煤礦區(qū)礦井水水質(zhì)形成與演化的多場作用機(jī)制及研究進(jìn)展

孫亞軍，張 莉，徐智敏，陳 歌，趙先鳴，李 鑫，高雅婷，張尚國，朱璐璐

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2. 礦山水害防治技術(shù)基礎(chǔ)研究國家級(jí)專業(yè)中心實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

煤炭開采必然產(chǎn)生大量礦井水，目前我國噸煤開采產(chǎn)生礦井水約 1.87 m，每年產(chǎn)生煤礦礦井水約 68.8億m，根據(jù)煤炭產(chǎn)量發(fā)展趨勢研究預(yù)測，2035年前我國煤礦礦井水每年可以穩(wěn)定在60億m以上。同時(shí)，礦井關(guān)閉后，地下水位回升，淹沒廢棄的礦坑、巷道和采空區(qū)等，廢棄礦井成為潛在的污染源，并在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)通過多種途徑對(duì)區(qū)域地下水造成污染。因此，煤礦區(qū)場地地下水環(huán)境調(diào)查、評(píng)價(jià)與污染防控已經(jīng)成為我國煤炭行業(yè)綠色發(fā)展亟待解決的重要問題之一。

闡明礦井水的水質(zhì)形成及演化機(jī)理是煤礦區(qū)地下水污染防控的理論基礎(chǔ)。礦井水的水質(zhì)形成及演化過程非常復(fù)雜，受水動(dòng)力場、水化學(xué)場、微生物場和溫度場等多場控制，具有高度非均質(zhì)性和時(shí)空變異性。目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)礦井水的水動(dòng)力場和水化學(xué)場研究較多，但是對(duì)于煤礦區(qū)場地的微生物場和溫度場研究還不充分，尤其是微生物影響下多場耦合作用對(duì)水質(zhì)的形成及演化研究更鮮有報(bào)道。因此，筆者在深入研究我國煤礦區(qū)礦井水污染成因和運(yùn)移規(guī)律的基礎(chǔ)上，闡述了礦井水水質(zhì)形成及演化的多場作用機(jī)制及研究進(jìn)展，以期為煤炭安全綠色開采與水生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供理論支撐。

1 礦井水污染場地的界定

煤礦開采活動(dòng)必然會(huì)影響自然條件下的水環(huán)境，與常規(guī)淺地表化工、金屬冶煉、工業(yè)復(fù)合污染、廢礦堆場等不同，煤礦開采的影響通常面積更廣、深度更大、涵蓋地層也更多樣。煤礦區(qū)污染場地的界定是開展水質(zhì)調(diào)查、環(huán)境評(píng)價(jià)、污染阻斷、污染負(fù)荷減量和地下水保護(hù)的基礎(chǔ)，因此，污染場地的界定至關(guān)重要。

由于我國復(fù)雜的煤礦區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，礦井水的形成及其對(duì)煤礦造成的安全影響伴隨著煤礦的全生命周期，而礦井水的外排是保障煤礦安全生產(chǎn)的必要舉措，在采動(dòng)以及礦井水外排的影響下，煤礦區(qū)的地下水流場(補(bǔ)給、徑流、排泄)、微生物群落結(jié)構(gòu)和水化學(xué)組分等方面的原始狀態(tài)發(fā)生改變，在物理-化學(xué)-生物等多場耦合影響下礦井水水質(zhì)的特征發(fā)生復(fù)雜演化。由此可見，礦井水質(zhì)的形成過程主要圍繞采動(dòng)空間產(chǎn)生作用，主要受到煤礦開采活動(dòng)和水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)2種因素的控制，煤礦區(qū)污染場地的范圍應(yīng)以這2種因素為基礎(chǔ)進(jìn)行界定。

1.1 采動(dòng)影響下的煤礦區(qū)水質(zhì)“三帶”

開采活動(dòng)是礦井水質(zhì)演化最主要的驅(qū)動(dòng)力。因此，在多數(shù)煤礦區(qū)(除露天礦區(qū)外)，在不考慮構(gòu)造及特殊水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響下，僅根據(jù)煤礦開采活動(dòng)影響的大小，可以將礦井水質(zhì)特征劃分為“三帶”(圖1)。

第一帶：采動(dòng)頂(底)板導(dǎo)水裂隙帶以外的區(qū)域。其含水介質(zhì)及圍巖基本不參與礦井水水質(zhì)形成，地下水動(dòng)力場基本不受開采擾動(dòng)影響，其中的地表水、地下水參與自然循環(huán)，但此帶范圍內(nèi)的淺部地下水和地表水的水質(zhì)易受礦井水外排的影響。

圖1 煤礦區(qū)水質(zhì)垂向“三帶”分區(qū)Fig.1 Vertical “three-zone” of water quality in coal mine area

第二帶：采煤工作面以上，頂(底)板導(dǎo)水裂隙帶所波及到的所有區(qū)域。由于導(dǎo)水裂隙帶的存在，受開采擾動(dòng)的含水層地下水進(jìn)入礦井工作面，地下水流場發(fā)生重要改變。地下水徑流路徑發(fā)生改變使得原生地下水的水動(dòng)力場、水化學(xué)場、微生物場、溫度場以及介質(zhì)條件等逐漸改變。因此，在此過程中極大可能產(chǎn)生不同含水層間水-水混合作用以及部分水-巖作用，導(dǎo)致地下水水質(zhì)特征發(fā)生不同程度的改變，進(jìn)而影響礦井水的水質(zhì)形成，但是這些作用進(jìn)行的時(shí)間相對(duì)較短，使得此水質(zhì)帶有較為明顯的原生含水層水質(zhì)特征。

第三帶：井下積水區(qū)域(含工作面后方、采空區(qū)、巷道及水倉等)。此水質(zhì)帶是人類活動(dòng)影響最為頻繁的區(qū)域，在礦井開采時(shí)期，由于礦井通風(fēng)氧氣充足，常呈現(xiàn)出氧化環(huán)境，而在礦井閉坑后，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿毖醐h(huán)境。環(huán)境的變化控制著復(fù)雜的生物地球化學(xué)反應(yīng)的類型及作用程度，從而影響采空區(qū)的地下水化學(xué)組分演化過程，因此，此水質(zhì)帶為礦井水質(zhì)形成的關(guān)鍵區(qū)域。在此水質(zhì)帶內(nèi)，生產(chǎn)工作面和排水巷道中的地下水受礦井長期排水影響，水動(dòng)力條件較好，但在已封閉的采空區(qū)中礦井水徑流緩慢。來自各充水含水層的地下水在經(jīng)歷長時(shí)間的混合作用、水-巖(煤)作用、微生物作用等耦合后形成感觀較差、微生物群落較為豐富的礦井“污水”。即使在礦井閉坑以后，其水質(zhì)形成和演化仍可繼續(xù)長期進(jìn)行。

1.2 典型水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)及水質(zhì)形成模式

我國煤炭資源和煤炭產(chǎn)區(qū)主要分布在華北、西北和西南，占全國煤炭資源保有總量的95.5%以及原煤產(chǎn)量的88.3%(2020年)。根據(jù)我國主要的煤炭產(chǎn)區(qū)的分布特征，我國煤礦區(qū)主要有3種典型的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)(圖2)，分別為：華北型、西北—東北型和南方型煤田水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)以礦井水的來源及形成方式為依據(jù)，將我國典型水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)及水質(zhì)形成模式初步劃成3類，其各自的特征如下：

圖2 我國主要煤礦區(qū)礦井水形成模式結(jié)構(gòu)Fig.2 Typical hydrogeological structure of main coal mine areas

(1)華北型。我國華北型煤田以多含水層、受斷層和陷落柱等影響為特征的復(fù)雜水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)(圖2(b))，且由于采動(dòng)裂隙的存在含水層間普遍存在不同程度的水力和水質(zhì)聯(lián)系，頂、底板含水層均可能對(duì)礦井水質(zhì)形成起重要作用。由于水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的差異，有些礦區(qū)的最大采深已經(jīng)超過了1 300 m，在垂向上礦井水質(zhì)形成的作用空間很大，不同礦區(qū)的礦井水質(zhì)污染程度也有較大差異，閉坑后的礦井水質(zhì)演化機(jī)理也相對(duì)復(fù)雜。

(2)西北—東北型。我國西北型煤田主采煤層為侏羅系煤層，水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)總體簡單，但不同地區(qū)差異大(圖2(a))。對(duì)礦井水水質(zhì)形成有影響的主要為頂板結(jié)構(gòu)松散、多孔隙的弱膠結(jié)砂巖含水層。受干旱-半干旱的氣候影響，地表常存在季節(jié)性河流，降雨量少，蒸發(fā)量大，蒸發(fā)濃縮作用強(qiáng)烈，常以高礦化度的地下水及礦井水為主要特征，有些礦區(qū)的礦井水TDS甚至超過了40 g/L。我國東北型煤田主采煤層為北晚侏羅早白堊紀(jì)煤田，水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)與西北型煤田類似，主要充水水源為地表水和煤層頂板裂隙水，受干旱-半干旱的氣候及季節(jié)性降水的影響，其礦井水的TDS也較高。與西北型煤田不同的是，東北型煤田開采歷史較早，大多數(shù)煤礦相繼進(jìn)入了老齡化階段。因此，采空區(qū)積水(老空水)現(xiàn)象普遍存在，煤系地層的廢棄采掘空間發(fā)生充分的水-煤作用，進(jìn)而導(dǎo)致東北型煤田礦井水懸浮物大量超標(biāo)，而形成“礦井黑水”；少數(shù)煤礦的礦井水中檢出砷、酚、鎘、鉛等毒性組分。

(3)南方型。我國南方型煤田煤層頂(如長興組)、底(如茅口組)板均為巖溶強(qiáng)烈發(fā)育的灰?guī)r含水層(圖2(c))，其礦井水水質(zhì)形成同時(shí)受頂?shù)装寤規(guī)r含水層及其中的多種伴生礦物的水巖作用控制。由于南方地區(qū)地形起伏大、溝谷深切、巖溶系統(tǒng)復(fù)雜、金屬類伴生礦物(部分含有毒有害元素)背景值高，其礦井水質(zhì)常具有強(qiáng)酸性(有些礦區(qū)pH<3)、高鐵錳的特征。特別是我國西南地區(qū)金屬礦產(chǎn)資源豐富，其產(chǎn)生的礦井水常呈現(xiàn)鎘、鉛、汞、鉻、砷、銅等有毒有害重金屬含量高的特征，對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響。且有些礦區(qū)的礦井水可自流出地表進(jìn)入河流水系、淺層地下水等，對(duì)區(qū)域環(huán)境污染影響較大。

礦井的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)反映了各類充水水源、導(dǎo)水通道和采動(dòng)空間的相對(duì)位置關(guān)系，決定了區(qū)域內(nèi)水賦存介質(zhì)的滲流條件及主要成分，從而控制了采動(dòng)空間內(nèi)的地下水質(zhì)特征的背景值及主要的水-巖作用類型。充水水源對(duì)礦井水水質(zhì)形成的影響體現(xiàn)在其為采動(dòng)空間提供了水量來源，是水污染是否發(fā)生的先決條件，其影響因素主要包括充水水源的水壓、富水性、水溫、水化學(xué)及微生物指標(biāo)等。采動(dòng)破壞帶、斷層、陷落柱、鉆孔等導(dǎo)水通道連接了水源與采動(dòng)空間，是導(dǎo)致水源與深部地下水以及井下復(fù)雜環(huán)境之間發(fā)生多場耦合作用的紐帶，同時(shí)，導(dǎo)水通道也是各水化學(xué)組分?jǐn)U散、運(yùn)移、富集的重要途徑。

因此，煤礦區(qū)污染場地的界定是以煤礦區(qū)采礦活動(dòng)場為中心，以地下水天然流場、人工干擾流場演變所在的水文地質(zhì)單元為平面邊界，上至頂板導(dǎo)水裂隙帶影響區(qū)域，下至底板導(dǎo)水構(gòu)造影響帶的立體空間。污染場地涵蓋煤礦區(qū)水文地質(zhì)單元內(nèi)部的各個(gè)含隔水層和導(dǎo)水構(gòu)造、工作面或巷道等井下空間，以及復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中煤泥、木材、矸石、其他廢棄物等多要素。這些要素發(fā)生復(fù)雜的物理-化學(xué)-生物耦合作用，驅(qū)動(dòng)了礦井水的形成與演化。

2 礦井水水質(zhì)形成的水動(dòng)力場演化及其作用

2.1 地下水動(dòng)力場的演化

煤礦開采過程中，一方面，頂、底板巖層破壞帶的形成、斷層活化和導(dǎo)水鉆孔等影響，使礦區(qū)含水層間的水力通道發(fā)生重大變化；另一方面，為保證安全開采而實(shí)施的礦井長期排水、頂?shù)装搴畬尤斯な杞?、含水層注漿改造和帷幕截流等工程，必然對(duì)礦區(qū)的地下水流場產(chǎn)生重大影響，進(jìn)一步影響礦井水質(zhì)的形成與演化。從礦井全生命周期的角度，可將礦區(qū)的地下水動(dòng)力場的演化分為采前自然平衡、開采強(qiáng)烈擾動(dòng)和閉坑后再平衡3個(gè)階段。

(1)采前自然平衡階段。煤層開采擾動(dòng)前，區(qū)域地下水系統(tǒng)補(bǔ)、徑、排條件處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，地下水自然循環(huán)穩(wěn)定。煤礦區(qū)水文地質(zhì)單元往往處于天然的地下水平衡狀態(tài)，含(隔)水層、弱透水層、斷層、陷落柱等使地下水成為一個(gè)半封閉半開放的系統(tǒng)。因采前含水層水量、水壓、滲流速度、介質(zhì)條件等穩(wěn)態(tài)因素的存在，使得同一含水層水化學(xué)、水生態(tài)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定；但不同地層的巖性、礦物組成成分、賦存條件、地溫梯度等因素導(dǎo)致不同含水層的自然水動(dòng)力條件、水化學(xué)條件、微生物環(huán)境差異，進(jìn)而導(dǎo)致各含水層的常量、微量甚至有害有益元素含量具有不同程度的差異。

(2)開采強(qiáng)烈擾動(dòng)階段。煤層開采擾動(dòng)會(huì)誘發(fā)原生含(隔)水層結(jié)構(gòu)損傷，煤層頂、底板隔水層的阻水完整性遭到破壞，增強(qiáng)含水層間的水力聯(lián)系；主要表現(xiàn)為隔水?dāng)鄬踊罨r溶陷落柱突(涌)水、鉆孔導(dǎo)水、頂?shù)装宀蓜?dòng)破壞帶、采空區(qū)等成為地下水的優(yōu)勢通道或儲(chǔ)水空間。在開采擾動(dòng)影響下，煤礦區(qū)的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)由原來相對(duì)穩(wěn)態(tài)且含(隔)水層單向水力聯(lián)系的系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉欠€(wěn)態(tài)且復(fù)雜水力聯(lián)系的系統(tǒng)，涉及含水層、導(dǎo)水通道、含水體/空間、鉆孔、巷道、采空區(qū)等多個(gè)方面，使煤礦區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地下水動(dòng)力條件、生化環(huán)境發(fā)生重大變化，煤炭開采擾動(dòng)對(duì)區(qū)域地下水動(dòng)力場的影響歸納為以下幾點(diǎn)：

1)導(dǎo)水通道的改變。① 煤層開采擾動(dòng)形成頂板導(dǎo)水裂隙帶、底板采動(dòng)破壞帶，誘發(fā)隔水?dāng)鄬踊罨?、陷落柱?涌)水，以及一些封閉不良鉆孔等都會(huì)成為新的導(dǎo)水通道。② 為了減少礦井涌水量的產(chǎn)生，減少工作面突水事故的發(fā)生，對(duì)已查明的原生導(dǎo)水?dāng)鄬?、陷落柱的進(jìn)行注漿封堵等措施，阻斷了原生的導(dǎo)水通道。

2) 邊界條件的改變。對(duì)于一些富水性強(qiáng)、補(bǔ)給性好、水力聯(lián)系復(fù)雜的含水層，煤礦為保證安全生產(chǎn)，有時(shí)采用帷幕注漿截流、含水層注漿改造等工程以減少礦井涌水量形成，實(shí)質(zhì)上改變了煤礦區(qū)一個(gè)或多個(gè)水文地質(zhì)單元的垂向或側(cè)向邊界條件。

3) 含水介質(zhì)的改變。① 煤層開采改變了地層應(yīng)力場，頂板巖層破壞、下沉導(dǎo)致的裂隙、孔隙結(jié)構(gòu)變化，新形成的裂隙、孔隙成為徑流通道、儲(chǔ)水空間，會(huì)導(dǎo)致煤礦區(qū)地下水在流入工作面前其水質(zhì)與建井前的水質(zhì)有所區(qū)別。② 為了增加煤層頂?shù)装甯羲畬拥淖韪羲芰巴暾裕瑢?duì)頂?shù)装宄渌畬舆M(jìn)行注漿改造或區(qū)域治理，將含水層改造成隔水層，直接改變了含水層的介質(zhì)條件、厚度、滲透系數(shù)等。③ 人工疏降作為一種常見的防治水措施，可將煤層直接充水含水層的承壓水頭疏降至安全水位以下，從源頭上避免礦井水的形成。疏水降壓會(huì)使含水層富水性降低、骨架壓縮；其次，疏水降壓形成明顯的水力梯度增大，加速了含水層區(qū)域滲流速度，造成一些鹽類膠結(jié)物溶出，間接導(dǎo)致含水層溶孔發(fā)育、空隙增大，進(jìn)而使得含水層滲透性增強(qiáng)。特別是近年來我國煤炭開發(fā)重心向西部轉(zhuǎn)移，西部礦區(qū)煤層頂板含水層多存在鹽類弱膠結(jié)特征，受開采擾動(dòng)及人工疏降疊加影響，含水層滲透系數(shù)經(jīng)過長期演化有遞增趨勢。

4)水力坡度的改變。煤礦開采的過程中，無論是人工疏降還是礦井長期排水都會(huì)形成區(qū)域降落漏斗，促使水力坡度加大，加速了地下水的水循環(huán)條件，一定程度上改變了地下水水質(zhì)形成及演化的背景條件。

(3) 礦山閉坑后再平衡階段。煤礦閉坑后地下水動(dòng)力場經(jīng)過長期演化會(huì)趨向新的平衡狀態(tài)。開采擾動(dòng)、人工疏降、底板注漿改造后含水層水動(dòng)力場逐漸恢復(fù)至采前狀態(tài)，而帷幕注漿截流完全改變了地下水滲流路徑，往往難以恢復(fù)。當(dāng)井下廢棄采掘空間蓄滿水后，其中一些封閉完整、水壓較小的井下儲(chǔ)水空間將變成滯留區(qū)域，礦井水主要在水交替頻繁的活水區(qū)域形成。從區(qū)域地下水系統(tǒng)的宏觀角度研究，閉坑后井下廢棄采掘空間由于停止排水，礦井水逐漸積蓄，區(qū)域水動(dòng)力條件逐漸弱化，使得地下水流速減緩、水位回彈；封閉采空區(qū)內(nèi)趨于靜止(死水)，水化學(xué)平衡繼續(xù)保持正反應(yīng)，水質(zhì)在短期內(nèi)趨于劣化(以山東某礦為例)。隨著地下水位恢復(fù)，當(dāng)采空區(qū)填滿后，會(huì)出現(xiàn)地下水自下而上經(jīng)過采空區(qū)反補(bǔ)頂板含水層，類似巖溶陷落柱、導(dǎo)水?dāng)鄬悠扑閹軌驕贤ǘ鄬雍畬印Ｓ捎诘装搴畬油邆涑袎盒?，在采空區(qū)水位恢復(fù)到承壓水頭高度之前，其不會(huì)反補(bǔ)底板含水層，也不會(huì)造成底板含水層污染；當(dāng)采空區(qū)承壓水位高于底板含水層時(shí)，在區(qū)域地下水動(dòng)力場驅(qū)動(dòng)下，礦井水與頂、底板含水層的水相互混合后沿著地下水滲流路徑運(yùn)移擴(kuò)散，造成含水層間的串層污染，污染負(fù)荷將在含水層滲流途徑上形成一定的水動(dòng)力彌散范圍。

2.2 水動(dòng)力場演化對(duì)礦井水質(zhì)的影響

礦區(qū)地下水系統(tǒng)從采前平衡、開采擾動(dòng)、礦井閉坑到采后平衡的全生命周期過程中，礦井水質(zhì)形成過程所發(fā)生的物理-化學(xué)-生物作用主要受地下水動(dòng)力場的驅(qū)動(dòng)和影響。

(1)水化學(xué)平衡擾動(dòng)作用。水動(dòng)力場是控制礦井水形成的動(dòng)力來源，地下水流速直接決定水-巖(煤)、水-氣、水-水混合作用化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間，對(duì)物理-化學(xué)-生物反應(yīng)的平衡狀態(tài)影響不同；一般接觸時(shí)間越長，反應(yīng)越充分，所形成的礦井水水質(zhì)越復(fù)雜。煤層開采前后，煤礦區(qū)的地下水動(dòng)力條件會(huì)發(fā)生較大程度的改變，從而影響水化學(xué)平衡的反應(yīng)方向。

例如，在我國西部一些煤礦區(qū)，煤層開采前地下水在蒸發(fā)濃縮作用下，導(dǎo)致地下水TDS不斷升高，一些鹽分不斷析出結(jié)晶；而采后的煤礦區(qū)地下水水流由緩慢流動(dòng)變成快速流動(dòng)，反而會(huì)溶解原已析出的鹽分。而閉坑后則相反，由快速流動(dòng)逐漸趨于靜止，水質(zhì)在短期內(nèi)會(huì)逐步呈現(xiàn)劣化趨勢，經(jīng)過長期的水質(zhì)演化及氧化還原條件變化，水質(zhì)又可能存在逐漸轉(zhuǎn)好的趨勢，所以地下水動(dòng)力場對(duì)水化學(xué)平衡有至關(guān)重要的影響作用。

(2)串層混合作用。煤礦區(qū)往往存在陷落柱、斷層等天然地質(zhì)構(gòu)造。煤層開采前，部分導(dǎo)水?dāng)鄬印r溶陷落柱會(huì)溝通含多個(gè)水層，使得不同含水層的水質(zhì)相混合，形成天然的水化學(xué)平衡。煤層工作面首采時(shí)，原來各個(gè)含水層之間存在水質(zhì)差異，但是由于開采擾動(dòng)導(dǎo)致新的導(dǎo)水通道形成后，水動(dòng)力條件發(fā)生了改變，使不同含水層中的水發(fā)生水-水混合反應(yīng)，可在很短的時(shí)間形成新的水質(zhì)，即礦井水的初期水質(zhì)。例如，部分礦區(qū)淺層低礦化度地下水，在開采擾動(dòng)后，串層并大量進(jìn)入采掘空間形成礦井水，整體降低了礦井水的礦化度；煤層深度開采時(shí)，煤層頂?shù)装宀蓜?dòng)破壞帶、勘探/原位試驗(yàn)的鉆孔也成為串層混合的導(dǎo)水通道；當(dāng)開采擾動(dòng)非常劇烈時(shí)，有些隔水?dāng)鄬涌赡芑罨蓪?dǎo)水?dāng)鄬?，使礦井水初期水質(zhì)形成過程更加復(fù)雜。

圖3 礦井水特征污染物濃度變化示意Fig.3 Schematic diagram of concentration variation of characteristic pollutants in mine water

3 礦井水水質(zhì)形成的水化學(xué)場演化及主控因素

礦井水化學(xué)場的形成與地下水原生化學(xué)背景既有緊密聯(lián)系，也有不同的特征：一方面，礦井水主要來源為地下水，繼承了原生地下水的部分背景值；另一方面，地下水自原生含水層經(jīng)導(dǎo)水通道進(jìn)入礦井并在井下運(yùn)移、匯聚的過程中，不同程度地接觸非原生巖層及各種介質(zhì)，并發(fā)生復(fù)雜的水-水混合作用、水-巖(煤)作用等，可能導(dǎo)致水中的特征組分含量發(fā)生重要變化。

3.1 地下水原生化學(xué)背景及特征

煤系地層以沉積地層為主，地下水主要起源于大氣降水和地表水入滲，埋藏于不同類型水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)中，在漫長地質(zhì)歷史時(shí)期與其周圍環(huán)境持續(xù)地相互作用，演化出非均質(zhì)層狀分布的原生水化學(xué)場。地下水對(duì)含水層的持續(xù)溶濾作用是水化學(xué)成分形成的最主要因素，從補(bǔ)給區(qū)、徑流區(qū)到排泄區(qū)，水化學(xué)成分在水動(dòng)力場、微生物場、溫度場、濃度差等影響下發(fā)生擴(kuò)散，其間經(jīng)歷離子交替吸附、濃縮、水-水混合等作用，在不同階段和區(qū)域，某一、兩種作用可能居于主導(dǎo)地位。以某華北型煤田為例，其二疊系煤系砂巖含水層密封條件良好，富含鉀、鈉長石受溶濾作用和陽離子交替作用，多形成礦化度大于1 g/L的HCO-Ca型水；若地下水交替循環(huán)條件更差，可形成礦化度>3 g/L的Cl·SO-Na型水。而煤系基底的中奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙含水層水質(zhì)主要受碳酸鹽巖、石膏與巖鹽的溶解、沉淀和陽離子交替吸附作用控制，往往形成高礦化度的HCO·SO-Ca·Mg型水；太行山東麓的焦作、鶴壁等礦區(qū)奧灰水因接受地表補(bǔ)給條件較好，礦化度多低于1 g/L。此外，地下水中的非常規(guī)指標(biāo)，如有益元素、天然放射性水平等也存在天然異常。

總體而言，地下水原生化學(xué)特征取決于自然狀態(tài)不同水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)下主要水文地球化學(xué)作用的結(jié)果，而這些作用及其結(jié)果受地下水循環(huán)交替條件控制，呈現(xiàn)出區(qū)域差異與復(fù)雜性。

3.2 物源特征及主要化學(xué)作用

煤礦開采后劇烈變化的自然條件和各種人為因素導(dǎo)致原生地下水接觸到不同的巖石礦物介質(zhì)并相互作用，主要的化學(xué)作用有溶解/沉淀、氧化/還原、吸附/解吸和離子交替吸附等。參與化學(xué)作用的非原生介質(zhì)主要?jiǎng)澐譃闊o機(jī)物源和有機(jī)物源。

(1)無機(jī)物源。主要包括煤系地層伴生礦物、采掘設(shè)備、注漿材料等(圖4)。

② 采掘設(shè)備受礦井水長期淋洗可能發(fā)生腐蝕，溶出金屬離子。礦井閉坑后遺棄井下的各種器械和巖層加固材料也是礦井水金屬離子的來源之一。

③ 注漿材料水化產(chǎn)物有Ca，OH等，可以提高周圍地下水的堿度，當(dāng)含水層主要吸附有Na時(shí)，Ca，Na之間會(huì)發(fā)生離子交替吸附作用，使一定范圍內(nèi)地下水中Na含量增多。

(2)有機(jī)物源。主要來自吸附在煤層或煤炭風(fēng)化過程中的HA等，以及井下設(shè)備使用的乳化液、潤滑油，人類排泄物等(圖4)。

圖4 礦井水水質(zhì)形成及演化的多場耦合作用概念Fig.4 Conceptual diagram of multi field coupling effect on the formation and evolution of mine water quality

① HA可與金屬離子發(fā)生交換、吸附和絡(luò)合等作用從而減緩金屬離子的遷移轉(zhuǎn)化能力并降低有毒重金屬的生物利用性。HA與核素也有較強(qiáng)的絡(luò)合或螯合能力，能增強(qiáng)放射性核素在飽和多孔介質(zhì)中的遷移能力。

② 乳化液、潤滑油中所含的硝基苯類、氯苯類、多環(huán)芳烴(PAHs)和酯類是我國大型機(jī)械化礦井中微量有機(jī)污染物的主要來源。馮啟言團(tuán)隊(duì)對(duì)PAHs研究較多，認(rèn)為其普遍存在于煤、矸石和礦井水中。與礦區(qū)地表水和塌陷坑積水相比，礦井水中PAHs含量明顯較高。毒性更強(qiáng)的烷基多環(huán)芳烴(a-PAHs)也被發(fā)現(xiàn)普遍存在于煤矸石中。此外，乳化液、潤滑油的使用還會(huì)導(dǎo)致礦井水中化學(xué)需氧量(COD)、總有機(jī)碳等有機(jī)物指標(biāo)增加。

目前，國內(nèi)外針對(duì)礦井水水質(zhì)形成的化學(xué)作用的研究較多，且多聚焦于水質(zhì)“第二帶”的水-水混合、水-巖作用，以及礦井水對(duì)地表生態(tài)系統(tǒng)的影響及其污染防治技術(shù)。而對(duì)于礦井水在礦井內(nèi)運(yùn)移對(duì)特征組分的影響，尤其是微量元素、有機(jī)物等，需要在水化學(xué)場形成與演化的全生命周期的背景下系統(tǒng)研究。

3.3 礦井水水質(zhì)的總體特征及演化趨勢

圖5 我國典型礦區(qū)礦井水水質(zhì)超GB/T 14848—2017中Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)情況Fig.5 Mine water quality exceeding Class III water standard in GB/T 14848—2017 in typical mining areas of China

在煤礦開采和閉坑的全生命周期中，在物源特征未發(fā)生明顯改變的情況下，僅覆巖破壞、常年疏排水等引發(fā)的區(qū)域含水層排泄增強(qiáng)、層間混合就能逐漸改變直接和間接充水含水層的水量、水質(zhì)(圖4)，對(duì)“第三帶”礦井水質(zhì)起到“潛移默化”的作用。少數(shù)情況下，足量的特殊水質(zhì)補(bǔ)給亦可顯著轉(zhuǎn)變“第三帶”礦井水質(zhì)演化趨勢，例如某些礦開采后期導(dǎo)裂發(fā)育至淺部老窯造成酸性淋水，巖(煤)、采掘設(shè)備等受腐蝕程度加深，礦井水中部分新增物源性離子增加。若排除“第二帶”入井水質(zhì)的波動(dòng)，在“第三帶”范圍內(nèi)，礦井水演化趨勢與物源特征、微生物代謝活動(dòng)等密切相關(guān)。

4 礦井水的微生物基本特征及其作用

地下水環(huán)境是微生物重要的棲息地之一，平均每毫升地下水中就存在10～10個(gè)微生物，其中主要是細(xì)菌和古細(xì)菌，還包括少量真菌。在地下水系統(tǒng)中，這些微生物群落是物質(zhì)循環(huán)、能量轉(zhuǎn)換和信息傳遞的重要承擔(dān)者，是生物地球化學(xué)循環(huán)的主要驅(qū)動(dòng)因子。微生物群落組成的特異性可反映和影響地下水環(huán)境化學(xué)特征。在煤礦開采過程中，地下水入礦井空間后，微生物的存在環(huán)境發(fā)生了巨大改變，其對(duì)礦井水水質(zhì)形成的影響研究還較少，因此，研究煤礦區(qū)微生物群落的分布特征及其對(duì)礦井水水質(zhì)演化和治理的作用機(jī)制對(duì)于礦井水污染防控至關(guān)重要。

4.1 礦井水微生物群落的分布特征

隨著分子生物學(xué)技術(shù)(高通量測序技術(shù)和宏基因組分析等)的快速發(fā)展，地下水系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的分布特征得以深入研究。大量研究表明微生物群落分布特征與水化學(xué)因素密切相關(guān)，其中氧化還原條件、溫度、pH值和總有機(jī)碳等是控制微生物組成的重要因素。在氧化環(huán)境的地下水中硝化細(xì)菌、硫桿菌和錳氧化菌等豐度較高；而還原環(huán)境下，厭氧反硝化菌、鐵還原菌和脫硫菌等比例增加。對(duì)溫泉中微生物群落組成與其水化學(xué)特征相關(guān)性研究表明，微生物群落結(jié)構(gòu)與溫度(35～88 ℃)顯著相關(guān)，而與水文地質(zhì)特征明顯的地理位置無關(guān)。在煤系地下水含水層中，煤中含有多種復(fù)雜有機(jī)分子可為微生物生長提供豐富的碳源，筆者團(tuán)隊(duì)對(duì)山東某礦煤層頂?shù)装搴畬游⑸锶郝浣Y(jié)構(gòu)分析表明，離煤層越近能夠降解有機(jī)物的戈登氏菌屬和生絲單胞菌屬豐度越高。因此，在煤層開采前原生的水文地球化學(xué)條件構(gòu)成了礦井水中微生物群落的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。

微生物群落很容易受到環(huán)境變化的影響。煤層開采過程中為了安全生產(chǎn)，不斷疏排煤層頂、底板的地下水，會(huì)提高地下水流速，增強(qiáng)各含水層的水力聯(lián)系，擾動(dòng)水動(dòng)力場；同時(shí)礦井通風(fēng)將氧氣引入井下提高了礦井水中的溶解氧濃度。這些開采擾動(dòng)都會(huì)增加礦井水中的微生物生物量和多樣性。各含水層水混合后，水化學(xué)特征發(fā)生變化也會(huì)導(dǎo)致微生物群落的變化。BEN MAAMAR 等研究表明不同年代的地下水混合后強(qiáng)烈影響了微生物群落結(jié)構(gòu)，并且促進(jìn)了嘉利翁氏菌對(duì)鐵的氧化作用。采煤活動(dòng)產(chǎn)生大量新鮮煤炭和矸石碎塊，增大了水-煤(巖)反應(yīng)的比表面積，導(dǎo)致煤中的有機(jī)物進(jìn)入礦井水中進(jìn)而促進(jìn)脂肪族和芳香烴等有機(jī)物降解菌的生長。筆者團(tuán)隊(duì)對(duì)某礦井下不同功能分區(qū)中礦井水的微生物群落結(jié)構(gòu)分析表明，可以降解PAHs等有機(jī)物的索氏菌屬、迪茨氏菌屬和湖沉積桿菌在煤巷和采空區(qū)中豐度最高。同時(shí)，在礦井水進(jìn)入工作面與大量煤、巖接觸時(shí)，部分附著在固體上的微生物進(jìn)入礦井水中，也會(huì)改變水體中的微生物群落的豐富度和多樣性。

此外，根據(jù)礦井背景溫度的不同，會(huì)采取升溫或降溫的手段來保障井下安全生產(chǎn)，由此帶來的溫度擾動(dòng)也會(huì)影響礦井水微生物群落分布。井下光照可能會(huì)激活礦井水中休眠的光合細(xì)菌。煤礦開采除了改變礦井水的水文地球化學(xué)性質(zhì)外，還可以通過礦山基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)備和人員引入新的物種來改變地下微生物種群，比如采礦人員攜帶的抗藥性微生物；井下飲食供應(yīng)，可能帶來豐富碳源，激活了微生物群落等。因此，煤礦區(qū)場地的礦井水可能形成獨(dú)特的微生物群落結(jié)構(gòu)，然而目前關(guān)于煤礦井下不同功能分區(qū)中礦井水的微生物群落分布特征報(bào)道較少。RAUDSEPP等對(duì)澳大利亞開采深度為-150 m的2個(gè)煤礦礦井水進(jìn)行16S rRNA高通量測序分析，結(jié)果表明礦井水中假單胞菌屬和紅環(huán)菌科的細(xì)菌豐度最高。筆者團(tuán)隊(duì)對(duì)某礦微生物群落結(jié)構(gòu)垂向分布研究發(fā)現(xiàn)，從地表到深部含水層中的微生物群落豐度和多樣性逐漸降低，而井下采掘空間中微生物群落豐度和多樣性顯著增加。所以，煤層開采對(duì)井下不同功能分區(qū)礦井水微生物群落分布的影響機(jī)制仍需系統(tǒng)研究。

4.2 礦井水水質(zhì)演化的微生物作用

(1)

(2)

式中,M為酸性礦井水中溶解的金屬。

基于以上分析，深入了解不同時(shí)空尺度下礦井水中微生物群落的分布特征及其作用機(jī)制將有助于預(yù)測礦井水特征污染物的自然衰減潛力。目前，關(guān)于煤礦全生命周期中微生物群落的演化特征及其對(duì)礦井水質(zhì)演化的影響機(jī)制還可進(jìn)一步深入，尤其是這些生物地球化學(xué)過程在較長時(shí)間尺度上的反應(yīng)機(jī)制和作用影響程度還有待定量研究。例如，在閉坑若干年后，相鄰含水層的補(bǔ)給造成地下水位回彈及可能的串層污染，氧化還原條件恢復(fù)到接近原生狀態(tài)，微生物群落及其對(duì)礦井水質(zhì)的影響將如何變化？以上科學(xué)問題的回答可為礦井水環(huán)境的微生物修復(fù)奠定基礎(chǔ)。

4.3 礦井水污染負(fù)荷減量的微生物作用

此外，在AMD形成的初期可通過促進(jìn)鐵還原菌的生長抑制硫化礦物的氧化。我國學(xué)者研發(fā)了煤礦地下水庫采空區(qū)凈化技術(shù)，該技術(shù)充分利用采空區(qū)中冒落的巖體對(duì)礦井水的過濾、沉淀、吸附以及微生物降解等自凈作用，實(shí)現(xiàn)了礦井水的大規(guī)模低成本處理。同時(shí)，利用微生物的重金屬固定原理，開發(fā)井下原位重金屬固化穩(wěn)定化技術(shù)，在礦井水污染負(fù)荷減量中也有較好的應(yīng)用前景。

總之，微生物修復(fù)礦井水的研究主要集中在利用SRB修復(fù)AMD上，而酸性礦井水只占11%～24%，針對(duì)其他高礦化度、高放射性、高氟、重金屬和有機(jī)物污染的礦井水的微生物修復(fù)技術(shù)還有待系統(tǒng)研究。并且，現(xiàn)有的礦井水處理技術(shù)大多是異位修復(fù)和對(duì)地表排水的處理，對(duì)于煤礦區(qū)場地地下水原位修復(fù)技術(shù)研究還不充分。尤其是地下水污染具有隱蔽性、復(fù)雜性、長期性等特點(diǎn)，有些煤礦在閉坑10～20 a后形成的酸性礦井水才流出地表被發(fā)現(xiàn)且處理成本高，所以地下水污染修復(fù)應(yīng)該以預(yù)防為主、防治結(jié)合，建立煤礦全生命周期的地下水質(zhì)量監(jiān)測和污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估至關(guān)重要。

5 礦井水水質(zhì)演化的溫度場作用

煤礦區(qū)的溫度場主要受地質(zhì)背景控制，開采前狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定。開采過程中，溫度變化將通過改變物理、化學(xué)和生物作用來影響礦井水水質(zhì)的演化(圖4)。首先，溫度變化影響巖石的物理參數(shù)，如熱導(dǎo)率、比熱容等，同時(shí)巖石的滲透率也與溫度有關(guān)。其次，適當(dāng)升溫將會(huì)加速水化學(xué)作用中的部分化學(xué)反應(yīng)，在一定程度上影響水化學(xué)場。并且，礦井水中微生物的生命活動(dòng)也與溫度變化密切相關(guān)。

5.1 礦區(qū)的原生溫度場

現(xiàn)有資料表明，我國煤層最大賦存深度超過2 000 m，最大開采深度超過1 300 m，即使只考慮地溫梯度的影響，煤礦區(qū)地下溫度場在垂向上的變化幅度也可達(dá)到40 ℃左右，一方面導(dǎo)致煤礦的熱害問題；另一方面也對(duì)礦井水質(zhì)的形成產(chǎn)生重要影響。

礦區(qū)開采前，其原生溫度場的主要影響因素包括區(qū)域地質(zhì)背景、地質(zhì)構(gòu)造、巖性、地下水活動(dòng)，以及巖漿活動(dòng)和覆蓋層厚度等，狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定。受多個(gè)構(gòu)造-熱事件以及其他運(yùn)動(dòng)的影響，下?lián)P子區(qū)因相關(guān)事件發(fā)生在較早的中生代，從而該區(qū)為中等熱流背景，大地?zé)崃髦导s為60 mW/m，而塔里木盆地未經(jīng)歷大型構(gòu)造-熱事件，其中央隆起如今的大地?zé)崃髌骄禐?6.7 mW/m。褶皺核部的地溫比構(gòu)造的其他部位溫度相對(duì)較高，由于結(jié)晶基底的巖石比蓋層的導(dǎo)熱率高，熱量更容易匯集于此。地下水作為地下相對(duì)活躍的熱量載體，本身具有較大的熱容量，由于其具有補(bǔ)給、排泄等活動(dòng)，不斷與介質(zhì)發(fā)生熱量交換，可對(duì)地溫產(chǎn)生影響。據(jù)文獻(xiàn)資料統(tǒng)計(jì)，各礦區(qū)的原生溫度場受其復(fù)雜的地質(zhì)及水文地質(zhì)背景等因素影響呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)(表1)。

表1 不同煤礦分水平溫度

5.2 礦區(qū)的采動(dòng)溫度場

(1)對(duì)于多個(gè)開采水平的大采深礦井，由于地溫梯度的存在，各開采水平的圍巖溫度和地下水溫度存在明顯差異，自上而下溫度逐漸升高。煤礦開采擾動(dòng)可導(dǎo)致各水平溫度場的相互影響，主要發(fā)生在水質(zhì)“第二帶”和“第三帶”。

(2)開采過程中，由于頂、底板巖層破壞及其對(duì)地下水水動(dòng)力場的影響，原生溫度場發(fā)生較大改變，呈現(xiàn)以下特征：① 頂板含水層地下水向下滲流，可能導(dǎo)致采動(dòng)空間圍巖溫度和地下水溫度不同程度的降低。如謝李礦區(qū)的長期開采，使上部低溫水下滲，巖層溫度降低。② 底板含水層地下水向上滲流，導(dǎo)致采動(dòng)空間圍巖溫度和地下水溫度不同程度的升高。以淮南煤田為例，相對(duì)高溫的深部高壓巖溶地下水沿裂隙上升，補(bǔ)給淺部含水層，使?jié)B流路徑周圍的巖石溫度上升，表現(xiàn)為丁集、顧橋礦中深部地溫梯度偏高。③ 礦井排水和含水層疏降導(dǎo)致各含水層補(bǔ)給強(qiáng)度加大，對(duì)于主要補(bǔ)給源為大氣降水、地表水和第四系淺層水的礦區(qū)，一般導(dǎo)致含水層溫度下降，特別是在西部以雪融水為主要水源的情況下，溫度下降更為明顯。④ 有些礦井受底板隆起或構(gòu)造抬升影響，圍巖溫度和地下水溫度場產(chǎn)生高溫異常。如潘集背斜核部地溫明顯高于兩翼，造成井田局部溫度升高。當(dāng)采動(dòng)破壞使高溫異常地下水運(yùn)移途徑改變，將對(duì)礦區(qū)地溫場的分布產(chǎn)生新的影響。

(3)煤礦開采過程中的礦井通風(fēng)和為治理礦井熱害而進(jìn)行的主動(dòng)降溫也會(huì)在一定程度上影響采動(dòng)空間圍巖溫度和礦井水的溫度。一般情況下，通風(fēng)不斷消散礦井溫度場的熱量，而通風(fēng)系統(tǒng)的圍巖又會(huì)不斷向系統(tǒng)中傳遞熱量，這種持續(xù)的熱量傳遞將會(huì)導(dǎo)致采動(dòng)空間溫度的變化。

綜上，礦區(qū)的溫度由于開采水平不同，在采前已存在差別。開采過程中，采煤活動(dòng)使地下水動(dòng)力場發(fā)生變化，改變地下水運(yùn)移途徑，進(jìn)而影響不同層位地下水、地下水與圍巖之間的熱量交換。此外，煤層開采時(shí)對(duì)溫度場最直接的影響活動(dòng)是排水和通風(fēng)，使整個(gè)礦井系統(tǒng)成為地下吸熱體或散熱體。人類活動(dòng)作用下采動(dòng)溫度場的形成，將直接影響礦井水水質(zhì)的演化過程。

5.3 溫度場對(duì)礦井水水質(zhì)演化的影響

同時(shí)，溫度場可以通過影響微生物的生命活動(dòng)來影響礦井水水質(zhì)的演化。微生物因其自身生理特點(diǎn)對(duì)溫度具有選擇性和適應(yīng)性，部分微生物通過呼吸作用完成獲取能量和自身代謝過程，而微生物呼吸作用速率的主控因素就是溫度。礦井水水質(zhì)演化過程中微生物參與的典型作用有硝化作用、反硝化作用、硫酸鹽還原作用等，具有相應(yīng)功能的微生物在不同溫度下的生長速率和作用效率不同。同時(shí)，微生物可通過自身代謝直接或間接影響礦物溶解能力，從而影響礦井水水質(zhì)的演化。

目前，多場耦合研究中，溫度作為耦合變量常分別與結(jié)構(gòu)場、應(yīng)力場、滲流場以及水化學(xué)場形成多場作用，其中的典型問題為滲流和污染強(qiáng)度的溫度效應(yīng)；尤其以滲透率為指示變量進(jìn)行溫度場、滲流場和應(yīng)力場的多場作用研究報(bào)道較多。然而，礦井水水質(zhì)演化過程中溫度場與水化學(xué)場、水動(dòng)力場以及微生物場的多場耦合作用研究還鮮有報(bào)道，其耦合作用的概念模型和數(shù)值模型亟待深入研究和構(gòu)建。

6 結(jié) 論

(1)界定了煤礦區(qū)礦井水污染場地的范圍，提出了我國礦井水水質(zhì)形成的“三帶”模型，以傳統(tǒng)礦井水害形成的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型為基礎(chǔ)，提出并闡明了華北型、西北—東北型、南方型3種典型礦井水水質(zhì)形成的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模式及主控因素。劃分并闡明了礦井水水質(zhì)形成的水動(dòng)力場的演化階段，包括采前自然平衡、開采強(qiáng)烈擾動(dòng)和閉坑后再平衡3個(gè)階段。在研究采煤活動(dòng)對(duì)區(qū)域地下含水層導(dǎo)水通道、邊界條件、含水介質(zhì)、水力坡度等影響的基礎(chǔ)上，闡明水動(dòng)力場演化對(duì)礦井水形成過程中水化學(xué)平衡、串層混合、采空區(qū)自凈作用等的影響。

(2)厘清了礦井水水質(zhì)形成的水化學(xué)場控制因素，包括地下水原生化學(xué)背景及特征、物源特征及主要化學(xué)作用、礦井水水質(zhì)的總體特征及演化趨勢等。在礦井水化學(xué)場的形成過程中，礦井水水質(zhì)繼承了原生地下水的部分背景值，同時(shí)地下水經(jīng)導(dǎo)水通道進(jìn)入礦井并在井下運(yùn)移、匯聚的過程中，接觸非原生巖(煤)層、黃鐵礦、注漿材料、采掘設(shè)備、乳化液等各種介質(zhì)，并發(fā)生復(fù)雜的水-水混合作用、水-巖(煤)作用等，進(jìn)而改變礦井水中特征組分的濃度。

(3)提出并闡明了礦井水水質(zhì)形成的微生物作用機(jī)制，論述了礦井水微生物群落的分布特征、礦井水水質(zhì)演化以及礦井水污染負(fù)荷減量的微生物作用過程。水質(zhì)“三帶”中的微生物群落結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的垂向分布特征，并對(duì)礦井水水質(zhì)形成及演化產(chǎn)生重要影響，基于某些微生物可以降解硫酸鹽、固化重金屬等機(jī)理，提出可以研發(fā)礦井水污染的微生物修復(fù)技術(shù)方法。

(4)闡明了礦井水水質(zhì)演化的溫度場作用過程，分別探討了礦區(qū)的原生溫度場、采動(dòng)溫度場特征及其對(duì)礦井水水質(zhì)演化的影響。煤礦區(qū)的溫度場隨著煤炭開采深度的增加而愈發(fā)復(fù)雜，在研究采煤引起的地下水交替和通風(fēng)措施等對(duì)溫度場擾動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上，揭示了溫度場主要通過影響化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)及微生物代謝影響礦井水水質(zhì)的機(jī)制。

(5)目前，礦井水水質(zhì)演化過程中微生物場和溫度場作用下的多場耦合作用研究還不充分，其耦合作用的概念模型和數(shù)值模型亟待深入研究和構(gòu)建。對(duì)于煤礦區(qū)場地礦井水污染防控，闡明礦井水水質(zhì)形成及演化的多場耦合作用機(jī)制是理論基礎(chǔ)，同時(shí)應(yīng)當(dāng)加快推進(jìn)地下水原位監(jiān)測、超深取樣、高靈敏快速檢測及低成本修復(fù)和水處理等技術(shù)研發(fā)，完善礦井全生命周期地下水環(huán)境保護(hù)技術(shù)體系，避免“先關(guān)閉再治理”的問題。

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