煤礦區場地地下水污染防控技術研究進展及發展方向

杜明澤 李宏杰 李 文 邱 浩 姜 鵬 王東昊1

（1.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院，北京100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京100013；3.遼寧工程技術大學博士后科研流動站，遼寧阜新123000）

地下水是人類賴以生存的最寶貴資源之一。隨著我國城市化進程加快和經濟的不斷發展，人類活動對地下水的影響與破壞日趨嚴重。大規模高強度的煤炭開采，強烈破壞了地下巖體，顯著擾動了地下水流場，造成了礦區地下水水位下降以及地下水酸化、鐵錳離子超標等一系列嚴重的環境污染問題［1-3］。同時，隨著大量礦井逐漸關閉（截至2019年底，由20世紀80年代8萬多座縮減至5 700座左右）以及中小型礦井的整合，使閉坑、整合礦井也成為煤礦區地下水污染源，給礦區地下水污染防控帶來了巨大挑戰。

我國地下水污染防控技術研究起步較晚，煤礦區地下水污染問題更是近數十年才引起較大關注。隨著人們環保意識的提高以及國家的大力倡導，礦山企事業單位逐步樹立、踐行“綠水青山就是金山銀山”的理念，使得煤礦區的重心逐漸由生產安全向生態安全轉變，煤礦區地下水污染問題也成為礦山生態安全亟待解決的問題。針對煤礦區地下水污染防控問題，國外學者多從礦井閉坑階段地下水污染機理和防控技術方面展開研究。MIAO等［4］、JOHNSON等［5］研究發現，礦山開采引發礦井水酸化，且會產生大量的硫酸鹽，給礦區當地居民生活用水帶來了安全隱患；MARUYAMA［6］、MCDONOUGH 等［7］、MURRELL等［8］、POREDA等［9］分別對閉坑后礦坑水污染進行了研究，分析了污染水體的水化學特征；ROYCHOWDHURY等［10］研究了閉坑礦井酸性水中鐵離子、硫酸根離子的氧化還原過程，提出了閉坑礦井主動和被動防控技術。國內學者從開采過程和開采后兩個方面對煤礦區水污染防控進行了相關研究。武強等［11］闡述了“煤—水”雙資源型礦井開采概念與內涵，提出了多位一體優化結合、井下潔污水分流分排、充填開采等“煤—水”雙資源型礦井開采的技術和方法，并進行了實例分析；張東升等［12］構建了我國西北礦區不同環境類型的生態—水—煤系地層結構模型，提出了采充并行充填開采等保水采煤技術；范立民等［13］研究了我國西部生態脆弱區保水采煤方法，開展了基于含水層結構保護的充填開采、限高（分層）開采等保水采煤工程實踐；李文平等［14］以國內西北關鍵隔水層N2紅土為研究對象，探索了關鍵隔水層的自我修復能力及其工程屬性，為保水采煤實踐提供了參考；虎維岳等［15］研究了閉坑礦井地下水回彈機理，探討了閉坑后可能引發的環境地質災害，并提出了防控的關鍵問題；李庭［16］研究了我國閉坑礦井地下水污染特點，開發了閉坑礦井地下水污染評價軟件，并提出了閉坑礦井地下水污染風險管控流程；劉埔等［17］研究了礦井閉坑后產生的水文地質效應，分析了閉坑礦井地下水污染模式，并提出了有效的防治技術手段。

綜上所述，現有防控技術多從保水開采、閉坑礦井角度進行研究，且多偏重于生產安全，生態安全關注程度稍顯不足。并且，現有的防控技術未能從礦井全生命周期考慮，在很大程度上缺乏系統性和實踐性。為此，本研究立足于煤礦區地下水污染模式和特點，闡明煤礦區場地的科學內涵以及地下水污染特征，從煤礦區地下水污染源頭控制、過程阻斷和末端修復等方面，結合調查、監測、評估和防控手段，構建煤礦區地下水污染防控技術體系，并探討了煤礦區地下水污染防控技術的發展方向。

1 煤礦區污染場地界定

污染場地的確定是后續開展調查、評估和防控的基礎，因此，污染場地的確定至關重要。目前，國際上對污染場地的定義尚未統一，相關定義如表1所示。

總體來說，污染場地具備3個特點：①以堆積或處置等方式承載有害物質；②有害物質對人體健康和環境產生危害或構成潛在威脅；③場地具有一定的空間范圍。煤礦區污染場地界定的難點在于污染場地范圍的確定。場地調查通常是針對具體的研究對象，顯然，以水文地質邊界為單元定義煤礦區地下水污染場地范圍太大，以此為基礎進行污染場地調查是不合適的，煤礦區污染場地的劃分應該為具體的污染對象（場地）。由于煤礦區地下水流場演變是以水文地質邊界為單元，因此，對于煤礦區地下水污染的監測預警或風險評價應該以水文地質邊界為單元。

鑒于此，為合理界定煤礦區污染場地的概念和范圍，借鑒固體廢物場地概念，煤礦區地下水污染場地應以礦井以及礦山開采形成的矸石山、洗煤廠等堆積物或處理廠為單元進行定義，煤礦區場地地下水污染的監測預警、風險評估則以水文地質邊界為單元。

2 煤礦區場地污染特征

煤層開采過程中，頂底板圍巖產生裂隙，煤巖介質中的有害元素遇到空氣、水會發生一系列的氧化還原反應，從而產生有害物質，進而對地下含水層或地表水產生威脅。同時，采煤機等機械設備使用的潤滑油、乳化液以及人類活動遺留物等也給煤礦區場地地下水污染防控帶來了挑戰。無論是露天開采還是井工開采，煤巖介質與空氣、水發生的氧化還原反應是引起地下水污染的主要原因。某礦井閉坑后積水外流情況如圖1所示。

2.1 煤礦區場地礦井水污染類型

煤礦開采、閉坑以及煤炭在氣化過程中都會引起地下水污染［20］。煤巖介質、采煤機等機械設備使用的乳化液中的有害元素與空氣、水接觸會產生污染物，在生化作用下水質將會進一步惡化。同時，通過污染通道（孔隙、裂隙、構造、不良鉆孔、采掘空間等）向鄰近含水層進行擴散，進而引發一系列的地下水污染災害。礦井水的主要污染類型為高懸濁物礦井水、酸性礦井水、高礦化度礦井水、高硫酸鹽礦井水、高氟礦井水以及特殊組分礦井水（鐵錳離子為主）六大類型，各類型具有交叉性［16］。目前，對于6種類型礦井水污染防控的研究主要集中在礦井水外排處理利用上，本研究關注點主要集中在礦井水污染防控和水資源保護方面。

明晰煤礦區場地地下水污染的形成機理，對于有效防控污染具有重要意義。就礦井生產和閉坑階段而言，煤礦開采過程中地下水污染的6種類型都有，由于各區域煤系地層中黃鐵礦、硫化物含量不同，礦井水化學類型差別較大，如魯西、山西、寧東和新疆礦區高礦化度水占比較高，云貴礦區酸性水、鐵錳礦井水常見。國內部分典型礦區水質情況見表2。

高礦化度水的形成環境較為復雜，開采過程中遇水后硫酸鹽、碳酸鹽等可溶性礦物的溶解；降雨量少，蒸發量大，蒸發濃縮作用使地下水以及礦井水的礦化度高；地下咸水入侵以及黃鐵礦（FeS2）的氧化反應等都可促進高礦化度水的形成［16，21］。以黃鐵礦（FeS2）為例，水與煤層中的硫化物反應產生的游離酸有關，游離酸與白云巖、灰巖等發生中和反應，使鈣、鎂、硫酸根等離子增多，高礦化度水發生的系列反應方程式為

同時，由于采煤機等機械設備使用的機油、潤滑油等，使得礦井水中出現了有機污染物，但總體含量較低。閉坑礦井由于排水系統停止運轉，地下水位出現回彈，引起酸化，酸性水中通常含有較高的鐵錳以及硫酸鹽離子。酸性水的形成主要與黃鐵礦（FeS2）有關，黃鐵礦與氧氣、水發生的系列反應方程式為

總體來看，煤礦區地下水污染的特征因子以鐵錳、硫酸鹽、礦化度和pH為主，不同區域的生產礦井水污染的主控特征因子有所差異，閉坑礦井以高鐵錳及硫酸鹽離子的酸性水為主。

2.2 煤礦區場地地下水污染模式

2.2.1 淺層地下水污染模式

煤礦區場地地下水污染主要是通過地表淋濾、塌陷坑積水以及地下各含水層的水壓差進行補給。淺層地下水主要是由于降雨、積水等使淺層地下水水位升高，原本在包氣帶內的污染物進入地下含水層所致（圖2（a））。此外，隨著煤炭開采或者閉坑，塌陷坑積水增多，水位升高反補污染潛水，甚至污染更深的地下含水層（圖2（b））。

2.2.2 深層地下水污染模式

深層地下水污染主要是含水層本身破壞污染以及各含水層相互補給串層造成的。煤層開采后，煤巖體的有害元素與空氣、水發生氧化還原反應，在滲流場和裂隙場的作用下污染了含水層。同時，由于開采活動的影響，采動裂隙、構造（斷層、陷落柱等）、不良鉆孔或者廢棄井筒等溝通含水層，改變了各含水層的水化學場、滲流場和水動力場。由于受采動影響，含水層較初始水頭下降，鄰近高水壓含水層進行補給，改變了原有的補給途徑，進而影響了水化學場，造成水體污染。串層污染可在煤層頂板各含水層間、頂板與底板含水層間、底板與底板含水層間發生，深層地下水串層污染模式如圖3所示。

閉坑礦井深部串層污染有兩種形式：淺部含水層先污染，閉坑后礦井水位回彈，當受污染的含水層水位高出底板承壓水頭時，位于淺層的被污染的礦井內部和含水層通過隔水層的“天窗”補給底板承壓水；另一種情況為，當底板承壓水先污染后，承壓水水位高于淺部含水層，通過導水通道污染淺部含水層。特別是礦井閉坑后，由于礦井水無法排出，礦井水在廢棄井筒或者采空區、巷道等積聚回彈，受污染水體通過廢棄井筒、采動裂隙、構造等通道補給含水層，甚至溢出地表，造成更大范圍的污染（圖1）。

3 煤礦區場地地下水污染監測預警與防控技術

煤礦區場地地下水污染防控體系的構建包括調查、監測、評估和防控幾個環節。本研究分別從地下水污染監測預警技術和防控技術兩方面對目前我國煤礦區場地地下水污染監測預警與防控技術的研究進展進行分析。

3.1 煤礦區地下水污染監測預警技術

國內外對于地下水污染風險評價方法、監測預警裝備較多，為煤礦區場地地下水污染監測預警技術與裝備研發提供了有效參考［16，22-25］。在國內，由于人們環保意識淡薄，煤礦區場地地下水污染長期跟蹤監測的數據較少，雖然在礦井建設和開采過程中，大多數礦井基本實現了水文長觀孔水位、水溫、水壓長期監測以及各含水層的水質化驗分析，但水污染長期監測的數據較少，總體上對于地下水污染的關注較少。2006年，雖然國家安全生產監督管理總局發布了《廢棄礦井地下水污染監測布網技術規范》，但對于閉坑礦井引發的地下水污染、生態環境等問題的重視程度還遠遠不夠。本研究分別從水文水情監測預警技術與裝備、煤礦區地下水污染監測技術、煤礦區地下水污染風險評價預警技術等方面，對現階段國內煤礦區場地地下水污染監測預警技術與裝備方面的研究進展進行分析。

3.1.1 水文水情監測預警技術與裝備

國內科研院所和企業對礦井水文水情監測系統進行了長期研究，開發了一系列的水文水情監測裝備，例如，KJ117礦井水文監測系統、KJ402礦井水文監測系統、KJ628礦井水文監測系統（圖4（a））以及筆者團隊自主研發的KJ1165智慧水文監測系統（圖4（b））等，基本實現了煤礦地面水文長觀孔水位、溫度，井下水文長觀孔水壓、礦井水水溫、明渠流量、管道流量、底板應力的自動監測，并基于水文監測數據，結合灰色聚類、神經網絡等數學模型，初步實現了對礦井水害的報警或預警。常規的水文水情監測系統關注點在于礦井水害，大部分技術的研究思路是通過將各類傳感器投放到鉆孔中，傳感器將采集的數據傳輸到分站，分站通過無線網傳輸到地面計算機軟件系統，實現對數據的分析，進而判斷水害危險程度。常規水文監測系統缺少地下水污染監測預警方面的模塊，缺乏地下水污染相關參數（水質、懸浮物、濁度等）的監測預報功能，無法實現對地下水污染進行在線監測、報警，更談不上預警。

3.1.2 煤礦區地下水污染監測技術

煤礦區場地地下水污染監測多是通過現場取樣后，在實驗室內進行水質分析或者特征污染因子鑒定，然后與初始水質進行對比分析，為礦山突水水源判定提供參考，也為分析地下水質演變規律提供依據。例如，采用試管滴定法、離子色譜儀測試或者離子電極等方法對所取含水層的水質樣品進行分析；采用可見分光光度計、原子熒光光度計、三維熒光光譜技術等檢測礦井水樣中的有機物、重金屬等；采用pH、濁度儀等測試礦井水樣的酸堿性和渾濁度等［27］。現階段，盡管地下水水質、特征污染因子檢測手段逐漸增多，但基本上集中在實驗室內進行。目前雖然已有類似便攜式水質監測儀問世，但監測精度較低、監測離子數量較少、水質監測數據不全，導致其在煤礦區地下水污染監測應用中存在很多問題。在煤礦場地現場取水樣進行實驗室化驗，測試時間間隔長、工作效率低，無法滿足對地下水污染長期持續監測的要求，更無法實現煤礦區地下水污染特征因子智能識別。

國家安全生產監督管理總局公布了《廢棄礦井地下水污染監測布網技術規范》（MT/T 1022—2006），針對閉坑礦井或廢棄礦井地下水污染監測布網方法、布設要求等方面給出了明確要求，但總體來說，閉坑礦井誘發的水環境問題仍處于初級階段，水污染的智能監測還缺乏深入系統的研究。就技術層面而言，煤礦區場地地下水污染井（點）的在線監測仍然是個瓶頸問題，目前多數仍然采用井（點）取樣進行實驗室化驗檢測。因此，煤礦區場地地下水污染在線智能監測體系還不完善，地下水污染在線智能識別、監測系統仍然需要加大研發力度。

3.1.3 煤礦區地下水污染風險評價預警技術

現有的煤礦區預警技術是基于地下水污染監測數據以及風險評價理論，采用迭置指數法、過程數學模擬法、統計方法和模糊數學等風險評價方法，對煤礦區地下水污染程度進行風險評估。同時，采用計算機語言（VB.NET、C++等）+ArcGIS等多元信息融合技術開發地下水污染評價軟件，實現地下水污染風險評價、預警、決策等功能。但現有的煤礦區場地地下水污染監測與預警并非在線一體化完成，而是通過將監測數據輸入預警軟件后實現預警。目前，針對閉坑礦井或廢棄礦井已經有地下水污染風險評價系統問世，例如，中國礦業大學馮啟言教授團隊開發了廢棄礦井地下水污染風險評價系統［16］，其基本思路為：首先建立閉坑礦井地下水污染風險評價指標體系，即分析地下水污染影響因素，并進行賦權值；然后基于數學方法，采用加權求和法建立閉坑礦井地下水污染風險評價綜合模型；最后對閉坑礦井地下水污染風險進行預警或危險等級劃分。現有的煤礦區場地地下水污染預警技術框架大體上如圖5所示。評價系統的研發對于煤礦區場地地下水污染防控有重要意義，但評價的基礎仍然是建立在實驗室水質檢測數據的基礎上，而非礦區水污染現場在線監測。如何實現煤礦區地下水污染因子智能識別、在線監測和預警功能，仍然是現階段煤礦區地下水污染監測預警裝備發展需要探索的核心問題。

3.2 煤礦區地下水污染防控技術

目前，煤礦區場地地下水污染防控多集中在開采階段和閉坑階段，地下污染防控的重點是污染源頭控制、過程阻斷方面，對于已經污染的場地，尤其是已經污染的閉坑礦井，多采取末端修復（治理）的方式。對于末端修復來說，采用原位修復（治理）方式的修復效果通常難以掌控，而采用異位治理方式通常要結合礦井水利用進行分類分級處理，且成本較高［27］。因此，在礦井建設前，要立足礦井全生命周期，考慮采前、采中和采后地下水污染問題，從污染源頭控制、過程阻斷和末端修復的角度進行防控，力爭實現開采與水資源保護統籌兼顧。以閉坑礦井為例，煤礦區地下水污染過程如圖6所示。

3.2.1 保水開采技術

在煤炭開采過程中，保水開采的目的是既要防止水害發生、實現安全生產，又要保證含水層的供水價值和生態價值。傳統的保水開采技術通常基于巖層控制理論，對采煤區域進行富水性和保水開采等級劃分，通過采用合適的采煤方法或隔水層再造技術，抑制導水裂隙帶發育或阻斷導水通道，進而維持含水層穩定，實現低損害高效煤—水共采的目的［11-13］。近10 a來，眾多學者又發展了地下水庫儲水等新技術、新方法，延伸了保水開采的內涵。現有的保水開采技術根據礦井保水分區特征，通常可分為以下幾類，部分技術存在交叉。

3.2.1.1 導水裂隙帶發育高度調控技術

基于巖層控制理論，改變采煤方法或工藝，使采動影響下的上覆含水層擾動在可控范圍內，防止含水層結構變異，從而造成含水層大范圍失水或污染。近年來，國內眾多學者進行了大量的研究和現場實踐，通過控制采煤方法或工藝，降低巖層擾動程度或導水裂隙帶發育程度，可有效控制覆巖含水層破壞。例如：①限厚開采［28-29］，降低覆巖運動強度，使得導水裂隙帶發育高度減小（多倫協鑫煤礦1708-1工作面限厚開采，實現了水體下安全開采）；②充填開采，弱化“三帶”結構，人為減少垮落帶，控制擾動強度，控制含水層失水及地表沉陷（邢臺煤礦7606、7608工作面煤矸石固體充填開采，田莊煤礦1611工作面高水充填開采，岱莊煤礦2351工作面膏體充填開采［30］）；③將長壁高強度開采調整為條帶、短壁或房柱開采等，合理控制條帶和煤柱寬度，減小覆巖擾動強度，合理控制地表及水體變形；④合理留設防隔水煤（巖）柱，使導水裂隙帶不波及到上覆水體，進而實現安全開采，保護水資源（江蘇大屯微山湖下采煤實踐［31］）。圖7為水壓作用下保水開采防砂安全煤（巖）柱留設方法，其中，Hs為高水壓作用下防砂安全煤（巖）柱留設高度，Hm為垮落帶高度，Hb為保護層厚度，Hp為水壓作用下煤柱損傷厚度。

3.2.1.2 隔（含）水層再造技術

基于阻斷材料以及含（隔）水層再造技術，利用隔水層的自我修復能力或開發一系列阻斷材料，對采動裂隙、廢棄采掘空間或構造進行充填或者封堵。例如，廢棄井筒、采掘空間注漿封堵；采動裂隙注漿、不良鉆孔封堵等。雖然條帶開采、房柱式開采可控制含水層結構變異，有效保護上覆水體，但對于我國西部富煤區來講，水資源保護與高效開采的矛盾難以調和，因此，在高強度開采模式下采取人工修復或促進含（隔）自修復的方式盡可能實現保水功能是緩解開采與水資源保護矛盾的重要技術手段［14］。例如，補連塔煤礦12401工作面利用采動裂隙的自愈合作用，可促使含水層水位修復［33］；南桐煤礦采用封閉不良鉆孔重新啟封段注漿和離層裂隙帶壓力注漿兩種方法修復含水層，可有效預防地下水污染［34］。

另外，污染通道封堵效果的好壞與阻斷材料性能密不可分，雖然目前礦山注漿封堵材料種類較多，充填材料、注漿材料、修復材料等多種材料不斷涌現，但阻斷材料的成本和環保性仍然是長期需要關注的問題。成本太高，開采價值不大；材料毒性大，容易造成地下水二次污染。雖然水泥漿液、水玻璃類等無機材料，脲醛樹脂、聚氨酯、環氧樹脂等有機材料，粉煤灰基材料、高水或超高水材料，煤矸石等固廢材料在礦山采動裂隙、構造、不良鉆孔或采掘空間等污染通道封堵方面發揮了重要作用，但阻斷材料的毒性、材料與地層的互饋反應效果還需要進一步展開研究和工業試驗論證。

3.2.1.3 地下水庫儲水技術

在我國西部生態脆弱區，通過人工建造壩體或者利用井下防水煤（巖）柱等，可在采空區內進行儲水，同時可實現對地下水的初步凈化［35-36］。例如大柳塔煤礦利用采空區空間儲水，采空區矸石對水體過濾凈化，自然壓差輸水的“循環型、環保型、節能型、效益型”的煤礦分布式地下水庫（圖8）［37］，開發了入庫前沉淀池過濾→庫內矸石自然凈化→井下模塊化礦井水處理的三位一體技術，實現了庫內水體自然凈化與庫外污染較重礦井水的井下處理，保障了礦井水高效資源化利用。煤礦地下水庫儲水技術與傳統保水開采不同，作為傳統保水開采內涵的補充，為煤礦區場地地下水污染防控提供了新思路。

我國西部生態脆弱區由于地表蒸發量大，礦井水外排會造成大量蒸發損失，同時高礦化度礦井水容易造成地表土壤鹽堿化，因此，煤礦地下水庫的應用和推廣不僅有助于實現井下礦井水的初步凈化，對于我國西部礦區保水、用水也具有重要意義。目前，煤礦地下水庫在神東礦區應用較多，但西部礦區地質條件也有一定的差異性，煤礦地下水庫的適用性和長期穩定性仍然需要進一步探索。

3.2.2 閉坑礦井地下水污染修復技術

針對不同場所的地下水污染防治，常用技術有監測自然衰減技術、阻隔技術、抽出處理技術、循環井修復技術、原位微生物修復技術、植物修復技術、自由產品回收技術、原位化學還原技術、原位化學氧化技術、地下水曝氣技術、滲透反應墻技術、雙相抽提技術、原位熱處理技術等［38］。但在煤礦領域，特別是國內閉坑礦井的地下水污染防控方面，技術水平還較為薄弱，地下水污染修復成功案例較少，典型成果多集中在礦井閉坑后對鄰近煤礦防隔水煤（巖）柱穩定（生產安全）、露天開采或井工開采造成的塌陷坑積水污染防治等方面［39-41］。礦井閉坑后，礦井面臨無人管理或管理投入不足的狀態，給閉坑礦井地下水污染防控帶來了較大困難。目前，國外學者對閉坑礦井水污染防控進行了較為深入的研究，主要集中在閉坑礦井水環境演變規律以及水質處理上，通過水質演變和預測模型，提出了礦井水污染的防控措施，取得了一定的效果［42-44］。在國內，關于閉坑礦井地下水污染防控的研究成果較少。目前，閉坑礦井地下水污染防控技術主要分為閉坑過程的主動防控以及閉坑后的被動防控兩大類。

3.2.2.1 主動防控技術

主動防控技術多針對礦井閉坑前或閉坑過程中進行的原位控制手段，主要是從源頭控制和過程阻斷兩個方面入手，即在礦井閉坑過程中為防止地下水酸化，進行各種酸性中和劑和金屬沉淀劑投放、封堵源頭或在含水層下游設置氧化還原屏障，逐級進行污染離子或污染物絮凝或中和，以達到原位防控和過程阻斷的目的。

（1）投放物化材料或藥劑。閉坑過程中向潛在酸性、重金屬污染礦井中投放堿石灰、碳酸鈣、粉煤灰、高爐渣和白云石等堿性中和劑以及助凝劑等，促使礦井水在酸化過程中進行中和、絮凝沉淀，降低礦井水pH值以及鈣離子、硫酸鹽含量，該類方法在Beth Energy's 105W號地下礦井中進行應用，取得了預期效果［45］；投放無煙煤、鋼渣、石英砂、沸石等材料組合去除含有機物、氮、磷和重金屬離子污染物［46］；投放陰離子表面活性劑等殺菌劑，抑制硫氧化細菌進而控制礦井酸性水的形成。閉坑過程中投放物化材料或藥劑屬于源頭控制的有效手段，但此類方法多在短期內有效，隨著時間的延長，防控效果有所減弱甚至逐漸失效。

（2）帷幕注漿、隔離封堵等密封污染源以及阻斷污染通道。礦井在閉坑過程中對采掘廢棄巷道、井筒以及不良鉆孔進行充填封堵，對潛在危險的積水區進行帷幕注漿封存或隔離；對地面矸石堆、露天塌陷坑等底部土壤或包氣帶進行防滲處理，防止淋濾入滲等；提前在淺部污染含水層下游設置氧化還原反應屏障、泥漿墻等（圖6），促使礦井中的硫酸根離子、重金屬離子等進行反應中和、吸附或沉淀。帷幕注漿等技術在礦井水害防治中應用較多［47］，在礦井水污染防控方面仍然有一定的應用空間。

3.2.2.2 被動治理技術

被動治理技術多屬于末端治理技術的范疇。與主動防控相比，被動治理在閉坑礦井地下水污染中最為常見。目前，國內外對于閉坑酸性水的處理主要有中和法、硫化物沉淀法、人工濕地法和微生物修復法［48-51］，其中，植物修復技術、人工濕地和微生物修復方法多用于露天塌陷坑、井工開采沉陷區塌陷坑積水以及淺部含水層污染治理方面。例如，潘安湖由于權臺礦、旗山礦采煤沉陷影響，水質、生態環境惡化，采用人工濕地修復方式，改善了潘安湖的水質和生態環境，達到了修復的目的［2］。此外，在露天礦坑或井工開采塌陷坑積水中投放適量硫酸鹽還原菌及其所需要的基質碳源來修復酸性礦井水，可有效去除硫酸根離子和降低酸性，但現有研究多集中在物理模擬試驗方面［52-56］。

礦井閉坑后通過投放藥劑來治理礦井酸性水和重金屬污染，在國外也有應用案例，并對投放藥劑進行了示蹤試驗［45］。從閉坑后投放效果來看，藥劑的投放位置和投放量是制約閉坑礦井地下水污染修復效果的關鍵因素。例如，Keystone State Park的Salem 2號廢棄礦井多次投放NaOH進行礦井水污染防治，但鐵錳離子含量變化并不明顯，酸性礦井水并未得到明顯改善甚至無變化。因此，閉坑后藥劑投放原位治理效果仍然難以保證，投放藥劑的治理方法還需要進一步研究和論證。中和法、硫化物沉淀法多用于礦井水抽出處理，即將閉坑礦井內污染的含水體抽取到地面，根據礦井水污染類型進行分類分級處理。例如：潔凈礦井水采用物理法處理，酸性礦井水可采用物理吸附法、化學中和法、微生物法、濕地生態工程法處理，含懸浮物礦井水可采用混凝和超磁分離法處理，高礦化度礦井水可采用蒸餾、離子交換和膜分離法處理，特殊組分礦井水可采用絮凝沉淀和離子交換法處理［28］。

4 煤礦區地下水污染防控技術發展方向

近年來，煤礦區場地地下水污染得到了業內較大關注，保水開采、閉坑礦井地下水修復以及采煤塌陷區積水防控等技術研究越來越得到國家的重視。本研究針對煤礦區場地地下水污染監測技術不足、防控技術缺乏體系的問題，立足于礦井全生命周期不同階段的特征，以煤礦區地下水污染源、通道精準探測為前提，提出以煤礦區地下水污染防控技術體系為核心，研發地下水污染智能監測預警技術與裝備，研究煤礦區地下水源頭控制、過程阻斷和末端修復技術與工藝，形成煤礦區地下水污染防控技術體系與規范。筆者分別從煤礦區場地地下水污染精準探測技術、監測預警技術、保水開采技術和閉坑礦井地下水防控技術等方面進行分析，對煤礦區場地地下水污染防控技術發展方向進行討論。

4.1 煤礦區場地地下水污染精準探測技術

煤礦區場地地下水污染范圍可采用鉆探、物探和化探方法確定。在污染場地附近施工鉆孔，并對目標及相鄰的含水層水樣進行化驗，進而分析含水層水樣的污染程度，但鉆孔施工成本高、所需時間長，且“一點”之見無法有效確定污染范圍。地球物理方法可以進行大范圍的測試，且測試較為快捷。圖9為本研究團隊自主研發的YCS625型瞬變電磁儀。目前，采用地球物理方法對煤礦區地層構造、富水區域進行探測比較成熟，但在污染特征因子與地球物理的響應關系方面的研究有所欠缺，地下水特征污染因子與電磁場的定量關系還不明確。因此，煤礦區場地地下水污染精準探測技術發展重點方向為：構建地下水特征污染因子與電磁響應的計算模型，分析污染源及污染通道與電磁響應的關系，同時結合鉆探和化探手段，開展污染區域水化學示蹤試驗，構建水化學數據庫等。

（1）煤礦區地下水污染物性響應計算。基于煤礦區地下水污染因子提取分析，建立地下水污染特征因子量化物性模型，研究地下水特征污染因子地球物理全時域響應數值計算方法，探索水污染特征因子與地球物理響應的半定量、定量關系，為煤礦區地下水污染源、污染通道的精準探測提供理論基礎。

（2）煤礦區地下水污染源精準探測技術。基于煤礦區地下水污染源的種類特征，建立地下水系統層狀電性模型，研究污染水源系統性電性特征，開展瞬變電磁法、探地雷達等物探技術的適用性試驗，獲取地下水污染源探測的最優響應方法組合；建立水化學分析數據庫，分析各含水層污染特征因子的關聯性，不斷發展和完善煤礦區地下水污染源精準探測技術體系。

（3）煤礦區地下水污染通道精準探測技術。基于煤礦區水文地質條件及地下水動力學特征，建立典型地下水污染傳輸通道的系統物性模型，研究污染物集、聚遷移擴散的響應特征，通過瞬變電磁法、探地雷達等物探技術試驗，研究污染通道探測的最佳響應組合；開展污染區域水化學示蹤試驗，分析特征污染因子遷移軌跡，不斷發展和完善煤礦區地下水污染通道精準探測技術體系。

4.2 煤礦區地下水污染智能監測預警技術與裝備

現階段，煤礦區場地地下水污染監測多停留在監測網布設方面，地下水污染在線智能監測、預警技術與裝備發展水平不高。目前，常規監測多為一個鉆孔監測一個含水層，若要全面監測多個含水層所需的鉆孔數量巨大，成本較高，快速實現單孔分層連續采樣監測，是礦井水監測亟需解決的問題。煤礦區地下水污染在線智能監測、預警技術與裝備的發展方向主要有如下3個方面。

（1）煤礦區地下水特征污染監測技術。開展煤礦區場地地下水污染在線識別與監測方法研究，研究地下水單孔分層連續采樣及特征因子快速智能識別技術與監測裝備，建立煤礦區地下水污染智能監測網，在線監測地下水文、水質、污染特征因子濃度的動態變化，并實現特征污染因子濃度的超限報警。

（2）煤礦區地下水污染風險評價技術。基于地下水環境的承載能力和地下水污染風險理論，建立污染物風險、污染通道風險和目標含水層風險3個主控因素的多級評價指標體系，研究地下水污染風險及污染程度風險評價方法，構建地下水污染風險評價模型，為進一步實現煤礦區地下水污染智能預警奠定基礎。

（3）煤礦區地下水污染“監測—評價—預警”一體化平臺。在地下水污染在線監測技術與裝備的基礎上，結合地下水污染風險評價模型，開發地下水污染風險評價、預警系統，實現對煤礦區地下水污染風險及污染程度的實時預警，形成集智能識別、監測、風險評價與預警等功能于一體的地下水污染綜合平臺。

4.3 保水開采技術

保水開采技術在我國西部生態脆弱區應用較廣，隨著采礦技術的發展，保水開采的內涵和技術手段也不斷豐富。保水開采技術的發展既要滿足生態環境保護要求，又要兼顧礦井高效開采，新型阻斷材料研發和技術工藝創新必不可少。阻斷材料的使用要實現低成本、環保的目的，技術工藝和工程參數要考慮材料擴散與地層耦合的互饋反應，低成本、低污染材料和“煤—水”雙資源開采技術是煤礦區場地地下水污染防控的重要研究方向。

（1）阻斷系列材料研制。研制低成本、低污染的采動裂隙、構造和開采空間的“封—注—充—填—堵”以及修復等綠色系列復合材料，探索巖體裂隙與漿液擴散耦合關系，研究不同尺度孔隙、裂隙等與阻斷材料封堵的互饋機制；開展不同尺度阻斷材料注漿工藝以及銜接時序關系研究，優化注漿工程參數，進行阻斷系列材料現場適用性研究。

（2）低損害、零（低）污染高效煤水共采技術。開展煤層頂底板突水危險性及保水開采分區方法研究，精準劃分保水開采等級，在此基礎上，提出合理的采煤方法與工藝；以巖層控制理論為基礎，以導水裂隙帶發育為重點防控對象，優化含（隔）水再造技術施工工藝和參數，開發含（隔）水層結構穩態再造方法與工藝，降低含水層損害程度，形成煤—水雙資源共采技術。

4.4 閉坑礦井地下水污染防控技術

隨著中東部閉坑礦井數量增多，閉坑礦井地下水污染問題日益突出。在后閉坑階段（開采前并未考慮閉坑階段生態環境問題），煤炭開采前和開采中均未采取地下水污染針對性的防控措施，閉坑階段勢必會面臨地下水污染問題。因此，必須掌握礦井閉坑過程中地下水污染演變規律，在此基礎上，形成閉坑礦井地下水污染關鍵技術。

（1）閉坑礦井地下水污染演變規律。研究礦井閉坑過程水位回彈、水質酸化演變規律，探索閉坑礦井污染過程與煤巖介質的屬性關系；研究污染通道煤巖介質孔隙—裂隙結構特征，概化閉坑礦井地下水污染通道裂隙尺度與傳輸通量的關系；探索閉坑礦井地下水污染過程“水—巖—微生物”的共生關系，為閉坑礦井地下水污染控源阻徑防控提供理論指導與參數依據。

（2）礦井閉坑過程地下水污染防控關鍵技術。基于堿性材料的研制，研究閉坑礦井地下水酸性、高礦化度等污染源頭控制方法，探索源頭物性轉化、封堵及分源氧氣隔絕技術途徑與工藝；基于硫酸根、鐵錳離子等污染特征離子絡合、氧化還原作用材料，結合地下水污染模式，研究地下水污染反應屏障工序及位置關系，探索可滲透反應屏障阻滯技術與工藝參數。

（3）礦井閉坑后地下水污染修復關鍵技術。研究閉坑礦井酸性水、鐵錳與植物吸附、有氧/無氧生物菌群共生關系，探索煤礦區地表及地下水污染濕地生態工程、硫酸鹽細菌等微生物注氣投菌原位修復方法與工藝；研究閉坑礦井地下水污染堿性材料調控時間和摻量，探索鉆孔精準定位與原位消污減災技術；研究地下水污染抽取分類分級處理技術，形成閉坑礦井地下水污染原位—異位末端修復技術。

4.5 煤礦區全生命周期地下水污染防控技術體系與規范

國外對地下水資源及礦區環境保護的重視程度較高，對于礦井生產的各階段出臺了相關的技術標準和管理體系［56］。我國起步較晚，除了發布《廢棄礦井地下水污染監測布網技術規范》（2016年）外，在煤礦區場地地下水污染防控技術方面還沒有較為具體的技術規范，尤其是缺少立足于礦井全生命周期的技術體系以及相關的技術規范。

（1）煤礦區地下水污染防控技術體系。基于煤礦區全生命周期地下水污染的階段特征，從煤礦區地下水污染調查、監測、風險評估、防控的角度出發，結合礦井設計理念［2］，提出礦井設計、礦井生產、礦井閉坑等不同階段的防控技術與工藝，構建煤礦區全生命周期地下水污染防控技術體系。

（2）煤礦區地下水污染防控技術規范研究。針對煤礦開采和閉坑期地下水環境影響特征，提出不同階段的地下水污染防控技術要求，包括：開采準備期的地下水環境背景調查評估要求；開采過程中不同開采方式條件下的地下水環境跟蹤監測、環境保護措施與環境風險管控要求；閉坑后針對不同水文地質條件的地下水污染防控要點等，制訂煤礦區地下水污染防控技術系列規范。

煤礦區地下水污染防控技術路線如圖10所示。

5 結論

（1）基于污染場地定義，對煤礦區地下水污染場地和地下水污染流場單元進行了科學界定，明確了煤礦區場地和地下水污染流場邊界，即煤礦區場地是以礦井以及礦山開采形成的矸石山、洗煤廠等堆積物或處理廠為單元，煤礦區場地地下水污染流場的監測、評估則是以水文地質邊界為單元。

（2）總結分析了煤礦區場地礦井水污染類型和模式，剖析了現有煤礦區地下水污染監測預警技術思路，闡述了基于巖層控制、阻斷材料以及地下儲水等現有保水開采技術途徑，概述了礦井閉坑過程和閉坑后地下水污染的主動、被動防控技術手段。

（3）立足于礦井全生命周期不同階段的特征，提出未來發展方向，主要包括：煤礦區地下水污染精準探測，地下水特征污染物智能識別、監測預警技術與裝備研發，煤礦區地下水污染源頭控制、過程阻斷、末端修復等關鍵技術與工藝，力促形成煤礦區全生命周期地下水污染防控技術體系與規范。