韓家洼煤礦采空區水污染物溶解釋放規律研究*

王治文，李艷龍，孫建軍，王 亮

（山西煤炭進出口集團左云韓家洼煤業有限公司，山西 大同 037100）

我國煤炭資源儲量豐富，長期的煤礦開采引發了諸多水文地質及生態環境問題[1-2]。礦井水文地質結構影響著礦井涌水量的大小及礦井水化學特征[3-4]，區域水文地球化學場演變作用過程，也影響礦井水的特征成分及其演化方向[5]。

大同煤田煤炭資源儲量巨大，經過近四十年的高強度開采，侏羅系煤層內賦存了規模體系較大的采空區，特殊的干旱黃土地貌為淺埋的采空區提供了良好的充水水源及導水通道條件。因大同市水資源嚴重短缺，多年來居民供水緊張，對采空區水資源優化利用技術的研究具有重要意義。針對上述問題研究了韓家洼煤礦采空區水在不同固液、不同浸泡時間條件下污染物的溶解釋放規律，從而為煤礦采空區水的資源化利用提供科學理論依據。

1 研究區水文地質概況

韓家洼井田位于神頭泉域北部邊界附近，屬神頭泉域補給區。井田及周邊地區無地表水體賦存，大氣降水通過垂直滲透的方式補給煤系地層砂巖裂隙含水層。井田中部的北泉溝于雨季有短暫洪流，為礦井地下水的重要補給源。井田內的含水層主要有第四系松散巖類孔隙含水層、風化殼碎屑巖裂隙含水層、下石盒子組砂巖裂隙含水層、山西組砂巖裂隙含水層、太原組砂巖裂隙含水層及奧陶系碳酸鹽巖類巖溶含水層組。

根據韓家洼煤礦提供的2015 年至2020 年6月礦井涌水量觀測統計資料分析，2017 年至2020年礦井正常涌水量為28.5～31.6 m3/h，礦井最大涌水量為30～37.6 m3/h。

2 采空區水質評價

根據韓家洼煤礦提供的水質檢測報告，韓家洼煤礦采空區水的主要離子成分及含量如表1 所示。

表1 韓家洼煤礦采空區水質檢測報告

由表1 可以發現，韓家洼煤礦采空區積水中總溶解性固體物質（TDS）、總硬度值均較高，水體遭受輕度污染。結果顯示礦井水在采空區經過了長期淋溶，導致煤層采空區內垮落的砂巖、石灰巖中的眾多沉積鹽類進入水體并充分溶解，采空區水中的Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-增多，導致礦井水中的礦化度增高。

另外重金屬Fe 明顯低于標準值，礦井水中氟化物的指標也在合理的數值范圍內。從表1 中數據整體分析來看，韓家洼礦區含水層的水質比較好，屬于Ⅱ類水質，為礦井水的處理和凈化提供了有利的條件。

按照國家 《地下水質量標準》（GB/T14848-2017） 中的部分標準指標對韓家洼煤礦井下水水質進行評價，主要評價因子如下：硬度、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氯化物、氨氮、硫酸鹽，水質評價結果如表2 所示。

表2 地下水質量標準分析項目

從表2 的數據可知： 韓家洼煤礦井下礦井水永久硬度、暫時硬度的濃度含量都達到地下水Ⅲ類的標準值。礦井水中Ca2+和Mg2+的濃度均比較高，需要利用凈化工藝進一步降低其濃度才能達到深度處理目標，處理后的礦井水可以作為礦區職工洗浴用水及景觀用水等。

3 采空區煤體浸泡試驗

3.1 實驗方法

為了探究韓家洼煤礦采空區水污染物的溶解釋放規律，本次在韓家洼煤礦采取了新鮮煤樣，并對其進行了煤體浸泡試驗，具體的實驗過程如下：

本次試驗結合煤礦采空區的實際特點，主要分析煤體在不同固液比條件下浸泡隨時間變化水中溶出各離子成分的變化趨勢，本試驗采取平行雙樣進行測試分析。

實驗前，分別稱取3 類煤樣各400 g、200 g、100 g，粒度≤10 mm，置于2 500 mL 試劑瓶中，加入去離子水2 000 mL，初始pH 值為7，混合后的溶液形成的固、液質量比分別為1∶5、1∶10、1∶20，期間進行間歇式攪動，測定不同浸泡時間的上清液。

試驗測試過程中，測定濾液中的主要水質因子：氯化物（C1-）、鈉（Na+）、硫酸鹽（SO42-）、總硬度（CaCO3）、鈣（Ca2+）、鐵（Fe3+）、耗氧量（OC）、總溶解性固體（TDS）、pH 值等，并確定主要污染因子。

按照上述實驗步驟，針對韓家洼煤樣在不同固液比下分別浸泡10、20、30 天后，采取上清液進行水質全分析。

3.2 試驗結果分析

根據上述試驗的水質全分析結果發現，煤樣浸泡后水中陽離子主要為Ca2+、Mg2+，其次為K+、Na+，陰離子主要為HCO3-，其次為SO42-、Cl-；主要污染因子為總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽；pH 為偏堿性，鐵離子、硝酸鹽含量較低，這與采空區實際采樣的水質化驗結果中各主要離子成分的比例基本一致。

為了進一步探究煤樣在不同固液比條件下隨時間變化的水質演化規律，根據上述試驗結果，繪制了各水質影響因子在1∶5、1∶10、1∶20 固液比條件下分別浸泡10、20、30 天的變化曲線，如圖1、圖2 所示。

圖1 不同固液比條件下浸泡總硬度分析結果

圖2 不同固液比條件下浸泡TDS 分析結果

由圖1、圖2 可以看出，在不同固液比條件下對煤樣進行浸泡處理，隨著浸泡時間的變化，浸泡液中主要陰陽離子及總硬度、TDS 等指標均呈上升趨勢，且固液比越大，各主要參數的浸出濃度越高，這與水與煤體發生溶濾作用密切相關。

4 結論

1）根據大同市左云韓家洼煤礦采空區水水質檢測結果，對韓家洼采空區水污染程度進行了初步評價，發現韓家洼礦井水中溶解性總固體及總硬度均較高，采空區水輕度污染。

2）通過煤體浸泡試驗，探討了采空區水中污染物的溶解釋放規律。試驗結果表明：隨著浸泡時間的變化，浸泡液中主要陰陽離子及總硬度、TDS等指標均呈上升趨勢，且固液比越大，各主要參數的浸出濃度越高，這與采空區水與殘留煤體、煤矸石發生溶濾作用有關。

3）煤礦區采空區水的水質演化是一個非常復雜的過程，涉及地下水動力場、水化學場、溫度場以及微生物群落等多因素耦合，其具體機理及過程模擬尚需進一步研究探索。