲 师