高寒区冻融条件下煤矸石中典型重金属元素释放及迁移机制研究

The coal mining inducing large-scale ecological destruction and groundwater pollution is one of the most severe environmental problems that are facing the alpine frozen area. By taking into consideration the influence of low oxygen and freeze-thaw cycle on the gangue physicochemical property, the frozen soil microstructure and ice water dynamics, this study , by virtue of the water-heat-salt coupling model, intends to multidisciplinary study the leaching and releasing and migration of heavy-metal elements in gangue in extreme climate conditions. Focusing on the releasing characteristics of Cd, Cr, and Pb in the gangue under low oxygen and freezing-thaw conditions,the migration mechanism of Cd, Cr, and Pb under the influence of low oxygen and freeze-thaw conditions,and the water-heat-salt coupling model under the conditions of freeze-thaw cycal,thus putting forward the migration transformation micro-mechanism of heavy-metals in the gungue under extreme climate conditions and throwing some light on the heavy-metal pollution control and resource utilization in the alpine ecologically vulnerable region.

高寒冻土地区煤炭开采造成大面积生态植被破坏以及土壤地下水受到严重污染，是目前该地区面临的重大环境问题之一。课题从低氧、冻融循环条件对煤矸石理化性质、冻土微结构、冰溶水动力方面着手，结合水-热-盐耦合模型，运用多学科交叉的方法，对本区极端气候条件下煤矸石中重金属的淋滤释放及迁移机制展开深入的研究，研究内容主要包括：低氧、冻融条件下煤矸石中典型重金属Cd、Cr、Pb释放特征研究；低氧、冻融作用对重金属Cd、Cr、Pb在土壤水中的运移机制研究；冻融循环条件下水-热-盐耦合模型研究。提出煤矸石重金属在极端气候条件下迁移转化的微观机制。本课题的研究对于控制高寒生态脆弱区煤矸石重金属对环境的污染破坏及资源化利用具有一定的现实意义。

项目从低氧、冻融循环条件入手，围绕温度-水流耦合作用下煤矸石中典型重金属元素Cd、Cr、Pb的释放及迁移机制，通过一系列室内模拟实验研究了不同冻融循环次数的煤矸石表层微观结构变化特征、煤矸石重金属释放规律、重金属在冻融活动层中的累积迁移规律，结合现场调查重金属的富集分布规律，结果表明：煤矸石微结构受酸碱浸蚀效果明显，且强酸性条件明显高于强碱性条件，且随冻融次数的增加、温度的升高和浸蚀时间的延长煤矸石表面微观结构浸蚀程度均逐渐增强；煤矸石内重金属元素的释放受酸碱溶液浸蚀明显，酸碱强度越大，重金属释放越明显，且强碱条件下强于强酸条件下；煤矸石内镉、铅离子释放量随着时间的累积逐渐增大，铬、铁离子呈现逐渐减少的趋势，但变化量均不大；重金属在低温、低氧条件下释放量远远低于室内常温条件下；土壤冻结层厚度随冻融循环次数的增加逐渐增厚，重金属的累积迁移规律受冻融循环次数的影响显著，Pb离子各层含量随着冻融循环次数的增加逐渐增加，增加速率逐渐降低；Cr和Cd的迁移规律相似，均出现先增减后减少的趋势。基于多孔介质渗流力学、水文地质学、热力学、污染物传输理论等，建立了化学溶液淋溶条件下煤矸石内重金属释放及累积迁移的水-热-岩耦合模型，对煤矸石重金属释放传输规律进行了模拟研究。此研究结果对切实解决高寒生态脆弱区煤炭开采条件下的地下水资源保护和生态环境保护局有重大的现实意义。