煤矿区地下水污染修复技术研究进展_鲁敬姑.pdf

能 源 与 环 境 2023 NO.2 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯煤矿区地下水污染修复技术研究进展鲁敬姑 周华 欧阳光明 刘朝晖(湖南省和清环境科技有限公司 湖南长沙 410000)摘要：我国煤矿区地下水污染治理还处于初级阶段，目前闭坑矿井的区域水环境演化、修复治理已然成为煤矿区地下水污染治理的重要内容。该文根据污染场地的定义科学界定了水污染场地和地下水污染流场单元，明确了煤矿区地下水污染场地类型。分析了地下矿井水污染的类型和模式。从矿井生产和矿坑的角度，重点阐述了矿坑封闭后造成的地下水污染类型及其可行的治理方案，有望规范煤矿区地下水污染治理与防治技术，该文对于煤矿区地下水污染治理有一定的参考价值。关键词：闭坑矿井 治理 水污染 修复中图分类号：G239.2文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)02-0095-04Research Progress on Remediation Technology of Groundwater Pollution in Coal Mine AreaLU Jinggu ZHOU Hua OUYANG Guangming LIU Chaohui(Hunan Hikee Environmental Technology Co.,Ltd.,Changsha,Hunan Province,410000 China)Abstract:The treatment of groundwater pollution in coal mine areas is still in the initial stage.At present,the evolution and restoration of regional water environment in mine closures have become an important part of groundwater pollution control in coal mine areas.According to the definition of pollution site,this paper scientifically defines the water pollution site and groundwater pollution flow field unit,and clarifies the type of groundwater pollution site in the coal mine area.The types and patterns of underground mine water pollution are analyzed.From the perspective of mine production and pit,this paper focuses on the types of groundwater pollution caused by the closure of the pit and the feasible treatment scheme,which is expected to standardize the treatment and prevention technology of groundwater pollution in the coal mine area.This paper has certain reference value for the treatment of groundwater pollution in the coal mine area.Key Words:Mine closure;Management;Water pollution;Restoration煤炭是我国的重要能源，在我国工业生产中长期占主导地位。据统计，我国目前探明的煤炭资源储量为 1 500 亿 t，我国煤炭资源可开采储量排行全球第四1，且是全球最大的煤炭生产国。而全国平均每采1 t煤，排放矿井水2.1 t2。同时大规模高强度煤炭开采伴随着矿区地下水pH大幅度下降，地下水水位降低以及重金属离子（如铁、锰）超标等问题，对周边环境及生态造成严重的危害。20世纪90年代我国煤矿数量多达约10万个3，因对煤矿产业大力度整改，随着我国众多小型矿山浅部资源逐渐枯竭、能源供给结构改革、淘汰DOI：10.16661/ki.1672-3791.2206-5042-7744作者简介：鲁敬姑（1989），女，硕士，工程师，研究方向为水污染治理工程。95 2023 NO.2科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION 能 源 与 环 境SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯落后产能等政策的实施，截至2020年，我国煤矿数量已减少至不足5 000处4，废弃煤矿是煤矿生命周期的最后阶段，闭坑矿山的存在，会形成劣质矿井水，污染地下水与地表水，危害城乡供水，造成地表二次塌陷与山体滑坡，影响高层建筑地基稳定或致建筑物破裂等负效应等。因此，闭坑矿井的区域水环境演化、修复治理已然成为煤矿区地下水污染治理的重要组成部分。近年来，我国的地下水污染治理工作逐渐引起主管部门的关注，地下水污染治理的相关标准规范和治理体系逐步形成了较规范的流程，并取得了不错的进展5。但是煤矿区地下水污染问题是近数十年才引起较大关注6。该文旨在通过阐述及分析矿坑封闭后的地下水污染问题类型及其相应的治理技术，为规范煤矿区地下水污染治理与防治技术提供技术支撑，对未来煤矿区地下水污染治理方向提出进一步的思考。1 煤矿区场地的污染类型及特点1.1 煤矿区场地矿井水污染类型矿山开采期间，在井田中的断层构造，底板采动裂隙，人为施工的各类井孔等会成为污染通道，对地下含水层或地表水产生威胁。目前，矿井水污染类型主要有六大类型，分别为高悬浊物、高氟离子、高硫酸盐、高矿化度、高酸性矿井水以及含特殊污染物组分的矿井水（主要是铁离子、锰离子）。在实际场地中，上述六类污染类型存在交叉重叠，这使问题变得更加复杂。因此，明确煤矿区地下水污染的形成机理，是有效治理实际的地下水污染的前提。目前，对矿井生产和闭坑阶段的地下水情况，煤矿开采过程中产生的地下水污染上述6种类型都可能发生。硫化物、黄铁矿等矿物是造成上述污染的重要原因，而各地区煤系地层中含量不同，其产生的矿井水化学类型也不同。通常来说，在宁东、山西、鲁西和新疆矿区等北方地区，高矿化度地下水占比相对较高，而西南地区的云贵矿区铁锰矿井水、酸性水比较普遍。1.2 煤矿区的地下水污染模式1.2.1 浅层地下水污染模式目前，煤矿区的地下水污染大部分在地表淋滤-塌陷坑水和地下含水层的水压差补充浅层地下水的过程中发生的。当矿井降雨水时使得浅层地下水位上升，在伏隔带的污染物会随即进入地下含水层。而煤炭开采过程中或矿坑关闭后，矿坑塌陷的积水会不断增加，则浅层水位持续上升以弥补污染潜水，导致污染更深的地下含水层，造成更为严重的污染问题。1.2.2 深层地下水污染模式含水层本身相互补给和各含水层串层是造成深层地下水污染的主要原因。煤炭中的有害元素在水中与空气发生氧化还原反应，由于断裂场和渗流场的影响，可进一步污染含水层。另外，水压的变化使问题更为复杂。采矿活动以及采矿伴随的裂缝结构（断层塌陷柱）等，含水层会低于初始水头，使得水压高的含水层能得到补充，随即改变之前的补充路线，破坏原有的水化学场，改变水体污染煤层中各含水层底板，顶板以及地面含水层位置，造成跨层污染。一般来说深部矿井关闭后分两种形式：（1）当先被污染的浅层含水层，在矿井关闭后地下水位回升，当水位高于底部封闭水头时，被污染的矿井和浅层含水层通过防水层的天窗向底部封闭水供应；（2）当先被污染的是底层承压水时，图1 闭坑矿井地下水污染过程示意96能 源 与 环 境 2023 NO.2 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATIONSCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯科技资讯浅层含水层低于承压水水位，特别是矿井关闭后，通过水渠污染浅层水体由于矿井水无法排出，会堆积在矿井水在废弃的井口或回泉处。而被污染的水体通过废弃的矿坑裂隙结构等渠道供给水层、溢流面，甚至造成更大范围的污染。2 煤矿区地下水污染治理关键技术煤矿区地下水污染的研究应包括污染的形成和污染物来源渠道的迁移和扩散路径。以闭坑矿井为例，煤矿区地下水污染过程见图1。从减少矿井水流入和污染负荷排放看，治理方法有堵源、堵道、减程、末端治理、含水层保护、资源利用等。从空间角度分析，煤矿地下水治理也需科学地实现地下全空间联动防治。针对矿井闭坑问题，在查明矿井污染源、污染通道，结合计算水质演化特征的基础上，采用通道阻截注浆工艺，可有效实现对地下水污染通道阻断原位修复抽出处理。以酸性矿井排水为代表的煤矿区地下水污染治理可分为主动处理和被动处理两大类，具体见图2。主动治理技术是利用物理或化学手段去除水中污染物的技术，常用于大规模污水处理中，包括中和法、阻隔技术、硫化物沉淀法、硫酸盐还原菌反应器等，目前国内最常用的是中和法，常用的中和材料有石灰石、粉煤灰和赤泥等。被动处理技术依靠化学和生物作用降低水中的酸度，主要包括阻隔技术、抽出处理技术、人工湿地、开放石灰石沟、缺氧石灰石沟、石灰转换井、连续产碱系统和可渗透反应墙。研究表明，采用混凝沉淀+过滤工艺处理高悬浊物矿井水可取得较好效果。PAC与PAM的配合施用对矿井水中悬浮物的去除作用明显。而针对非酸性含铁锰矿井水，则偏向于使用混凝沉淀+锰砂过滤工艺，其中锰砂过滤对铁锰离子去除效果较好。以下详细介绍几种治理技术。2.1 物化修复2.1.1 膜分离技术目前，最常用的膜分离技术是反渗透技术和电渗析技术。借助于半透膜的作用，反渗透法在压力为3070 kg/cm2的条件下，对低分子有机物、无机盐类、细菌和病毒等物质进行有效分离和去除。近年来，生产中常用的是电渗析技术，是指在外加电场的作用下，利用阴阳离子交换膜的选择透过性，将溶质和溶剂分离。该技术在1991年前苏联顿涅茨等煤矿中用来淡化矿井水。2.1.2 药剂法对水质较好的矿井水断面采用井下预处理方法（老矿区通过添加吸附材料微生物进行缓冲）。例如：将碱石灰、高炉渣、粉煤灰等碱性中和剂以及PAM助凝剂等投放到地下矿井中，在矿井水酸化过程中进行中和、絮凝沉淀，降低矿井水pH值、硫酸盐以及钙离子含量。对水质较差的断面则需要配合分段提取技术，将污染水体抽提后在地表借助化学药剂进行深度处理。崔鹏飞7将原来的煤矿地下污水池改造成添加10%PAC和5%PAM混凝沉淀池，处理后的矿井水浊度图2 矿井地下水治理技术97 2023 NO.2科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION 能 源 与 环 境SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯为2.8 NTU，悬浮物浓度为4.9 mg/L，完全满足地下水水质要求。根据煤矿的实际情况和水质要求以及井下技术经济分析，井下用矿泉水处理的新工艺每年可节约资金约30万40万元。狄军贞等人8通过添加无烟煤和钢渣、石英砂、沸石等活性材料有效治理有机物，氮、磷和重金属离子污染的矿井地下水。研究表明，投放物化材料或药剂是源头控制的有效手段，但一般在短期内较为有效。长时间的防控效果会有所减弱甚至逐渐投加的药剂不增加则会失效。2.2 阻隔技术利用灌浆材料在煤矿区周围建立阻隔帘。对于地下矿井水的污染，首先，杜绝污染源。在保证矿井水与外界水力联系的基础上，使用能够降解和吸附污染物的材料。针对封矿区跨床污染井的特殊情况，应选择适当的注浆材料和注浆技术，自下而上地阻断污染矿井水，同时切断污染矿井水与其他含水层的联系。最后，通过压水试验确认堵漏后的堵漏效果，再采用原地修复以及不