余小林，王沙沙，章 玥，戴慧珍，孫文博

（龍巖學院 資源工程學院，福建 龍巖 364012）

據(jù)相關數(shù)據(jù)表明，2010年到2021年我國平均煤炭年產(chǎn)量為34.36億t，煤炭資源需求量大，大量開采使煤礦區(qū)資源枯竭。近幾年，十四五規(guī)劃和雙碳目標的實施，一些中小型煤礦進行資源整合與關閉，進而增加了許多的廢棄礦井。礦井廢棄以后，礦井水位回升，伴隨污染物的礦井水通過斷層、裂隙、封閉不好的鉆孔等通道造成地下水不斷污染，加之廢棄礦井地下水動力場和水化學環(huán)境高度復雜，導致地下水污染的防治難度較大。國外從20世紀90年代就重視和探討了關于廢棄礦山產(chǎn)生的地下水污染問題，我國與其他發(fā)達國家開展了相關的實驗，檢測與管理措施。目前，大部分研究聚焦于酸性礦山地下水對土壤、植被、土壤、地下水和酸性礦山地下水的毒害作用，廢棄礦山地下水的防治與處理作為全球研究焦點領域。隨著廢棄礦井的數(shù)量增加，廢棄礦井地下水污染問題不斷增加，因此我們國家在近些年針對地下水污染進行一系列防治措施的研究。本文立足于分析閉坑礦井產(chǎn)生的水文地質(zhì)效應，按地下水的埋深不同和污染模式的成因不同，重點解析和研究各類污染的形成機制，針對閉坑礦井問題，本文結合現(xiàn)有的閉坑礦井地下水污染防治技術，提出一系列地下水污染的防治措施。

1 閉坑礦井水文地質(zhì)效應分析

一般來說水文地質(zhì)效應是指正處于開采早期或者開采階段的礦井，在人類和自然因素的作用下對礦區(qū)產(chǎn)生的地質(zhì)環(huán)境影響[1]。因近幾年政策的推行，部分中小型礦井進行整合、關停，閉坑后的礦井成為地下水主要污染源頭?？茖W研究已經(jīng)證實，水文地質(zhì)效應同樣也會發(fā)生在礦井閉坑后。

在礦山閉坑后，礦井地下水系統(tǒng)由原來自然條件下形成的地下水體系和礦井閉坑后形成復雜的地下水體系組成，水文地質(zhì)環(huán)境變得更加錯綜復雜，同時也引起了一系列復雜的水文地質(zhì)效應，其主要包括地下水含水質(zhì)、動力場、水循環(huán)和化學場的改變[2]，具體內(nèi)容如下。

（1）含水介質(zhì)的改變。礦山開挖施工過程中的各種巷道、開挖空間和采礦過程時引起巖體破碎，所形成的裂縫、斷層等導水構造，就成為了地下水收集、排泄的中心。含水結構由原本地質(zhì)環(huán)境空間逐漸被人為改造成為活動空間。開采過后的地層形成一體。隨著地下礦井開采的影響，地下水平衡被打破，含水介質(zhì)出現(xiàn)改變，使自然賦存的地下水逐漸改變并形成一種受人工活動影響的組合形態(tài)。

（2）地下水動力場和流場的改變。采礦工程的建設中許多不同的含水系統(tǒng)相互串通，在經(jīng)過礦山的閉坑以及對礦水的停止排水之后，地下水的水位將迅速回升，從而形成以礦山為核心的下降漏斗。因為原來的水系統(tǒng)已取得了一定平衡狀態(tài)，當?shù)V山的閉坑或礦水停止排出之后，原有穩(wěn)定的含水層系統(tǒng)體系又再次發(fā)生變化，使得地下水動力場產(chǎn)生復雜的變化，潛水層、承壓含水層等的水頭數(shù)值出現(xiàn)偏差，地下水的流場也為了適應礦井的閉坑出現(xiàn)改變。

（3）地下水循環(huán)系統(tǒng)的改變。礦山閉坑后，采空區(qū)、巷道等開采空隙由較高含水層進行補給，同時也作為小補給源對較低含水層進行補充。原來的工程中遺留下來的一些鉆孔、巷道形成主要排泄點加上礦井水的停止吸收與停止排放，使完全疏干的含水層再次接觸水源，并且含水空間之間產(chǎn)生更多復雜的補徑排水關系。

（4）地下水化學反應場的變化。其根本原因是地下水動力場和循環(huán)系統(tǒng)的變化。當進行采礦活動時，地下水化學反應環(huán)境由關閉狀態(tài)轉為打開狀態(tài)、還原狀態(tài)轉為氧化狀態(tài)，與一些易溶礦物質(zhì)進行化學反應，從而產(chǎn)生了巨大的酸性礦山水。閉坑后，老空區(qū)中的積水逐漸集中，礦物質(zhì)濃度也不斷上升。同時，由于礦業(yè)活動中產(chǎn)生的各類金屬、廢水等與地下水進行物理、生物化學反應下，形成的礦井水含有大量的懸浮物質(zhì)及重金屬元素。而水中稀釋的物質(zhì)會隨著地下水的補給和排泄的變化發(fā)生變化，從而加速地下水的變化。

閉坑礦井水文地質(zhì)條件的改變，可直接擴大污染范圍，因此在治理地下水污染前，要充分掌握礦井所在地及其周圍區(qū)域的水文地質(zhì)條件。

2 閉坑礦井地下水污染模式及其形成機理

閉坑礦井地下水的污染模式按地下水的埋藏深淺分成2種：淺層地下水污染和深層地下水污染，并對每一大類按照其形成機理的不同再進行亞分類。

2.1 淺層地下水污染

2.1.1 地表塌陷形成積水坑污染

通常礦區(qū)被巨厚的沙礫巖層、黏土巖層所覆蓋，由于黏土層的透水性差形成穩(wěn)定的隔水層結構。由于礦區(qū)煤層的開采，部分巖層形成采空區(qū)，導致地表失去支撐，在重力的作用下，地表形成一定的凹陷，隨之受降雨的作用，形成積水坑，積水坑接收地表污染源污染。在閉坑后，回填技術的設置不當，凹陷進一步形成塌陷，且塌陷深度不斷加深。當塌陷的坑底高度低于潛水位時，一部分的潛水進入塌陷坑中。同時，受地表污染的積水也會反過來補給潛水，形成淺層地下水污染，過程如圖1所示。

圖1 地表塌陷形成積水坑污染示意圖

2.1.2 地表堆積物淋濾污染

礦井閉坑后，堆放在地表的廢棄礦渣、廢棄設施以及人類活動后遺留下的生活垃圾等，未得到及時處理，經(jīng)空氣氧化、降雨、淋濾作用，將一些易溶污染物帶到地下，隨著降雨的作用，地下水水位發(fā)生改變，導致污染物進入潛水和淺層地下水，其污染過程如圖2所示。

圖2 地表廢棄物淋濾示意圖

2.2 深層地下水污染模式

深層地下水污染主要是初始含水層在開采中受到污染、破壞，形成以串層污染為主的深層地下水污染模式。

開采過程中制造的各種巷道及開采時造成的巖體破裂，產(chǎn)生的裂隙、斷層等都成為溝通各含水層的重要通道。受采動過程，初始含水層的水頭降低，接受來自鄰近高水壓下含水層的補給，徹底改變了原有的補給形式，影響地下水的介質(zhì)、動力場、化學場等，引起了水體的串層污染，其污染過程如圖3所示。

圖3 深層地下水污染模式示意圖

閉坑礦井后，其深部串層污染模式按淺部含水層先后及被污染的次序分成2種：一種情形是礦井閉坑后，水位產(chǎn)生回彈，原先被污染的淺部含水層水位高于底板承壓水頭，而底板承壓水利用隔水層的“天窗”接納了來自淺部含水層的污水，從而造成了由淺至深的串層地下水污染模式。

另一種污染模式與之相反，底板的承壓水先被污染后，承壓水水位超過了淺部含水層，通過巷道、采動裂隙、構造等污染淺部含水層。尤其是在礦井閉坑后，由于排水措施設置不當?shù)纫驍?shù)，導致含有污染物的煤礦廢水不能有效排放，煤礦廢水進入井筒、廢棄鉆孔、采空區(qū)及巷道等處集聚回彈，再通過各個管道、縫隙等補給淺部的含水層結構，形成從深至淺的污染模式。

地下水的污染原因涉及到物理污染、化學污染、生物污染等方面，但水動力場的改變和地下水循環(huán)是造成大規(guī)模污染的主要原因。結合上述分析，污染層位涉及較廣，復雜的水動力場和串層污染給地下水的治理帶來了困難。

3 閉坑礦井地下水污染的防治措施與技術

國外從20世紀90年代就注意到地下水污染問題并著手開始研究與治理，俄羅斯、英國、美國等國家相繼對地下水污染的治理做了大量的實驗，目前治理的方法主要有主動治理和被動治理[3]。國內(nèi)相關學者和單位于近幾年相繼開始對地下水污染進行研究與治理，本文通過總結前人的治理手段，將目前主要的防治過程要分為2個部分：閉坑前防治措施與閉坑后治理和地下水污染監(jiān)測技術。

3.1 礦井閉坑前地下水污染的防治措施

閉坑礦井水污染不能全靠閉坑后的集中治理，在開采期間也需要對污染源頭進行控制。在開采時，可采取回填法進行開采，對塌陷的程度進行控制，以此來降低礦井閉坑凹陷的程度；其次，可以改進采礦技術、改善開采工藝；接著，需要對地下水的環(huán)境有一定的掌握，來預防后期開采時遇突發(fā)的地下水環(huán)境的變化；更重要的是，應謹慎處理開采時的生活污水、礦井水調(diào)節(jié)池、混凝池及排矸場等，防止其滲入地下水，造成地下水污染；最后，對廢渣等進行二次處理、再利用，減少污染物的排放等。

3.2 礦井閉坑后地下水污染的治理措施

閉坑礦井地下水形成污染之后，應當采取一些相對應的措施進行修復，目前大多數(shù)主要治理措施有物理、化學處理方法和生物修復技術。

3.2 .1物理、化學處理方法

（1）高礦化度礦井用水處理。高礦化度礦井用水一般是指無機鹽的總濃度超過1 000 Mg/L的礦井用水，含無機鹽一般來自于Ca2+，Mg2+，Na+，K+，SO42-，HCO3-，以及Cl-等電離溶液，這一類礦水的水質(zhì)一般為中度或偏堿性，并有強烈酸澀味，所以又稱為苦鹽水。常見的前處理技術一般有：水餾法、離子交換法、膜分離法、化學藥劑法、電滲析法和反滲透法等。由于大多數(shù)使用的電滲析方法中，裝置都需要經(jīng)過嚴格的前處理，因此進入裝置的水中濁度一般要求在3度以內(nèi)，并保證Fe、Mn、Cl等的合格要求。例如，靈新煤礦礦井水屬于高礦化度礦井水，該礦井水的硬度和堿度都比較高，主要鹽分是氯化物和碳酸鹽。其具體的污水處理措施是先將大直徑固體顆粒過濾，再清除懸浮物等微粒，接著脫去大部分鹽類，最后經(jīng)過多次處理軟水和濃水后，得到可以重新再利用的礦井水。處理后的礦井水不僅可以再次用于井下作業(yè)，還可以用于綠化環(huán)境。

（2）酸性礦井水處理。由于大部分的煤含有硫礦物質(zhì)，在開采中含硫礦物質(zhì)極易與水和空氣中的氧氣接觸后會發(fā)生一定的化學反應，產(chǎn)生大量的酸性礦井水。通常使用中和法、吸收法、硫化法和高含量泥漿法等。例如，貴州省黔東南凱里市魚洞河流域龍洞泉為典型的南方喀斯特分布區(qū)，碳酸鹽巖分布廣泛，巖溶化程度比較高。飛龍煤礦礦井關停后，由于連續(xù)降雨，龍洞泉泉水混入了大約三分之一的酸性礦井水。具體的污水處理措施是通過綜合勘查技術進行調(diào)查，為后續(xù)的網(wǎng)絡動態(tài)監(jiān)測奠定基礎，最后通過注漿等綜合治理技術，龍洞泉泉水主要污染指標逐漸變好。

（3）含懸浮物礦井水的處理。含懸浮物礦井水的pH通常為中性，呈灰或黑色懸濁液體，懸浮液中主要是由不溶于水的無機物、有機質(zhì)、水泥砂漿、泥土、微生物和煤粉組成，并且含有大量細菌。通常要使用化學沉淀法，從井下或地面上除去懸浮物，接著進行混凝、沉淀、過濾及消毒等處理過程。例如西北地區(qū)的礦井水有不少為含懸浮物礦井水，最新的也是最普遍推廣的處理方法是通過化學混凝法來處理。其操作簡單易上手，容易管理和維護。

（4）含有害元素及放射元素的礦井水處理。這一類礦井水通常是指含微量有害元素和放射性元素的礦井水、含氟礦井水及高油脂含量類的礦井水[4]。一般是先除去懸浮物，然后處理未達到目標排放的廢物。通常使用電滲析技術、過濾、鋼筋混凝、氣體沉積、熱吸收、離子交換技術，以及膜技術等處理方式。

3.2.2 生物修復技術

根據(jù)對各種場所的地下水危害防治，常用技術有植被恢復技術、人工濕地和微生物恢復技術等。在自然的環(huán)境中，生態(tài)系統(tǒng)本身具有自我恢復的能力，但由于煤礦的過度開采，破壞了當?shù)氐纳鷳B(tài)平衡，生態(tài)系統(tǒng)的自我恢復能力下降或其本身承載能力遠小于環(huán)境的破壞程度，導致環(huán)境污染。人工濕地技術是投放微生物、土壤基質(zhì)到污水中，使其成為一個人工生態(tài)系統(tǒng)，然后利用生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)功能，實現(xiàn)地下水污染的凈化。微生物恢復技術是利用微生物的氧化作用及其生理新陳代謝的過程，對含有大量的硫酸根離子、重金屬離子的酸性礦井水進行修復，以減緩水質(zhì)污染。同時還存在一些真核生物能與污染物吸附，回收其中的金屬，提高經(jīng)濟效益。

3.3 閉坑礦井地下水污染的監(jiān)測與防控技術

閉坑礦井地下水污染的防控體系包括：野外實地調(diào)查、外業(yè)內(nèi)業(yè)相結合的監(jiān)測方式、分析與評估和實行防控措施等幾個環(huán)節(jié)。

3.3.1 礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)預警裝備與技術

礦山水文監(jiān)控設備是一個礦用信息收集與管理的設備。對煤礦下的水文等地質(zhì)現(xiàn)象也可以進行監(jiān)控，如溫度、水壓、流速、涌水突變量及溫度變化等，同時還可接上其他的各種礦用傳感器來收集所有的數(shù)值，然后再將所有數(shù)值進行統(tǒng)計分析，達到對礦井水害異常情況報警或預警的目的。在國內(nèi)，許多企業(yè)和各大科研類研究院、研究所對礦井水文監(jiān)控系統(tǒng)開展了長時間的科學研究，并發(fā)明了許多水文監(jiān)控系統(tǒng)裝備，比如：KJ402礦山水文監(jiān)控系統(tǒng)、KJ1588礦用水文動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、KJ628礦山水文監(jiān)控系統(tǒng)、KJ117礦山水文監(jiān)控系統(tǒng)和KJ1165智慧水文監(jiān)控系統(tǒng)等。

3.3.2 煤礦區(qū)的地下水污染監(jiān)測方法和預警技術

煤礦區(qū)場地的地下水污染監(jiān)測大多是要通過野外或實地采樣，再在實驗室里從事水質(zhì)的研究，最后與初始水體進行比較，為探討水體演化規(guī)律奠定基礎。水質(zhì)提取分析主要是分析水中的污染因子、有機物、重金屬的元素和含量、酸堿性和渾濁度等。水質(zhì)提取分析的方法有：離子電極、可見分光光度計、雙原子熒光光度計、三維熒光光譜技術及光學分析檢測技術等。

目前的礦井區(qū)場地預警技術主要是依據(jù)地下水污染程度監(jiān)測數(shù)據(jù)及其風險評價理論，通過迭置指標法、過程數(shù)學模擬法、統(tǒng)計方法及模糊數(shù)學等風險評估方式，對礦井區(qū)內(nèi)地下水污染程度作出風險評價。同時，利用計算機語言C++、NET、數(shù)據(jù)庫等開發(fā)或二次開發(fā)地下水污染評價系統(tǒng)軟件，以此來完成地下水污染風險評估和評價、地下水污染風險預測和預警、地下水污染風險決策等功能。通過將監(jiān)測數(shù)據(jù)注入預警系統(tǒng)，來實現(xiàn)預警的目的。例如，中國礦業(yè)大學馮啟言院士組織研制了廢棄礦山地下水環(huán)境污染危險性評估體系[5]。

4 結論

分析閉坑礦井產(chǎn)生的水文地質(zhì)效應可知，當含水介質(zhì)、地下水運動場、地下水循環(huán)系統(tǒng)及地下水化學反應場發(fā)生改變時，會形成一系列復雜的水文地質(zhì)效應。其形成的機理可分為淺層地下水污染和深層地下水污染兩大類：淺層地下水污染主要形成地表塌陷形成積水坑污染和地表堆積物淋濾污染；深層地下水污染主要在含水層的開采中受到污染，形成以串層污染為主的深層地下水污染模式。針對以上閉坑礦井水環(huán)境問題，可因地制宜地運用物理、化學處理方法和生物修復技術進行處理；并可綜合利用并運用地下礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)的預警裝備與提取技術、煤礦區(qū)的地下水污染監(jiān)測方法和預警技術，對礦井區(qū)內(nèi)地下水污染程度做出風險評價。