我國煤礦區礦井水污染問題及防控技術體系構建

孫亞軍，徐智敏，李 鑫，張 莉，陳 歌，趙先鳴，高雅婷，劉 琪，張尚國，汪韋峻，朱璐璐，王 晟

我國煤礦區極其復雜的水文地質條件導致差異明顯、特征各異的地下水環境。受礦井開采擾動和礦井疏排水等影響，煤礦區的礦井水污染和生態環境影響問題日益受到國家有關部門和煤炭企業的重視。近年來，國家政策和地方管理推動了煤礦區環境的改善，鼓勵實現煤–水雙資源協調開采，凸顯出煤礦區地下水環境演化及礦井水污染防治方面的良好基礎和研究前景。本刊依托中國礦業大學孫亞軍教授負責的國家重點研發計劃項目“煤礦區場地地下水污染防控材料與技術”(NO.2019YFC1805400)在煤礦區礦井水環境污染防控方面取得的階段性系列研究成果，結合部分其他學者的相關科研成果設立本專題，選登6篇相關論文，以展現我國煤礦水文地質工作者在上述領域的最新研究進展和觀點，以期引起學術界和產業界的更多關注和討論，加速推進礦井水污染防控與礦區地下水環境保護方面的研究。

我國煤礦區礦井水污染問題及防控技術體系構建

孫亞軍1,2，徐智敏1,2，李 鑫1，張 莉1，陳 歌1，趙先鳴1，高雅婷1，劉 琪1，張尚國1，汪韋峻1，朱璐璐1，王 晟1

(1. 中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；2. 礦山水害防治技術基礎研究國家級專業中心實驗室，江蘇 徐州 221116)

煤炭開采必然產生大量的礦井涌水，我國目前的礦井水整體上表現出水質相對較差、水處理成本較高等問題。首先明確了我國典型礦區礦井水水質的主體特征：常規離子是造成礦井水水質差的主要化學組分；礦井水中有毒有害物質占比小，且基本優于地下水Ⅲ類水質量標準。其次，詳細探討了我國礦井水水質形成、演化的幾個科學問題，包括不同水文地質結構下物理–化學作用所起的主導作用，時間效應對水質演化的影響，微生物群落結構特征及其與環境因素的相關關系，水動力場–化學場–微生物場–溫度場的多場耦合問題等。接著重點介紹礦井水污染防控的技術方法，以減少礦井突(涌)水量和水資源保護為前提，以實現煤–水雙資源協調開采、煤炭綠色開采為目標，以礦井水“阻斷、減量、保護”為主要防控思路，圍繞煤礦區礦井水阻斷技術、污染負荷減量技術、污染區修復治理等科學問題展開分析；通過各種現有技術、方法、工藝，最大可能地降低噸煤礦井水處理成本，如采用井下預處理、地面深度處理、超深回灌封貯、生態資源化利用等。最后，提出研發煤礦區地下水及污染物的阻斷材料和吸附材料、注漿裝備、監測設備、投料設備、原位取樣檢測設備等，形成我國煤礦區礦井水污染防控技術體系。該技術體系的構建可對煤礦綠色開采、煤礦區深層地下水污染防控、閉坑礦井水污染防控、礦區地下水資源及生態環境保護利用等提供理論及技術支撐。

煤礦區；礦井水；污染防控；阻斷；減量；保護

我國地域遼闊，煤炭資源儲量豐富、成煤時期多，各地區煤炭資源賦存狀態差異性大，水文地質條件極其復雜，類型各不相同，長期的煤礦開采引發了諸多水文地質及生態環境問題。在煤炭資源開采的同時，必然產生大量的礦井水，據統計，僅2019年全國煤礦產生的礦井水量就達71億m3[1]，而礦井水往往以高懸浮物、高鹽和偏酸性為主要特征[2-5]；西部一些礦區高鹽高氟礦井水特征明顯[6-8]；某些礦區礦井水中檢出少量鎘、汞、鉛、砷、鉻(Ⅵ)、鎳和有機污染物等有毒有害物質[5,9-10]。由于部分礦區排放未達標礦井水，造成了一些生態環境污染問題，導致礦井水在社會上普遍呈現負面印象。

根據筆者團隊近年來的調研與研究結果，我國大多數煤礦礦井水中超標成分多為常量離子，且有些礦井水水質較好，少數地區的礦井水含有對人體有益元素，如鍶、硒、偏硅酸等微量成分，經過簡單處理即可作為礦泉水進行開發利用。采空區、閉坑礦井的礦井水在長期的物理–化學–微生物作用下有一定自凈能力，已發現魯西南礦區、徐州礦區老空水水質在時間效應下有逐漸轉好的趨勢，這與傳統上大眾對礦井水水質較差且不斷惡化的印象有所不同。同時，國家生態環境部門對礦井水嚴格監督，礦井水必須經過處理達標后才可排放，環境污染問題很大程度上得到了改善。但礦井水達標排放所面臨的問題不是技術難，而是成本高；不同煤礦礦井水水質及水處理工藝有所差異，礦井水地面深度處理成本浮動較大，噸水處理成本10～30元。在上述背景下，少數煤礦為了削減礦井水的處理成本，衍生出一系列將礦井水回灌采空區、離層空間、第四系含水層等處理方法，甚至存在礦井水偷排地表現象，導致很多潛在的安全開采、水生態、水環境威脅以及經濟損失。

為解決我國礦井水整體上水質較差、水處理成本高、處置方法不合理的現狀，筆者團隊一直致力于探索體系化的礦井水污染防控有效途徑，提出以減少礦井突(涌)水量和保護水資源為前提，以實現煤–水雙資源協調開采、煤炭綠色開采為目標，以礦井水的“阻斷、減量、保護”為主要防控思路，開展了圍繞煤礦區礦井水污染成因機制、污染物運移規律、污染區生態修復等科學問題的系統研究，以期解決相關的關鍵科學問題。

1 礦井水水質特征及污染因素

1.1 礦井水水質主體特征

我國有14個國家億噸級的大型煤炭基地，筆者團隊基于對全國各大基地中典型礦區的201座煤礦的現場調研、實驗研究、文獻檢索等工作，得出了表1中全國典型礦區礦井水水質總體特征[11-22]，總結分析得出以下幾點規律。

(3) Fe、Mn是礦井水中較普遍超標的物質，201座煤礦中有84座其含量超出GB/T 14848—2017《地下水質量標準》Ⅲ類水標準，占比高達42%。但各礦區有毒有害成分含量少，部分礦區含有毒性較強的重金屬(如As、Pb、Cr等)和揮發酚類，僅極少數超標。

(4) 以往各個礦區對深層礦井水中的微生物群落結構、氨氮含量等的關注不多；微生物群落結構在礦井水水質演化、修復治理中的作用至關重要、不可忽略，氨氮的含量對人體健康、生態環境都有不同程度的影響，應當對兩者給予更多關注。

總體上，礦井水中常規離子大多數超標，部分礦區礦井水中確實存在有毒有害物質，但有毒有害物質含量少、占比小，這與目前大眾普遍認為所有礦井水污染非常嚴重的觀念有所差別。

1.2 礦井水中的污染組分特征

我國部分煤礦礦井水中存在有毒有害物質也是不爭的事實，但在全國范圍內礦井水中有毒有害物質含量少、占比小，且在大多數煤礦礦井水中并不超標，檢測到有毒有害物質的煤礦數量不多，201座煤礦中僅有18座檢測到有毒有害物質含量超出GB/T 14848—2017《地下水質量標準》Ⅲ類水標準，且多為重金屬(除鐵、錳外)、揮發酚，占比僅為9%，多數超標組分介于Ⅲ、Ⅳ類水。同時，筆者發現以往煤礦較少關注礦井水中表征有機污染物的各項指標，如生化需氧量(BOD)、化學需氧量(COD)、總有機碳(TOC)等，其中萘、屈、菲、多氯聯苯等多環芳烴僅有少數報道[23-25]；但排出的礦井水中有機污染物超標則可能對地表生態環境產生較大影響。另外，極少數礦井含煤地層伴生礦物中含有放射性物質，尤其西部的多個聚煤盆地伴生鈾礦床，導致礦井水中含有放射性物質。除有毒有害污染物外，一些煤礦礦井水還檢測到某些特征成分，如釩，但目前礦井水中有關釩的研究鮮有報道；同時，多個礦區也檢出了對人體有益的微量元素，如鍶、硒和偏硅酸，在礦區水資源評價中應加以重視。

1.3 礦井水水質評價存在的問題

國內外學者已進行了大量有關煤礦礦井水特征的研究，但目前仍有很多問題亟需研究。一般認為礦井水水質差、污染嚴重，但科學界始終未能闡明導致一些礦井水水質差的主控因素。假如常量離子超標是導致礦井水水質差的主要因素，那么常量離子超標會對生態環境產生怎樣的影響需要研究、討論；再者，如果是有毒有害物質造成礦井水水質較差，那么有毒有害物質在礦井水中含量占比情況、對地下水污染的貢獻量以及能在礦井水中檢測到有毒有害物質超標的煤礦數量及其在全國煤礦中的分布、占比情況，仍需要結合全國各礦區展開深入研究、討論。比如在眾多礦井水污染物中，含有機污染物的礦井水排出地表后極易檢出有機污染物超標，可能是煤炭開采過程中確實產生了部分有機污染物，也可能受到地表河流上游、地下水補給區的影響，這些問題仍需要結合實際的水文地質條件深入研究。除上述有毒有害污染物的討論，針對礦井水中的一些有益元素也存在諸多問題，筆者團隊在徐州礦區、魯西南礦區、鄂爾多斯盆地部分礦區發現礦井水中普遍含有鍶，且有些煤礦礦井水中鍶含量高達15 mg/L；鍶雖然是礦泉水的必要元素，但在GB 8537—2018《食品安全國家標準飲用天然礦泉水》標準中仍有0.20 mg/L的上限要求，這就形成一個矛盾點：一方面鍶元素對人體有益，應該保護利用；另一方面有益元素超標也會被判為“污染”，有必要研究合理的“處理”方案。

2 礦井水水質形成及演化的科學問題

2.1 礦井水水質形成機理問題

礦井水水質的形成一方面取決于礦區水文地質結構，影響著礦井水量的大小及其水化學背景；另一方面取決于水化學等多場作用過程，影響礦井水的特征組分及其演化趨勢。

水源條件對礦井突(涌)水是否發生的影響體現在其為采掘空間提供水量來源，通道條件作為溝通充水水源和采掘空間的一個重要紐帶，是影響開采條件下水文地質結構演化的一個重要因素(圖1)。當兩個前提條件具備后，一系列物理–化學作用成為影響礦井水水質最重要的因素。目前已知或驗證的水質形成作用較多，包括蒸發–濃縮、吸附–解吸、溶解–沉淀、結晶、氧化–還原、離子交換、化學降解等水–巖、水–煤、水–水混合作用，其在地下水系統中留下各種水動力及水文地球化學信息[26-28]。在礦井水形成過程中，眾多物理–化學–微生物作用可能同時存在、發生，甚至相互影響，但針對特定的水文地質結構，其礦井水水質特征形成的主控作用是什么仍亟需深入研究。有些礦井水水質特征形成機理的研究過于宏觀，僅結合經驗理論從廣泛報道的水–巖作用、水–煤作用來討論某些離子或元素的產生，缺乏對實際的水文地質條件的研究、分析，甚至不少研究出現了錯誤結論。

圖1 礦井水形成的概念模式

Fig.1 Conceptual model of the formation of mine water drainage

2.2 礦井水質演化的時間效應問題

目前，大多數礦井水水質演化特征研究缺乏時間效應考慮或對井下礦井水水質的長期監測數據分析，有關老空水在時間效應影響下的水質演化研究鮮有報道，因此，上述水質演化機理尚不十分確定。筆者團隊初步研究認為：一些離子或污染物在物理–化學–微生物作用下從礦井水中逐漸轉移到沉積物中(煤泥)，導致水中的特征組分含量下降，表明老空水在時間效應下可能有一定自凈能力。但不同礦區的水文地球化學特征不同，其他礦區老空水水質演化是否具有類似的時間效應仍是需研究的科學問題。

圖2 山東某礦老空水中含量變化

2.3 礦井水中的微生物作用問題

水動力場、水化學場對煤礦區地下水污染成因、溶質運移的重要性毋庸置疑，微生物群落在地下水中的重要性近年逐漸得到重視。在煤炭開采過程中，井下環境發生重大變化，尤其是溫度、pH值、氧化還原條件等，導致礦井水中微生物群落結構、多樣性、演替規律發生重大變化，而微生物的演替變化又進一步影響礦井水污染物的降解和水化學特征[23,29-31]。

筆者團隊對魯西南礦區、鄂爾多斯盆地某煤礦礦井水形成、排放全過程進行了細菌群落分布及多樣性分析，結果表明：水樣中微生物群落豐度為煤巷>水倉≈地表水>巖巷>采空區>地下水；群落多樣性為地表水>煤巷>水倉≈巖巷≈采空區>地下水；水倉檢出的微生物物種最多，其次是煤巷和采空區，含水層中檢出的物種最少。沉積物樣品中微生物群落豐度和多樣性排序為地表水>巖巷>水倉>煤巷>采空區，表明煤礦井下微生物群落分布特征與環境具有極強的相關關系。

根據上述分析，如何定量化研究微生物在礦井水水質演化中的作用仍是一個重要的科學問題，特別是結合水文地質結構、時間效應等因素的微生物作用對水質演化的影響程度仍需探討，比如不同水文地質結構中微生物群落有何差異，不同微生物在礦井水水質演化所起的作用有何不同，考慮時間效應時微生物的死亡、群落結構對水質演化的定量研究等。

2.4 礦井水質形成的多場耦合問題

煤礦開采活動是強烈擾動原生地質、水文地質、水化學、微生物等環境條件的人為過程。

采煤過程中，頂底板巖層破壞帶的形成、礦井涌水的產生、含水層的疏降、注漿改造及堵水帷幕等因素強烈地改變了礦區地下水的水動力條件。地下水在上述擾動條件下進入采掘空間的過程中，一方面產生不同含水層間的地下水串層，另一方面，原來的地下水又從主要接觸原含水層介質轉變為接觸煤層、頂板圍巖、煤矸石等不同介質，必將在不同程度上改變礦區地下水化學場。

在我國生產礦井長期以礦井安全、水害防治為主要研究目的情況下，過去對井下的微生物是一種什么樣的存在狀態，以及微生物對礦井的水質形成有什么作用一直關注不多。但筆者團隊研究發現，在井下采掘空間、采空區、水倉等不同環境下，微生物都具有與原生環境顯著不同的豐度和多樣性。在此前提下，微生物作用對礦井水的水質演化起什么樣的作用；對礦井水中的污染特征組分的形成是正向還是負向的作用等問題均需開展深入、系統的研究。

除上述因素外，礦井水水質形成的化學過程、生物過程顯然與溫度密切相關。目前我國煤礦最大采深超過1 300 m，即使忽略其他因素影響，僅地溫梯度影響就會導致不同礦井溫度場的顯著不同。因此，考慮溫度場的變化對礦井水水質形成演化的影響是必要、合理的。

國內相關研究多集中在對礦井水演化的水動力場、水化學場作用的討論，對水動力場和水化學場的兩場耦合作用研究也有較多成果。但筆者認為，為了更加科學、合理地闡明礦井水的水污染成因及其演化，有必要從地下水污染的動力學機制出發，考慮長期時間效應下的水動力場–化學場–微生物場–溫度場多場耦合作用，建立多場耦合模型，但相關成果至今未見報道。

3 礦井水污染防控關鍵技術

3.1 防控思路與技術框架

對煤礦區場地礦井水污染的研究應當包含污染物來源、通道、污染形成和遷移擴散路徑等要素；從防控的角度，則應具備源頭阻斷、通道堵截、過程減量、末端處理、資源化利用和含水層保護等技術特征，減少礦井涌水量及污染負荷的排放；從空間上，還應體現地面井下全空間聯動防控的科學屬性，因此，提出煤礦區礦井水污染防控技術體系框架，如圖3所示。

3.2 源頭阻斷

礦井水污染防控的主要原則首先應是堅持對礦井水形成的水源或通道進行阻斷，既可以減少礦井涌水量，有利于礦井安全；也可以從源頭減少礦井水污染負荷的形成。阻斷技術與傳統的礦井水害防治堵水技術在具體工藝上有所交叉，但兩者的科學內涵完全不同。

礦井水害防治是以減少礦井突水事故的發生為目的，主要針對可能有突水威脅的水源或通道，注漿阻斷僅是其中的一種措施。而污染阻斷則是對所有可能貢獻礦井水量的水源、通道進行封堵，特別是水質較差、污染負荷較高的水源，即使是不具有突水威脅，也應從源頭上盡可能封堵，以減少礦井水污染負荷的產生。除了對生產礦井的突(涌)水水源、通道進行污染阻斷，必要時對閉坑礦井也要進行注漿封堵，以防止污染物的運移擴散。

注漿堵水技術目前已經相對成熟，實踐應用也較多，但在應用于礦井水污染防控時，則需要先對水源進行水質評價，特別是其中的污染特征組分、有毒有害組分及其環境影響的針對性評價，在此基礎上做出阻斷工程決策及合理實施方案。

圖3 礦井水污染防控技術體系

3.3 負荷減量

首先，通過污染阻斷技術已經盡可能減少了礦井水量的產生，但在目前的技術經濟條件下，完全阻斷礦井水的形成不現實。

其次，對于無法阻斷、必然產生的礦井水量應在井下進行預處理，以盡可能地降低污染負荷，筆者提出可進一步研發并應用采空區緩沖、微生物降解作用、吸附材料減量、礦井水處理等技術。具體技術思路如下。

(1) 老空水在時間效應下可能有一定程度的自凈作用，可以先將工作面、煤巷、巖巷的礦井水暫存至采空區，在一系列物理–化學–微生物作用下，礦井水中一些離子、有機質、重金屬等可以轉化到沉積物中(煤泥)，通過采空區積水的自我凈化作用，實現礦井水中某些離子或元素的降解，但微生物作用在時間效應的影響下對重金屬富集、降解的效果如何仍是一個待解決的科學問題。

(2) 研究發現，煤礦井下微生物群落分布特征及其與環境因子具有密切的相關關系，在利用原有微生物群落改善水質的同時，可人為向采空區中投加一些具有特定功能的微生物材料，也可以在污染阻斷材料中負載特定的微生物，制備成微生物材料，在阻斷過程中可降解或固化穩定化礦井水中部分有機污染物或重金屬元素，增強阻斷效果。

(3) 目前，一些天然或人造的環保材料具有很好的污染物去除效果，尤其是對一些有機污染物的吸附和降解，解決了有機污染物難降解的問題。如原位地下水污染修復可滲透反應墻技術所用的充填材料是當前研究熱點，其重點與難點在于充填材料的性能研究，包括吸附或降解污染物的效果、使用壽命、經濟成本，但吸附材料經常出現材料鈍化、系統堵塞等問題需要更深入研究[32-33]。

(4) 在礦井水排出地面進行深度處理前，可以對礦井水進行過濾、絮凝、沉淀等一些簡單的水質處理工作。最后，將礦井水從井下抽出后輸送地面處理廠進行深度處理，將處理達標的礦井水排放或資源化利用。根據礦井水的水質不同，相應的深度水處理方法不同，常見的有潔凈礦井水處理、含懸浮物礦井水處理、高礦化度礦井水處理(蒸餾法、離子交換法、膜分離法)、酸性礦井水處理以及含特殊組分礦井水處理等[1]。

總之，礦井水污染阻斷、負荷減量的最終目的是通過采用各種可行的方法、技術、工藝，盡最大可能地降低噸煤礦井水處理成本。

3.4 超深回灌封貯

礦井水超深回灌封貯技術主要目的是減少礦井水的地面排放量，從而減輕礦井水外排所產生的環境影響，同時也可以降低礦井水處理成本，提高煤炭開采的經濟效益。但礦井水的回灌封貯需要較大的貯水空間，還必須避免產生由于回灌目的層選擇不當所導致的頂底板突水等次生水害問題。根據我國各礦區的水文地質結構特征，選擇埋深大于2 000 m的目的層進行超深回灌成為有前景的技術途徑。根據筆者團隊的初步研究，選擇目的回灌層一般應遵循以下幾點原則：

① 選擇對煤礦安全開采不產生影響的含水層或儲水空間；

② 選擇對水循環基本沒有影響的含水層；

③ 選擇對水資源利用不產生影響的含水層或儲水空間；

④ 保證礦井水水質整體上優于目的回灌層水質，不污染目的含水層。

結合上述回灌原則簡要分析以下幾種不同回灌封貯技術的情況。

1) 煤層頂板含水層

與煤層距離近的頂板含水層往往是開采煤層的直接或間接充水含水層，回灌后煤層頂板突水威脅增大，未能從根本上消減礦井水量。與煤層距離較遠、與地面距離較近的第四系含水層或其他含水層往往是地下水飲用水源，國家環保生態紅線規定“實行人工回灌地下水時不得污染當地地下水源”和“當補給源為地表水體時，該地表水體水質不應低于《地表水環境質量標準》Ⅲ類標準”，故頂板含水層的回灌封貯不具有可行性。

2) 離層空間、采空區

離層和采空區儲水空間有限，難以滿足大量礦井水回灌封貯的需求，服務時效短，有時還可能伴有嚴重突(涌)水危險。

3) 底板含水層

在地面水處理成本高的情況下，相比其他含水層或儲水空間均無法滿足目的回灌層選擇原則的情況下，底板含水層超深回灌封貯是最具可行性的一種方法(本文提到的超深，特指埋深1 000～2 000 m或以下)。

筆者團隊在鄂爾多斯盆地某煤礦開展礦井水超深回灌封貯的試驗研究，試驗結果超出預期，回灌水量完全滿足煤礦日礦井水排水需求，表明此方法具有可行性，具備很大的開發潛力。雖然超深回灌封貯已經取得一些突破，但目前仍存在多方面的理論、技術和法規問題：

(1) 超深目的回灌層的確定，是否必須選擇滲透性非常好的含水層，對超深低孔–低滲含水層的可回灌性仍缺乏深入研究；

(2) 礦井水與目的回灌含水層的水質對比分析，礦井水易取樣、檢測，而超深地層取樣較為困難；

(3) 高壓回灌的過程中必然會對地層進行壓裂，使目的層原生裂隙增生、擴展和連通，但在回灌過程中孔隙–裂隙雙重介質地層滲透系數變化的定量描述及不同壓裂工藝的深入研究不足；

(4) 由于西部礦區特殊的弱膠結地層和超深高壓回灌的原因[6,34]，目的回灌層的水文地質條件在回灌過程中會發生變化，特別是含水介質的壓裂增滲變化，導致相關的參數計算、流場演化規律等已無法利用現有的地下水動力學原理解釋(如回灌水量一直增加，回灌壓力保持穩定)；

(5) 長期回灌水量預計的理論計算方法目前欠缺，超深回灌目的層是否可形成持續回灌能力也需要深入探討；

(6) 目前國內缺乏礦井水回灌的法規依據，因此，開展礦井水回灌的應用條件、可行性分析、長期環境影響演化理論等方面的研究可為相關法規制定提供理論基礎，且十分迫切。

3.5 閉坑礦井水污染防控技術

隨著近年來我國中東部礦區淺部煤炭資源逐步衰竭、開采條件日趨復雜、國家能源政策的宏觀調控以及去產能政策的實施，中東部礦區大量煤礦有序關閉，形成了大量關閉/廢棄礦井。據統計，“十一五”期間，全國累計關閉煤礦9 616座；“十二五”期間，全國累計關閉煤礦7 250座；“十三五”期間，全國累計有7 448處煤礦關閉(圖4)。“十一五”以來，全國關閉的各類煤礦多達24 000余座，閉坑礦井的區域水環境演化、修復治理已然成為煤礦區礦井水污染防控的重要內容之一。

圖4 我國“十三五”期間閉坑礦井數量

關于閉坑礦井水污染防控技術的研究，依然可以延續開采礦井的“阻斷、減量、保護”思路，但在具體工藝技術上有所差別。應在查明礦井閉坑后污染源、污染通道，分析水質演化特征的基礎上，結合通道阻截注漿工藝，開展地下水污染通道阻斷–原位修復–抽出處理等綜合工藝，最終確定閉坑礦井水污染防控方案。可能的技術途徑有：

(1) 采用注漿材料在煤礦區周圍建立阻斷帷幕，注漿材料在保障切斷礦井水與外界水力聯系的前提下，研發能降解、吸附污染物的材料，如微生物材料；

(2) 對礦井水水質較好的區段采用井下預處理方式(老采區緩沖、投加吸附材料、微生物作用)；

(3) 對水質較差的區段采用分段抽出技術，在地面進行深度處理，清除水體中污染物；

(4) 對于治理修復后的閉坑礦井水可以采用原地存儲、超深回灌封貯、城市應急水源地補給、生態補水、人工生態濕地等處理；

(5) 對于閉坑礦井存在串層污染井的特殊情況，選擇適當的注漿材料與注漿工藝，由下向上進行注漿封堵，截斷污染礦井水與其他含水層聯系，杜絕污染源，封堵后，要進行壓水試驗以確認封堵效果，并采用原位修復–分段抽出處理技術治理受污染水體。

3.6 礦井水資源保護及利用

煤礦礦井水既可能是一種具有煤炭行業特點的污染源，但又是一種寶貴的可利用水資源。礦區水資源保護目前已經受到廣泛的重視，最大限度地利用礦井水也是減量排放的技術途徑之一。

我國煤礦區地質條件復雜多樣，不同礦區水文地質條件、礦井水水質特征各不相同，因此，對不同類型礦井水進行針對性、靈活性處理有助于提高礦井水處理效率、降低處理成本。目前，國內眾多學者從不同角度研究礦區水資源保護與礦井水利用的問題，逐步形成以下技術途徑。

1) 礦井開采水資源影響評價

新建礦井、生產礦井對生產過程中可能影響的礦區水資源進行評價，明確礦井生產可能影響的水體和含水層范圍及水資源量，保護重要水源地。

2)保水采煤

在缺水地區，通過限制煤層采高、優化工作面布置和生產工藝等技術，避免采動導水裂隙帶導通頂板含水層，保護有限的水資源。

3) 煤水共采

在大水礦區，研究及實踐煤水共采技術，既可以消除礦井水害隱患，也可以充分利用豐富的地下水資源。

4) 保護閉坑礦井水資源

研究閉坑礦井老空水對相關含水層的回滲影響評價、污染阻斷、修復治理技術；煤礦企業在閉坑前應采取工程措施消除老空水對地下水資源的不良影響。

5) 優化礦井排水系統

通過專用放水巷道、放水鉆孔建立分離的排水系統；“清污分流”“分質分流”。

6) 礦井水凈化處理

將礦井水在井下進行預處理后再抽出地面進行深度處理；發展低成本礦井水處理技術及設備。

7) 礦井水的生產利用

可直接用礦井水作為煤礦井下防塵、防滅火、降溫、注漿等生產用水，爭取做到礦井水的“零排放”；洗煤選煤、坑口發電、煤化工等企業優先使用礦井水。

8) 城市應急水源地

在閉坑礦井水量豐富、水質較好的條件下，發展利用其作為城市應急供水水源之一的相關技術，如徐州市利用城市周邊煤礦采空區，選擇水質較好的閉坑礦井作為城市應急供水水源。

9) 優質礦井水利用

一些礦區的礦井水水質優良，并且含有對人體有益的微量元素，經過適當的處理可以開發成礦泉水加以利用。

10) 礦井水生態利用

將水質較好的礦井水用于生態補水和景觀補水；將地面塌陷坑改造為生態濕地、人工湖等，如徐礦集團由煤礦塌陷區治理后的潘安湖景區，徐州礦區的新河煤礦奧灰水水質優良，新河煤礦礦井水是5A級云龍湖風景區的重要生態補給來源。

11) 轉移存儲技術

在西部干旱半干旱礦區，當上覆含水層難以避免被采煤破壞時，可將上覆含水層中的地下水轉移至煤層底板以下具有適當存貯空間的含水層中，以保護水資源。

12) 極端環境下礦井水的生態改善作用

在西部極端干旱–半干旱的環境下，采煤活動面臨水資源的供需矛盾，新疆吐哈盆地某煤礦將礦井水排放到地表后，在戈壁荒漠地區形成湖泊，在一定程度上改善了小區域生態環境。

13)農田灌溉

西部礦區缺水嚴重，新疆某些煤礦礦井水水質非常優良，如位于新疆的伊犁一礦礦井水經過簡單沉淀即可用于農田灌溉，為礦井周邊干旱地區5.3 km2小麥提供灌溉用水。

4 礦井水污染防控材料及裝備

4.1 污染防控材料

礦井水污染防控的阻斷、減量和保護過程中，需要采用多種具有不同功能的新型材料，如高膨脹性的導水通道阻斷材料，基于固廢基的低成本注漿材料，具有降低礦井水污染負荷的膨脹吸附材料，可在井下轉化礦井水中污染物的微生物材料等，需要進一步研發。目前，常用的注漿材料可分為無機類及有機類，無機類材料包括水泥類、水泥–水玻璃類，有機類材料包括環氧樹脂類、聚氨酯類、丙烯酸鹽類、木質素類以及在此基礎上的各類改性注漿材料[35-37]。

針對寬大管道與裂隙注漿治理，水泥–水玻璃雙液漿在水中溶解度大，后期強度與體積均倒縮，配比對初終凝時間敏感性強，漿液在凝膠之前無法抵抗動水沖刷，易造成漿液流失，無法阻斷污水運移，材料初終凝時間間隔較短，漿液無法有效擴散[38]。環氧樹脂與聚氨酯類注漿材料價格高昂，且存在一定的毒性；水溶性的聚氨酯和環氧樹脂類在水中易被稀釋沖刷，從而喪失作用[39-40]；丙烯酸鹽類注漿材料強度較低，毒性較強[41]；木質素類注漿材料是以亞硫酸紙漿廢液為主劑并加入一定量的重鉻酸鈉或硫酸銨作為固化劑制成，對環境具有一定的污染[42]。因此，研發一種對污染物有較強的吸附和降解能力，在地下水環境中能長時間保持穩定和活性，廉價易得，并且具有適宜的黏度、環保且能夠快速實現大通道污水運移阻斷的新型材料具有重要的意義。

山東大學已經研發出的新型膨脹突(涌)水封堵材料、高性能低成本固廢基阻斷材料，以及正在研發的新型多孔無機聚合物基污染物阻斷材料均具備良好污染物阻斷效果。除了阻斷材料，礦井水在井下預處理過程中也可以人工投加吸附材料，以達到更好的預處理效果，如現有的零價鐵、鐵的氧化物、活性炭、沸石、磷酸鹽、石灰石、離子交換樹脂以及有機材料等，也可以研發適用于礦井水預處理的新型吸附材料。阻斷材料和吸附材料的研發應重點研究污染物在阻截材料或吸附材料中的降解過程、機理、降解效果及其影響因素，確定不同材料的衰變期和使用壽命等關鍵參數，研究污染防控材料與其抗滲性能的關系，污染物在阻截墻體中穿透、擴散與吸附行為，都是決定材料綜合性能的控制因素。

4.2 污染過程監測與防控裝備

目前，注漿工藝在阻斷突水通道、阻截污染礦井水擴散運移方面得到廣泛應用，形成了一系列的注漿控制技術與方法。在水泥漿制漿機設備方面，國內基本上保持了與國外的同步發展水平，以機動–液控、機動–電控、電控–液控和全液壓控制換向為主，前3種可靠性低，易受電磁推力干擾，流量相對較小，尤其易在煤礦井下復雜的工作環境中發生故障和安全隱患；后者結構簡單、性能平穩可靠、維護方便[43-44]。高性能全液壓自動智能換向控制系統、井下小型可移動式注漿裝備仍需要深入研發。

除了注漿設備的研發，監測設備、超深原位取樣、原位檢測、投料裝備的研發對煤礦區礦井水污染防控技術的發展也非常重要。煤炭開采已進入千米深井，一方面超深含水層原位取樣難度大，取樣設備缺乏；另一方面，原位取樣后能夠對水質情況進行快捷、方便的原位測試儀器也很缺乏，且原位測試的指標也非常有限，一般只能檢測pH值、溫度、電導率、溶解氧、氧化還原電位等。應當加快推進礦井水污染物檢測領域便攜式快速檢測裝備、高靈敏快速檢測裝備、超深樣品信息采集技術、投料裝備以及智能化原位監測裝備的研究開發進度，增強煤礦區地下污染物原位監測和檢測技術能力，滿足礦井水污染防控調查評估需要。礦井水在采空區緩沖的過程中可以投加吸附材料、微生物功能物種提高其凈化能力。有關井下自適應投料裝備亟需研發，根據不同水文地質條件下采空區凈化能力可自動調節投料量，實現定時定量投料，以達到最大的礦井水預處理效果。當前能滿足2 000 m以下深部含水層溫度、壓力和pH值在線監測，并且具有耐壓、耐溫、超低功耗、智能補償等特點的監測設備依然缺乏。

5 結論

a.根據全國201座煤礦的統計，得出常量離子為礦井水超標的主要成分，鐵、錳含量超標比較常見，有毒有害物質、有機污染物含量少、占比小，少數礦井水中含有有益元素。但不同污染物對地下水污染的貢獻量以及礦井水中污染因素的宏觀分布仍存在諸多科學問題。

b.煤礦區礦井水在地下含水層的污染成因–演化–運移–擴散的全過程受到多種因素的影響，提出了不同水文地質結構下物理–化學作用所起的主導作用，時間效應對水質演化的影響，微生物群落結構特征及其與環境的相關關系，水動力場–化學場–微生物場–溫度場的多場耦合等亟需解決的科學問題。

c.基于礦區污染識別、源頭和過程阻斷、污染水量和污染物量消減的思路，以阻斷、減量和保護為核心構建了精準、高效的煤礦區礦井水污染防控技術體系。通過各種可行的技術、方法、工藝，盡最大可能降低噸煤礦井水處理成本，開展井下預處理、地面深度處理、超深回灌封貯、生態利用等。

d.應當加快推進原位監測、超深取樣、高靈敏快速檢測、投料裝備的研發，研發出適應污染過程監測與防控裝備，包括礦井水污染物防控領域便攜式快速檢測裝備、高靈敏快速檢測裝備、超深樣品信息采集技術、投料裝備以及智能化原位監測裝備等，增強煤礦區污染物現場原位監測、采樣和檢測技術能力，滿足礦井水污染調查評估需要。

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Mine water drainage pollution in China’s coal mining areas and the construction of prevention and control technical system

SUN Yajun1,2, XU Zhimin1,2, LI Xin1, ZHANG Li1, CHEN Ge1, ZHAO Xianming1, GAO Yating1, LIU Qi1, ZHANG Shangguo1, WANG Weijun1, ZHU Lulu1, WANG Sheng1

(1. School of Resources and Geosciences, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2. National Professional Center Laboratory of Basic Research on Mine Water Disaster Prevention and Control Technology, Xuzhou 221116, China)

Mining activities are bound to produce enormous mine water drainage. Mine water in China shows relatively poor water quality and high cost of water treatment and other problems. Firstly, the main characteristics of mine water quality in China’s typical mine areas are clarified in this paper: conventional ions are the main chemical components causing poor mine water quality; mine water has a small proportion of toxic and harmful substances, which is generally better than the quality standard of class Ⅲ groundwater. Secondly, some scientific issues on the formation and evolution of mine water quality are discussed in detail, including the leading role of physical-chemical effects under different hydrogeological structures, the influence of time effect on water quality evolution, the relationship between microbial community structure characteristics and environmental factors, the multi-field coupling of hydrodynamic field, chemical field, microbial field and temperature field. Then, this paper mainly introduces the prevention and control techniques of mine water pollution where on the premise of reducing the amount of water inrush and the protection of water resources, with the goal of realizing the coordinated mining of coal and water resources and the green mining, and the main ideas of “block, reduction and protection” for prevention and control of mine water, scientific issues such as mine water blocking technology, pollution substances reduction technology and pollution area restoration and treatment are analyzed. The cost of coal mine water treatment can be minimized through various existing technologies, methods and processes, such as underground pretreatment, surface in-depth treatment, super deep recharge and storage, ecological resources utilization. Finally, the paper puts forward the development of blocking materials, adsorption materials, grouting equipment, monitoring equipment, feeding equipment, in-situ sampling and detection equipment for groundwater and pollutants in coal mine areas, forming the technical system of mine water pollution prevention and control in coal mine areas. The construction of this technical system provides theoretical and technical support for green mining, the prevention and control of deep groundwater pollution in coal mine areas, the prevention and control of water pollution in closed mines, the protection and utilization of groundwater resources and ecological environment in mine areas.

coal mine areas; mine water; pollution prevention and control; block; reduction; protection

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X52；P641

A

1001-1986(2021)05-0001-16

2021-08-15；

2021-08-30

國家重點研發計劃項目(2019YFC1805400)；中央高校基本科研業務費專項資金項目(2020ZDPY0201)

孫亞軍，1963年生，男，安徽渦陽人，博士，教授，博士生導師，研究方向為礦井水害防治與污染防控.E-mail：syj@cumt.edu.cn

孫亞軍，徐智敏，李鑫，等. 我國煤礦區礦井水污染問題及防控技術體系構建[J]. 煤田地質與勘探，2021，49(5)：1–16. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.001

SUN Yajun，XU Zhimin，LI Xin，et al. Mine water drainage pollution in China’s coal mining areas and the construction of prevention and control technical system[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(5)：1–16. doi: 10.3969/ j.issn.1001-1986.2021.05.001

(責任編輯 周建軍)