煤矿区地下水污染修复技术研究进展

鲁敬姑 周华 欧阳光明 刘朝晖

(湖南省和清环境科技有限公司 湖南长沙 410000)

煤炭是我国的重要能源，在我国工业生产中长期占主导地位。据统计，我国目前探明的煤炭资源储量为1 500 亿t，我国煤炭资源可开采储量排行全球第四[1]，且是全球最大的煤炭生产国。而全国平均每采1 t煤，排放矿井水2.1 t[2]。同时大规模高强度煤炭开采伴随着矿区地下水pH大幅度下降，地下水水位降低以及重金属离子（如铁、锰）超标等问题，对周边环境及生态造成严重的危害。20 世纪90 年代我国煤矿数量多达约10万个[3]，因对煤矿产业大力度整改，随着我国众多小型矿山浅部资源逐渐枯竭、能源供给结构改革、淘汰落后产能等政策的实施，截至2020 年，我国煤矿数量已减少至不足5 000 处[4]，废弃煤矿是煤矿生命周期的最后阶段，闭坑矿山的存在，会形成劣质矿井水，污染地下水与地表水，危害城乡供水，造成地表二次塌陷与山体滑坡，影响高层建筑地基稳定或致建筑物破裂等负效应等。因此，闭坑矿井的区域水环境演化、修复治理已然成为煤矿区地下水污染治理的重要组成部分。近年来，我国的地下水污染治理工作逐渐引起主管部门的关注，地下水污染治理的相关标准规范和治理体系逐步形成了较规范的流程，并取得了不错的进展[5]。但是煤矿区地下水污染问题是近数十年才引起较大关注[6]。该文旨在通过阐述及分析矿坑封闭后的地下水污染问题类型及其相应的治理技术，为规范煤矿区地下水污染治理与防治技术提供技术支撑，对未来煤矿区地下水污染治理方向提出进一步的思考。

1 煤矿区场地的污染类型及特点

1.1 煤矿区场地矿井水污染类型

矿山开采期间，在井田中的断层构造，底板采动裂隙，人为施工的各类井孔等会成为污染通道，对地下含水层或地表水产生威胁。目前，矿井水污染类型主要有六大类型，分别为高悬浊物、高氟离子、高硫酸盐、高矿化度、高酸性矿井水以及含特殊污染物组分的矿井水（主要是铁离子、锰离子）。在实际场地中，上述六类污染类型存在交叉重叠，这使问题变得更加复杂。因此，明确煤矿区地下水污染的形成机理，是有效治理实际的地下水污染的前提。目前，对矿井生产和闭坑阶段的地下水情况，煤矿开采过程中产生的地下水污染上述6 种类型都可能发生。硫化物、黄铁矿等矿物是造成上述污染的重要原因，而各地区煤系地层中含量不同，其产生的矿井水化学类型也不同。通常来说，在宁东、山西、鲁西和新疆矿区等北方地区，高矿化度地下水占比相对较高，而西南地区的云贵矿区铁锰矿井水、酸性水比较普遍。

1.2 煤矿区的地下水污染模式

1.2.1 浅层地下水污染模式

目前，煤矿区的地下水污染大部分在地表淋滤-塌陷坑水和地下含水层的水压差补充浅层地下水的过程中发生的。当矿井降雨水时使得浅层地下水位上升，在伏隔带的污染物会随即进入地下含水层。而煤炭开采过程中或矿坑关闭后，矿坑塌陷的积水会不断增加，则浅层水位持续上升以弥补污染潜水，导致污染更深的地下含水层，造成更为严重的污染问题。

1.2.2 深层地下水污染模式

含水层本身相互补给和各含水层串层是造成深层地下水污染的主要原因。煤炭中的有害元素在水中与空气发生氧化还原反应，由于断裂场和渗流场的影响，可进一步污染含水层。另外，水压的变化使问题更为复杂。采矿活动以及采矿伴随的裂缝结构（断层塌陷柱）等，含水层会低于初始水头，使得水压高的含水层能得到补充，随即改变之前的补充路线，破坏原有的水化学场，改变水体污染煤层中各含水层底板，顶板以及地面含水层位置，造成跨层污染。一般来说深部矿井关闭后分两种形式：（1）当先被污染的浅层含水层，在矿井关闭后地下水位回升，当水位高于底部封闭水头时，被污染的矿井和浅层含水层通过防水层的天窗向底部封闭水供应；（2）当先被污染的是底层承压水时，浅层含水层低于承压水水位，特别是矿井关闭后，通过水渠污染浅层水体由于矿井水无法排出，会堆积在矿井水在废弃的井口或回泉处。而被污染的水体通过废弃的矿坑裂隙结构等渠道供给水层、溢流面，甚至造成更大范围的污染。

2 煤矿区地下水污染治理关键技术

煤矿区地下水污染的研究应包括污染的形成和污染物来源渠道的迁移和扩散路径。以闭坑矿井为例，煤矿区地下水污染过程见图1。从减少矿井水流入和污染负荷排放看，治理方法有堵源、堵道、减程、末端治理、含水层保护、资源利用等。从空间角度分析，煤矿地下水治理也需科学地实现地下全空间联动防治。针对矿井闭坑问题，在查明矿井污染源、污染通道，结合计算水质演化特征的基础上，采用通道阻截注浆工艺，可有效实现对地下水污染通道阻断—原位修复—抽出处理。

图1 闭坑矿井地下水污染过程示意

以酸性矿井排水为代表的煤矿区地下水污染治理可分为主动处理和被动处理两大类，具体见图2。主动治理技术是利用物理或化学手段去除水中污染物的技术，常用于大规模污水处理中，包括中和法、阻隔技术、硫化物沉淀法、硫酸盐还原菌反应器等，目前国内最常用的是中和法，常用的中和材料有石灰石、粉煤灰和赤泥等。被动处理技术依靠化学和生物作用降低水中的酸度，主要包括阻隔技术、抽出处理技术、人工湿地、开放石灰石沟、缺氧石灰石沟、石灰转换井、连续产碱系统和可渗透反应墙。研究表明，采用混凝沉淀+过滤工艺处理高悬浊物矿井水可取得较好效果。PAC与PAM的配合施用对矿井水中悬浮物的去除作用明显。而针对非酸性含铁锰矿井水，则偏向于使用混凝沉淀+锰砂过滤工艺，其中锰砂过滤对铁锰离子去除效果较好。以下详细介绍几种治理技术。

图2 矿井地下水治理技术

2.1 物化修复

2.1.1 膜分离技术

目前，最常用的膜分离技术是反渗透技术和电渗析技术。借助于半透膜的作用，反渗透法在压力为30～70 kg/cm2的条件下，对低分子有机物、无机盐类、细菌和病毒等物质进行有效分离和去除。近年来，生产中常用的是电渗析技术，是指在外加电场的作用下，利用阴阳离子交换膜的选择透过性，将溶质和溶剂分离。该技术在1991 年前苏联顿涅茨等煤矿中用来淡化矿井水。

2.1.2 药剂法

对水质较好的矿井水断面采用井下预处理方法（老矿区通过添加吸附材料微生物进行缓冲）。例如：将碱石灰、高炉渣、粉煤灰等碱性中和剂以及PAM 助凝剂等投放到地下矿井中，在矿井水酸化过程中进行中和、絮凝沉淀，降低矿井水pH值、硫酸盐以及钙离子含量。对水质较差的断面则需要配合分段提取技术，将污染水体抽提后在地表借助化学药剂进行深度处理。崔鹏飞[7]将原来的煤矿地下污水池改造成添加10%PAC和5%PAM混凝沉淀池，处理后的矿井水浊度为2.8 NTU，悬浮物浓度为4.9 mg/L，完全满足地下水水质要求。根据煤矿的实际情况和水质要求以及井下技术经济分析，井下用矿泉水处理的新工艺每年可节约资金约30 万～40 万元。狄军贞等人[8]通过添加无烟煤和钢渣、石英砂、沸石等活性材料有效治理有机物，氮、磷和重金属离子污染的矿井地下水。研究表明，投放物化材料或药剂是源头控制的有效手段，但一般在短期内较为有效。长时间的防控效果会有所减弱甚至逐渐投加的药剂不增加则会失效。

2.2 阻隔技术

利用灌浆材料在煤矿区周围建立阻隔帘。对于地下矿井水的污染，首先，杜绝污染源。在保证矿井水与外界水力联系的基础上，使用能够降解和吸附污染物的材料。针对封矿区跨床污染井的特殊情况，应选择适当的注浆材料和注浆技术，自下而上地阻断污染矿井水，同时切断污染矿井水与其他含水层的联系。最后，通过压水试验确认堵漏后的堵漏效果，再采用原地修复以及不同分段提取技术，对污染水体进行处理。其中，灌浆材料是关键。目前，市面上常见的灌浆材料主要有无机类灌浆材料（以水玻璃类和水泥类为主）和有机高分子类灌浆材料（以丙烯酸盐类、环氧树脂类、木质素类、聚氨酯类为主）。另外，新型膨胀吸附类灌浆材料以及可在井下转化矿井水中污染物的微生物材料是当前的研究热点。

2.3 原位生物修复

原位生物修复（ISB）融合了微生物学、化学、水文地质学和工程学的知识，为煤矿区地下水污染治理提供了策略。针对酸性矿井水，除了传统的治理技术如人工湿地、厌氧硫酸盐还原生物反应器、缺氧石灰石排水、开放式石灰石通道、石灰石浸出床和矿渣浸出床外，还提出新兴的治理处理技术，比如植物修复等。

3 煤矿区地下水污染防控技术发展方向

煤矿区场地地下水污染治理已成为当前环保行业的热点和难点。针对保水开采、闭坑矿井地下水治理以及采煤塌陷区积水处理等技术的研究得到国家的日益重视。而中东部闭坑矿井数量增多使得闭坑矿井地下水污染问题日益突出。因此，研究和阐明矿井闭坑过程中地下水污染演变规律刻不容缓。闭坑矿井地下水污染关键技术也成为制约我国经济发展的关键瓶颈。未来相关工作者需要从封矿区地下水酸性、高盐度等污染源控制方法出发，提出煤矿区地下水污染防控技术发展方向：（1）重点开发源头物性转化封存和分离源头技术；（2）深入分析铁、锰、硫酸根离子等污染特征离子的污染归趋，并结合地下水水力学模型，阐明地下水污染反应屏障的过程和位置的构效关系，以开发高效的渗透性反应屏障阻隔技术；（3）将煤矿区地表及地下水污染湿地生态工程、微生物注气投菌原位修复方法相结合，形成高效的闭坑矿井地下水污染生态修复技术。

随着科学技术的进步，煤矿区地下水污染治理技术将得到进一步创新，其处理效果也将得到提高。而在过去的煤矿区地下水污染处理技术研究中，虽然很多研究机构都取得了很大的突破，但它们之间的联系比较薄弱，处于独立研究的状态。因此，在今后的发展中，应加强各研究领域的整合与联系，形成技术研究的统一整体。同时，政府应发挥引导作用，制定相关政策，促进和支持煤矿区地下水污染治理技术的研究。