孫亞軍，徐智敏，李 鑫，張 莉，陳 歌，趙先鳴，高雅婷，劉 琪，張尚國(guó)，汪韋峻，朱璐璐，王 晟

我國(guó)煤礦區(qū)極其復(fù)雜的水文地質(zhì)條件導(dǎo)致差異明顯、特征各異的地下水環(huán)境。受礦井開(kāi)采擾動(dòng)和礦井疏排水等影響，煤礦區(qū)的礦井水污染和生態(tài)環(huán)境影響問(wèn)題日益受到國(guó)家有關(guān)部門(mén)和煤炭企業(yè)的重視。近年來(lái)，國(guó)家政策和地方管理推動(dòng)了煤礦區(qū)環(huán)境的改善，鼓勵(lì)實(shí)現(xiàn)煤–水雙資源協(xié)調(diào)開(kāi)采，凸顯出煤礦區(qū)地下水環(huán)境演化及礦井水污染防治方面的良好基礎(chǔ)和研究前景。本刊依托中國(guó)礦業(yè)大學(xué)孫亞軍教授負(fù)責(zé)的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染防控材料與技術(shù)”(NO.2019YFC1805400)在煤礦區(qū)礦井水環(huán)境污染防控方面取得的階段性系列研究成果，結(jié)合部分其他學(xué)者的相關(guān)科研成果設(shè)立本專(zhuān)題，選登6篇相關(guān)論文，以展現(xiàn)我國(guó)煤礦水文地質(zhì)工作者在上述領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展和觀點(diǎn)，以期引起學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的更多關(guān)注和討論，加速推進(jìn)礦井水污染防控與礦區(qū)地下水環(huán)境保護(hù)方面的研究。

我國(guó)煤礦區(qū)礦井水污染問(wèn)題及防控技術(shù)體系構(gòu)建

孫亞軍1,2，徐智敏1,2，李 鑫1，張 莉1，陳 歌1，趙先鳴1，高雅婷1，劉 琪1，張尚國(guó)1，汪韋峻1，朱璐璐1，王 晟1

(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2. 礦山水害防治技術(shù)基礎(chǔ)研究國(guó)家級(jí)專(zhuān)業(yè)中心實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

煤炭開(kāi)采必然產(chǎn)生大量的礦井涌水，我國(guó)目前的礦井水整體上表現(xiàn)出水質(zhì)相對(duì)較差、水處理成本較高等問(wèn)題。首先明確了我國(guó)典型礦區(qū)礦井水水質(zhì)的主體特征：常規(guī)離子是造成礦井水水質(zhì)差的主要化學(xué)組分；礦井水中有毒有害物質(zhì)占比小，且基本優(yōu)于地下水Ⅲ類(lèi)水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。其次，詳細(xì)探討了我國(guó)礦井水水質(zhì)形成、演化的幾個(gè)科學(xué)問(wèn)題，包括不同水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)下物理–化學(xué)作用所起的主導(dǎo)作用，時(shí)間效應(yīng)對(duì)水質(zhì)演化的影響，微生物群落結(jié)構(gòu)特征及其與環(huán)境因素的相關(guān)關(guān)系，水動(dòng)力場(chǎng)–化學(xué)場(chǎng)–微生物場(chǎng)–溫度場(chǎng)的多場(chǎng)耦合問(wèn)題等。接著重點(diǎn)介紹礦井水污染防控的技術(shù)方法，以減少礦井突(涌)水量和水資源保護(hù)為前提，以實(shí)現(xiàn)煤–水雙資源協(xié)調(diào)開(kāi)采、煤炭綠色開(kāi)采為目標(biāo)，以礦井水“阻斷、減量、保護(hù)”為主要防控思路，圍繞煤礦區(qū)礦井水阻斷技術(shù)、污染負(fù)荷減量技術(shù)、污染區(qū)修復(fù)治理等科學(xué)問(wèn)題展開(kāi)分析；通過(guò)各種現(xiàn)有技術(shù)、方法、工藝，最大可能地降低噸煤礦井水處理成本，如采用井下預(yù)處理、地面深度處理、超深回灌封貯、生態(tài)資源化利用等。最后，提出研發(fā)煤礦區(qū)地下水及污染物的阻斷材料和吸附材料、注漿裝備、監(jiān)測(cè)設(shè)備、投料設(shè)備、原位取樣檢測(cè)設(shè)備等，形成我國(guó)煤礦區(qū)礦井水污染防控技術(shù)體系。該技術(shù)體系的構(gòu)建可對(duì)煤礦綠色開(kāi)采、煤礦區(qū)深層地下水污染防控、閉坑礦井水污染防控、礦區(qū)地下水資源及生態(tài)環(huán)境保護(hù)利用等提供理論及技術(shù)支撐。

煤礦區(qū)；礦井水；污染防控；阻斷；減量；保護(hù)

我國(guó)地域遼闊，煤炭資源儲(chǔ)量豐富、成煤時(shí)期多，各地區(qū)煤炭資源賦存狀態(tài)差異性大，水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜，類(lèi)型各不相同，長(zhǎng)期的煤礦開(kāi)采引發(fā)了諸多水文地質(zhì)及生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。在煤炭資源開(kāi)采的同時(shí)，必然產(chǎn)生大量的礦井水，據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅2019年全國(guó)煤礦產(chǎn)生的礦井水量就達(dá)71億m3[1]，而礦井水往往以高懸浮物、高鹽和偏酸性為主要特征[2-5]；西部一些礦區(qū)高鹽高氟礦井水特征明顯[6-8]；某些礦區(qū)礦井水中檢出少量鎘、汞、鉛、砷、鉻(Ⅵ)、鎳和有機(jī)污染物等有毒有害物質(zhì)[5,9-10]。由于部分礦區(qū)排放未達(dá)標(biāo)礦井水，造成了一些生態(tài)環(huán)境污染問(wèn)題，導(dǎo)致礦井水在社會(huì)上普遍呈現(xiàn)負(fù)面印象。

根據(jù)筆者團(tuán)隊(duì)近年來(lái)的調(diào)研與研究結(jié)果，我國(guó)大多數(shù)煤礦礦井水中超標(biāo)成分多為常量離子，且有些礦井水水質(zhì)較好，少數(shù)地區(qū)的礦井水含有對(duì)人體有益元素，如鍶、硒、偏硅酸等微量成分，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理即可作為礦泉水進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用。采空區(qū)、閉坑礦井的礦井水在長(zhǎng)期的物理–化學(xué)–微生物作用下有一定自凈能力，已發(fā)現(xiàn)魯西南礦區(qū)、徐州礦區(qū)老空水水質(zhì)在時(shí)間效應(yīng)下有逐漸轉(zhuǎn)好的趨勢(shì)，這與傳統(tǒng)上大眾對(duì)礦井水水質(zhì)較差且不斷惡化的印象有所不同。同時(shí)，國(guó)家生態(tài)環(huán)境部門(mén)對(duì)礦井水嚴(yán)格監(jiān)督，礦井水必須經(jīng)過(guò)處理達(dá)標(biāo)后才可排放，環(huán)境污染問(wèn)題很大程度上得到了改善。但礦井水達(dá)標(biāo)排放所面臨的問(wèn)題不是技術(shù)難，而是成本高；不同煤礦礦井水水質(zhì)及水處理工藝有所差異，礦井水地面深度處理成本浮動(dòng)較大，噸水處理成本10～30元。在上述背景下，少數(shù)煤礦為了削減礦井水的處理成本，衍生出一系列將礦井水回灌采空區(qū)、離層空間、第四系含水層等處理方法，甚至存在礦井水偷排地表現(xiàn)象，導(dǎo)致很多潛在的安全開(kāi)采、水生態(tài)、水環(huán)境威脅以及經(jīng)濟(jì)損失。

為解決我國(guó)礦井水整體上水質(zhì)較差、水處理成本高、處置方法不合理的現(xiàn)狀，筆者團(tuán)隊(duì)一直致力于探索體系化的礦井水污染防控有效途徑，提出以減少礦井突(涌)水量和保護(hù)水資源為前提，以實(shí)現(xiàn)煤–水雙資源協(xié)調(diào)開(kāi)采、煤炭綠色開(kāi)采為目標(biāo)，以礦井水的“阻斷、減量、保護(hù)”為主要防控思路，開(kāi)展了圍繞煤礦區(qū)礦井水污染成因機(jī)制、污染物運(yùn)移規(guī)律、污染區(qū)生態(tài)修復(fù)等科學(xué)問(wèn)題的系統(tǒng)研究，以期解決相關(guān)的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

1 礦井水水質(zhì)特征及污染因素

1.1 礦井水水質(zhì)主體特征

我國(guó)有14個(gè)國(guó)家億噸級(jí)的大型煤炭基地，筆者團(tuán)隊(duì)基于對(duì)全國(guó)各大基地中典型礦區(qū)的201座煤礦的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、實(shí)驗(yàn)研究、文獻(xiàn)檢索等工作，得出了表1中全國(guó)典型礦區(qū)礦井水水質(zhì)總體特征[11-22]，總結(jié)分析得出以下幾點(diǎn)規(guī)律。

(3) Fe、Mn是礦井水中較普遍超標(biāo)的物質(zhì)，201座煤礦中有84座其含量超出GB/T 14848—2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，占比高達(dá)42%。但各礦區(qū)有毒有害成分含量少，部分礦區(qū)含有毒性較強(qiáng)的重金屬(如As、Pb、Cr等)和揮發(fā)酚類(lèi)，僅極少數(shù)超標(biāo)。

(4) 以往各個(gè)礦區(qū)對(duì)深層礦井水中的微生物群落結(jié)構(gòu)、氨氮含量等的關(guān)注不多；微生物群落結(jié)構(gòu)在礦井水水質(zhì)演化、修復(fù)治理中的作用至關(guān)重要、不可忽略，氨氮的含量對(duì)人體健康、生態(tài)環(huán)境都有不同程度的影響，應(yīng)當(dāng)對(duì)兩者給予更多關(guān)注。

總體上，礦井水中常規(guī)離子大多數(shù)超標(biāo)，部分礦區(qū)礦井水中確實(shí)存在有毒有害物質(zhì)，但有毒有害物質(zhì)含量少、占比小，這與目前大眾普遍認(rèn)為所有礦井水污染非常嚴(yán)重的觀念有所差別。

1.2 礦井水中的污染組分特征

我國(guó)部分煤礦礦井水中存在有毒有害物質(zhì)也是不爭(zhēng)的事實(shí)，但在全國(guó)范圍內(nèi)礦井水中有毒有害物質(zhì)含量少、占比小，且在大多數(shù)煤礦礦井水中并不超標(biāo)，檢測(cè)到有毒有害物質(zhì)的煤礦數(shù)量不多，201座煤礦中僅有18座檢測(cè)到有毒有害物質(zhì)含量超出GB/T 14848—2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，且多為重金屬(除鐵、錳外)、揮發(fā)酚，占比僅為9%，多數(shù)超標(biāo)組分介于Ⅲ、Ⅳ類(lèi)水。同時(shí)，筆者發(fā)現(xiàn)以往煤礦較少關(guān)注礦井水中表征有機(jī)污染物的各項(xiàng)指標(biāo)，如生化需氧量(BOD)、化學(xué)需氧量(COD)、總有機(jī)碳(TOC)等，其中萘、屈、菲、多氯聯(lián)苯等多環(huán)芳烴僅有少數(shù)報(bào)道[23-25]；但排出的礦井水中有機(jī)污染物超標(biāo)則可能對(duì)地表生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生較大影響。另外，極少數(shù)礦井含煤地層伴生礦物中含有放射性物質(zhì)，尤其西部的多個(gè)聚煤盆地伴生鈾礦床，導(dǎo)致礦井水中含有放射性物質(zhì)。除有毒有害污染物外，一些煤礦礦井水還檢測(cè)到某些特征成分，如釩，但目前礦井水中有關(guān)釩的研究鮮有報(bào)道；同時(shí)，多個(gè)礦區(qū)也檢出了對(duì)人體有益的微量元素，如鍶、硒和偏硅酸，在礦區(qū)水資源評(píng)價(jià)中應(yīng)加以重視。

1.3 礦井水水質(zhì)評(píng)價(jià)存在的問(wèn)題

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了大量有關(guān)煤礦礦井水特征的研究，但目前仍有很多問(wèn)題亟需研究。一般認(rèn)為礦井水水質(zhì)差、污染嚴(yán)重，但科學(xué)界始終未能闡明導(dǎo)致一些礦井水水質(zhì)差的主控因素。假如常量離子超標(biāo)是導(dǎo)致礦井水水質(zhì)差的主要因素，那么常量離子超標(biāo)會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生怎樣的影響需要研究、討論；再者，如果是有毒有害物質(zhì)造成礦井水水質(zhì)較差，那么有毒有害物質(zhì)在礦井水中含量占比情況、對(duì)地下水污染的貢獻(xiàn)量以及能在礦井水中檢測(cè)到有毒有害物質(zhì)超標(biāo)的煤礦數(shù)量及其在全國(guó)煤礦中的分布、占比情況，仍需要結(jié)合全國(guó)各礦區(qū)展開(kāi)深入研究、討論。比如在眾多礦井水污染物中，含有機(jī)污染物的礦井水排出地表后極易檢出有機(jī)污染物超標(biāo)，可能是煤炭開(kāi)采過(guò)程中確實(shí)產(chǎn)生了部分有機(jī)污染物，也可能受到地表河流上游、地下水補(bǔ)給區(qū)的影響，這些問(wèn)題仍需要結(jié)合實(shí)際的水文地質(zhì)條件深入研究。除上述有毒有害污染物的討論，針對(duì)礦井水中的一些有益元素也存在諸多問(wèn)題，筆者團(tuán)隊(duì)在徐州礦區(qū)、魯西南礦區(qū)、鄂爾多斯盆地部分礦區(qū)發(fā)現(xiàn)礦井水中普遍含有鍶，且有些煤礦礦井水中鍶含量高達(dá)15 mg/L；鍶雖然是礦泉水的必要元素，但在GB 8537—2018《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)飲用天然礦泉水》標(biāo)準(zhǔn)中仍有0.20 mg/L的上限要求，這就形成一個(gè)矛盾點(diǎn)：一方面鍶元素對(duì)人體有益，應(yīng)該保護(hù)利用；另一方面有益元素超標(biāo)也會(huì)被判為“污染”，有必要研究合理的“處理”方案。

2 礦井水水質(zhì)形成及演化的科學(xué)問(wèn)題

2.1 礦井水水質(zhì)形成機(jī)理問(wèn)題

礦井水水質(zhì)的形成一方面取決于礦區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，影響著礦井水量的大小及其水化學(xué)背景；另一方面取決于水化學(xué)等多場(chǎng)作用過(guò)程，影響礦井水的特征組分及其演化趨勢(shì)。

水源條件對(duì)礦井突(涌)水是否發(fā)生的影響體現(xiàn)在其為采掘空間提供水量來(lái)源，通道條件作為溝通充水水源和采掘空間的一個(gè)重要紐帶，是影響開(kāi)采條件下水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)演化的一個(gè)重要因素(圖1)。當(dāng)兩個(gè)前提條件具備后，一系列物理–化學(xué)作用成為影響礦井水水質(zhì)最重要的因素。目前已知或驗(yàn)證的水質(zhì)形成作用較多，包括蒸發(fā)–濃縮、吸附–解吸、溶解–沉淀、結(jié)晶、氧化–還原、離子交換、化學(xué)降解等水–巖、水–煤、水–水混合作用，其在地下水系統(tǒng)中留下各種水動(dòng)力及水文地球化學(xué)信息[26-28]。在礦井水形成過(guò)程中，眾多物理–化學(xué)–微生物作用可能同時(shí)存在、發(fā)生，甚至相互影響，但針對(duì)特定的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，其礦井水水質(zhì)特征形成的主控作用是什么仍亟需深入研究。有些礦井水水質(zhì)特征形成機(jī)理的研究過(guò)于宏觀，僅結(jié)合經(jīng)驗(yàn)理論從廣泛報(bào)道的水–巖作用、水–煤作用來(lái)討論某些離子或元素的產(chǎn)生，缺乏對(duì)實(shí)際的水文地質(zhì)條件的研究、分析，甚至不少研究出現(xiàn)了錯(cuò)誤結(jié)論。

圖1 礦井水形成的概念模式

Fig.1 Conceptual model of the formation of mine water drainage

2.2 礦井水質(zhì)演化的時(shí)間效應(yīng)問(wèn)題

目前，大多數(shù)礦井水水質(zhì)演化特征研究缺乏時(shí)間效應(yīng)考慮或?qū)碌V井水水質(zhì)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，有關(guān)老空水在時(shí)間效應(yīng)影響下的水質(zhì)演化研究鮮有報(bào)道，因此，上述水質(zhì)演化機(jī)理尚不十分確定。筆者團(tuán)隊(duì)初步研究認(rèn)為：一些離子或污染物在物理–化學(xué)–微生物作用下從礦井水中逐漸轉(zhuǎn)移到沉積物中(煤泥)，導(dǎo)致水中的特征組分含量下降，表明老空水在時(shí)間效應(yīng)下可能有一定自凈能力。但不同礦區(qū)的水文地球化學(xué)特征不同，其他礦區(qū)老空水水質(zhì)演化是否具有類(lèi)似的時(shí)間效應(yīng)仍是需研究的科學(xué)問(wèn)題。

圖2 山東某礦老空水中含量變化

2.3 礦井水中的微生物作用問(wèn)題

水動(dòng)力場(chǎng)、水化學(xué)場(chǎng)對(duì)煤礦區(qū)地下水污染成因、溶質(zhì)運(yùn)移的重要性毋庸置疑，微生物群落在地下水中的重要性近年逐漸得到重視。在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，井下環(huán)境發(fā)生重大變化，尤其是溫度、pH值、氧化還原條件等，導(dǎo)致礦井水中微生物群落結(jié)構(gòu)、多樣性、演替規(guī)律發(fā)生重大變化，而微生物的演替變化又進(jìn)一步影響礦井水污染物的降解和水化學(xué)特征[23,29-31]。

筆者團(tuán)隊(duì)對(duì)魯西南礦區(qū)、鄂爾多斯盆地某煤礦礦井水形成、排放全過(guò)程進(jìn)行了細(xì)菌群落分布及多樣性分析，結(jié)果表明：水樣中微生物群落豐度為煤巷>水倉(cāng)≈地表水>巖巷>采空區(qū)>地下水；群落多樣性為地表水>煤巷>水倉(cāng)≈巖巷≈采空區(qū)>地下水；水倉(cāng)檢出的微生物物種最多，其次是煤巷和采空區(qū)，含水層中檢出的物種最少。沉積物樣品中微生物群落豐度和多樣性排序?yàn)榈乇硭?巖巷>水倉(cāng)>煤巷>采空區(qū)，表明煤礦井下微生物群落分布特征與環(huán)境具有極強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系。

根據(jù)上述分析，如何定量化研究微生物在礦井水水質(zhì)演化中的作用仍是一個(gè)重要的科學(xué)問(wèn)題，特別是結(jié)合水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、時(shí)間效應(yīng)等因素的微生物作用對(duì)水質(zhì)演化的影響程度仍需探討，比如不同水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)中微生物群落有何差異，不同微生物在礦井水水質(zhì)演化所起的作用有何不同，考慮時(shí)間效應(yīng)時(shí)微生物的死亡、群落結(jié)構(gòu)對(duì)水質(zhì)演化的定量研究等。

2.4 礦井水質(zhì)形成的多場(chǎng)耦合問(wèn)題

煤礦開(kāi)采活動(dòng)是強(qiáng)烈擾動(dòng)原生地質(zhì)、水文地質(zhì)、水化學(xué)、微生物等環(huán)境條件的人為過(guò)程。

采煤過(guò)程中，頂?shù)装鍘r層破壞帶的形成、礦井涌水的產(chǎn)生、含水層的疏降、注漿改造及堵水帷幕等因素強(qiáng)烈地改變了礦區(qū)地下水的水動(dòng)力條件。地下水在上述擾動(dòng)條件下進(jìn)入采掘空間的過(guò)程中，一方面產(chǎn)生不同含水層間的地下水串層，另一方面，原來(lái)的地下水又從主要接觸原含水層介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榻佑|煤層、頂板圍巖、煤矸石等不同介質(zhì)，必將在不同程度上改變礦區(qū)地下水化學(xué)場(chǎng)。

在我國(guó)生產(chǎn)礦井長(zhǎng)期以礦井安全、水害防治為主要研究目的情況下，過(guò)去對(duì)井下的微生物是一種什么樣的存在狀態(tài)，以及微生物對(duì)礦井的水質(zhì)形成有什么作用一直關(guān)注不多。但筆者團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，在井下采掘空間、采空區(qū)、水倉(cāng)等不同環(huán)境下，微生物都具有與原生環(huán)境顯著不同的豐度和多樣性。在此前提下，微生物作用對(duì)礦井水的水質(zhì)演化起什么樣的作用；對(duì)礦井水中的污染特征組分的形成是正向還是負(fù)向的作用等問(wèn)題均需開(kāi)展深入、系統(tǒng)的研究。

除上述因素外，礦井水水質(zhì)形成的化學(xué)過(guò)程、生物過(guò)程顯然與溫度密切相關(guān)。目前我國(guó)煤礦最大采深超過(guò)1 300 m，即使忽略其他因素影響，僅地溫梯度影響就會(huì)導(dǎo)致不同礦井溫度場(chǎng)的顯著不同。因此，考慮溫度場(chǎng)的變化對(duì)礦井水水質(zhì)形成演化的影響是必要、合理的。

國(guó)內(nèi)相關(guān)研究多集中在對(duì)礦井水演化的水動(dòng)力場(chǎng)、水化學(xué)場(chǎng)作用的討論，對(duì)水動(dòng)力場(chǎng)和水化學(xué)場(chǎng)的兩場(chǎng)耦合作用研究也有較多成果。但筆者認(rèn)為，為了更加科學(xué)、合理地闡明礦井水的水污染成因及其演化，有必要從地下水污染的動(dòng)力學(xué)機(jī)制出發(fā)，考慮長(zhǎng)期時(shí)間效應(yīng)下的水動(dòng)力場(chǎng)–化學(xué)場(chǎng)–微生物場(chǎng)–溫度場(chǎng)多場(chǎng)耦合作用，建立多場(chǎng)耦合模型，但相關(guān)成果至今未見(jiàn)報(bào)道。

3 礦井水污染防控關(guān)鍵技術(shù)

3.1 防控思路與技術(shù)框架

對(duì)煤礦區(qū)場(chǎng)地礦井水污染的研究應(yīng)當(dāng)包含污染物來(lái)源、通道、污染形成和遷移擴(kuò)散路徑等要素；從防控的角度，則應(yīng)具備源頭阻斷、通道堵截、過(guò)程減量、末端處理、資源化利用和含水層保護(hù)等技術(shù)特征，減少礦井涌水量及污染負(fù)荷的排放；從空間上，還應(yīng)體現(xiàn)地面井下全空間聯(lián)動(dòng)防控的科學(xué)屬性，因此，提出煤礦區(qū)礦井水污染防控技術(shù)體系框架，如圖3所示。

3.2 源頭阻斷

礦井水污染防控的主要原則首先應(yīng)是堅(jiān)持對(duì)礦井水形成的水源或通道進(jìn)行阻斷，既可以減少礦井涌水量，有利于礦井安全；也可以從源頭減少礦井水污染負(fù)荷的形成。阻斷技術(shù)與傳統(tǒng)的礦井水害防治堵水技術(shù)在具體工藝上有所交叉，但兩者的科學(xué)內(nèi)涵完全不同。

礦井水害防治是以減少礦井突水事故的發(fā)生為目的，主要針對(duì)可能有突水威脅的水源或通道，注漿阻斷僅是其中的一種措施。而污染阻斷則是對(duì)所有可能貢獻(xiàn)礦井水量的水源、通道進(jìn)行封堵，特別是水質(zhì)較差、污染負(fù)荷較高的水源，即使是不具有突水威脅，也應(yīng)從源頭上盡可能封堵，以減少礦井水污染負(fù)荷的產(chǎn)生。除了對(duì)生產(chǎn)礦井的突(涌)水水源、通道進(jìn)行污染阻斷，必要時(shí)對(duì)閉坑礦井也要進(jìn)行注漿封堵，以防止污染物的運(yùn)移擴(kuò)散。

注漿堵水技術(shù)目前已經(jīng)相對(duì)成熟，實(shí)踐應(yīng)用也較多，但在應(yīng)用于礦井水污染防控時(shí)，則需要先對(duì)水源進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，特別是其中的污染特征組分、有毒有害組分及其環(huán)境影響的針對(duì)性評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上做出阻斷工程決策及合理實(shí)施方案。

圖3 礦井水污染防控技術(shù)體系

3.3 負(fù)荷減量

首先，通過(guò)污染阻斷技術(shù)已經(jīng)盡可能減少了礦井水量的產(chǎn)生，但在目前的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下，完全阻斷礦井水的形成不現(xiàn)實(shí)。

其次，對(duì)于無(wú)法阻斷、必然產(chǎn)生的礦井水量應(yīng)在井下進(jìn)行預(yù)處理，以盡可能地降低污染負(fù)荷，筆者提出可進(jìn)一步研發(fā)并應(yīng)用采空區(qū)緩沖、微生物降解作用、吸附材料減量、礦井水處理等技術(shù)。具體技術(shù)思路如下。

(1) 老空水在時(shí)間效應(yīng)下可能有一定程度的自凈作用，可以先將工作面、煤巷、巖巷的礦井水暫存至采空區(qū)，在一系列物理–化學(xué)–微生物作用下，礦井水中一些離子、有機(jī)質(zhì)、重金屬等可以轉(zhuǎn)化到沉積物中(煤泥)，通過(guò)采空區(qū)積水的自我凈化作用，實(shí)現(xiàn)礦井水中某些離子或元素的降解，但微生物作用在時(shí)間效應(yīng)的影響下對(duì)重金屬富集、降解的效果如何仍是一個(gè)待解決的科學(xué)問(wèn)題。

(2) 研究發(fā)現(xiàn)，煤礦井下微生物群落分布特征及其與環(huán)境因子具有密切的相關(guān)關(guān)系，在利用原有微生物群落改善水質(zhì)的同時(shí)，可人為向采空區(qū)中投加一些具有特定功能的微生物材料，也可以在污染阻斷材料中負(fù)載特定的微生物，制備成微生物材料，在阻斷過(guò)程中可降解或固化穩(wěn)定化礦井水中部分有機(jī)污染物或重金屬元素，增強(qiáng)阻斷效果。

(3) 目前，一些天然或人造的環(huán)保材料具有很好的污染物去除效果，尤其是對(duì)一些有機(jī)污染物的吸附和降解，解決了有機(jī)污染物難降解的問(wèn)題。如原位地下水污染修復(fù)可滲透反應(yīng)墻技術(shù)所用的充填材料是當(dāng)前研究熱點(diǎn)，其重點(diǎn)與難點(diǎn)在于充填材料的性能研究，包括吸附或降解污染物的效果、使用壽命、經(jīng)濟(jì)成本，但吸附材料經(jīng)常出現(xiàn)材料鈍化、系統(tǒng)堵塞等問(wèn)題需要更深入研究[32-33]。

(4) 在礦井水排出地面進(jìn)行深度處理前，可以對(duì)礦井水進(jìn)行過(guò)濾、絮凝、沉淀等一些簡(jiǎn)單的水質(zhì)處理工作。最后，將礦井水從井下抽出后輸送地面處理廠進(jìn)行深度處理，將處理達(dá)標(biāo)的礦井水排放或資源化利用。根據(jù)礦井水的水質(zhì)不同，相應(yīng)的深度水處理方法不同，常見(jiàn)的有潔凈礦井水處理、含懸浮物礦井水處理、高礦化度礦井水處理(蒸餾法、離子交換法、膜分離法)、酸性礦井水處理以及含特殊組分礦井水處理等[1]。

總之，礦井水污染阻斷、負(fù)荷減量的最終目的是通過(guò)采用各種可行的方法、技術(shù)、工藝，盡最大可能地降低噸煤礦井水處理成本。

3.4 超深回灌封貯

礦井水超深回灌封貯技術(shù)主要目的是減少礦井水的地面排放量，從而減輕礦井水外排所產(chǎn)生的環(huán)境影響，同時(shí)也可以降低礦井水處理成本，提高煤炭開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)效益。但礦井水的回灌封貯需要較大的貯水空間，還必須避免產(chǎn)生由于回灌目的層選擇不當(dāng)所導(dǎo)致的頂?shù)装逋凰却紊?wèn)題。根據(jù)我國(guó)各礦區(qū)的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，選擇埋深大于2 000 m的目的層進(jìn)行超深回灌成為有前景的技術(shù)途徑。根據(jù)筆者團(tuán)隊(duì)的初步研究，選擇目的回灌層一般應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)原則：

① 選擇對(duì)煤礦安全開(kāi)采不產(chǎn)生影響的含水層或儲(chǔ)水空間；

② 選擇對(duì)水循環(huán)基本沒(méi)有影響的含水層；

③ 選擇對(duì)水資源利用不產(chǎn)生影響的含水層或儲(chǔ)水空間；

④ 保證礦井水水質(zhì)整體上優(yōu)于目的回灌層水質(zhì)，不污染目的含水層。

結(jié)合上述回灌原則簡(jiǎn)要分析以下幾種不同回灌封貯技術(shù)的情況。

1) 煤層頂板含水層

與煤層距離近的頂板含水層往往是開(kāi)采煤層的直接或間接充水含水層，回灌后煤層頂板突水威脅增大，未能從根本上消減礦井水量。與煤層距離較遠(yuǎn)、與地面距離較近的第四系含水層或其他含水層往往是地下水飲用水源，國(guó)家環(huán)保生態(tài)紅線規(guī)定“實(shí)行人工回灌地下水時(shí)不得污染當(dāng)?shù)氐叵滤础焙汀爱?dāng)補(bǔ)給源為地表水體時(shí)，該地表水體水質(zhì)不應(yīng)低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)”，故頂板含水層的回灌封貯不具有可行性。

2) 離層空間、采空區(qū)

離層和采空區(qū)儲(chǔ)水空間有限，難以滿足大量礦井水回灌封貯的需求，服務(wù)時(shí)效短，有時(shí)還可能伴有嚴(yán)重突(涌)水危險(xiǎn)。

3) 底板含水層

在地面水處理成本高的情況下，相比其他含水層或儲(chǔ)水空間均無(wú)法滿足目的回灌層選擇原則的情況下，底板含水層超深回灌封貯是最具可行性的一種方法(本文提到的超深，特指埋深1 000～2 000 m或以下)。

筆者團(tuán)隊(duì)在鄂爾多斯盆地某煤礦開(kāi)展礦井水超深回灌封貯的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果超出預(yù)期，回灌水量完全滿足煤礦日礦井水排水需求，表明此方法具有可行性，具備很大的開(kāi)發(fā)潛力。雖然超深回灌封貯已經(jīng)取得一些突破，但目前仍存在多方面的理論、技術(shù)和法規(guī)問(wèn)題：

(1) 超深目的回灌層的確定，是否必須選擇滲透性非常好的含水層，對(duì)超深低孔–低滲含水層的可回灌性仍缺乏深入研究；

(2) 礦井水與目的回灌含水層的水質(zhì)對(duì)比分析，礦井水易取樣、檢測(cè)，而超深地層取樣較為困難；

(3) 高壓回灌的過(guò)程中必然會(huì)對(duì)地層進(jìn)行壓裂，使目的層原生裂隙增生、擴(kuò)展和連通，但在回灌過(guò)程中孔隙–裂隙雙重介質(zhì)地層滲透系數(shù)變化的定量描述及不同壓裂工藝的深入研究不足；

(4) 由于西部礦區(qū)特殊的弱膠結(jié)地層和超深高壓回灌的原因[6,34]，目的回灌層的水文地質(zhì)條件在回灌過(guò)程中會(huì)發(fā)生變化，特別是含水介質(zhì)的壓裂增滲變化，導(dǎo)致相關(guān)的參數(shù)計(jì)算、流場(chǎng)演化規(guī)律等已無(wú)法利用現(xiàn)有的地下水動(dòng)力學(xué)原理解釋(如回灌水量一直增加，回灌壓力保持穩(wěn)定)；

(5) 長(zhǎng)期回灌水量預(yù)計(jì)的理論計(jì)算方法目前欠缺，超深回灌目的層是否可形成持續(xù)回灌能力也需要深入探討；

(6) 目前國(guó)內(nèi)缺乏礦井水回灌的法規(guī)依據(jù)，因此，開(kāi)展礦井水回灌的應(yīng)用條件、可行性分析、長(zhǎng)期環(huán)境影響演化理論等方面的研究可為相關(guān)法規(guī)制定提供理論基礎(chǔ)，且十分迫切。

3.5 閉坑礦井水污染防控技術(shù)

隨著近年來(lái)我國(guó)中東部礦區(qū)淺部煤炭資源逐步衰竭、開(kāi)采條件日趨復(fù)雜、國(guó)家能源政策的宏觀調(diào)控以及去產(chǎn)能政策的實(shí)施，中東部礦區(qū)大量煤礦有序關(guān)閉，形成了大量關(guān)閉/廢棄礦井。據(jù)統(tǒng)計(jì)，“十一五”期間，全國(guó)累計(jì)關(guān)閉煤礦9 616座；“十二五”期間，全國(guó)累計(jì)關(guān)閉煤礦7 250座；“十三五”期間，全國(guó)累計(jì)有7 448處煤礦關(guān)閉(圖4)?！笆晃濉币詠?lái)，全國(guó)關(guān)閉的各類(lèi)煤礦多達(dá)24 000余座，閉坑礦井的區(qū)域水環(huán)境演化、修復(fù)治理已然成為煤礦區(qū)礦井水污染防控的重要內(nèi)容之一。

圖4 我國(guó)“十三五”期間閉坑礦井?dāng)?shù)量

關(guān)于閉坑礦井水污染防控技術(shù)的研究，依然可以延續(xù)開(kāi)采礦井的“阻斷、減量、保護(hù)”思路，但在具體工藝技術(shù)上有所差別。應(yīng)在查明礦井閉坑后污染源、污染通道，分析水質(zhì)演化特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合通道阻截注漿工藝，開(kāi)展地下水污染通道阻斷–原位修復(fù)–抽出處理等綜合工藝，最終確定閉坑礦井水污染防控方案?？赡艿募夹g(shù)途徑有：

(1) 采用注漿材料在煤礦區(qū)周?chē)⒆钄噌∧唬{材料在保障切斷礦井水與外界水力聯(lián)系的前提下，研發(fā)能降解、吸附污染物的材料，如微生物材料；

(2) 對(duì)礦井水水質(zhì)較好的區(qū)段采用井下預(yù)處理方式(老采區(qū)緩沖、投加吸附材料、微生物作用)；

(3) 對(duì)水質(zhì)較差的區(qū)段采用分段抽出技術(shù)，在地面進(jìn)行深度處理，清除水體中污染物；

(4) 對(duì)于治理修復(fù)后的閉坑礦井水可以采用原地存儲(chǔ)、超深回灌封貯、城市應(yīng)急水源地補(bǔ)給、生態(tài)補(bǔ)水、人工生態(tài)濕地等處理；

(5) 對(duì)于閉坑礦井存在串層污染井的特殊情況，選擇適當(dāng)?shù)淖{材料與注漿工藝，由下向上進(jìn)行注漿封堵，截?cái)辔廴镜V井水與其他含水層聯(lián)系，杜絕污染源，封堵后，要進(jìn)行壓水試驗(yàn)以確認(rèn)封堵效果，并采用原位修復(fù)–分段抽出處理技術(shù)治理受污染水體。

3.6 礦井水資源保護(hù)及利用

煤礦礦井水既可能是一種具有煤炭行業(yè)特點(diǎn)的污染源，但又是一種寶貴的可利用水資源。礦區(qū)水資源保護(hù)目前已經(jīng)受到廣泛的重視，最大限度地利用礦井水也是減量排放的技術(shù)途徑之一。

我國(guó)煤礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，不同礦區(qū)水文地質(zhì)條件、礦井水水質(zhì)特征各不相同，因此，對(duì)不同類(lèi)型礦井水進(jìn)行針對(duì)性、靈活性處理有助于提高礦井水處理效率、降低處理成本。目前，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者從不同角度研究礦區(qū)水資源保護(hù)與礦井水利用的問(wèn)題，逐步形成以下技術(shù)途徑。

1) 礦井開(kāi)采水資源影響評(píng)價(jià)

新建礦井、生產(chǎn)礦井對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中可能影響的礦區(qū)水資源進(jìn)行評(píng)價(jià)，明確礦井生產(chǎn)可能影響的水體和含水層范圍及水資源量，保護(hù)重要水源地。

2)保水采煤

在缺水地區(qū)，通過(guò)限制煤層采高、優(yōu)化工作面布置和生產(chǎn)工藝等技術(shù)，避免采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通頂板含水層，保護(hù)有限的水資源。

3) 煤水共采

在大水礦區(qū)，研究及實(shí)踐煤水共采技術(shù)，既可以消除礦井水害隱患，也可以充分利用豐富的地下水資源。

4) 保護(hù)閉坑礦井水資源

研究閉坑礦井老空水對(duì)相關(guān)含水層的回滲影響評(píng)價(jià)、污染阻斷、修復(fù)治理技術(shù)；煤礦企業(yè)在閉坑前應(yīng)采取工程措施消除老空水對(duì)地下水資源的不良影響。

5) 優(yōu)化礦井排水系統(tǒng)

通過(guò)專(zhuān)用放水巷道、放水鉆孔建立分離的排水系統(tǒng)；“清污分流”“分質(zhì)分流”。

6) 礦井水凈化處理

將礦井水在井下進(jìn)行預(yù)處理后再抽出地面進(jìn)行深度處理；發(fā)展低成本礦井水處理技術(shù)及設(shè)備。

7) 礦井水的生產(chǎn)利用

可直接用礦井水作為煤礦井下防塵、防滅火、降溫、注漿等生產(chǎn)用水，爭(zhēng)取做到礦井水的“零排放”；洗煤選煤、坑口發(fā)電、煤化工等企業(yè)優(yōu)先使用礦井水。

8) 城市應(yīng)急水源地

在閉坑礦井水量豐富、水質(zhì)較好的條件下，發(fā)展利用其作為城市應(yīng)急供水水源之一的相關(guān)技術(shù)，如徐州市利用城市周邊煤礦采空區(qū)，選擇水質(zhì)較好的閉坑礦井作為城市應(yīng)急供水水源。

9) 優(yōu)質(zhì)礦井水利用

一些礦區(qū)的礦井水水質(zhì)優(yōu)良，并且含有對(duì)人體有益的微量元素，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚砜梢蚤_(kāi)發(fā)成礦泉水加以利用。

10) 礦井水生態(tài)利用

將水質(zhì)較好的礦井水用于生態(tài)補(bǔ)水和景觀補(bǔ)水；將地面塌陷坑改造為生態(tài)濕地、人工湖等，如徐礦集團(tuán)由煤礦塌陷區(qū)治理后的潘安湖景區(qū)，徐州礦區(qū)的新河煤礦奧灰水水質(zhì)優(yōu)良，新河煤礦礦井水是5A級(jí)云龍湖風(fēng)景區(qū)的重要生態(tài)補(bǔ)給來(lái)源。

11) 轉(zhuǎn)移存儲(chǔ)技術(shù)

在西部干旱半干旱礦區(qū)，當(dāng)上覆含水層難以避免被采煤破壞時(shí)，可將上覆含水層中的地下水轉(zhuǎn)移至煤層底板以下具有適當(dāng)存貯空間的含水層中，以保護(hù)水資源。

12) 極端環(huán)境下礦井水的生態(tài)改善作用

在西部極端干旱–半干旱的環(huán)境下，采煤活動(dòng)面臨水資源的供需矛盾，新疆吐哈盆地某煤礦將礦井水排放到地表后，在戈壁荒漠地區(qū)形成湖泊，在一定程度上改善了小區(qū)域生態(tài)環(huán)境。

13)農(nóng)田灌溉

西部礦區(qū)缺水嚴(yán)重，新疆某些煤礦礦井水水質(zhì)非常優(yōu)良，如位于新疆的伊犁一礦礦井水經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單沉淀即可用于農(nóng)田灌溉，為礦井周邊干旱地區(qū)5.3 km2小麥提供灌溉用水。

4 礦井水污染防控材料及裝備

4.1 污染防控材料

礦井水污染防控的阻斷、減量和保護(hù)過(guò)程中，需要采用多種具有不同功能的新型材料，如高膨脹性的導(dǎo)水通道阻斷材料，基于固廢基的低成本注漿材料，具有降低礦井水污染負(fù)荷的膨脹吸附材料，可在井下轉(zhuǎn)化礦井水中污染物的微生物材料等，需要進(jìn)一步研發(fā)。目前，常用的注漿材料可分為無(wú)機(jī)類(lèi)及有機(jī)類(lèi)，無(wú)機(jī)類(lèi)材料包括水泥類(lèi)、水泥–水玻璃類(lèi)，有機(jī)類(lèi)材料包括環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)、聚氨酯類(lèi)、丙烯酸鹽類(lèi)、木質(zhì)素類(lèi)以及在此基礎(chǔ)上的各類(lèi)改性注漿材料[35-37]。

針對(duì)寬大管道與裂隙注漿治理，水泥–水玻璃雙液漿在水中溶解度大，后期強(qiáng)度與體積均倒縮，配比對(duì)初終凝時(shí)間敏感性強(qiáng)，漿液在凝膠之前無(wú)法抵抗動(dòng)水沖刷，易造成漿液流失，無(wú)法阻斷污水運(yùn)移，材料初終凝時(shí)間間隔較短，漿液無(wú)法有效擴(kuò)散[38]。環(huán)氧樹(shù)脂與聚氨酯類(lèi)注漿材料價(jià)格高昂，且存在一定的毒性；水溶性的聚氨酯和環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)在水中易被稀釋沖刷，從而喪失作用[39-40]；丙烯酸鹽類(lèi)注漿材料強(qiáng)度較低，毒性較強(qiáng)[41]；木質(zhì)素類(lèi)注漿材料是以亞硫酸紙漿廢液為主劑并加入一定量的重鉻酸鈉或硫酸銨作為固化劑制成，對(duì)環(huán)境具有一定的污染[42]。因此，研發(fā)一種對(duì)污染物有較強(qiáng)的吸附和降解能力，在地下水環(huán)境中能長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定和活性，廉價(jià)易得，并且具有適宜的黏度、環(huán)保且能夠快速實(shí)現(xiàn)大通道污水運(yùn)移阻斷的新型材料具有重要的意義。

山東大學(xué)已經(jīng)研發(fā)出的新型膨脹突(涌)水封堵材料、高性能低成本固廢基阻斷材料，以及正在研發(fā)的新型多孔無(wú)機(jī)聚合物基污染物阻斷材料均具備良好污染物阻斷效果。除了阻斷材料，礦井水在井下預(yù)處理過(guò)程中也可以人工投加吸附材料，以達(dá)到更好的預(yù)處理效果，如現(xiàn)有的零價(jià)鐵、鐵的氧化物、活性炭、沸石、磷酸鹽、石灰石、離子交換樹(shù)脂以及有機(jī)材料等，也可以研發(fā)適用于礦井水預(yù)處理的新型吸附材料。阻斷材料和吸附材料的研發(fā)應(yīng)重點(diǎn)研究污染物在阻截材料或吸附材料中的降解過(guò)程、機(jī)理、降解效果及其影響因素，確定不同材料的衰變期和使用壽命等關(guān)鍵參數(shù)，研究污染防控材料與其抗?jié)B性能的關(guān)系，污染物在阻截墻體中穿透、擴(kuò)散與吸附行為，都是決定材料綜合性能的控制因素。

4.2 污染過(guò)程監(jiān)測(cè)與防控裝備

目前，注漿工藝在阻斷突水通道、阻截污染礦井水?dāng)U散運(yùn)移方面得到廣泛應(yīng)用，形成了一系列的注漿控制技術(shù)與方法。在水泥漿制漿機(jī)設(shè)備方面，國(guó)內(nèi)基本上保持了與國(guó)外的同步發(fā)展水平，以機(jī)動(dòng)–液控、機(jī)動(dòng)–電控、電控–液控和全液壓控制換向?yàn)橹鳎?種可靠性低，易受電磁推力干擾，流量相對(duì)較小，尤其易在煤礦井下復(fù)雜的工作環(huán)境中發(fā)生故障和安全隱患；后者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能平穩(wěn)可靠、維護(hù)方便[43-44]。高性能全液壓自動(dòng)智能換向控制系統(tǒng)、井下小型可移動(dòng)式注漿裝備仍需要深入研發(fā)。

除了注漿設(shè)備的研發(fā)，監(jiān)測(cè)設(shè)備、超深原位取樣、原位檢測(cè)、投料裝備的研發(fā)對(duì)煤礦區(qū)礦井水污染防控技術(shù)的發(fā)展也非常重要。煤炭開(kāi)采已進(jìn)入千米深井，一方面超深含水層原位取樣難度大，取樣設(shè)備缺乏；另一方面，原位取樣后能夠?qū)λ|(zhì)情況進(jìn)行快捷、方便的原位測(cè)試儀器也很缺乏，且原位測(cè)試的指標(biāo)也非常有限，一般只能檢測(cè)pH值、溫度、電導(dǎo)率、溶解氧、氧化還原電位等。應(yīng)當(dāng)加快推進(jìn)礦井水污染物檢測(cè)領(lǐng)域便攜式快速檢測(cè)裝備、高靈敏快速檢測(cè)裝備、超深樣品信息采集技術(shù)、投料裝備以及智能化原位監(jiān)測(cè)裝備的研究開(kāi)發(fā)進(jìn)度，增強(qiáng)煤礦區(qū)地下污染物原位監(jiān)測(cè)和檢測(cè)技術(shù)能力，滿足礦井水污染防控調(diào)查評(píng)估需要。礦井水在采空區(qū)緩沖的過(guò)程中可以投加吸附材料、微生物功能物種提高其凈化能力。有關(guān)井下自適應(yīng)投料裝備亟需研發(fā)，根據(jù)不同水文地質(zhì)條件下采空區(qū)凈化能力可自動(dòng)調(diào)節(jié)投料量，實(shí)現(xiàn)定時(shí)定量投料，以達(dá)到最大的礦井水預(yù)處理效果。當(dāng)前能滿足2 000 m以下深部含水層溫度、壓力和pH值在線監(jiān)測(cè)，并且具有耐壓、耐溫、超低功耗、智能補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)的監(jiān)測(cè)設(shè)備依然缺乏。

5 結(jié)論

a.根據(jù)全國(guó)201座煤礦的統(tǒng)計(jì)，得出常量離子為礦井水超標(biāo)的主要成分，鐵、錳含量超標(biāo)比較常見(jiàn)，有毒有害物質(zhì)、有機(jī)污染物含量少、占比小，少數(shù)礦井水中含有有益元素。但不同污染物對(duì)地下水污染的貢獻(xiàn)量以及礦井水中污染因素的宏觀分布仍存在諸多科學(xué)問(wèn)題。

b.煤礦區(qū)礦井水在地下含水層的污染成因–演化–運(yùn)移–擴(kuò)散的全過(guò)程受到多種因素的影響，提出了不同水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)下物理–化學(xué)作用所起的主導(dǎo)作用，時(shí)間效應(yīng)對(duì)水質(zhì)演化的影響，微生物群落結(jié)構(gòu)特征及其與環(huán)境的相關(guān)關(guān)系，水動(dòng)力場(chǎng)–化學(xué)場(chǎng)–微生物場(chǎng)–溫度場(chǎng)的多場(chǎng)耦合等亟需解決的科學(xué)問(wèn)題。

c.基于礦區(qū)污染識(shí)別、源頭和過(guò)程阻斷、污染水量和污染物量消減的思路，以阻斷、減量和保護(hù)為核心構(gòu)建了精準(zhǔn)、高效的煤礦區(qū)礦井水污染防控技術(shù)體系。通過(guò)各種可行的技術(shù)、方法、工藝，盡最大可能降低噸煤礦井水處理成本，開(kāi)展井下預(yù)處理、地面深度處理、超深回灌封貯、生態(tài)利用等。

d.應(yīng)當(dāng)加快推進(jìn)原位監(jiān)測(cè)、超深取樣、高靈敏快速檢測(cè)、投料裝備的研發(fā)，研發(fā)出適應(yīng)污染過(guò)程監(jiān)測(cè)與防控裝備，包括礦井水污染物防控領(lǐng)域便攜式快速檢測(cè)裝備、高靈敏快速檢測(cè)裝備、超深樣品信息采集技術(shù)、投料裝備以及智能化原位監(jiān)測(cè)裝備等，增強(qiáng)煤礦區(qū)污染物現(xiàn)場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)、采樣和檢測(cè)技術(shù)能力，滿足礦井水污染調(diào)查評(píng)估需要。

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Mine water drainage pollution in China’s coal mining areas and the construction of prevention and control technical system

SUN Yajun1,2, XU Zhimin1,2, LI Xin1, ZHANG Li1, CHEN Ge1, ZHAO Xianming1, GAO Yating1, LIU Qi1, ZHANG Shangguo1, WANG Weijun1, ZHU Lulu1, WANG Sheng1

(1. School of Resources and Geosciences, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2. National Professional Center Laboratory of Basic Research on Mine Water Disaster Prevention and Control Technology, Xuzhou 221116, China)

Mining activities are bound to produce enormous mine water drainage. Mine water in China shows relatively poor water quality and high cost of water treatment and other problems. Firstly, the main characteristics of mine water quality in China’s typical mine areas are clarified in this paper: conventional ions are the main chemical components causing poor mine water quality; mine water has a small proportion of toxic and harmful substances, which is generally better than the quality standard of class Ⅲ groundwater. Secondly, some scientific issues on the formation and evolution of mine water quality are discussed in detail, including the leading role of physical-chemical effects under different hydrogeological structures, the influence of time effect on water quality evolution, the relationship between microbial community structure characteristics and environmental factors, the multi-field coupling of hydrodynamic field, chemical field, microbial field and temperature field. Then, this paper mainly introduces the prevention and control techniques of mine water pollution where on the premise of reducing the amount of water inrush and the protection of water resources, with the goal of realizing the coordinated mining of coal and water resources and the green mining, and the main ideas of “block, reduction and protection” for prevention and control of mine water, scientific issues such as mine water blocking technology, pollution substances reduction technology and pollution area restoration and treatment are analyzed. The cost of coal mine water treatment can be minimized through various existing technologies, methods and processes, such as underground pretreatment, surface in-depth treatment, super deep recharge and storage, ecological resources utilization. Finally, the paper puts forward the development of blocking materials, adsorption materials, grouting equipment, monitoring equipment, feeding equipment, in-situ sampling and detection equipment for groundwater and pollutants in coal mine areas, forming the technical system of mine water pollution prevention and control in coal mine areas. The construction of this technical system provides theoretical and technical support for green mining, the prevention and control of deep groundwater pollution in coal mine areas, the prevention and control of water pollution in closed mines, the protection and utilization of groundwater resources and ecological environment in mine areas.

coal mine areas; mine water; pollution prevention and control; block; reduction; protection

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語(yǔ)音講解

X52；P641

A

1001-1986(2021)05-0001-16

2021-08-15；

2021-08-30

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2019YFC1805400)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(2020ZDPY0201)

孫亞軍，1963年生，男，安徽渦陽(yáng)人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榈V井水害防治與污染防控.E-mail：syj@cumt.edu.cn

孫亞軍，徐智敏，李鑫，等. 我國(guó)煤礦區(qū)礦井水污染問(wèn)題及防控技術(shù)體系構(gòu)建[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(5)：1–16. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.001

SUN Yajun，XU Zhimin，LI Xin，et al. Mine water drainage pollution in China’s coal mining areas and the construction of prevention and control technical system[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(5)：1–16. doi: 10.3969/ j.issn.1001-1986.2021.05.001

(責(zé)任編輯 周建軍)