煤礦酸性礦井水的產(chǎn)生原因和治理措施

張世平

(山西大土河礦業(yè)投資有限公司，山西呂梁033000)

0 引言

水資源是人類不可缺少的自然物質(zhì)，是生命之源。地下水是開采淡水資源的重要來源，然而，隨著煤礦開采廣度和深度的不斷擴大，越來越多的地下水被污染，這成為制約煤炭行業(yè)發(fā)展的一大挑戰(zhàn)。煤在開采過程中會發(fā)生很多化學(xué)變化，尤其是煤中的硫元素被氧化后形成硫酸，污染地下水，不但會腐蝕采礦設(shè)備，而且還會污染地表水和土壤，進而影響附近居民的身體健康。所以，煤礦開采過程中對水資源的保護是采煤工程的重要環(huán)節(jié)，不可小覷。

1 煤礦開采過程中酸性水形成的原因

1.1 井下采煤過程中酸性水形成的原因

1)硫元素的氧化。構(gòu)成煤的元素主要是碳元素，但是除碳之外，還含有一定量硫、磷、砷、鐵、錳等成份，其中硫元素主要是以黃鐵礦(FeS2)的形態(tài)存在于煤層中。由于煤層的開采破壞了煤層原有的還原環(huán)境，而變?yōu)檠趸h(huán)境，這些還原態(tài)的黃鐵礦(FeS2)被氧化而生成硫酸，進而溶于水后使礦井水呈酸性，具體的過程如下:

當(dāng)煤中的黃鐵礦含量較高時，會生成較強的酸性水。

2)其他元素加重了酸性水的污染。地下水在礦井中涌出后，所處的水化學(xué)環(huán)境發(fā)生了改變。在酸性條件下，不斷溶解煤層的各種可溶性物質(zhì)，總礦化度及某些有害組分的濃度不斷增加，甚至嚴(yán)重超標(biāo)，水質(zhì)大為惡化。當(dāng)酸性礦井水排到地面后，也會給地面造成嚴(yán)重的污染，不僅使礦區(qū)周邊植物的生長受到不良影響，而且給人畜的欽用水也帶來了安全隱患。

1.2 地面矸石堆放對地表水體的酸化污染

煤礦或多或少都會有煤矸石在地面堆放。當(dāng)矸石中硫含量較高時，可發(fā)生煤矸石自燃，在雨水或其他來水的作用下，也可以產(chǎn)生大量的酸性水。另外，部分煤矸石含有多種有毒重金屬元素，經(jīng)降雨淋溶后，并在酸性水作用下，溶解性重金屬元素會下滲，遷移進入土壤，造成土壤和地下水的嚴(yán)重污染。

2 酸性礦井水對安全生產(chǎn)的危害

2.1 酸性礦井水對機電設(shè)備的危害

酸性礦井水對井下機電設(shè)備有強烈的腐蝕作用，尤其是當(dāng)PH 值＜4 的時候更是呈強酸性，危害極大。在前蘇聯(lián)布而里亞礦區(qū)，由于酸性水的產(chǎn)生，在8 h 內(nèi)，使鉆桿直徑減少了1 mm。在我們礦山生產(chǎn)中這種例子也會經(jīng)常見到，例如鋼絲繩長時間浸泡在酸性水中會發(fā)生斷絲情況，從而造成跑罐、掉罐等安全事故;排水設(shè)備因為經(jīng)常抽排酸性水，使用壽命大幅縮短。

2.2 對礦山建筑物的損害

酸性礦井水接觸到井下混凝土支護，或排到地面(也包括地表矸石形成的酸性水)，因管理不到位滲入地下，浸泡建筑物基礎(chǔ)后，和土壤、混凝土中的多種離子反應(yīng)產(chǎn)生硫酸鹽。這些硫酸鹽在結(jié)晶過程中膨脹，體積會增大30%以上，造成混凝土的強度減小，建筑物結(jié)構(gòu)開裂，影響建筑使用安全，嚴(yán)重的可使建筑物報廢。

2.3 污染地表水體，破壞生態(tài)環(huán)境

酸性礦井水排到地面后(或地表矸石形成的酸性水)，融入土壤的酸性水會使地表土壤發(fā)生板結(jié)，造成田地減產(chǎn)或絕收。由于酸性礦井水中存在高含量的等離子，一旦流入河流中，必然會污染水質(zhì)。由于的作用使得水體中氧的消耗量顯著增加，造成魚類、浮游生物、藻類等大量死亡。結(jié)合OH-生成Fe(OH)3紅褐色沉淀，使得水體底部以及兩岸呈現(xiàn)紅色，影響美觀。同時，酸性礦井水中含有大量重金屬離子，而重金屬能夠在生物食物鏈內(nèi)富集，大大增加酸性礦井水的毒理性指標(biāo)，從而威脅下游地區(qū)的飲用水供給和灌溉系統(tǒng)。

3 減少礦井水酸性水危害的幾點建議

3.1 減少酸性水的產(chǎn)生量

要想減少酸性礦井水的產(chǎn)生量，就要從產(chǎn)生酸性礦井水的源頭抓起，從產(chǎn)生條件著手，及時的預(yù)防，減輕危害程度。實踐證明提高煤的開采率，減少殘留煤柱或浮煤，減少黃鐵礦結(jié)核在井下廢棄采空區(qū)中被積水浸泡的時間和浸泡水量，是減少酸性水產(chǎn)生的重要途徑。

近年來，國內(nèi)外的科技人員又提出多種減少產(chǎn)生硫酸的方法，例如，美國M.凱特提出了硫酸鹽還原菌法，利用微生物還原硫酸鹽，產(chǎn)生的硫化氫與溶解金屬反應(yīng)生成硫化物沉淀，從而從源頭上抑制酸性礦井水的產(chǎn)生。

3. 2 提高黃鐵礦的利用率

我國目前的資源利用率還比較低，合理提高能源利用效率是當(dāng)務(wù)之急。黃鐵礦在煤礦生產(chǎn)過程中是一種污染物，但是這也是一種重要的伴生礦產(chǎn)品，只要利用得當(dāng)，一樣可以產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益。在黃鐵礦含量高的地區(qū)，要積極地采用新工藝、新技術(shù)，分離出黃鐵礦，并加以利用，黃鐵礦可以銷售到硫酸廠制硫酸或銷售到化肥廠制硫酸鉀等肥料，變廢為寶。

3. 3 分別存儲和縮短排放酸性水的時間

要想減少酸性水對井下排水設(shè)備的損害，縮短礦井排放酸性水的時間是很有必要的。

我們可以在井下把酸性較強的污水和正常排放的礦井涌水分開排放。對酸性污水集中儲存、集中排放，盡量減少酸性水腐蝕設(shè)備的時間。

4 對酸性礦井水的治理措施

4.1 中和法

對于未污染或輕度污染的礦井水，可以在簡單處理后，用在工業(yè)用水方面。對于已經(jīng)被酸化污染的地下水，治理是相對比較困難的。目前，處理這種酸性礦井水較為常見方法是:用石灰乳作為中和劑和酸性水進行中反應(yīng)，產(chǎn)生微溶的CaSO4和易分解的H2CO3，以達到治理的目的。中和劑有時也采用堿性廢渣，如電石渣，利用這廢渣的優(yōu)點是做到了以廢治廢，降低了治理成本。

4.2 微生物處理法

近些年來，部分礦山開始使用生物化學(xué)法處理酸性礦井水。這種方法簡單易行，成本較低，而且在處理酸性礦井水的同時，還可以回收部分有用的稀有金屬，有廣泛的發(fā)展前景。

微生物處理法是利用氧化亞鐵硫桿菌，在氧氣供應(yīng)充分的酸性條件下不斷將氧化成，并利用此反應(yīng)產(chǎn)生的能量進行持續(xù)繁殖，從而大量去除鐵元素。然后只需通過投入少量的石灰乳進行中和，再通過沉淀、過濾等方式，最終達到水處理的目的。

4.3 人工濕地處理法

隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，酸性礦井水的治理方法有了長足的發(fā)展。人工濕地酸性礦井水處理法是20 世紀(jì)70 年代未，由德國學(xué)者提出“根區(qū)法理論”之后開始出現(xiàn)的先進治污技術(shù)。它是由人工建造和控制運行的與自然沼澤地類似的地理環(huán)境，將礦井酸性水有控制地投放到這片濕地上，充分利用土壤、人工介質(zhì)、植物、微生物之間復(fù)雜的物理、化學(xué)、生物協(xié)同作用，對酸性礦井水進行處理。與傳統(tǒng)的中和法相比，人工濕地處理方法具有出水水質(zhì)穩(wěn)定、技術(shù)含量低、維護方便等特點，成本大為降低，目前在我國的應(yīng)用越來越廣泛。但這種方法在寒冷地區(qū)有極大的局限性。

5 結(jié)語

眾所周知，煤炭長期在國民經(jīng)濟中占有舉足輕重的地位，但煤炭的開采又會對環(huán)境產(chǎn)生諸多不利的影響，其中酸性礦井水對環(huán)境的影響必須引起我們足夠的重視，加大治理力度。為此，我們必須堅持預(yù)防性控制和處理并重的原則，進一步優(yōu)化設(shè)計，選擇適當(dāng)?shù)奶幚砉に?，以達到滿意的效果。

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