前言
煤炭是我國的主要能源,在我國一次性能源中占76%以上,必定要進(jìn)行大量的采煤。采煤過程中破壞了煤層所處的環(huán)境,使其原來的還原環(huán)境變成了氧化環(huán)境。煤炭中一般都含有約0.3%~5%的硫,主要以黃鐵礦形式存在,約占煤含硫量的2/3。煤層開采后處于氧化環(huán)境,流鐵礦與礦井水和空氣接觸后,經(jīng)過一系列的氧化、水解等反應(yīng),生成硫酸和氫氧化鐵,使水呈現(xiàn)酸性,即生產(chǎn)了酸性礦井水。PH值低于6的礦井水稱酸性礦井水。酸性礦井水在我國部分煤礦特別使南方煤礦分別較為廣泛。我國南方煤礦的礦井水pH值一般在2.5~5.8,有時達(dá)2.0。pH值低的原因與煤中含硫量高有密切關(guān)系。酸性礦井水的形成對地下水造成了嚴(yán)重的污染,同時還會腐蝕管道、水泵、鋼軌等井下設(shè)備和混凝土井壁,也嚴(yán)重污染地表水和土壤,使河水中魚蝦絕代,土壤板結(jié),農(nóng)作物枯萎,影響人體健康。
1 酸性礦井水的危害
礦井水的pH值低于6即具有酸性,對金屬設(shè)備有一定的腐蝕性;pH值低于4即具有較強(qiáng)的腐蝕性,對安全生產(chǎn)和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重危害。具體有以下幾個方面:
1>腐蝕井下鋼軌、鋼絲繩等煤礦運輸設(shè)備。如鋼軌、鋼絲繩受pH值<4的酸性礦井水侵蝕,十幾天至幾十天其強(qiáng)度會大大降低,可造成運輸安全事故;
2>探放pH值低的老空水,鐵質(zhì)控水管道和閘門在水流沖刷下腐蝕很快,使放水失去控制而帶來災(zāi)害;
3>酸性礦井水中SO42-含量很高,與水泥中某些成分相互作用生成含水硫酸鹽結(jié)晶。這些鹽類在生成時體積膨脹。經(jīng)測定,當(dāng)SO42-生成CaSO4?2H2O時,體積增大一倍;形成MgSO4?7H2O時,體積增大430%;體積增大使混凝土構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)疏松、強(qiáng)度降低而受到毀壞。
4>酸性礦井水還是環(huán)境污染源。酸性礦井水排入河流,pH質(zhì)小于4時,會使魚類死亡;酸性礦井水排入土壤,破壞土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu),使土壤板結(jié),農(nóng)作物枯黃,產(chǎn)量降低,影響工農(nóng)關(guān)系;酸性礦井水人類無法飲用,長期接觸,可使人們手腳破裂,眼睛痛癢,通過食物鏈進(jìn)入人體,影響人體健康。
2 酸性礦井水形成的原因
煤系地層大多形成于還原環(huán)境,含黃鐵礦(FeS2)的煤層形成于強(qiáng)還原環(huán)境。煤炭中一般都含有約0.3%~5%的硫,主要以黃鐵礦形式存在,約占煤含硫量的2/3。煤層開采后處于氧化環(huán)境,流鐵礦與礦井水和空氣接觸后,經(jīng)過一系列的氧化、水解等反應(yīng),生成硫酸和氫氧化鐵,使水呈現(xiàn)酸性,即生產(chǎn)了酸性礦井水。酸性礦井水形成的主要原因即發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)如下:
1> 黃鐵礦氧化生成游離硫酸和硫酸亞鐵:
2FeS2+7O2+2H2O→2H2SO4+2FeSO4
2> 硫酸亞鐵在游離氧的作用下轉(zhuǎn)化為硫酸鐵:
4FeSO4+2H2SO4+O2→2Fe2(SO4)3+2H2O
3> 在礦井水中,硫酸亞鐵的氧化作用,有時也不一定需要硫酸:
12FeS2+3O2+6H2O→4Fe2(SO4)3+4Fe(OH)3
4> 礦井水中硫酸鐵,具有進(jìn)一步溶解各種硫化礦物的作用:
Fe2(SO4)3+MS+H2O+3/2 O2→M SO4+2FeSO4+H2SO4
5> 硫酸鐵在弱酸性水中發(fā)生水解而產(chǎn)生游離硫酸:
Fe2(SO4)3+6H2O→2 Fe(OH)3+3H2SO4
6> 在礦井深部硫化氫含量高時,在還原條件下,富含硫酸亞鐵的礦井水也可產(chǎn)生游離硫酸:
2FeSO4+5H2S→2 FeS2+3S+H2SO4+4 H2O
酸性礦井水的性質(zhì)除與煤中含硫量有關(guān)外,還與礦井水涌水量、密閉狀態(tài)、空氣流通狀況、煤層傾角、開采深度及面積、水的流動途徑等地質(zhì)條件和開采方法有關(guān)。礦井涌水量穩(wěn)定,則水的酸性穩(wěn)定;密閉差、空氣流通良好,則水的酸性較強(qiáng),F(xiàn)e3+離子含量較多;反之,則酸性較弱,F(xiàn)e2+離子較多;開采越深,煤的含硫量越高;開采面積越大,水的流經(jīng)途徑越長,則氧化、水解等反應(yīng)進(jìn)行得越充分,水的酸性越強(qiáng),反之則弱。