闭坑矿山地下水污染防治技术研究现状和展望

张豪哲，李 文，杜明泽，姜 鹏，李江华

(1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013)

煤炭在我国能源结构中一直处于主体地位，为我国经济持续稳定发展起到关键的保障作用。近年来由于资源枯竭以及能源结构调整等原因，废弃煤矿的数量大幅增长。据统计，仅十三五期间全国关闭煤矿数量达到7448个[1，2]。煤矿一经废弃或关闭，往往伴随着大量矿井水被污染进而影响到周边大范围的地下水资源。我国水资源分布本不均衡，尤其在相对缺水的西北、华北地区，地下水资源对人们的正常生产生活有着至关重要的作用。对闭坑矿井地下水污染以及防治技术的研究已经刻不容缓。

国外对矿井闭坑产生的地下水污染研究始于20世纪80年代，英国、美国、俄罗斯等国对废弃矿井造成的地下水污染做了大量试验、监控和治理研究。乌克兰下令对废弃矿井区建立地下水监测网，并进行必要的充填以及灌浆封堵来对矿井水污染进行防治；美国采矿业每日处理矿山酸性废水费用达上百万美元[3，4]。虎维岳等[5]分析废弃矿井地下水污染特点，提出地下水动力场和地下水循环是造成大面积污染的根本原因；冯启言等[6]针对全国范围矿井水污染特点将其划分为6种类型，并构建了废弃矿井地下水污染风险评价体系；杜明泽等[7]通过分析煤矿区场地地下水污染特征，阐述了煤矿区地下水污染监测预警及防控技术的发展现状并提出未来污染精准探测技术、监测预警技术等发展方向；孙亚军等[8，9]对煤矿矿井水污染问题在形成机理、特征、防控技术以及材料和设备方面进行详细分析并提出存在问题，构建了污染防控技术体系。

据统计，我国开采1t煤炭约产生2t矿井水，全国煤矿一年的实际排水量约71亿t。若不及时进行有效管理，受污染的矿井水参与地下水循环将会造成更大范围的地下水污染，对周边地区生态环境以及居民正常生产生活造成难以估计的影响。因此，研究针对闭坑矿山地下水污染的防控技术与手段，可以使大量的地下水资源免遭污染，并使其最大限度地资源化和可利用化，对于缓解我国部分地区水资源短缺的难题具有重要意义。

1 闭坑矿山地下水污染及形成情况

1.1 矿山闭坑后地下水污染程度

矿山在正常开采期间，为了安全生产的需要，需大量抽排含水层中的地下水，形成了以矿井为中心的大范围地下水降落漏斗，某矿开采前后地下水降落漏斗如图1所示。

图1 某矿开采前后地下水降落漏斗

矿井关闭后地下水抽排工作停止，致使地下水位快速回弹，打破原本的矿井地下水系统的平衡，形成一种新的混合地下水系统。矿井水回充矿井原有的巷道、采掘空间及裂隙等，随后与各含水层产生水力联系，进而造成地下水大面积污染。乌克兰的顿尼茨可煤田矿井报废导致22矿区被淹没，总面积达到635hm2；俄罗斯连续几年关闭亏损煤矿导致进入采空区的矿井水与其他含水层发生水力联系，串层污染洁净含水层深度达1000m，污染半径25km；美国阿巴拉契亚矿区因矿山闭坑造成了4000km2地下水流域的污染；同样在国内大量煤矿的关闭也影响着地下水的质量。门头沟地区矿井报废造成附近一矿泉水水源地污染，陕西黄陵沮河地区40多个小煤矿关闭导致河道塌陷，地表水系也遭到污染，造成严重的水环境灾害[10]；2010年初，徐州夏桥、韩桥煤矿关闭，导致地下水污染并突入附近的旗山煤矿，且携带着严重超标的铁、锰离子，最终对约1000万m3水体造成不同程度的污染[11]。由此可见，矿井开采由于其采动影响范围广、采掘深度大等特点，一旦任其关闭将造成原有矿井地下水系统破坏，进而导致大范围地下水污染，严重威胁周边地区生态环境安全及人类工农业生产活动。

1.2 矿井水污染来源

1)地表水及大气降水污染。矿区及周边工厂废气，裸露的煤、可燃矿物以及排土场排放的煤矸石及可燃贫矿的自燃均会向空气中释放大量有毒有害物质，随大气降水进入浅部含水层造成污染；处理不当的居民生活污水以及工农业污水排放至地表或者河流水库后通过灌溉、塌陷坑积水等方式下渗造成浅层地下水大面积污染[12]。

2)地表固体堆积物污染。大气降水或地表水对矸石山淋滤后产生的淋滤液含有大量的污染因子，是造成矿区范围浅层地下水污染的重要原因[13]。闭坑矿山通常伴随着巨大的矸石山、废料场等地表固体堆积物，这些堆积物经过风化作用，再结合淋滤时间、温度以及淋滤溶液酸碱度等条件，产生的淋滤溶液能够造成该地区地下水中重金属及其他微量元素等十余种元素的超标[14，15]。矸石山的长期存在使得此类淋滤污染具有长期性的特点。

3)深部高承压水顶托补给污染。深层受污染地下水可以作为浅层地下水的污染源。原理是深部的高水头承压水回弹经过闭坑矿井空间受到污染后，同时水头高于浅部含水层水位向上补给造成污染。这类污染情况多见于我国华北地区的闭坑矿井[5]。

4)深层地下水污染。矿山闭坑后深层地下水被污染的途径主要有以下几种：一是由于闭坑矿井地下水位回弹，重新涌入采掘空间及巷道等区域发生一系列物理化学生物作用，造成矿井水污染[16]；二是浅部含水层污染水通过天窗、封闭不良钻孔等方式补给深层含水层；三是污染矿井水回弹后水位高于深层承压水位，从而向下补给。

在实际矿井环境下，深层矿井水的污染往往是物理-化学-微生物作用同时发生、相互结合、共同作用的结果，而目前的对于矿井水污染因子成分和形成特点的研究还很缺乏，对影响水质演化的主要因素和主控作用还需进一步研究。

1.3 污染通道

污染通道是污染源与洁净水体之间发生水力联系的必要条件，并且存在形式多样。在受污染矿井水水位回弹超过周边含水层水位时，就会通过这些通道与周边含水层发生相互补给从而造成污染物的迁移扩散；自然条件下形成的污染通道有断层、裂隙以及陷落柱、天窗等。而人为的采掘、取水、勘查等活动同样在地表及地下留下了大量的污染通道。潜水越流污染深部含水层污染通道如图2所示。

图2 潜水越流污染深部含水层污染通道

1)开采活动导致地表产生塌陷坑或塌陷裂缝，导致降雨积水、工业废水及生活污水等可直接灌入地下空间造成污染[17]。

2)采矿活动导致周边岩体产生断层活化、岩体裂缝以及“人造天窗”等，加大了潜水与深层承压水的水力联系，从而造成地下水污染。

3)矿区范围内的破损水井或者封闭不良钻孔。若水井成井质量不合格、井壁锈蚀且穿过煤层及采空区，在矿井水位及周边含水层水位产生水力差时便成为补给的通道，造成污染。冯美生等[18]通过对洪山寨里煤矿串层污染进行研究，采用井下电视的手段直观证实了矿坑水渗入供水井中发生串层污染。

2 闭坑矿山地下水污染防治技术

对于濒临关闭的矿山来说，及时采取措施预防和控制地下水污染在治理有效程度和经济投入方面都十分有利。因此本文提出将闭坑矿山地下水污染防治技术分为三个阶段：闭坑前的预防、闭坑后的控制以及污染矿井水治理。

2.1 闭坑前的预防

1)相关部门制定法律法规，规范闭坑程序。补充完善矿井水文地质资料，为闭坑规划提供基础资料依据。

2)改进采煤方法，减少污染行为。提高工艺的机械化水平、建立地下污水处理站，减少废弃矿井水排放量，控制外排污水的水质。同时对井下作业行为进行规范，如及时回收施工设备、清理废弃垃圾及油污，清洗巷道，避免造成二次污染。

3)污染通道的预处理。由于采动影响造成的裂隙、破碎带或活化断层，以及封闭不良的井筒、钻孔等均有可能成为串层污染的通道。对此可以采取留设防(隔)水煤柱、构筑挡水墙、注浆封堵破碎岩体裂隙、重新充填或封堵封闭不良钻孔以及失去隔离效果的水井等措施。海州露天矿及淄川矿区分别提出在边帮及坑底采用防渗墙及防渗帷幕、采用高标号水泥封堵污染井的措施[19]来防止串层污染。

4)矸石山等处理及防渗工作；及时处理矿井水及其他污水，避免出现废水渗坑、渗井等情况[20]；做好充填，避免地面塌陷等情况。另外，在尾矿区等周边设置隔离墙等措施也可有效控制污染扩散。

闭坑前的预防需要详细周密的前期规划与准备，相关部门和矿方应提高意识，进行矿井生命全周期计划，切实落实闭坑准备工作。

2.2 闭坑后的控制

1)建立地下水污染监测网。详细的水文地质资料以及完善的地下水监测系统是实现控制闭坑后地下水的关键。在闭坑矿山的重要含水层水位建立长期监测水位水质的网点，获取污染信息，分析污染程度，从而制定合理有效的控制措施。

2)控制地下水流场。针对矿区地下水动力场特征，对矿井水水位或者其他含水层水位进行人为干预，主要手段包括：①控制矿井水位使其低于灰岩水位；②控制灰岩水位使其高于矿井水位；或者同时控制两者使其达到动态平衡[21]。

2.3 污染矿井水处理

闭坑矿山地下水污染范围广、污染因素复杂，难以进行统一治理；另一方面存在矿山开采深度大，污染区域地形特殊以及深层地下水污染程度难探清等特点。当前对于矿山污染地下水的治理技术可分为异位治理技术和原位治理技术。

2.3.1 异位治理技术

异位治理技术通过把污染水抽至地面，处理过后再回灌至地下含水层中，使得地下水质得到治理和恢复。目前对于污染矿井水的处理技术主要有：物理处理技术、化学处理技术以及生物处理技术。

1)物理处理技术。主要包括吸附法[22]、重力分离法、絮凝法[23]、膜分离技术[24]等。其中膜分离技术利用渗透膜的选择透过性，污染水中大分子物质被过滤出来从而去除，效果较好。但膜污染与堵塞问题限制了其应用和推广，且膜容易受到污染水体中微生物、油污等的影响而降低有效性。

2)化学处理技术。主要包括混凝沉淀法、氧化还原法、离子交换法和中和法等。化学处理技术的关键在于添加的化学药剂的特性。王勇等人通过对阜新矿区矿井水选用聚合氯化铝或者聚合硫酸铁为混凝剂，聚丙烯酰胺为助凝剂的混合药剂方法，对矿井水处理效果良好[25]。化学沉淀法常用于处理高浓度含氟废水，化学药剂通常选用如生石灰和石灰乳等钙盐类[26]。

3)生物处理技术。主要包括活性污泥法、生物膜法、厌氧消化法和土壤处置法等。利用原生微生物在不同的污染场地通过好氧、厌氧等微生物反应来降解污染物质。Katsutaka Nakamura等[27]研究了利用微生物处理金属污染矿井水的方法，原理是通过厌氧硫酸盐还原细菌(脱硫弧菌)使矿井水中金属离子转化为硫化物沉淀从而除去。张磊等[28]利用Fe2+、Mn2+氧化细菌为主的生物氧化作用来去除废水中的铁锰离子。

2.3.2 原位治理技术

原位治理技术区别于异位治理的抽出再处理，是在污染区域通过水体的循环处理或者向污染水体投放药剂去除污染物等方式，在污染水体的原位对水体进行修复治理。主要方式有：

1)添加药剂法。通过井群系统向区域内受污染水体添加化学药剂，通过发生氧化、还原、吸附、沉淀等化学反应使得污染物转化为无毒物质或产生沉淀而去除[29]。

2)井中汽提方法。使地下水进行循环，并在受到污染的井中将地下水中挥发性有机物VOCs汽化，产生的污染气体采取抽出处理或进行微生物降解处理。

3)抽提地下水与回注系统结合法。主要是在抽提地下水的同时，将空气、营养物和已驯化的微生物回注到污染区域，从而促进有机污染物的生物降解[30]。经过改进产生了生物反应器法，即抽取地下水用生物反应器加以处理和修复，并加入氧气、营养物和微生物进行回灌，使得生物降解作用在土壤及地下含水层中得到促进。近年来还改进出了连泵式生物反应器、连续循环升流床反应器以及泥浆生物反应器等[31]。

4)处理墙/反应带方法。处理墙法也被称为被动屏障法或渗透性反应墙技术[32](PRB-Permeable Reactive Barrier)，主要作用机理是在污染源的下游设置一面垂直于污染地下水流向的反应介质渗透墙，在污染水流经时与墙内介质发生降解、吸附或沉淀等反应，使污染得到处理。

5)水力法[33]。水力法是利用井群系统通过抽水或注水的方式，来控制受污染水体的水位或者洁净含水层的水位，使两者分离开来。徐绍辉等[34]用水力法在淄博堠皋至金岭一带进行治理实验，结果表明不仅去除了水流中的石油类污染物，还通过控制水流模式，阻止了污染物进一步向下运移。水力法需要污染源尚未大面积扩散为基础，一般作为临时性的控制方法，在地下水污染治理的前期用于遏制污染物的蔓延，不适用于长期处理污染水问题。

另外原位治理方法还有原位曝气法、电动力学方法等，但这些方法对于矿山地下水的污染防治适用性较差。而异位治理技术几乎与地下水污染的处理方法相同，并且抽出处理需要投入巨大的成本。

3 我国各区域矿井水防治及利用

国内近年来由于经济体制改革以及煤炭资源逐渐枯竭等原因，自“十五”以来，共关闭煤矿数量达三万余座[36]。根据《煤炭工业“十四五”高质量发展指导意见》的要求，到“十四五”末，全国煤矿数量要控制在4000处以内。因此还有大量的煤矿处于关闭的边缘。经资料统计，大面积的煤矿关闭区出现在我国中东部以及南方地区的矿区，而西部地区则承担着维护生态安全的责任。

全国煤矿由于所处地质条件不同，矿山结构也有很大差异，对矿井水污染的影响主要表现在会形成不同类型、不同化学组分性质的矿井水。国内不少学者对全国煤矿矿井水均作过不同程度的调查。全国矿井水水质调查研究表见表1。

表1 全国矿井水水质调查研究

1)酸性矿井水主要分布在我国山东、山西等中东部矿区以及云贵地区的煤矿，主要是由于赋存在煤层中的黄铁矿(FeS2)及其他高硫化物氧化形成的。针对产生此类矿井水的煤矿，可采用预防加治理相结合：①封闭矿坑来减少硫化物与空气结合，减少产酸量；②封堵导水裂隙，充填采掘空间或者将补给的含水层疏干来减少地表水地下水等对矿井水的补给；③对酸性矿井水进行处理：中和法、微生物法、人工湿地法及膜分离技术等。另外渗透反应墙作为一种原位处理法在处理酸性矿井水方面也是可行的。

2)高氟矿井水主要分布在华北、西北、东北以及黄淮海平原等地区，且多在平原、盆地河谷等地区以富集累积的方式进入矿井水。目前我国主要通过化学沉淀法、混凝沉淀法、吸附法以及反渗透法等来处理高氟矿井水[37]。

4)高矿化度矿井水一般是指总含盐量(TDS)大于1000mg/L的矿井水，主要分布在两淮、鲁西、山西、蒙东、河南、宁东以及新疆基地。处理此类矿井水可分为预处理和脱盐处理，预处理主要是通过絮凝沉淀法或者磁分离法将矿井水中悬浮物去除，脱盐处理是主要目的。目前脱盐常用手段有反渗透法、纳滤、电渗析法、电吸附法、离子交换法等[38]，其中反渗透法和电渗析法适用于处理3000mg/L以上含量的高矿化度矿井水。

综上可以发现，不同区域存在的污染矿井水类型各有差异，在处理污染矿井水过程中还需认真分析本地区实际情况，选取最经济有效的手段。与此同时，我国水资源丰富的矿井占总量的1/3，全国煤矿一年的排水量高达71亿t，但废弃矿井水资源利用率不到25%，而国外对矿井水的利用率早已在20世纪就达到70%～90%。因此大力发展矿井水处理技术不仅能解决矿井水污染问题，还能缓解我国水资源分布不均衡，部分地区极度短缺的现状。尤其是在我国西部地区的煤炭主产区生态环境脆弱，地表河流及降水量稀缺，使得地下水资源更加珍贵。而目前我国西部地区矿井水多以高硫酸盐、高矿化度矿井水为主，少数矿井水含盐量甚至达到了10000mg/L。若处理不当外排极有可能导致生态环境更加恶化，因此除常规处理方法外，还应进行“零排放”技术处理，如蒸馏法技术、膜蒸馏法技术等。膜蒸馏法技术原理如图3所示[38]。

图3 膜蒸馏法技术原理

在我国神东矿区某煤矿矿井水矿化度含量已经达到了7000mg/L，提出了“混凝+纳米纤维膜过滤+反渗透+膜蒸馏”的综合多种方法的膜处理法组合工艺，如图4所示。该工艺存在处理后出水水质好、能耗低以及不产生浓水和废水外的其他污染物的优点[38]。

图4 “混凝+纳米纤维膜过滤+反渗透+膜蒸馏”工艺流程

在实际处理过程中污染矿井水存在多种污染类型并存的问题，水质呈现高矿化度的同时可能还存在高浓度的氟化物、有机污染物等，在不能彻底进行零排放处理时，应当建立分质供水、梯级利用的模式，如建立地下污水处理中心等手段，将处理后的矿井水分流至井下或井上，根据不同的需求应用到工业、农业、生态及生活等方面。闭坑矿山地下水利用应当满足社会经济和环境的最大化效益，结合实际需求对矿井水进行有目的的分级处理，遵循“先井下后井上，先工业后生活和农业”的使用原则[39，40]。

4 展 望

1)积极开展全国闭坑矿山地质及水文地质资料的收集和整理分析以及地下水污染状况的调查研究。建立全国性的闭坑矿山信息管理系统，既有助于整体把握全国矿山分布及地下水污染状况，又有利于信息的沟通交流。

2)加强闭坑矿山监测力度，构建智能化矿山地下水信息监测预报系统。在布设规划闭坑矿山地下水污染监测网的同时，结合矿山地下水智能化监测技术和设备，实现地下水特征污染物智能监测预警一体化。

3)开发针对污染矿井水的新型处理材料和技术。目前防治手段大多存在着成本高、治理效果一般的问题，不能满足多种类型矿井水污染处理的需求。需要针对闭坑矿山地下水污染的特点来研究开发新型处理材料和技术，提高实用性和应用能力。