關閉煤礦酸性礦井水污染低成本可持續治理模式研究
——以重慶城口宏揚煤礦為例

趙運新，王 平，侯均洪，楊洪海

重慶一三六地質隊

隨著重慶能源產業結構的調整，重慶煤礦整體關閉。關閉煤礦的生態環境問題接踵而至，其中酸性礦井水污染問題尤為嚴重，主要特點為pH值較低，且含有高濃度的硫酸鹽以及多種可溶性的重金屬離子。直接排放的酸性礦井水不僅污染礦區及周邊水資源，還會破壞生態環境，危害農作物及水生生物的生長，嚴重影響當地居民的正常生活。

宏揚煤礦位于城口縣城270°方位，2011年建井，2016年關閉。礦井關閉后酸性礦井水通過主平硐未經處理直接排放至地表水文網，對生態環境造成嚴重影響。因此，有必要對該礦井水污染治理模式進行研究，建立以自然恢復為主的低成本、可持續的管控治理體系，為影響區域地下水及地表流域的保護和治理提供理論支撐。

1 礦區地質及水文地質特征

宏揚煤礦地處大巴山南麓，群山起伏連綿，山脈多為北西～南東走向，與區域構造線方向基本一致，地形坡度25°～80°。區內標高在+834.0 m～+2 019.5 m之間，相對高差1 185.5 m，屬以構造剝蝕為主的高中山地貌。

礦區出露地層有志留系下統羅惹坪組（S1lr）、中統紗帽組（S2s）、二疊系中統梁山組(P2l)、棲霞組(P2q)、茅口組(P2m)、二疊系上統吳家坪組(P3w)、大隆組(P3d)、三疊系下統大冶組(T1d)、嘉陵江組(T1j)及第四系(Q)零星分布。

礦區含煤地層為二疊系上統吳家坪組（P3w），厚約72 m，上部巖性為灰～深灰色中～厚層狀灰巖，含燧石結核，下部巖性為深灰～灰黑色薄層狀泥巖、鈣質泥巖、炭質泥巖、鋁土質泥巖及一層煤層組成，煤層編號K2，厚約0.5 m。其上覆地層為二疊系上統大隆組（P3d），厚約12 m，巖性為灰黑～黑色炭質頁巖夾透鏡狀石灰巖及硅質巖；其下為二疊系中統茅口組（P2m），厚約136 m，巖性為淺灰～灰色塊狀石灰巖及硅質石灰巖。

礦區處于梆梆梁至貓兒背復向斜南翼北西段，地層傾向45°，傾角50°，走向斷層發育，地質構造復雜程度中等。

礦區位于地表分水嶺附近，四周溝谷深切。大氣降水降落地表后，一部分經順地層傾向發育的沖溝匯集，快速排出區外，另一部分沿含水層快速補給地下水。煤層直接充水含水層為茅口組及吳家坪組上部的灰巖巖溶含水層。含水層中的水通過巖溶裂隙、構造裂隙、采動裂隙等通道進入礦井，成為礦井水的主要來源。

宏揚煤礦采用平硐開拓，其主平硐為該礦礦井水最低排泄點，涌水量最小約50 L/s，最大約450 L/s，一般約150 L/s，其余硐口未涌水。礦區水文地質類型為Ⅲ類Ⅱ型，屬以頂底板進水為主，水文地質條件中等的巖溶充水礦床。

2 礦井水污染現狀

宏揚煤礦主平硐排出的礦井水感官指標渾濁，懸浮物較多，具硫磺等臭味，流經區域附著大量黃褐色水銹物。采樣檢測結果見表1。

表1 宏揚煤礦主平硐礦井水水質檢測成果表

依據《煤炭工業污染物排放標準》[1]評價標準，宏揚煤礦主平硐礦井水pH值和總鐵指標超標，其余指標不超標，屬鐵離子超標的酸性礦井水。目前該礦井水長期排入附近河溪，嚴重污染了所在流域地表水和地下水，生態環境已遭到嚴重破壞。

3 酸性礦井水形成機制及影響因素分析

3.1 酸性礦井水形成機制

宏揚煤礦的煤層及其圍巖中含有硫化鐵，由于煤炭的開采破壞了原有的還原環境，空氣進入采空區，為氧化這些還原態硫化物提供了充足的氧，滲出的地下水與煤層頂、底板及殘留煤柱接觸，促使還原態的硫化物氧化成硫酸，進而使礦井水呈酸性[2]。

在含氧氣的地下水中，硫化鐵被氧化為FeSO4和H2SO4，具體過程如下：

但是在游離氧存在的條件下，FeSO4很不穩定，在酸性水中還要進—步氧化[3]。

相對FeSO4而言，生成的Fe2(SO4)3較為穩定，但還是會被水解，Fe2(SO4)3在水中水解產生游離酸和不溶于水的黃褐色褐鐵礦沉淀。

3.2 酸性礦井水形成的因素分析

酸性礦井水形成的直接因素主要有四個方面，即還原態的硫化鐵、氧氣、水和微生物(如氧化亞鐵硫桿菌等)（具體情況見表2）。而酸性礦井水形成的間接因素很多，如礦區的地質條件(礦區構造、煤層傾角、開采深度及面積、徑流條件等)及開采方法等[4]。

表2 酸性礦井水形成的因素及其作用

酸性礦井水的形成過程非常復雜，是物理、化學及生物作用的共同結果。一般情況下，礦體硫含量越高，氧化條件越好，越有利于酸性礦井水形成；水交替強烈比徑流停滯的地段更易形成酸性水；加上微生物細菌的作用，也更加快了硫化鐵的氧化速度。

3.3 酸性礦井水的危害

酸性礦井水會對礦區及周邊的生態環境造成嚴重的影響，具體危害如下：

（1）酸性礦井水未被處理直接排入地表水中，會使地表水體酸化，水質不斷惡化，大量的魚類、藻類及浮游生物等水生生物死亡，數量會急劇減少，限制了生物的多樣性。

（2）酸性礦井水滲入到土壤中，土壤的團粒結構遭到破壞，使土壤板結嚴重，農作物的生長受到抑制，導致糧食大幅減產。

（3）人類長期接觸酸性礦井水，會造成手腳皮膚破裂，眼睛酸癢，嚴重影響人類身體健康。

（4）酸性礦井水的滲透，會破壞鋼筋混凝土結構，使建（構）筑物結構疏松，強度降低而受到破壞，造成嚴重的安全隱患。

（5）酸性礦井水具有極強的腐蝕性，在排放過程中，會腐蝕排水管道及設備，造成工程投資成本加大。

（6）酸性礦井水在排放過程中，會產生大量的氫氧化鐵沉淀物附著在水體底部及兩岸，導致水體底部及兩岸變成紅褐色，破壞自然景觀，給當地的旅游觀光產業帶來嚴重的負面影響。

4 酸性礦井水治理模式研究

酸性礦井水污染治理是一項多學科交叉、技術復雜的系統工程，加之礦井水具有流動性強、隱蔽性高、污染范圍廣的特點，導致治理難度極大，尚未形成有效、統一、可復制的治理體系。目前，我國酸性礦井水污染治理大多是以“污水處理廠”的模式進行治理，通過人工投放化學劑的方法處理酸性礦井水，導致治理投資費用大，特別是后期運營成本非常高。

為了建立以自然恢復為主的低成本、可持續的管控體系，根據宏揚煤礦水文地質條件、水化學特征、礦井水污染物性質、來源與途徑以及以往礦井水治理經驗，提出礦坑封堵法和風險管控法兩種治理模式。

4.1 礦坑封堵法治理模式

礦坑封堵法主要是將原硐內的氧化環境（見圖1），通過建筑封閉墻對各井口、各通道進行全面封堵，阻止空氣進入，防止硫化物與空氣接觸，使硐內環境趨近于還原狀態（見圖2），避免硫化鐵的氧化反應的形成，抑制酸性水的生成。同時通過抬升水位，切斷酸性水與地下水的水力聯系，充分利用地層自凈能力，達到污染源減量控酸的效果。

圖1 封堵前氧化狀態模型

圖2 封堵后還原狀態模型

該治理模式可實現如下目的：

（1）阻止硫化物與空氣接觸氧化，減少采空區產酸量；（2）阻斷采空區酸性水與地下水的水力聯系；（3）充分利用地層巖性自凈能力；（4）降低經濟成本[5]。

該治理模式優點為治理效果良好，屬一次性投入，幾乎無后期維護成本。缺點為硐內存在瓦斯氣體，施工安全風險較大，發生繞滲可能性較大，處理難度大，對水文地質調查程度要求高。

4.2 風險管控法治理模式

風險管控法主要在主平硐外進行治理（治理模型見圖3），其原理是充分利用空氣中的氧氣作為氧化劑，將主平硐流出的酸性礦井水流經多級跌坎+曝氣池，經過多次曝氣充氧以后，將Fe2+氧化為Fe3+，并以氫氧化物沉淀的形式析出，再通過沉淀、過濾以后，能夠有效去除鐵離子，改善酸性水質。除鐵氧化反應式如下：

圖3 風險管控法治理模型

4Fe2+＋O2+2H2O＝4Fe3++4OH-

該治理模式實現目的：

（1）將酸性礦井水與空氣充分曝氣接觸氧化；（2）將Fe2+氧化為Fe3+通過沉淀析出；（3）合理利用礦區土地；（4）降低經濟成本。

該治理模式優點為施工難度小，安全風險小。缺點為治理效果相對較差，管控區域仍存在水污染問題，影響自然景觀，雖后期維護成本較低，但存在永久性后期維護。

5 結語

酸性礦井水的直接排放嚴重破壞了礦區及周邊的生態環境，給當地的可持續發展造成了極其惡劣的影響。因此，積極探索低成本、可持續的酸性礦井水治理模式已是當務之急。

通過對宏揚煤礦礦區水文地質調查及采樣檢測，分析研究酸性礦井水的形成機理及影響因素，確定以自然恢復為主的低成本、可持續的治理模式。結論如下：

（1）宏揚煤礦在開采過程中破壞了原有的還原環境，地下水的滲出與還原態的硫化物氧化后形成硫酸，進而形成酸性礦井水。

（2）酸性礦井水的形成過程復雜，是物理、化學和生物作用的共同結果，其直接影響因素有還原態的硫化鐵、氧氣、水及微生物。

（3）根據宏揚煤礦特定的水文地質特征，提出了兩種低成本、可持續的治理模式，即礦坑封堵法治理模式和風險管控法治理模式，為關閉煤礦酸性礦井水治理方案提供了理論依據。