關(guān)閉煤礦酸性礦井水污染低成本可持續(xù)治理模式研究
——以重慶城口宏揚煤礦為例

趙運新，王 平，侯均洪，楊洪海

重慶一三六地質(zhì)隊

隨著重慶能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，重慶煤礦整體關(guān)閉。關(guān)閉煤礦的生態(tài)環(huán)境問題接踵而至，其中酸性礦井水污染問題尤為嚴(yán)重，主要特點為pH值較低，且含有高濃度的硫酸鹽以及多種可溶性的重金屬離子。直接排放的酸性礦井水不僅污染礦區(qū)及周邊水資源，還會破壞生態(tài)環(huán)境，危害農(nóng)作物及水生生物的生長，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)鼐用竦恼Ｉ睢?/p>

宏揚煤礦位于城口縣城270°方位，2011年建井，2016年關(guān)閉。礦井關(guān)閉后酸性礦井水通過主平硐未經(jīng)處理直接排放至地表水文網(wǎng)，對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。因此，有必要對該礦井水污染治理模式進(jìn)行研究，建立以自然恢復(fù)為主的低成本、可持續(xù)的管控治理體系，為影響區(qū)域地下水及地表流域的保護和治理提供理論支撐。

1 礦區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)特征

宏揚煤礦地處大巴山南麓，群山起伏連綿，山脈多為北西～南東走向，與區(qū)域構(gòu)造線方向基本一致，地形坡度25°～80°。區(qū)內(nèi)標(biāo)高在+834.0 m～+2 019.5 m之間，相對高差1 185.5 m，屬以構(gòu)造剝蝕為主的高中山地貌。

礦區(qū)出露地層有志留系下統(tǒng)羅惹坪組（S1lr）、中統(tǒng)紗帽組（S2s）、二疊系中統(tǒng)梁山組(P2l)、棲霞組(P2q)、茅口組(P2m)、二疊系上統(tǒng)吳家坪組(P3w)、大隆組(P3d)、三疊系下統(tǒng)大冶組(T1d)、嘉陵江組(T1j)及第四系(Q)零星分布。

礦區(qū)含煤地層為二疊系上統(tǒng)吳家坪組（P3w），厚約72 m，上部巖性為灰～深灰色中～厚層狀灰?guī)r，含燧石結(jié)核，下部巖性為深灰～灰黑色薄層狀泥巖、鈣質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、鋁土質(zhì)泥巖及一層煤層組成，煤層編號K2，厚約0.5 m。其上覆地層為二疊系上統(tǒng)大隆組（P3d），厚約12 m，巖性為灰黑～黑色炭質(zhì)頁巖夾透鏡狀石灰?guī)r及硅質(zhì)巖；其下為二疊系中統(tǒng)茅口組（P2m），厚約136 m，巖性為淺灰～灰色塊狀石灰?guī)r及硅質(zhì)石灰?guī)r。

礦區(qū)處于梆梆梁至貓兒背復(fù)向斜南翼北西段，地層傾向45°，傾角50°，走向斷層發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度中等。

礦區(qū)位于地表分水嶺附近，四周溝谷深切。大氣降水降落地表后，一部分經(jīng)順地層傾向發(fā)育的沖溝匯集，快速排出區(qū)外，另一部分沿含水層快速補給地下水。煤層直接充水含水層為茅口組及吳家坪組上部的灰?guī)r巖溶含水層。含水層中的水通過巖溶裂隙、構(gòu)造裂隙、采動裂隙等通道進(jìn)入礦井，成為礦井水的主要來源。

宏揚煤礦采用平硐開拓，其主平硐為該礦礦井水最低排泄點，涌水量最小約50 L/s，最大約450 L/s，一般約150 L/s，其余硐口未涌水。礦區(qū)水文地質(zhì)類型為Ⅲ類Ⅱ型，屬以頂?shù)装暹M(jìn)水為主，水文地質(zhì)條件中等的巖溶充水礦床。

2 礦井水污染現(xiàn)狀

宏揚煤礦主平硐排出的礦井水感官指標(biāo)渾濁，懸浮物較多，具硫磺等臭味，流經(jīng)區(qū)域附著大量黃褐色水銹物。采樣檢測結(jié)果見表1。

表1 宏揚煤礦主平硐礦井水水質(zhì)檢測成果表

依據(jù)《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[1]評價標(biāo)準(zhǔn)，宏揚煤礦主平硐礦井水pH值和總鐵指標(biāo)超標(biāo)，其余指標(biāo)不超標(biāo)，屬鐵離子超標(biāo)的酸性礦井水。目前該礦井水長期排入附近河溪，嚴(yán)重污染了所在流域地表水和地下水，生態(tài)環(huán)境已遭到嚴(yán)重破壞。

3 酸性礦井水形成機制及影響因素分析

3.1 酸性礦井水形成機制

宏揚煤礦的煤層及其圍巖中含有硫化鐵，由于煤炭的開采破壞了原有的還原環(huán)境，空氣進(jìn)入采空區(qū)，為氧化這些還原態(tài)硫化物提供了充足的氧，滲出的地下水與煤層頂、底板及殘留煤柱接觸，促使還原態(tài)的硫化物氧化成硫酸，進(jìn)而使礦井水呈酸性[2]。

在含氧氣的地下水中，硫化鐵被氧化為FeSO4和H2SO4，具體過程如下：

但是在游離氧存在的條件下，F(xiàn)eSO4很不穩(wěn)定，在酸性水中還要進(jìn)—步氧化[3]。

相對FeSO4而言，生成的Fe2(SO4)3較為穩(wěn)定，但還是會被水解，F(xiàn)e2(SO4)3在水中水解產(chǎn)生游離酸和不溶于水的黃褐色褐鐵礦沉淀。

3.2 酸性礦井水形成的因素分析

酸性礦井水形成的直接因素主要有四個方面，即還原態(tài)的硫化鐵、氧氣、水和微生物(如氧化亞鐵硫桿菌等)（具體情況見表2）。而酸性礦井水形成的間接因素很多，如礦區(qū)的地質(zhì)條件(礦區(qū)構(gòu)造、煤層傾角、開采深度及面積、徑流條件等)及開采方法等[4]。

表2 酸性礦井水形成的因素及其作用

酸性礦井水的形成過程非常復(fù)雜，是物理、化學(xué)及生物作用的共同結(jié)果。一般情況下，礦體硫含量越高，氧化條件越好，越有利于酸性礦井水形成；水交替強烈比徑流停滯的地段更易形成酸性水；加上微生物細(xì)菌的作用，也更加快了硫化鐵的氧化速度。

3.3 酸性礦井水的危害

酸性礦井水會對礦區(qū)及周邊的生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的影響，具體危害如下：

（1）酸性礦井水未被處理直接排入地表水中，會使地表水體酸化，水質(zhì)不斷惡化，大量的魚類、藻類及浮游生物等水生生物死亡，數(shù)量會急劇減少，限制了生物的多樣性。

（2）酸性礦井水滲入到土壤中，土壤的團粒結(jié)構(gòu)遭到破壞，使土壤板結(jié)嚴(yán)重，農(nóng)作物的生長受到抑制，導(dǎo)致糧食大幅減產(chǎn)。

（3）人類長期接觸酸性礦井水，會造成手腳皮膚破裂，眼睛酸癢，嚴(yán)重影響人類身體健康。

（4）酸性礦井水的滲透，會破壞鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，使建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)疏松，強度降低而受到破壞，造成嚴(yán)重的安全隱患。

（5）酸性礦井水具有極強的腐蝕性，在排放過程中，會腐蝕排水管道及設(shè)備，造成工程投資成本加大。

（6）酸性礦井水在排放過程中，會產(chǎn)生大量的氫氧化鐵沉淀物附著在水體底部及兩岸，導(dǎo)致水體底部及兩岸變成紅褐色，破壞自然景觀，給當(dāng)?shù)氐穆糜斡^光產(chǎn)業(yè)帶來嚴(yán)重的負(fù)面影響。

4 酸性礦井水治理模式研究

酸性礦井水污染治理是一項多學(xué)科交叉、技術(shù)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，加之礦井水具有流動性強、隱蔽性高、污染范圍廣的特點，導(dǎo)致治理難度極大，尚未形成有效、統(tǒng)一、可復(fù)制的治理體系。目前，我國酸性礦井水污染治理大多是以“污水處理廠”的模式進(jìn)行治理，通過人工投放化學(xué)劑的方法處理酸性礦井水，導(dǎo)致治理投資費用大，特別是后期運營成本非常高。

為了建立以自然恢復(fù)為主的低成本、可持續(xù)的管控體系，根據(jù)宏揚煤礦水文地質(zhì)條件、水化學(xué)特征、礦井水污染物性質(zhì)、來源與途徑以及以往礦井水治理經(jīng)驗，提出礦坑封堵法和風(fēng)險管控法兩種治理模式。

4.1 礦坑封堵法治理模式

礦坑封堵法主要是將原硐內(nèi)的氧化環(huán)境（見圖1），通過建筑封閉墻對各井口、各通道進(jìn)行全面封堵，阻止空氣進(jìn)入，防止硫化物與空氣接觸，使硐內(nèi)環(huán)境趨近于還原狀態(tài)（見圖2），避免硫化鐵的氧化反應(yīng)的形成，抑制酸性水的生成。同時通過抬升水位，切斷酸性水與地下水的水力聯(lián)系，充分利用地層自凈能力，達(dá)到污染源減量控酸的效果。

圖1 封堵前氧化狀態(tài)模型

圖2 封堵后還原狀態(tài)模型

該治理模式可實現(xiàn)如下目的：

（1）阻止硫化物與空氣接觸氧化，減少采空區(qū)產(chǎn)酸量；（2）阻斷采空區(qū)酸性水與地下水的水力聯(lián)系；（3）充分利用地層巖性自凈能力；（4）降低經(jīng)濟成本[5]。

該治理模式優(yōu)點為治理效果良好，屬一次性投入，幾乎無后期維護成本。缺點為硐內(nèi)存在瓦斯氣體，施工安全風(fēng)險較大，發(fā)生繞滲可能性較大，處理難度大，對水文地質(zhì)調(diào)查程度要求高。

4.2 風(fēng)險管控法治理模式

風(fēng)險管控法主要在主平硐外進(jìn)行治理（治理模型見圖3），其原理是充分利用空氣中的氧氣作為氧化劑，將主平硐流出的酸性礦井水流經(jīng)多級跌坎+曝氣池，經(jīng)過多次曝氣充氧以后，將Fe2+氧化為Fe3+，并以氫氧化物沉淀的形式析出，再通過沉淀、過濾以后，能夠有效去除鐵離子，改善酸性水質(zhì)。除鐵氧化反應(yīng)式如下：

圖3 風(fēng)險管控法治理模型

4Fe2+＋O2+2H2O＝4Fe3++4OH-

該治理模式實現(xiàn)目的：

（1）將酸性礦井水與空氣充分曝氣接觸氧化；（2）將Fe2+氧化為Fe3+通過沉淀析出；（3）合理利用礦區(qū)土地；（4）降低經(jīng)濟成本。

該治理模式優(yōu)點為施工難度小，安全風(fēng)險小。缺點為治理效果相對較差，管控區(qū)域仍存在水污染問題，影響自然景觀，雖后期維護成本較低，但存在永久性后期維護。

5 結(jié)語

酸性礦井水的直接排放嚴(yán)重破壞了礦區(qū)及周邊的生態(tài)環(huán)境，給當(dāng)?shù)氐目沙掷m(xù)發(fā)展造成了極其惡劣的影響。因此，積極探索低成本、可持續(xù)的酸性礦井水治理模式已是當(dāng)務(wù)之急。

通過對宏揚煤礦礦區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查及采樣檢測，分析研究酸性礦井水的形成機理及影響因素，確定以自然恢復(fù)為主的低成本、可持續(xù)的治理模式。結(jié)論如下：

（1）宏揚煤礦在開采過程中破壞了原有的還原環(huán)境，地下水的滲出與還原態(tài)的硫化物氧化后形成硫酸，進(jìn)而形成酸性礦井水。

（2）酸性礦井水的形成過程復(fù)雜，是物理、化學(xué)和生物作用的共同結(jié)果，其直接影響因素有還原態(tài)的硫化鐵、氧氣、水及微生物。

（3）根據(jù)宏揚煤礦特定的水文地質(zhì)特征，提出了兩種低成本、可持續(xù)的治理模式，即礦坑封堵法治理模式和風(fēng)險管控法治理模式，為關(guān)閉煤礦酸性礦井水治理方案提供了理論依據(jù)。