露天掘り石炭鉱山におけるフライアッシュを用いたリハビリテーションの検討

2006 年石炭技術会議
【
講演
Ⅴ
】
露天掘り石炭鉱山におけるフライアッシュを用いた
リハビリテーションの検討
大屋
九州大学大学院
工学府
二郎
地球資源システム工学専攻
修士 2 年
露天掘り石炭鉱山におけるフライアッシュ
を用いたリハビリテーションの検討
九大・院　○大屋二郎
九大・工　島田英樹・松井紀久男
笹岡孝司・一ノ瀬政友
1. 背景
Coal mine
- インドネシアでは年間約1億5千万トンの石炭
を生産。
- インドネシアの石炭鉱山のほとんどが露天掘
りで、近年露天掘り炭鉱の開発が増加。
- 鉱山開発に伴う環境問題に対する関心の増加。
酸性鉱山排水問題
（Acid Mine Drainage ; AMD）
講-V-1
2006 年石炭技術会議
Flyash
-年間約1000万トンのフライアッシュが発生。
-約8割が有効利用、残りは埋立て処分。
処分場の寿命の限り・確保が困難
フライアッシュの有効利用が期待
フライアッシュを用いたリハビリテーション
によるAMD抑制
2. AMD抑制
2.1 Acid mine drainage (AMD)
黄鉄鉱の酸性化によって低ｐH水が発生し、それに
よって土壌中の重金属が溶出することで、鉱山周辺
環境を悪化させる問題。
採掘廃石には多量の黄鉄鉱が含有。
酸性水発生
講-V-2
2006 年石炭技術会議
廃石に粘土やnon-acid forming(NAF)を被せることで、
水と酸素との接触を制限し、AMD発生を抑制。
H2 O
Clay or non-acid
forming(NAF) waste
rock capping
The acid mine drainage
(a) without a cover.
(b) with a cover.
Resulting in AMD
Reducing the rate of the AMD
The function of a waste dump cover to control AMD
インドネシアKPC（Kaltim Prima Coal）鉱山
NAG試験による採掘廃石の分類
2.2 Net acid generation (NAG) test
廃石からの酸性水発生の可能性を評価するもので、
大きく２つに分類される。
1) Non-Acid Forming (NAF)
2) Potentially Acid Forming (PAF)
場所・採掘時期が重要
講-V-3
2006 年石炭技術会議
NAF
PAF
80% is NAF (Type 1 and 2)
20% is PAF (Type 3a, 3b and 4)
Results of the NAG test at Pit J of KPC.
DC03が適用
2.3 Waste dump construction
(a) One meter compacted clay cover (DC01).
A one meter thick layer of compacted clay overlain
by a layer of loose NAF rocks.
(c) Loose NAF cover (DC03).
A thick layer (10m to 20m) of
uncompacted NAF rocks.
(b) Two meter compacted NAF cover(DC02).
A two meter thick layer of compacted NAF rock
overlain by a layer of loose NAF rocks.
講-V-4
2006 年石炭技術会議
2.4 Slaking behavior
- 夾炭層岩石としては、シルト岩・頁岩・泥岩・砂岩　などであるが、水の影響を受け著しいスレーキング
現象を呈する。
- インドネシアは、熱帯雨林気候であり年間降水量が
3000ｍｍを超える場合もあり、乾燥・湿潤によるスレー
キング現象が顕著である。
スレーキング現象の有無や程度を判定する有効な指標
のひとつとして、スメクタイトの含有量測定が挙げられる。
メチレンブルー吸着試験によりスメクタイトの含有量を測
定。
Amount of semectite in the borehole cuttings.
全ての試料においてスレーキング現象を呈する。
講-V-5
2006 年石炭技術会議
NAGタイプとSlaking Index結果
試料No. NAGタイプ Slaking Index(%)
K1
NAF
100
K2
NAF
94.4
K3
PAF
97.6
K4
PAF
98.1
K5
PAF
93.5
T1
NAF
99.6
T2
PAF
100
T3
PAF
60
T5
PAF
68
T6
NAF
99.1
T7
PAF
99.7
T8
PAF
8.3
T9
PAF
87.7
T11
NAF
100
T8を除く全ての試料で
スレーキング現象が顕著
NAFのスレーキング性は非
常に大きい
PAF層のカバー材であるNAF
層の役割が失われる危険性
カラム試験を用いて、AMD抑
制へのフライアッシュの影響
3. AMD抑制へのフライアッシュの影響
3.1 Samples and Procedures of Column Test
黄鉄鉱の酸化によって発生した酸性水がフライアッシュ
によって中和される必要がある。
黄鉄鉱とフライアッシュの適切な混合方法を検討
カラム試験により、浸出水の分析
講-V-6
2006 年石炭技術会議
100mm in diameter
Cylindrical pipe
Flyash
Ion exchange water
1000mm
in
length
Pyrite
Mixture with
Flyash and Pyrite
Case 1
Case 2
Case 3
Case 4
Chemical components of flyash.
Illustration of the column test.
(%)
SiO2
Samples and filling methods.
Pyrite (g) Flyash (g)
The filling method
66.25
Al2O3 18.11
Case 1
1500
0
-
Fe2O3
4.87
Case 2
1500
1500
Stratified
CaO
3.96
Case 3
1500
1500
Homogeneous mixing
Case 4
0
1500
-
2250mL of ion exchange water
was poured from the upper part of
the column for 12 hours at a rate
of 3mL/min.
Seepage water was collected in
the container at the lower part of
the column.
The sample was kept for 12 hours.
MgO 0.051
K 2O
0.27
Na2O
0.92
Water quality analysis.
pH
Iron
and
aluminum
Na+,K+,Ca2+,
Mg2+,SO42and Cl-
Flowchart of the column test.
講-V-7
pH mater
inductively coupled plasma
atomic emission spectrometer
(ICP-AES)
The ion chromatograph
method
2006 年石炭技術会議
3.2 pH, concentration and precipitates
Results of precipitates.
Case 4
Case 1
Case 1
Case 2
Case 2
Case 3
The 1st time 2nd to final The 1st time The 3rd time The 1st time The 1st time
Color of
water
Light green
colorless
Light green
colorless
Dark brown
colorless
Sediments at
the bottom
Black
FeS
-
Black
FeS
White
Dark brown
Fe(OH)3
-
Table 4. Ion concentration obtained by water quality analysis (unit : mg/L).
Item
Case 1
The 5th time
Case 2
The 1st time
Case 2
The 5th time
Case 2
The 8th time
Case 3
The 1st time
Case 3
The 5th time
Case 3
The 9th time
Case 4
The 5th time
pH
3.4
1.6
10.3
10.0
3.9
5.9
6.2
11.2
Na+
0.4
52
5.8
2.1
74
8.0
2.3
4.8
K+
Less than 0.4
140
25
8.0
200
9.0
2.3
4.8
Ca2+
0.8
300
57
31
470
440
320
8.9
Mg2+
0.34
180
0.58
Less than 0.02
170
36
13
0.04
Cl-
Less than 1.0
7.0
Less than 1.0
Less than 1.0
7.0
Less than 1.0
Less than 1.0
Less than 1.0
SO42-
85
46,000
360
110
11,000
1,800
840
27
Fe
34
24,000
140
0.80
4,600
340
41
2.5
Al
0.07
70
1.0
0.63
9.9
1.3
1.1
1.4
ケース2,3の1回目の浸出水では、他のイオン濃度に比べ
Cl-濃度が7 mg/Lと低い
2回目以降の通水では非常に低い値
Cl-によるpHへの影響はないと考えられる
講-V-8
2006 年石炭技術会議
Table 4. Ion concentration obtained by water quality analysis (unit : mg/L).
Item
Case 1
The 5th time
Case 2
The 1st time
Case 2
The 5th time
Case 2
The 8th time
Case 3
The 1st time
Case 3
The 5th time
Case 3
The 9th time
Case 4
The 5th time
pH
3.4
1.6
10.3
10.0
3.9
5.9
6.2
11.2
Na+
0.4
52
5.8
2.1
74
8.0
2.3
4.8
K+
Less than 0.4
140
25
8.0
200
9.0
2.3
4.8
Ca2+
0.8
300
57
31
470
440
320
8.9
Mg2+
0.34
180
0.58
Less than 0.02
170
36
13
0.04
Less than 1.0
Cl-
Less than 1.0
7.0
Less than 1.0
Less than 1.0
7.0
Less than 1.0
Less than 1.0
SO42-
85
46,000
360
110
11,000
1,800
840
27
Fe
34
24,000
140
0.80
4,600
340
41
2.5
Al
0.07
70
1.0
0.63
9.9
1.3
1.1
1.4
ケース1において、主な溶出イオンはSO4-イオンであり、これは黄鉄鉱の酸
化による溶出であると考えられる
pH=3.4であるため、 SO4-イオンが酸性化の原因であると考えられる
Table 4. Ion concentration obtained by water quality analysis (unit : mg/L).
Item
Case 1
The 5th time
Case 2
The 1st time
Case 2
The 5th time
Case 2
The 8th time
Case 3
The 1st time
Case 3
The 5th time
Case 3
The 9th time
Case 4
The 5th time
pH
3.4
1.6
10.3
10.0
3.9
5.9
6.2
11.2
Na+
0.4
52
5.8
2.1
74
8.0
2.3
4.8
K+
Less than 0.4
140
25
8.0
200
9.0
2.3
4.8
Ca2+
0.8
300
57
31
470
440
320
8.9
Mg2+
0.34
180
0.58
Less than 0.02
170
36
13
0.04
Cl-
Less than 1.0
7.0
Less than 1.0
Less than 1.0
7.0
Less than 1.0
Less than 1.0
Less than 1.0
SO42-
85
46,000
360
110
11,000
1,800
840
27
Fe
34
24,000
140
0.80
4,600
340
41
2.5
Al
0.07
70
1.0
0.63
9.9
1.3
1.1
1.4
ケース2では、通水回数の増加に伴って全てのイオン濃度が減少
1,5回目の通水では鉄イオンと硫化物イオンが主な溶出イオンであるのに
対し、8回目の通水では硫化物イオンのみとなっている
講-V-9
2006 年石炭技術会議
Table 4. Ion concentration obtained by water quality analysis (unit : mg/L).
Item
Case 1
The 5th time
Case 2
The 1st time
Case 2
The 5th time
Case 2
The 8th time
Case 3
The 1st time
Case 3
The 5th time
Case 3
The 9th time
Case 4
The 5th time
pH
3.4
1.6
10.3
10.0
3.9
5.9
6.2
11.2
Na+
0.4
52
5.8
2.1
74
8.0
2.3
4.8
K+
Less than 0.4
140
25
8.0
200
9.0
2.3
4.8
Ca2+
0.8
300
57
31
470
440
320
8.9
Mg2+
0.34
180
0.58
Less than 0.02
170
36
13
0.04
Less than 1.0
Cl-
Less than 1.0
7.0
Less than 1.0
Less than 1.0
7.0
Less than 1.0
Less than 1.0
SO42-
85
46,000
360
110
11,000
1,800
840
27
Fe
34
24,000
140
0.80
4,600
340
41
2.5
Al
0.07
70
1.0
0.63
9.9
1.3
1.1
1.4
-ケース3において、全てのイオン濃度がケース2よりも大きい
-通水回数の増加に伴い、全てのイオン濃度が減少
ケース2と同じ挙動
Table 4. Ion concentration obtained by water quality analysis (unit : mg/L).
Item
Case 1
The 5th time
Case 2
The 1st time
Case 2
The 5th time
Case 2
The 8th time
Case 3
The 1st time
Case 3
The 5th time
Case 3
The 9th time
Case 4
The 5th time
pH
3.4
1.6
10.3
10.0
3.9
5.9
6.2
11.2
Na+
0.4
52
5.8
2.1
74
8.0
2.3
4.8
K+
Less than 0.4
140
25
8.0
200
9.0
2.3
4.8
Ca2+
0.8
300
57
31
470
440
320
8.9
Mg2+
0.34
180
0.58
Less than 0.02
170
36
13
0.04
Cl-
Less than 1.0
7.0
Less than 1.0
Less than 1.0
7.0
Less than 1.0
Less than 1.0
Less than 1.0
SO42-
85
46,000
360
110
11,000
1,800
840
27
Fe
34
24,000
140
0.80
4,600
340
41
2.5
Al
0.07
70
1.0
0.63
9.9
1.3
1.1
1.4
pH = 11.2
主に、Na+,K+,Ca2+の溶出によってアルカリ性を呈する
講-V-10
2006 年石炭技術会議
3.3 Neutralizing mechanism of acid water
ケース2においては、黄鉄鉱・フライアッシュの各層からそれぞれ各種イオン
の溶出が行なわれたと考えられる。
Ion concentrations (the 5th times) (unit : mg/L).
Item Case 1 Case 4 Case 1+4 Case 2
Na+
0.4
4.8
5.2
5.8
K+
8.0
17
25
25
Ca2+
0.8
8.9
9.7
25
Mg2+
0.34
0.04
0.38
0.58
SO4
2-
85
27
112
360
Fe
34
2.5
36.5
140
Al
0.07
1.4
1.47
1.0
ケース1,4の5回目の通水における各
イオン濃度の合計と、ケース2の5回
目の通水における濃度の比較
ほぼ同じ
フライアッシュから溶出した水酸化イオンが、黄鉄鉱層に浸透
黄鉄鉱から溶出される水素イオンと中和反応を起こしたと考えられる。
- ケース3においては、通水回数の増加に伴って溶出イオン濃度が減少して
いるが、黄鉄鉱起源の鉄イオンと硫化物イオンが残存している。
- 水酸化鉄の沈澱が見られたことより、フライアッシュと黄鉄鉱混合による相互
作用が認められた。
- 黄鉄鉱からFe2+が溶出
FeS2 + 7/2O2 + H2O → Fe2+ + 2SO42- + 2H+
- フライアッシュと酸素と反応することによりFe3+へと酸化
Fe2+ + 1/4O2 + H+ → Fe3+ + 1/2 H2O
(1)
(2)
- Fe3+の存在によって黄鉄鉱の酸化が促進
FeS2 + 14 Fe3+ + 8 H2O → 15 Fe2+ + 2 2SO42- + 16H+
(3)
- (1) – (3)式の反応を繰り返すことで、水素イオン濃度が増加し中和反
応が減少
講-V-11
2006 年石炭技術会議
4. 結論
- 本研究では、露天掘り石炭鉱山におけるAMD問　題および、フライアッシュの有効利用を検討するた
めカラム試験を行なった。
- フライアッシュを用いたリハビリテーションでは、採　掘廃石の上にフライアッシュを被せることが、酸性　水抑制に最も適している。
Thank you very much for your attention
講-V-12
2006 年石炭技術会議
氏
名
生年月日
おおや
じろう
大屋
二郎
1981 年 3 月 3 日
学歴
2005 年 3 月
：
九州大学工学部地球環境工学科
2005 年 4 月
：
九州大学大学院工学府地球システム工学専攻
修士課程
入学
2007 年 3 月
：
九州大学大学院工学府地球システム工学専攻
修士課程
卒業予定
2007 年 4 月
：
九州大学大学院工学府地球システム工学専攻
博士課程
進学予定
講-V-13
卒業

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