[发明专利]一种煤矸石山高温区域降雨淋溶模拟实验装置及实验方法

说明书

技术领域

本发明涉及降雨淋溶模拟实验技术领域，具体讲是一种煤矸石山高温区域降雨淋溶模拟实验装置和实验方法。

背景技术

煤矸石是煤炭在采掘和洗选过程中排放的脉石矿物，占产煤量的15％～20％，累计堆存量超过40 亿吨，现已成为我国最大的工业固体废弃物^[1]，煤矸石主要以煤矸石山形式进行露天堆存处置。煤矸石山经长时间堆存会发生氧化自燃甚至爆炸，向大气中释放CO、H₂S、SO₂和NO_x等有毒有害气体；在降雨淋溶作用下，淋溶液流经煤矸石山体渗透进入地下造成地下水体酸性污染和重金属含量超标。

煤矸石中伴生的黄铁矿是其堆存造成环境污染的主要污染源。黄铁矿具有很强的化学反应活性，在常温条件下吸附氧气后缓慢氧化，在有水和微生物共存时循环再生三价铁离子，促进硫铁矿氧化反应速率增大^[2]，同时释放并积累大量热量，当煤矸石山内部热量蓄积到可燃物的着火点时，煤矸石发生自燃，内部最高温度可达800℃。煤矸石与降雨渗滤液发生化学反应时，反应生成的酸性产物和可溶性重金属盐溶入渗滤液，形成酸性矿山废水(AMD)，酸性矿山废水渗透整个矸石山体后最终进入周边或地下水体，造成水体污染。为缓解或彻底治理煤矸石山长期堆存对环境造成危害，针对新老煤矸石山需采取不同的治理措施。对于老矸石山自燃区主要进行灭火处理，主要包括直接挖去法、灌浆表面或内部封存、灌水法和压实法等^[3]；新矸石山主要采用分层碾压、覆盖堆存的密封堆存方式处理，治理效果较煤矸石直接堆存显著，能够减缓煤矸石的自燃和酸性污染物释放。为高效、经济、科学地监测煤矸石山长期堆存过程各种污染物的指标变化情况，掌握煤矸石的氧化速率和温度变化规律，预测不同地区、不同种类煤矸石长期堆存污染潜能大小及达到污染指标上限可能的时间和空间节点，需要对现场堆存的煤矸石山进行降雨淋溶模拟试验。

柱状淋溶试验与现场堆存降雨淋溶条件最接近^[4]。现有研究方法主要是利用聚乙烯或有机玻璃材质的淋溶柱，在室温条件下对煤矸石进行降雨淋溶模拟试验。主要得出煤矸石中微量元素在不同堆存淋溶因素水平条件下的溶出规律。由于当前淋溶试验主要是在常温条件下进行，煤矸石中黄铁矿和其他硫化物反应缓慢，不能充分氧化产酸，试验所得煤矸石淋溶液pH值显中性或弱碱性，这与煤矸石山长期堆存降雨淋溶液呈酸性不相符，因此，常温淋溶试验结果无法对煤矸石现场堆存污染物释放预测和治理起到指导作用。为全面掌握煤矸石山不同温度区域，尤其高温自燃区域在降雨淋溶作用下污染物的释放规律，需要一种实验装置来对煤矸石山核心高温区域进行降雨淋溶模拟试验。

发明内容

为克服现有的常温柱状淋溶试验无法研究自燃煤矸石山高温区域污染物释放规律的不足，本发明所要解决的技术问题是提供了一种煤矸石山高温区域降雨淋溶模拟实验装置。该装置结构紧凑，设计合理，能够实现物料柱状整体拆卸。通过设置智能加热温控系统和石英材质淋溶系统，最高能给淋溶柱内煤矸石堆存体提供700℃高温，模拟现场煤矸石山自燃高温区域环境；通过设置定量可控喷淋系统，能够模拟不同强度和酸度的大气降雨淋溶条件；通过设置温度检测记录系统，能够采集煤矸石堆存体不同位置处的温度数据，掌握堆存体的温度场分布及变化规律。通过设置滤液收集装置和气体收集装置，能够得出煤矸石堆存淋溶释放污染物在气相和液相的分布情况；通过设置空气鼓入装置，能够定量研究不同含氧量对煤矸石中污染物释放规律的影响。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种煤矸石山高温区域降雨淋溶模拟实验装置，其特征在于：包括加热温控系统、石英材质淋溶系统、定量可控喷淋系统、温度检测系统、滤液收集装置、气体收集装置、空气鼓入装置和不锈钢框架；所述加热温控系统包括红色陶瓷电加热圈、数显温控箱、压簧式热电偶；所述石英材质淋溶系统包括石英淋溶管、氧化铝陶瓷隔热塞、快装卡箍、石英滤液收集槽、可调卡盘、固定卡盘；所述定量可控喷淋系统包括淋溶储液瓶、蠕动泵、滴灌喷头；所述温度检测系统包括K型热电偶和多通道温度记录仪；所述滤液收集装置包括止水阀门、打孔橡胶塞、滤液收集瓶、U型干燥管；气体收集装置为铝箔采气袋；空气鼓入装置包括玻璃转子流量计和电磁式空气泵。