礦井閉坑后地下水污染機(jī)理及防治綜述

余小林，王沙沙，章 玥，戴慧珍，孫文博

（龍巖學(xué)院 資源工程學(xué)院，福建 龍巖 364012）

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，2010年到2021年我國(guó)平均煤炭年產(chǎn)量為34.36億t，煤炭資源需求量大，大量開(kāi)采使煤礦區(qū)資源枯竭。近幾年，十四五規(guī)劃和雙碳目標(biāo)的實(shí)施，一些中小型煤礦進(jìn)行資源整合與關(guān)閉，進(jìn)而增加了許多的廢棄礦井。礦井廢棄以后，礦井水位回升，伴隨污染物的礦井水通過(guò)斷層、裂隙、封閉不好的鉆孔等通道造成地下水不斷污染，加之廢棄礦井地下水動(dòng)力場(chǎng)和水化學(xué)環(huán)境高度復(fù)雜，導(dǎo)致地下水污染的防治難度較大。國(guó)外從20世紀(jì)90年代就重視和探討了關(guān)于廢棄礦山產(chǎn)生的地下水污染問(wèn)題，我國(guó)與其他發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)展了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)與管理措施。目前，大部分研究聚焦于酸性礦山地下水對(duì)土壤、植被、土壤、地下水和酸性礦山地下水的毒害作用，廢棄礦山地下水的防治與處理作為全球研究焦點(diǎn)領(lǐng)域。隨著廢棄礦井的數(shù)量增加，廢棄礦井地下水污染問(wèn)題不斷增加，因此我們國(guó)家在近些年針對(duì)地下水污染進(jìn)行一系列防治措施的研究。本文立足于分析閉坑礦井產(chǎn)生的水文地質(zhì)效應(yīng)，按地下水的埋深不同和污染模式的成因不同，重點(diǎn)解析和研究各類污染的形成機(jī)制，針對(duì)閉坑礦井問(wèn)題，本文結(jié)合現(xiàn)有的閉坑礦井地下水污染防治技術(shù)，提出一系列地下水污染的防治措施。

1 閉坑礦井水文地質(zhì)效應(yīng)分析

一般來(lái)說(shuō)水文地質(zhì)效應(yīng)是指正處于開(kāi)采早期或者開(kāi)采階段的礦井，在人類和自然因素的作用下對(duì)礦區(qū)產(chǎn)生的地質(zhì)環(huán)境影響[1]。因近幾年政策的推行，部分中小型礦井進(jìn)行整合、關(guān)停，閉坑后的礦井成為地下水主要污染源頭。科學(xué)研究已經(jīng)證實(shí)，水文地質(zhì)效應(yīng)同樣也會(huì)發(fā)生在礦井閉坑后。

在礦山閉坑后，礦井地下水系統(tǒng)由原來(lái)自然條件下形成的地下水體系和礦井閉坑后形成復(fù)雜的地下水體系組成，水文地質(zhì)環(huán)境變得更加錯(cuò)綜復(fù)雜，同時(shí)也引起了一系列復(fù)雜的水文地質(zhì)效應(yīng)，其主要包括地下水含水質(zhì)、動(dòng)力場(chǎng)、水循環(huán)和化學(xué)場(chǎng)的改變[2]，具體內(nèi)容如下。

（1）含水介質(zhì)的改變。礦山開(kāi)挖施工過(guò)程中的各種巷道、開(kāi)挖空間和采礦過(guò)程時(shí)引起巖體破碎，所形成的裂縫、斷層等導(dǎo)水構(gòu)造，就成為了地下水收集、排泄的中心。含水結(jié)構(gòu)由原本地質(zhì)環(huán)境空間逐漸被人為改造成為活動(dòng)空間。開(kāi)采過(guò)后的地層形成一體。隨著地下礦井開(kāi)采的影響，地下水平衡被打破，含水介質(zhì)出現(xiàn)改變，使自然賦存的地下水逐漸改變并形成一種受人工活動(dòng)影響的組合形態(tài)。

（2）地下水動(dòng)力場(chǎng)和流場(chǎng)的改變。采礦工程的建設(shè)中許多不同的含水系統(tǒng)相互串通，在經(jīng)過(guò)礦山的閉坑以及對(duì)礦水的停止排水之后，地下水的水位將迅速回升，從而形成以礦山為核心的下降漏斗。因?yàn)樵瓉?lái)的水系統(tǒng)已取得了一定平衡狀態(tài)，當(dāng)?shù)V山的閉坑或礦水停止排出之后，原有穩(wěn)定的含水層系統(tǒng)體系又再次發(fā)生變化，使得地下水動(dòng)力場(chǎng)產(chǎn)生復(fù)雜的變化，潛水層、承壓含水層等的水頭數(shù)值出現(xiàn)偏差，地下水的流場(chǎng)也為了適應(yīng)礦井的閉坑出現(xiàn)改變。

（3）地下水循環(huán)系統(tǒng)的改變。礦山閉坑后，采空區(qū)、巷道等開(kāi)采空隙由較高含水層進(jìn)行補(bǔ)給，同時(shí)也作為小補(bǔ)給源對(duì)較低含水層進(jìn)行補(bǔ)充。原來(lái)的工程中遺留下來(lái)的一些鉆孔、巷道形成主要排泄點(diǎn)加上礦井水的停止吸收與停止排放，使完全疏干的含水層再次接觸水源，并且含水空間之間產(chǎn)生更多復(fù)雜的補(bǔ)徑排水關(guān)系。

（4）地下水化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)的變化。其根本原因是地下水動(dòng)力場(chǎng)和循環(huán)系統(tǒng)的變化。當(dāng)進(jìn)行采礦活動(dòng)時(shí)，地下水化學(xué)反應(yīng)環(huán)境由關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)為打開(kāi)狀態(tài)、還原狀態(tài)轉(zhuǎn)為氧化狀態(tài)，與一些易溶礦物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生了巨大的酸性礦山水。閉坑后，老空區(qū)中的積水逐漸集中，礦物質(zhì)濃度也不斷上升。同時(shí)，由于礦業(yè)活動(dòng)中產(chǎn)生的各類金屬、廢水等與地下水進(jìn)行物理、生物化學(xué)反應(yīng)下，形成的礦井水含有大量的懸浮物質(zhì)及重金屬元素。而水中稀釋的物質(zhì)會(huì)隨著地下水的補(bǔ)給和排泄的變化發(fā)生變化，從而加速地下水的變化。

閉坑礦井水文地質(zhì)條件的改變，可直接擴(kuò)大污染范圍，因此在治理地下水污染前，要充分掌握礦井所在地及其周圍區(qū)域的水文地質(zhì)條件。

2 閉坑礦井地下水污染模式及其形成機(jī)理

閉坑礦井地下水的污染模式按地下水的埋藏深淺分成2種：淺層地下水污染和深層地下水污染，并對(duì)每一大類按照其形成機(jī)理的不同再進(jìn)行亞分類。

2.1 淺層地下水污染

2.1.1 地表塌陷形成積水坑污染

通常礦區(qū)被巨厚的沙礫巖層、黏土巖層所覆蓋，由于黏土層的透水性差形成穩(wěn)定的隔水層結(jié)構(gòu)。由于礦區(qū)煤層的開(kāi)采，部分巖層形成采空區(qū)，導(dǎo)致地表失去支撐，在重力的作用下，地表形成一定的凹陷，隨之受降雨的作用，形成積水坑，積水坑接收地表污染源污染。在閉坑后，回填技術(shù)的設(shè)置不當(dāng)，凹陷進(jìn)一步形成塌陷，且塌陷深度不斷加深。當(dāng)塌陷的坑底高度低于潛水位時(shí)，一部分的潛水進(jìn)入塌陷坑中。同時(shí)，受地表污染的積水也會(huì)反過(guò)來(lái)補(bǔ)給潛水，形成淺層地下水污染，過(guò)程如圖1所示。

圖1 地表塌陷形成積水坑污染示意圖

2.1.2 地表堆積物淋濾污染

礦井閉坑后，堆放在地表的廢棄礦渣、廢棄設(shè)施以及人類活動(dòng)后遺留下的生活垃圾等，未得到及時(shí)處理，經(jīng)空氣氧化、降雨、淋濾作用，將一些易溶污染物帶到地下，隨著降雨的作用，地下水水位發(fā)生改變，導(dǎo)致污染物進(jìn)入潛水和淺層地下水，其污染過(guò)程如圖2所示。

圖2 地表廢棄物淋濾示意圖

2.2 深層地下水污染模式

深層地下水污染主要是初始含水層在開(kāi)采中受到污染、破壞，形成以串層污染為主的深層地下水污染模式。

開(kāi)采過(guò)程中制造的各種巷道及開(kāi)采時(shí)造成的巖體破裂，產(chǎn)生的裂隙、斷層等都成為溝通各含水層的重要通道。受采動(dòng)過(guò)程，初始含水層的水頭降低，接受來(lái)自鄰近高水壓下含水層的補(bǔ)給，徹底改變了原有的補(bǔ)給形式，影響地下水的介質(zhì)、動(dòng)力場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)等，引起了水體的串層污染，其污染過(guò)程如圖3所示。

圖3 深層地下水污染模式示意圖

閉坑礦井后，其深部串層污染模式按淺部含水層先后及被污染的次序分成2種：一種情形是礦井閉坑后，水位產(chǎn)生回彈，原先被污染的淺部含水層水位高于底板承壓水頭，而底板承壓水利用隔水層的“天窗”接納了來(lái)自淺部含水層的污水，從而造成了由淺至深的串層地下水污染模式。

另一種污染模式與之相反，底板的承壓水先被污染后，承壓水水位超過(guò)了淺部含水層，通過(guò)巷道、采動(dòng)裂隙、構(gòu)造等污染淺部含水層。尤其是在礦井閉坑后，由于排水措施設(shè)置不當(dāng)?shù)纫驍?shù)，導(dǎo)致含有污染物的煤礦廢水不能有效排放，煤礦廢水進(jìn)入井筒、廢棄鉆孔、采空區(qū)及巷道等處集聚回彈，再通過(guò)各個(gè)管道、縫隙等補(bǔ)給淺部的含水層結(jié)構(gòu)，形成從深至淺的污染模式。

地下水的污染原因涉及到物理污染、化學(xué)污染、生物污染等方面，但水動(dòng)力場(chǎng)的改變和地下水循環(huán)是造成大規(guī)模污染的主要原因。結(jié)合上述分析，污染層位涉及較廣，復(fù)雜的水動(dòng)力場(chǎng)和串層污染給地下水的治理帶來(lái)了困難。

3 閉坑礦井地下水污染的防治措施與技術(shù)

國(guó)外從20世紀(jì)90年代就注意到地下水污染問(wèn)題并著手開(kāi)始研究與治理，俄羅斯、英國(guó)、美國(guó)等國(guó)家相繼對(duì)地下水污染的治理做了大量的實(shí)驗(yàn)，目前治理的方法主要有主動(dòng)治理和被動(dòng)治理[3]。國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者和單位于近幾年相繼開(kāi)始對(duì)地下水污染進(jìn)行研究與治理，本文通過(guò)總結(jié)前人的治理手段，將目前主要的防治過(guò)程要分為2個(gè)部分：閉坑前防治措施與閉坑后治理和地下水污染監(jiān)測(cè)技術(shù)。

3.1 礦井閉坑前地下水污染的防治措施

閉坑礦井水污染不能全靠閉坑后的集中治理，在開(kāi)采期間也需要對(duì)污染源頭進(jìn)行控制。在開(kāi)采時(shí)，可采取回填法進(jìn)行開(kāi)采，對(duì)塌陷的程度進(jìn)行控制，以此來(lái)降低礦井閉坑凹陷的程度；其次，可以改進(jìn)采礦技術(shù)、改善開(kāi)采工藝；接著，需要對(duì)地下水的環(huán)境有一定的掌握，來(lái)預(yù)防后期開(kāi)采時(shí)遇突發(fā)的地下水環(huán)境的變化；更重要的是，應(yīng)謹(jǐn)慎處理開(kāi)采時(shí)的生活污水、礦井水調(diào)節(jié)池、混凝池及排矸場(chǎng)等，防止其滲入地下水，造成地下水污染；最后，對(duì)廢渣等進(jìn)行二次處理、再利用，減少污染物的排放等。

3.2 礦井閉坑后地下水污染的治理措施

閉坑礦井地下水形成污染之后，應(yīng)當(dāng)采取一些相對(duì)應(yīng)的措施進(jìn)行修復(fù)，目前大多數(shù)主要治理措施有物理、化學(xué)處理方法和生物修復(fù)技術(shù)。

3.2 .1物理、化學(xué)處理方法

（1）高礦化度礦井用水處理。高礦化度礦井用水一般是指無(wú)機(jī)鹽的總濃度超過(guò)1 000 Mg/L的礦井用水，含無(wú)機(jī)鹽一般來(lái)自于Ca2+，Mg2+，Na+，K+，SO42-，HCO3-，以及Cl-等電離溶液，這一類礦水的水質(zhì)一般為中度或偏堿性，并有強(qiáng)烈酸澀味，所以又稱為苦鹽水。常見(jiàn)的前處理技術(shù)一般有：水餾法、離子交換法、膜分離法、化學(xué)藥劑法、電滲析法和反滲透法等。由于大多數(shù)使用的電滲析方法中，裝置都需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的前處理，因此進(jìn)入裝置的水中濁度一般要求在3度以內(nèi)，并保證Fe、Mn、Cl等的合格要求。例如，靈新煤礦礦井水屬于高礦化度礦井水，該礦井水的硬度和堿度都比較高，主要鹽分是氯化物和碳酸鹽。其具體的污水處理措施是先將大直徑固體顆粒過(guò)濾，再清除懸浮物等微粒，接著脫去大部分鹽類，最后經(jīng)過(guò)多次處理軟水和濃水后，得到可以重新再利用的礦井水。處理后的礦井水不僅可以再次用于井下作業(yè)，還可以用于綠化環(huán)境。

（2）酸性礦井水處理。由于大部分的煤含有硫礦物質(zhì)，在開(kāi)采中含硫礦物質(zhì)極易與水和空氣中的氧氣接觸后會(huì)發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的酸性礦井水。通常使用中和法、吸收法、硫化法和高含量泥漿法等。例如，貴州省黔東南凱里市魚洞河流域龍洞泉為典型的南方喀斯特分布區(qū)，碳酸鹽巖分布廣泛，巖溶化程度比較高。飛龍煤礦礦井關(guān)停后，由于連續(xù)降雨，龍洞泉泉水混入了大約三分之一的酸性礦井水。具體的污水處理措施是通過(guò)綜合勘查技術(shù)進(jìn)行調(diào)查，為后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)奠定基礎(chǔ)，最后通過(guò)注漿等綜合治理技術(shù)，龍洞泉泉水主要污染指標(biāo)逐漸變好。

（3）含懸浮物礦井水的處理。含懸浮物礦井水的pH通常為中性，呈灰或黑色懸濁液體，懸浮液中主要是由不溶于水的無(wú)機(jī)物、有機(jī)質(zhì)、水泥砂漿、泥土、微生物和煤粉組成，并且含有大量細(xì)菌。通常要使用化學(xué)沉淀法，從井下或地面上除去懸浮物，接著進(jìn)行混凝、沉淀、過(guò)濾及消毒等處理過(guò)程。例如西北地區(qū)的礦井水有不少為含懸浮物礦井水，最新的也是最普遍推廣的處理方法是通過(guò)化學(xué)混凝法來(lái)處理。其操作簡(jiǎn)單易上手，容易管理和維護(hù)。

（4）含有害元素及放射元素的礦井水處理。這一類礦井水通常是指含微量有害元素和放射性元素的礦井水、含氟礦井水及高油脂含量類的礦井水[4]。一般是先除去懸浮物，然后處理未達(dá)到目標(biāo)排放的廢物。通常使用電滲析技術(shù)、過(guò)濾、鋼筋混凝、氣體沉積、熱吸收、離子交換技術(shù)，以及膜技術(shù)等處理方式。

3.2.2 生物修復(fù)技術(shù)

根據(jù)對(duì)各種場(chǎng)所的地下水危害防治，常用技術(shù)有植被恢復(fù)技術(shù)、人工濕地和微生物恢復(fù)技術(shù)等。在自然的環(huán)境中，生態(tài)系統(tǒng)本身具有自我恢復(fù)的能力，但由于煤礦的過(guò)度開(kāi)采，破壞了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)平衡，生態(tài)系統(tǒng)的自我恢復(fù)能力下降或其本身承載能力遠(yuǎn)小于環(huán)境的破壞程度，導(dǎo)致環(huán)境污染。人工濕地技術(shù)是投放微生物、土壤基質(zhì)到污水中，使其成為一個(gè)人工生態(tài)系統(tǒng)，然后利用生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)功能，實(shí)現(xiàn)地下水污染的凈化。微生物恢復(fù)技術(shù)是利用微生物的氧化作用及其生理新陳代謝的過(guò)程，對(duì)含有大量的硫酸根離子、重金屬離子的酸性礦井水進(jìn)行修復(fù)，以減緩水質(zhì)污染。同時(shí)還存在一些真核生物能與污染物吸附，回收其中的金屬，提高經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 閉坑礦井地下水污染的監(jiān)測(cè)與防控技術(shù)

閉坑礦井地下水污染的防控體系包括：野外實(shí)地調(diào)查、外業(yè)內(nèi)業(yè)相結(jié)合的監(jiān)測(cè)方式、分析與評(píng)估和實(shí)行防控措施等幾個(gè)環(huán)節(jié)。

3.3.1 礦井水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)警裝備與技術(shù)

礦山水文監(jiān)控設(shè)備是一個(gè)礦用信息收集與管理的設(shè)備。對(duì)煤礦下的水文等地質(zhì)現(xiàn)象也可以進(jìn)行監(jiān)控，如溫度、水壓、流速、涌水突變量及溫度變化等，同時(shí)還可接上其他的各種礦用傳感器來(lái)收集所有的數(shù)值，然后再將所有數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，達(dá)到對(duì)礦井水害異常情況報(bào)警或預(yù)警的目的。在國(guó)內(nèi)，許多企業(yè)和各大科研類研究院、研究所對(duì)礦井水文監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)展了長(zhǎng)時(shí)間的科學(xué)研究，并發(fā)明了許多水文監(jiān)控系統(tǒng)裝備，比如：KJ402礦山水文監(jiān)控系統(tǒng)、KJ1588礦用水文動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、KJ628礦山水文監(jiān)控系統(tǒng)、KJ117礦山水文監(jiān)控系統(tǒng)和KJ1165智慧水文監(jiān)控系統(tǒng)等。

3.3.2 煤礦區(qū)的地下水污染監(jiān)測(cè)方法和預(yù)警技術(shù)

煤礦區(qū)場(chǎng)地的地下水污染監(jiān)測(cè)大多是要通過(guò)野外或?qū)嵉夭蓸?，再在?shí)驗(yàn)室里從事水質(zhì)的研究，最后與初始水體進(jìn)行比較，為探討水體演化規(guī)律奠定基礎(chǔ)。水質(zhì)提取分析主要是分析水中的污染因子、有機(jī)物、重金屬的元素和含量、酸堿性和渾濁度等。水質(zhì)提取分析的方法有：離子電極、可見(jiàn)分光光度計(jì)、雙原子熒光光度計(jì)、三維熒光光譜技術(shù)及光學(xué)分析檢測(cè)技術(shù)等。

目前的礦井區(qū)場(chǎng)地預(yù)警技術(shù)主要是依據(jù)地下水污染程度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)理論，通過(guò)迭置指標(biāo)法、過(guò)程數(shù)學(xué)模擬法、統(tǒng)計(jì)方法及模糊數(shù)學(xué)等風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方式，對(duì)礦井區(qū)內(nèi)地下水污染程度作出風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。同時(shí)，利用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言C++、NET、數(shù)據(jù)庫(kù)等開(kāi)發(fā)或二次開(kāi)發(fā)地下水污染評(píng)價(jià)系統(tǒng)軟件，以此來(lái)完成地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和評(píng)價(jià)、地下水污染風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)和預(yù)警、地下水污染風(fēng)險(xiǎn)決策等功能。通過(guò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)注入預(yù)警系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)警的目的。例如，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)馮啟言院士組織研制了廢棄礦山地下水環(huán)境污染危險(xiǎn)性評(píng)估體系[5]。

4 結(jié)論

分析閉坑礦井產(chǎn)生的水文地質(zhì)效應(yīng)可知，當(dāng)含水介質(zhì)、地下水運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、地下水循環(huán)系統(tǒng)及地下水化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)發(fā)生改變時(shí)，會(huì)形成一系列復(fù)雜的水文地質(zhì)效應(yīng)。其形成的機(jī)理可分為淺層地下水污染和深層地下水污染兩大類：淺層地下水污染主要形成地表塌陷形成積水坑污染和地表堆積物淋濾污染；深層地下水污染主要在含水層的開(kāi)采中受到污染，形成以串層污染為主的深層地下水污染模式。針對(duì)以上閉坑礦井水環(huán)境問(wèn)題，可因地制宜地運(yùn)用物理、化學(xué)處理方法和生物修復(fù)技術(shù)進(jìn)行處理；并可綜合利用并運(yùn)用地下礦井水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)警裝備與提取技術(shù)、煤礦區(qū)的地下水污染監(jiān)測(cè)方法和預(yù)警技術(shù)，對(duì)礦井區(qū)內(nèi)地下水污染程度做出風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。