煤炭科学技术

作者：刘志飞, 毕忠伟, 陈清通, 陈庆庭,

关键词：胶凝材料, 煤基固废, 充填开采, 重金属元素, Tessier连续提取法,

针对煤矿井下充填技术应用中多源煤基固废充填体可能引发的重金属地下水污染风险问题。选取粉煤灰、煤矸石、炉底灰、气化炉渣4类典型煤基固废及其制备而成的胶结充填体为研究对象，采用HJ/T299—2007酸溶液缓冲法和Tessier五步连续提取法，结合电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、扫描电镜−能谱（SEM-EDS）等表征方法，系统研究了煤基固废散体态、水化胶结态及添加外源重金属（Cr3+/Zn2+）胶结充填体中重金属元素的富集特征、浸出水平、赋存形态转变规律以及固化机制。结果表明：①重金属富集与生态风险特征：固废中Cr含量为地壳克拉克值的6～51倍。潜在生态风险指数法评价显示，气化炉渣因Cr和Hg富集导致综合潜在生态风险指数达“强”（R1=310），煤矸石（R1=282）与炉底灰（R1=244）为“中等”风险，粉煤灰风险为“轻微”（R1=141）；②胶结固化效应：胶结水化过程促使充填体中重金属由易溶形态（可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态）向难溶出的稳定态（残渣态、有机结合态）转化，除Zn和Cd外，其余重金属的固化效率均>50%；添加2.0%外源Cr3+时，充填体对其固化效率大于96%（浸出质量浓度为346 μg/L），而Zn2+在同等条件下固化效率仅为52%（浸出质量浓度为38 775 μg/L）；③重金属固化机制分析：Cr3+通过类质同象置换取代C−A−S−H凝胶中Al3+（XRD衍射峰产生偏移），形成稳定化学键，实现高效固化；Zn2+则主要依赖C−S−H等凝胶组分及煤矸石黏土矿物包裹吸附（SEM-EDS显示Zn与Ca、Na分布趋势一致），固化效率相对较低。综上，煤基固废水化胶结过程中，通过4类方式（类质同象置换、化学键合、物理吸附、包裹封装）将重金属污染物固化于充填体内部，大幅降低其迁移性，显著降低其环境污染风险。

来源：2026年第2期

《煤炭科学技术》期刊编辑部

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