神府矿区井下综采设备检修过程中矿井水水质变化特征

杨 建，王强民，王甜甜，张溪彧

(1.煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室，北京 102211; 2.中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西 西安 710054)

煤炭资源开采过程中产生的矿井水往往含有大量煤屑、粉尘等杂质，悬浮物质量浓度较高，并含有一定量的氨氮[1]、重金属[2]、有机物[3]和微生物等，矿井水未经处理外排会污染地表水和地下水环境[4-5]，破坏地表景观，使土壤板结、盐渍化和土壤贫瘠化[6]，产生较为严重的生态环境负效应[7]。在西部干旱半干旱的鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田，井下矿井水主要来自两个方面:一是开采覆岩破坏沟通上覆含水层，导致含水层水进入采空区，水质接近地下水，较干净;二是井下生产生活形成的各种废水(设备、降尘、人类活动等)，水中污染物来源较复杂，是矿井水中污染组分的主要来源。井下生产生活废水中综采工作面矿井水的污染程度较为严重，工作面回采过程中产生了大量的悬浮颗粒(煤粉和岩粉)，导致综采工作面矿井水中浊度、COD等指标严重超标，但由于矿井水中COD以煤粉为主，可生化性较低，这些指标经常规水处理工艺即可有效去除。综采工作面矿井水来自正常煤炭生产阶段和设备检修阶段，其中设备检修阶段产生的矿井水才是污染最严重的，既产生大量煤岩粉尘，又排放检修废油等，导致矿井水中有机污染物质量浓度较高，增加了矿井水的处理回用难度，大大危害水环境和生态环境。然而，目前针对综采工作面主要开展了顶板[8]、粉尘[9]、瓦斯[10]和水处理[11]等方面的研究，鲜有工作面回采过程中矿井水污染(特别是设备检修过程中)方面的研究报道。为了解综采设备检修过程中污染物释放规律，以鄂尔多斯盆地浅埋黄土沟壑型矿井为例，开展了综采工作面矿井水水质变化规律研究。

1 研究区概况

晋陕蒙接壤区的神府东胜矿区，总面积约2.2万km2，预测储量约6 690亿t，探明储量约2 300亿t，含煤地层为侏罗系延安组，煤炭资源丰富、煤质好，煤层埋藏浅，地质构造简单，生产成本低，已经建设了一批大型、特大型一体化煤矿，根据煤炭工业发展“十三五”规划(国家发展改革委 国家能源局)，2020年研究区内神东和陕北基地的煤炭产量将达到11.6亿t。研究区地表为生态环境脆弱的黄土峁梁和风积沙，中间赋存着第四系或中生代地下水，下伏丰富的侏罗纪煤炭，整体上构成了有机联系的生态环境-水资源-煤炭资源系统。区内主要有黄河水系和全省惟一的内陆水系(红碱淖)，多以羽状和树枝状排列;多年平均降水量300～500 mm，蒸发量一般为降水量的4～6倍，煤炭资源开发与生态环境、水资源保护之间的矛盾非常尖锐[12]。

研究区位于陕北黄土高原北端的神府矿区(图1)，属于黄土沟壑地貌，因受不同方向发育的沟谷侵蚀切割，梁峁相间发育，形态各异，沟谷陡峭而狭窄，地形支离破碎，植被稀少，水土流失严重。由于上覆第四系和基岩富水性较弱，煤炭开采过程中矿井涌水量为40.0～50.0 m3/h，工作面涌水量<10.0 m3/h，属于浅埋缺水型矿井。

图1 研究区位置Fig.1 Schematic map of research area location

2 材料与方法

2.1 样品采集

为了开展鄂尔多斯盆地浅埋缺水型矿井综采设备检修过程中矿井水水质变化特征研究，以工作面综采设备检修的整个过程为样品采集时间轴，整个检修时间大约2.0 h，同时兼顾工作面正常回采和采空区的矿井水样品采集。采样点主要位于两个地点，采空区水样(1号)采集自采空区与运输巷夹角处水窝，其他水样(2～8号)采集自工作面与运输巷夹角处积水点，采空区与综采工作面之间有一个人工土坝，阻隔了两个取样点的水力联系，具体取样位置和时间见表1和图2。另外，由于综采设备用水来自悖牛川水源地，在本矿井附近的悖牛川河段采集了3个水样(9～11号)。

2.2 样品检测分析

根据《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)和《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)，共检测了感官性状及一般化学指标、微生物指标和毒理学指标共35项，检测方法依据《生活饮用水卫生标准检验方法》(GB/T 5750—2006)。常规阴阳离子利用ICS1500高效型离子色谱仪(美国戴安公司)检测;重金属采用AFFS-2202原子荧光光度计检测;pH利用FG2-FK型pH计(瑞士梅特勒公司)检测;氨氮采用纳氏试剂光度法(A)检测，检测设备为vis-723型可见分光光度计(北京瑞利分析仪器公司);TOC含量的检测采用multi N/C 2100专家型总有机碳/总氮分析仪(德国耶拿)，水样经0.45 μm滤膜过滤后，取滤出液检测;三维荧光光谱(Three Dimensional Excitation Emission Matrix Fluorescence Spectroscopy，3DEEM)采用HITACHI F-7000型荧光分光光度计检测，数据采用Origin软件处理，以等高线图表征(检测单位:清华大学核能与新能源研究院);总大肠菌群采用多管发酵法。采用CorelDraw 12和Excel 2010处理相关数据和绘制图件。

表1 样品采集过程中样品点基本情况
Table 1 Distribution of sample points in undergroundcoal mine

取样点序号采样编号时间/min备注1号采空区0来自架后采空区2号检修前0正常生产结束后3号检修0120设备检修开始4号检修0240设备检修过程中5号检修0360设备检修过程中6号检修0490设备检修过程中7号检修05120设备检修结束8号综采开始150综采生产开始后9号地表水1—悖牛川河段上游10号地表水2—悖牛川河段中游11号地表水3—悖牛川河段下游

图2 综采设备检修过程水样采集点布置Fig.2 Water sampling point location during fully mechanized mining equipment maintaining

3 结果与讨论

3.1 离子组分

3.1.1常规离子

图3 TDS质量浓度变化特征Fig.3 Variation characteristics of TDS concentration

图4 主要离子质量浓度百分比关系Fig.4 Concentration relationship diagram of major ions

图和Cl-质量浓度变化特征Fig.5 Variation characteristics of and Cl- concentration

3.1.2氮素

图6 氨氮和硝酸盐质量浓度变化特征Fig.6 Variation characteristics of ammonia nitrogen and nitrate concentration

3.1.3F-和Mn2+

(1)

锰在地壳中属于丰度较高的元素(0.1%)，研究区原煤中Mn2+含量在5.2～262.1 mg/kg[18]，在漫长的地质沉积进程中，含水层一直处于还原环境，Mn2+O2被还原并以二价离子形态运移至地下水，较低的pH值和还原环境是Mn2+质量浓度较高的主要因素，采空区水中Mn2+低于检出限，与水样pH=7.68和较氧化环境较为一致;设备检修和正式回采过程中，矿井水中Mn2+质量浓度升高，则与煤中锰元素的释放有关。另外，铅和锌离子在设备检修和回采过程中也出现了质量浓度升高的现象，表明煤炭开采会导致多种重金属元素进入矿井水中。

图7 氟和锰离子质量浓度变化特征Fig.7 Variation characteristics of F- and Mn2+ concentration

3.2 微生物指标

工作面矿井水中总大肠菌群等微生物指标主要是由于人类生产活动引起的，由图8可以看出，采空区水中总大肠菌群和菌落总数分别为0 CFU/100 mL和93 CFU/100 mL，均满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)和《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)Ⅲ类;设备检修前，总大肠菌群升至7.0 CFU/100 mL，菌落总数降至23.0CFU/100 mL，表明该阶段微生物指标不会显著增加;设备检修阶段，总大肠菌群和菌落总数显著增加，分别达到2～11 CFU/100 mL(平均6.6 CFU/100 mL)和113～780 CFU/100 mL(平均442 CFU/100 mL)，均大大超过《生活饮用水卫生标准》和《地下水质量标准》Ⅲ类;正式回采后，总大肠菌群和菌落总数又分别降至0 CFU/100 mL和235 CFU/100 mL。另外，设备检修过程中，大部分水样中粪大肠菌群也出现了2～7的超标。整个过程表明，微生物污染在工作面设备检修阶段最严重。

图8 菌落总数和总大肠菌群变化特征Fig.8 Variation characteristics of total bacterial count and total coliform group

3.3 有机组分

耗氧量主要反映的是水中有机污染程度，采空区水中耗氧量质量浓度为3.12 mg/L(图9)，略高于《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)Ⅲ类标准;设备检修前，耗氧量质量浓度为4.32 mg/L，与采空区水接近;进入设备维修阶段，耗氧量从4.32 mg/L迅速升至13.3 mg/L，并稳定在12.6～14.3 mg/L;正式回采后，矿井水中耗氧量降至10.6 mg/L。

图9 耗氧量变化特征Fig.9 Variation characteristics of COD concentration

图10 TOC含量和UV254变化特征Fig.10 Variation characteristics of TOC and UV254 concentration

3.4 DOM荧光光谱特征

矿井水中有机物种类繁多，对其进行逐一分析和鉴定是不现实的，三维荧光光谱(Three-Dimensional Excitation Emission Matrix Fluorescence Spectrum，3DEEM)是表征污废水中天然有机物、人工合成有机物、微生物代谢产物的有效手段，这些有机物结构中的官能团具有不同荧光特性[19-20]，利用3DEEM可以获得激发波长和发射波长同时扫描的荧光光峰，是一种非常有用的光谱指纹技术。由图11可知，采空区(1号)和设备检修前(2号)主要出现了类酪氨酸(Ⅰ区)和类色氨酸(Ⅱ区)有机质，Ⅰ区位于(λEX=245.0 nm，λEM=308.0 nm)，其中，λEX，λEM分别为激发波长和发射波长，荧光峰强度(Fluorescence Intensity，FI)分别为554.9和574.0。Ⅱ区位于(λEX=230.0 nm，λEM=340.0～344.0 nm)，FI分别为506.4和686.0，2号水样中两种芳香族蛋白类物质均略大于1号水样，且均主要来源于人类活动废水[21]和煤溶出有机质[22]。综采设备开始检修后，主要出现了类富里酸(Ⅲ区)和类腐殖酸(Ⅴ区)有机质，Ⅲ区位于(λEX=235.0 nm，λEM=398.0～404.0 nm)，Ⅴ区位于(λEX=295.0 nm，λEM=404.0～406.0 nm)，初期(3号)FI值较大，Ⅲ区FI=1 215.0和Ⅴ区FI=3 815.0;检修中后期FI在541.7～918.6(Ⅲ区)和1 732.0～2 471.0(Ⅴ区)内波动，Ⅲ区主要为多环芳烃类物质[23-24]，Ⅴ区则主要为石油类物质，说明综采设备检修会导致矿井水中多环芳烃和石油类污染物的显著增加;正式回采后(8号)，则主要出现了3个荧光峰(Ⅰ区、Ⅲ区和Ⅴ区)，FI分别为501.0,699.1和878.3，其中Ⅲ区和Ⅴ区FI远低于设备检修过程中矿井水的FI，对比采空区和设备检修过程中矿井水中DOM三维荧光特征，表明煤炭开采会使人类活动排出有机物、设备用油、煤溶出有机物等进入矿井水中。

4 结 论

(1)研究区顶板侏罗系基岩含水层长期的水岩相互作用，导致地下水中TDS质量浓度普遍大于1 000 mg/L，煤炭开采覆岩破坏沟通含水层，地下水进入采空区，使采空区矿井水中常规阴阳离子质量浓度具有基岩含水层水的特征(TDS=1 348.0 mg/L)。

(2)工作面综采设备检修过程中，低TDS质量浓度设备用水的使用，导致矿井水中TDS质量浓度降至1 296.0～1 316.0 mg/L，工作面正式回采后，矿井水中TDS质量浓度仍比较接近，且这个过程中主要阴阳离子质量浓度百分比变化不大。

图11 矿井水中DOM三维荧光光谱Fig.11 Three dimensional fluorescence spectrum of DOM in mine water

(4)设备检修会导致矿井水中COD,TOC含量,UV254等有机物指标的显著增加，3DEEMs则进一步证明，采空区和设备检修前的矿井水中主要存在人类活动废水和煤溶出有机质，设备检修期间矿井水中主要存在多环芳烃和石油类污染物，且荧光强度非常高，正式回采期间矿井水中则存在人类活动排出有机物、设备用油、煤溶出有机物等。