魯敬姑 周華 歐陽(yáng)光明 劉朝暉

(湖南省和清環(huán)境科技有限公司 湖南長(zhǎng)沙 410000)

煤炭是我國(guó)的重要能源，在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中長(zhǎng)期占主導(dǎo)地位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前探明的煤炭資源儲(chǔ)量為1 500 億t，我國(guó)煤炭資源可開(kāi)采儲(chǔ)量排行全球第四[1]，且是全球最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)。而全國(guó)平均每采1 t煤，排放礦井水2.1 t[2]。同時(shí)大規(guī)模高強(qiáng)度煤炭開(kāi)采伴隨著礦區(qū)地下水pH大幅度下降，地下水水位降低以及重金屬離子（如鐵、錳）超標(biāo)等問(wèn)題，對(duì)周邊環(huán)境及生態(tài)造成嚴(yán)重的危害。20 世紀(jì)90 年代我國(guó)煤礦數(shù)量多達(dá)約10萬(wàn)個(gè)[3]，因?qū)γ旱V產(chǎn)業(yè)大力度整改，隨著我國(guó)眾多小型礦山淺部資源逐漸枯竭、能源供給結(jié)構(gòu)改革、淘汰落后產(chǎn)能等政策的實(shí)施，截至2020 年，我國(guó)煤礦數(shù)量已減少至不足5 000 處[4]，廢棄煤礦是煤礦生命周期的最后階段，閉坑礦山的存在，會(huì)形成劣質(zhì)礦井水，污染地下水與地表水，危害城鄉(xiāng)供水，造成地表二次塌陷與山體滑坡，影響高層建筑地基穩(wěn)定或致建筑物破裂等負(fù)效應(yīng)等。因此，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)地下水污染治理的重要組成部分。近年來(lái)，我國(guó)的地下水污染治理工作逐漸引起主管部門的關(guān)注，地下水污染治理的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和治理體系逐步形成了較規(guī)范的流程，并取得了不錯(cuò)的進(jìn)展[5]。但是煤礦區(qū)地下水污染問(wèn)題是近數(shù)十年才引起較大關(guān)注[6]。該文旨在通過(guò)闡述及分析礦坑封閉后的地下水污染問(wèn)題類型及其相應(yīng)的治理技術(shù)，為規(guī)范煤礦區(qū)地下水污染治理與防治技術(shù)提供技術(shù)支撐，對(duì)未來(lái)煤礦區(qū)地下水污染治理方向提出進(jìn)一步的思考。

1 煤礦區(qū)場(chǎng)地的污染類型及特點(diǎn)

1.1 煤礦區(qū)場(chǎng)地礦井水污染類型

礦山開(kāi)采期間，在井田中的斷層構(gòu)造，底板采動(dòng)裂隙，人為施工的各類井孔等會(huì)成為污染通道，對(duì)地下含水層或地表水產(chǎn)生威脅。目前，礦井水污染類型主要有六大類型，分別為高懸濁物、高氟離子、高硫酸鹽、高礦化度、高酸性礦井水以及含特殊污染物組分的礦井水（主要是鐵離子、錳離子）。在實(shí)際場(chǎng)地中，上述六類污染類型存在交叉重疊，這使問(wèn)題變得更加復(fù)雜。因此，明確煤礦區(qū)地下水污染的形成機(jī)理，是有效治理實(shí)際的地下水污染的前提。目前，對(duì)礦井生產(chǎn)和閉坑階段的地下水情況，煤礦開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的地下水污染上述6 種類型都可能發(fā)生。硫化物、黃鐵礦等礦物是造成上述污染的重要原因，而各地區(qū)煤系地層中含量不同，其產(chǎn)生的礦井水化學(xué)類型也不同。通常來(lái)說(shuō)，在寧東、山西、魯西和新疆礦區(qū)等北方地區(qū)，高礦化度地下水占比相對(duì)較高，而西南地區(qū)的云貴礦區(qū)鐵錳礦井水、酸性水比較普遍。

1.2 煤礦區(qū)的地下水污染模式

1.2.1 淺層地下水污染模式

目前，煤礦區(qū)的地下水污染大部分在地表淋濾-塌陷坑水和地下含水層的水壓差補(bǔ)充淺層地下水的過(guò)程中發(fā)生的。當(dāng)?shù)V井降雨水時(shí)使得淺層地下水位上升，在伏隔帶的污染物會(huì)隨即進(jìn)入地下含水層。而煤炭開(kāi)采過(guò)程中或礦坑關(guān)閉后，礦坑塌陷的積水會(huì)不斷增加，則淺層水位持續(xù)上升以彌補(bǔ)污染潛水，導(dǎo)致污染更深的地下含水層，造成更為嚴(yán)重的污染問(wèn)題。

1.2.2 深層地下水污染模式

含水層本身相互補(bǔ)給和各含水層串層是造成深層地下水污染的主要原因。煤炭中的有害元素在水中與空氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)，由于斷裂場(chǎng)和滲流場(chǎng)的影響，可進(jìn)一步污染含水層。另外，水壓的變化使問(wèn)題更為復(fù)雜。采礦活動(dòng)以及采礦伴隨的裂縫結(jié)構(gòu)（斷層塌陷柱）等，含水層會(huì)低于初始水頭，使得水壓高的含水層能得到補(bǔ)充，隨即改變之前的補(bǔ)充路線，破壞原有的水化學(xué)場(chǎng)，改變水體污染煤層中各含水層底板，頂板以及地面含水層位置，造成跨層污染。一般來(lái)說(shuō)深部礦井關(guān)閉后分兩種形式：（1）當(dāng)先被污染的淺層含水層，在礦井關(guān)閉后地下水位回升，當(dāng)水位高于底部封閉水頭時(shí)，被污染的礦井和淺層含水層通過(guò)防水層的天窗向底部封閉水供應(yīng)；（2）當(dāng)先被污染的是底層承壓水時(shí)，淺層含水層低于承壓水水位，特別是礦井關(guān)閉后，通過(guò)水渠污染淺層水體由于礦井水無(wú)法排出，會(huì)堆積在礦井水在廢棄的井口或回泉處。而被污染的水體通過(guò)廢棄的礦坑裂隙結(jié)構(gòu)等渠道供給水層、溢流面，甚至造成更大范圍的污染。

2 煤礦區(qū)地下水污染治理關(guān)鍵技術(shù)

煤礦區(qū)地下水污染的研究應(yīng)包括污染的形成和污染物來(lái)源渠道的遷移和擴(kuò)散路徑。以閉坑礦井為例，煤礦區(qū)地下水污染過(guò)程見(jiàn)圖1。從減少礦井水流入和污染負(fù)荷排放看，治理方法有堵源、堵道、減程、末端治理、含水層保護(hù)、資源利用等。從空間角度分析，煤礦地下水治理也需科學(xué)地實(shí)現(xiàn)地下全空間聯(lián)動(dòng)防治。針對(duì)礦井閉坑問(wèn)題，在查明礦井污染源、污染通道，結(jié)合計(jì)算水質(zhì)演化特征的基礎(chǔ)上，采用通道阻截注漿工藝，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水污染通道阻斷—原位修復(fù)—抽出處理。

圖1 閉坑礦井地下水污染過(guò)程示意

以酸性礦井排水為代表的煤礦區(qū)地下水污染治理可分為主動(dòng)處理和被動(dòng)處理兩大類，具體見(jiàn)圖2。主動(dòng)治理技術(shù)是利用物理或化學(xué)手段去除水中污染物的技術(shù)，常用于大規(guī)模污水處理中，包括中和法、阻隔技術(shù)、硫化物沉淀法、硫酸鹽還原菌反應(yīng)器等，目前國(guó)內(nèi)最常用的是中和法，常用的中和材料有石灰石、粉煤灰和赤泥等。被動(dòng)處理技術(shù)依靠化學(xué)和生物作用降低水中的酸度，主要包括阻隔技術(shù)、抽出處理技術(shù)、人工濕地、開(kāi)放石灰石溝、缺氧石灰石溝、石灰轉(zhuǎn)換井、連續(xù)產(chǎn)堿系統(tǒng)和可滲透反應(yīng)墻。研究表明，采用混凝沉淀+過(guò)濾工藝處理高懸濁物礦井水可取得較好效果。PAC與PAM的配合施用對(duì)礦井水中懸浮物的去除作用明顯。而針對(duì)非酸性含鐵錳礦井水，則偏向于使用混凝沉淀+錳砂過(guò)濾工藝，其中錳砂過(guò)濾對(duì)鐵錳離子去除效果較好。以下詳細(xì)介紹幾種治理技術(shù)。

圖2 礦井地下水治理技術(shù)

2.1 物化修復(fù)

2.1.1 膜分離技術(shù)

目前，最常用的膜分離技術(shù)是反滲透技術(shù)和電滲析技術(shù)。借助于半透膜的作用，反滲透法在壓力為30～70 kg/cm2的條件下，對(duì)低分子有機(jī)物、無(wú)機(jī)鹽類、細(xì)菌和病毒等物質(zhì)進(jìn)行有效分離和去除。近年來(lái)，生產(chǎn)中常用的是電滲析技術(shù)，是指在外加電場(chǎng)的作用下，利用陰陽(yáng)離子交換膜的選擇透過(guò)性，將溶質(zhì)和溶劑分離。該技術(shù)在1991 年前蘇聯(lián)頓涅茨等煤礦中用來(lái)淡化礦井水。

2.1.2 藥劑法

對(duì)水質(zhì)較好的礦井水?dāng)嗝娌捎镁骂A(yù)處理方法（老礦區(qū)通過(guò)添加吸附材料微生物進(jìn)行緩沖）。例如：將堿石灰、高爐渣、粉煤灰等堿性中和劑以及PAM 助凝劑等投放到地下礦井中，在礦井水酸化過(guò)程中進(jìn)行中和、絮凝沉淀，降低礦井水pH值、硫酸鹽以及鈣離子含量。對(duì)水質(zhì)較差的斷面則需要配合分段提取技術(shù)，將污染水體抽提后在地表借助化學(xué)藥劑進(jìn)行深度處理。崔鵬飛[7]將原來(lái)的煤礦地下污水池改造成添加10%PAC和5%PAM混凝沉淀池，處理后的礦井水濁度為2.8 NTU，懸浮物濃度為4.9 mg/L，完全滿足地下水水質(zhì)要求。根據(jù)煤礦的實(shí)際情況和水質(zhì)要求以及井下技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，井下用礦泉水處理的新工藝每年可節(jié)約資金約30 萬(wàn)～40 萬(wàn)元。狄軍貞等人[8]通過(guò)添加無(wú)煙煤和鋼渣、石英砂、沸石等活性材料有效治理有機(jī)物，氮、磷和重金屬離子污染的礦井地下水。研究表明，投放物化材料或藥劑是源頭控制的有效手段，但一般在短期內(nèi)較為有效。長(zhǎng)時(shí)間的防控效果會(huì)有所減弱甚至逐漸投加的藥劑不增加則會(huì)失效。

2.2 阻隔技術(shù)

利用灌漿材料在煤礦區(qū)周圍建立阻隔簾。對(duì)于地下礦井水的污染，首先，杜絕污染源。在保證礦井水與外界水力聯(lián)系的基礎(chǔ)上，使用能夠降解和吸附污染物的材料。針對(duì)封礦區(qū)跨床污染井的特殊情況，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)淖{材料和注漿技術(shù)，自下而上地阻斷污染礦井水，同時(shí)切斷污染礦井水與其他含水層的聯(lián)系。最后，通過(guò)壓水試驗(yàn)確認(rèn)堵漏后的堵漏效果，再采用原地修復(fù)以及不同分段提取技術(shù)，對(duì)污染水體進(jìn)行處理。其中，灌漿材料是關(guān)鍵。目前，市面上常見(jiàn)的灌漿材料主要有無(wú)機(jī)類灌漿材料（以水玻璃類和水泥類為主）和有機(jī)高分子類灌漿材料（以丙烯酸鹽類、環(huán)氧樹(shù)脂類、木質(zhì)素類、聚氨酯類為主）。另外，新型膨脹吸附類灌漿材料以及可在井下轉(zhuǎn)化礦井水中污染物的微生物材料是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

2.3 原位生物修復(fù)

原位生物修復(fù)（ISB）融合了微生物學(xué)、化學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)和工程學(xué)的知識(shí)，為煤礦區(qū)地下水污染治理提供了策略。針對(duì)酸性礦井水，除了傳統(tǒng)的治理技術(shù)如人工濕地、厭氧硫酸鹽還原生物反應(yīng)器、缺氧石灰石排水、開(kāi)放式石灰石通道、石灰石浸出床和礦渣浸出床外，還提出新興的治理處理技術(shù)，比如植物修復(fù)等。

3 煤礦區(qū)地下水污染防控技術(shù)發(fā)展方向

煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染治理已成為當(dāng)前環(huán)保行業(yè)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。針對(duì)保水開(kāi)采、閉坑礦井地下水治理以及采煤塌陷區(qū)積水處理等技術(shù)的研究得到國(guó)家的日益重視。而中東部閉坑礦井?dāng)?shù)量增多使得閉坑礦井地下水污染問(wèn)題日益突出。因此，研究和闡明礦井閉坑過(guò)程中地下水污染演變規(guī)律刻不容緩。閉坑礦井地下水污染關(guān)鍵技術(shù)也成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。未來(lái)相關(guān)工作者需要從封礦區(qū)地下水酸性、高鹽度等污染源控制方法出發(fā)，提出煤礦區(qū)地下水污染防控技術(shù)發(fā)展方向：（1）重點(diǎn)開(kāi)發(fā)源頭物性轉(zhuǎn)化封存和分離源頭技術(shù)；（2）深入分析鐵、錳、硫酸根離子等污染特征離子的污染歸趨，并結(jié)合地下水水力學(xué)模型，闡明地下水污染反應(yīng)屏障的過(guò)程和位置的構(gòu)效關(guān)系，以開(kāi)發(fā)高效的滲透性反應(yīng)屏障阻隔技術(shù)；（3）將煤礦區(qū)地表及地下水污染濕地生態(tài)工程、微生物注氣投菌原位修復(fù)方法相結(jié)合，形成高效的閉坑礦井地下水污染生態(tài)修復(fù)技術(shù)。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，煤礦區(qū)地下水污染治理技術(shù)將得到進(jìn)一步創(chuàng)新，其處理效果也將得到提高。而在過(guò)去的煤礦區(qū)地下水污染處理技術(shù)研究中，雖然很多研究機(jī)構(gòu)都取得了很大的突破，但它們之間的聯(lián)系比較薄弱，處于獨(dú)立研究的狀態(tài)。因此，在今后的發(fā)展中，應(yīng)加強(qiáng)各研究領(lǐng)域的整合與聯(lián)系，形成技術(shù)研究的統(tǒng)一整體。同時(shí)，政府應(yīng)發(fā)揮引導(dǎo)作用，制定相關(guān)政策，促進(jìn)和支持煤礦區(qū)地下水污染治理技術(shù)的研究。