关闭煤矿酸性矿井水污染低成本可持续治理模式研究——以重庆城口宏扬煤矿为例

赵运新，王 平，侯均洪，杨洪海

重庆一三六地质队

随着重庆能源产业结构的调整，重庆煤矿整体关闭。关闭煤矿的生态环境问题接踵而至，其中酸性矿井水污染问题尤为严重，主要特点为pH值较低，且含有高浓度的硫酸盐以及多种可溶性的重金属离子。直接排放的酸性矿井水不仅污染矿区及周边水资源，还会破坏生态环境，危害农作物及水生生物的生长，严重影响当地居民的正常生活。

宏扬煤矿位于城口县城270°方位，2011年建井，2016年关闭。矿井关闭后酸性矿井水通过主平硐未经处理直接排放至地表水文网，对生态环境造成严重影响。因此，有必要对该矿井水污染治理模式进行研究，建立以自然恢复为主的低成本、可持续的管控治理体系，为影响区域地下水及地表流域的保护和治理提供理论支撑。

1 矿区地质及水文地质特征

宏扬煤矿地处大巴山南麓，群山起伏连绵，山脉多为北西～南东走向，与区域构造线方向基本一致，地形坡度25°～80°。区内标高在+834.0 m～+2 019.5 m之间，相对高差1 185.5 m，属以构造剥蚀为主的高中山地貌。

矿区出露地层有志留系下统罗惹坪组（S1lr）、中统纱帽组（S2s）、二叠系中统梁山组(P2l)、栖霞组(P2q)、茅口组(P2m)、二叠系上统吴家坪组(P3w)、大隆组(P3d)、三叠系下统大冶组(T1d)、嘉陵江组(T1j)及第四系(Q)零星分布。

矿区含煤地层为二叠系上统吴家坪组（P3w），厚约72 m，上部岩性为灰～深灰色中～厚层状灰岩，含燧石结核，下部岩性为深灰～灰黑色薄层状泥岩、钙质泥岩、炭质泥岩、铝土质泥岩及一层煤层组成，煤层编号K2，厚约0.5 m。其上覆地层为二叠系上统大隆组（P3d），厚约12 m，岩性为灰黑～黑色炭质页岩夹透镜状石灰岩及硅质岩；其下为二叠系中统茅口组（P2m），厚约136 m，岩性为浅灰～灰色块状石灰岩及硅质石灰岩。

矿区处于梆梆梁至猫儿背复向斜南翼北西段，地层倾向45°，倾角50°，走向断层发育，地质构造复杂程度中等。

矿区位于地表分水岭附近，四周沟谷深切。大气降水降落地表后，一部分经顺地层倾向发育的冲沟汇集，快速排出区外，另一部分沿含水层快速补给地下水。煤层直接充水含水层为茅口组及吴家坪组上部的灰岩岩溶含水层。含水层中的水通过岩溶裂隙、构造裂隙、采动裂隙等通道进入矿井，成为矿井水的主要来源。

宏扬煤矿采用平硐开拓，其主平硐为该矿矿井水最低排泄点，涌水量最小约50 L/s，最大约450 L/s，一般约150 L/s，其余硐口未涌水。矿区水文地质类型为Ⅲ类Ⅱ型，属以顶底板进水为主，水文地质条件中等的岩溶充水矿床。

2 矿井水污染现状

宏扬煤矿主平硐排出的矿井水感官指标浑浊，悬浮物较多，具硫磺等臭味，流经区域附着大量黄褐色水锈物。采样检测结果见表1。

表1 宏扬煤矿主平硐矿井水水质检测成果表

依据《煤炭工业污染物排放标准》[1]评价标准，宏扬煤矿主平硐矿井水pH值和总铁指标超标，其余指标不超标，属铁离子超标的酸性矿井水。目前该矿井水长期排入附近河溪，严重污染了所在流域地表水和地下水，生态环境已遭到严重破坏。

3 酸性矿井水形成机制及影响因素分析

3.1 酸性矿井水形成机制

宏扬煤矿的煤层及其围岩中含有硫化铁，由于煤炭的开采破坏了原有的还原环境，空气进入采空区，为氧化这些还原态硫化物提供了充足的氧，渗出的地下水与煤层顶、底板及残留煤柱接触，促使还原态的硫化物氧化成硫酸，进而使矿井水呈酸性[2]。

在含氧气的地下水中，硫化铁被氧化为FeSO4和H2SO4，具体过程如下：

但是在游离氧存在的条件下，FeSO4很不稳定，在酸性水中还要进—步氧化[3]。

相对FeSO4而言，生成的Fe2(SO4)3较为稳定，但还是会被水解，Fe2(SO4)3在水中水解产生游离酸和不溶于水的黄褐色褐铁矿沉淀。

3.2 酸性矿井水形成的因素分析

酸性矿井水形成的直接因素主要有四个方面，即还原态的硫化铁、氧气、水和微生物(如氧化亚铁硫杆菌等)（具体情况见表2）。而酸性矿井水形成的间接因素很多，如矿区的地质条件(矿区构造、煤层倾角、开采深度及面积、径流条件等)及开采方法等[4]。

表2 酸性矿井水形成的因素及其作用

酸性矿井水的形成过程非常复杂，是物理、化学及生物作用的共同结果。一般情况下，矿体硫含量越高，氧化条件越好，越有利于酸性矿井水形成；水交替强烈比径流停滞的地段更易形成酸性水；加上微生物细菌的作用，也更加快了硫化铁的氧化速度。

3.3 酸性矿井水的危害

酸性矿井水会对矿区及周边的生态环境造成严重的影响，具体危害如下：

（1）酸性矿井水未被处理直接排入地表水中，会使地表水体酸化，水质不断恶化，大量的鱼类、藻类及浮游生物等水生生物死亡，数量会急剧减少，限制了生物的多样性。

（2）酸性矿井水渗入到土壤中，土壤的团粒结构遭到破坏，使土壤板结严重，农作物的生长受到抑制，导致粮食大幅减产。

（3）人类长期接触酸性矿井水，会造成手脚皮肤破裂，眼睛酸痒，严重影响人类身体健康。

（4）酸性矿井水的渗透，会破坏钢筋混凝土结构，使建（构）筑物结构疏松，强度降低而受到破坏，造成严重的安全隐患。

（5）酸性矿井水具有极强的腐蚀性，在排放过程中，会腐蚀排水管道及设备，造成工程投资成本加大。

（6）酸性矿井水在排放过程中，会产生大量的氢氧化铁沉淀物附着在水体底部及两岸，导致水体底部及两岸变成红褐色，破坏自然景观，给当地的旅游观光产业带来严重的负面影响。

4 酸性矿井水治理模式研究

酸性矿井水污染治理是一项多学科交叉、技术复杂的系统工程，加之矿井水具有流动性强、隐蔽性高、污染范围广的特点，导致治理难度极大，尚未形成有效、统一、可复制的治理体系。目前，我国酸性矿井水污染治理大多是以“污水处理厂”的模式进行治理，通过人工投放化学剂的方法处理酸性矿井水，导致治理投资费用大，特别是后期运营成本非常高。

为了建立以自然恢复为主的低成本、可持续的管控体系，根据宏扬煤矿水文地质条件、水化学特征、矿井水污染物性质、来源与途径以及以往矿井水治理经验，提出矿坑封堵法和风险管控法两种治理模式。

4.1 矿坑封堵法治理模式

矿坑封堵法主要是将原硐内的氧化环境（见图1），通过建筑封闭墙对各井口、各通道进行全面封堵，阻止空气进入，防止硫化物与空气接触，使硐内环境趋近于还原状态（见图2），避免硫化铁的氧化反应的形成，抑制酸性水的生成。同时通过抬升水位，切断酸性水与地下水的水力联系，充分利用地层自净能力，达到污染源减量控酸的效果。

图1 封堵前氧化状态模型

图2 封堵后还原状态模型

该治理模式可实现如下目的：

（1）阻止硫化物与空气接触氧化，减少采空区产酸量；（2）阻断采空区酸性水与地下水的水力联系；（3）充分利用地层岩性自净能力；（4）降低经济成本[5]。

该治理模式优点为治理效果良好，属一次性投入，几乎无后期维护成本。缺点为硐内存在瓦斯气体，施工安全风险较大，发生绕渗可能性较大，处理难度大，对水文地质调查程度要求高。

4.2 风险管控法治理模式

风险管控法主要在主平硐外进行治理（治理模型见图3），其原理是充分利用空气中的氧气作为氧化剂，将主平硐流出的酸性矿井水流经多级跌坎+曝气池，经过多次曝气充氧以后，将Fe2+氧化为Fe3+，并以氢氧化物沉淀的形式析出，再通过沉淀、过滤以后，能够有效去除铁离子，改善酸性水质。除铁氧化反应式如下：

图3 风险管控法治理模型

4Fe2+＋O2+2H2O＝4Fe3++4OH-

该治理模式实现目的：

（1）将酸性矿井水与空气充分曝气接触氧化；（2）将Fe2+氧化为Fe3+通过沉淀析出；（3）合理利用矿区土地；（4）降低经济成本。

该治理模式优点为施工难度小，安全风险小。缺点为治理效果相对较差，管控区域仍存在水污染问题，影响自然景观，虽后期维护成本较低，但存在永久性后期维护。

5 结语

酸性矿井水的直接排放严重破坏了矿区及周边的生态环境，给当地的可持续发展造成了极其恶劣的影响。因此，积极探索低成本、可持续的酸性矿井水治理模式已是当务之急。

通过对宏扬煤矿矿区水文地质调查及采样检测，分析研究酸性矿井水的形成机理及影响因素，确定以自然恢复为主的低成本、可持续的治理模式。结论如下：

（1）宏扬煤矿在开采过程中破坏了原有的还原环境，地下水的渗出与还原态的硫化物氧化后形成硫酸，进而形成酸性矿井水。

（2）酸性矿井水的形成过程复杂，是物理、化学和生物作用的共同结果，其直接影响因素有还原态的硫化铁、氧气、水及微生物。

（3）根据宏扬煤矿特定的水文地质特征，提出了两种低成本、可持续的治理模式，即矿坑封堵法治理模式和风险管控法治理模式，为关闭煤矿酸性矿井水治理方案提供了理论依据。