煤矿区场地地下水污染防控技术研究进展及发展方向_杜明泽.pdf

收稿日期2020-02-20 基金项目中国博士后科学基金资助项目 （编号 2019M660598） ； 煤炭科学技术研究院有限公司科技发展基金项目 （编号 2019CX-Ⅱ-13） ； 中国 煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项项目 （编号 2019-ZD004） 。 作者简介杜明泽 （1989） ， 男， 副研究员， 博士 （后） 。 煤矿区场地地下水污染防控技术研究进展及 发展方向 杜明泽 1， 2， 3 李宏杰 1， 2 李文 1， 2 邱浩 1， 2 姜鹏 1， 2 王东昊 1， 21 （1. 煤炭科学技术研究院有限公司安全分院， 北京 100013； 2. 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室， 北京 100013； 3. 辽宁工程技术大学博士后科研流动站， 辽宁 阜新 123000） 摘要目前， 我国煤矿区场地地下水污染防控还处于初级阶段， 缺乏矿井全生命周期地下水污染防控体系， 造成了地下水污染防控不当、 污染加剧等问题， 在科学界定煤矿区污染场地和地下水污染流场单元的基础上， 阐述 了目前煤矿区场地地下水污染监测预警与防控技术的研究进展及发展方向。基于污染场地的定义， 对煤矿区地下 水污染场地和地下水污染流场单元进行了科学界定， 明确了煤矿区地下水污染场地范围和地下水流场评估范围； 分析了煤矿区场地矿井水污染类型和污染模式， 阐明了煤矿开采和闭坑阶段地下水污染的主要特征因子； 基于地 下水污染风险理论， 剖析了煤矿区场地地下水污染监测现状及预警技术思路； 从矿井生产和闭坑角度出发， 阐述了 基于岩层控制、 阻断材料以及地下储水等现有的保水开采技术途径， 概述了矿井闭坑过程和闭坑后地下水污染防 控的主动、 被动技术手段。在上述分析的基础上， 立足于矿井全生命周期不同阶段的特征， 提出了煤矿区场地地下 水污染防控技术的发展方向， 主要包括 地下水污染精准探测技术， 地下水特征污染物智能识别、 监测预警技术与 装备的研发， 煤矿区地下水污染源头控制、 过程阻断、 末端修复等关键技术与工艺， 力促形成煤矿区全生命周期地 下水污染防控技术体系与规范， 研究结果对于矿区地下水污染防控有一定的参考价值。 关键词矿区生态修复地下水污染闭坑矿井监测预警技术体系 中图分类号TD74文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -09-001-14 DOI10.19614/ki.jsks.202009001 Study Progress and Development Directions of the Prevention and Control Technology of Ground Water Pollution in Coal Mine Sites DU Mingze1， 2， 3LI Hongjie1， 2LI Wen1， 2QIU Hao1， 2JIANG Peng1， 2WANG Donghao1， 22 （1. Mine Safety Technology Branch， CCTEG China Coal Research Institute， Beijing 100013， China； 2. State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization， Beijing 100013， China； 3. Post-doctoral Mobile Station， Liaoning Technical University， Fuxin 123000， China） AbstractAt present， the prevention and control of groundwater pollution in coal mine sites was still in the primary stage， the lack of a groundwater pollution prevention and control system for the entire life cycle of a mine caused some prob- lems such as improper prevention and control of groundwater pollution and aggravation of pollution， etc..Based on the scientif- ic definition of pollution sites and groundwater pollution assessment units in coal mine sites， study progress and development directions of the monitoring， early warning， prevention and control technology of groundwater pollution in coal mine sites were discussed.Based on the definition of contaminated sites， the groundwater contaminated site and groundwater contaminated flow field units in the coal mine sites were scientifically defined， and the scopes of groundwater contaminated site and ground- water flow field assessment in the coal mine sites were also defined.The types and patterns of groundwater pollution in coal mine sites were analyzed， and the main characteristic pollution factor during coal mining and pit closure were explained. Based on the groundwater pollution risk theory， the status quo of groundwater pollution monitoring and early-warning technol- ogy in coal mine sites were analyzed.From the perspectives of mine production and pit closure， the existing water-preserved- 总第 531 期 2020 年第 9 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 531 September2020 专题综述 1 金属矿山2020年第9期总第531期 mining technology s based on strata control， blocking materials， and underground water storage were described.The ac- tive and passive technical means of the process of pit closure and groundwater pollution prevention and control after the pit closure were described.Based on the above analysis results， according to the characteristics of different stages of the entire life cycle of mine， it points out that development directions of the prevention and control technology of ground water pollution in coal mine sites are mainly for conducting accurate detection of groundwater pollution， study and development of intelligent identification， monitoring and early warning technology and equipment of specific pollutant， study the key technologies such as source control， process blocking and end remediation of groundwater pollution in coal mining area， so as to the techni- cal system and standard prevention and control of groundwater pollution throughout the life cycle of coal mining area.The above study results can provide certain reference for the prevention and control of groundwater pollution in mines. Keywordsmine ecological remediation， groundwater pollution， abandoned mine， monitoring and early warning， techni- cal system 地下水是人类赖以生存的最宝贵资源之一。随 着我国城市化进程加快和经济的不断发展， 人类活 动对地下水的影响与破坏日趋严重。大规模高强度 的煤炭开采， 强烈破坏了地下岩体， 显著扰动了地下 水流场， 造成了矿区地下水水位下降以及地下水酸 化、 铁锰离子超标等一系列严重的环境污染问题 ［1-3］。 同时， 随着大量矿井逐渐关闭 （截至2019年底， 由20 世纪80年代8万多座缩减至5 700座左右） 以及中小 型矿井的整合， 使闭坑、 整合矿井也成为煤矿区地下 水污染源， 给矿区地下水污染防控带来了巨大挑战。 我国地下水污染防控技术研究起步较晚， 煤矿 区地下水污染问题更是近数十年才引起较大关注。 随着人们环保意识的提高以及国家的大力倡导， 矿 山企事业单位逐步树立、 践行 “绿水青山就是金山银 山” 的理念， 使得煤矿区的重心逐渐由生产安全向生 态安全转变， 煤矿区地下水污染问题也成为矿山生 态安全亟待解决的问题。针对煤矿区地下水污染防 控问题， 国外学者多从矿井闭坑阶段地下水污染机 理和防控技术方面展开研究。MIAO等 ［4］、 JOHNSON 等 ［5］研究发现， 矿山开采引发矿井水酸化， 且会产生 大量的硫酸盐， 给矿区当地居民生活用水带来了安 全隐患； MARUYAMA ［6］、 MCDONOUGH 等［7］、 MUR- RELL 等 ［8］、 POREDA 等［9］分别对闭坑后矿坑水污染 进行了研究， 分析了污染水体的水化学特征； ROY- CHOWDHURY 等 ［10］研究了闭坑矿井酸性水中铁离 子、 硫酸根离子的氧化还原过程， 提出了闭坑矿井主 动和被动防控技术。国内学者从开采过程和开采后 两个方面对煤矿区水污染防控进行了相关研究。武 强等 ［11］阐述了 “煤水” 双资源型矿井开采概念与内 涵， 提出了多位一体优化结合、 井下洁污水分流分 排、 充填开采等 “煤水” 双资源型矿井开采的技术 和方法， 并进行了实例分析； 张东升等 ［12］构建了我国 西北矿区不同环境类型的生态水煤系地层结构 模型， 提出了采充并行充填开采等保水采煤技术； 范 立民等 ［13］研究了我国西部生态脆弱区保水采煤方 法， 开展了基于含水层结构保护的充填开采、 限高 （分层） 开采等保水采煤工程实践； 李文平等 ［14］以国 内西北关键隔水层N2红土为研究对象， 探索了关键 隔水层的自我修复能力及其工程属性， 为保水采煤 实践提供了参考； 虎维岳等 ［15］研究了闭坑矿井地下 水回弹机理， 探讨了闭坑后可能引发的环境地质灾 害， 并提出了防控的关键问题； 李庭 ［16］研究了我国闭 坑矿井地下水污染特点， 开发了闭坑矿井地下水污 染评价软件， 并提出了闭坑矿井地下水污染风险管 控流程； 刘埔等 ［17］研究了矿井闭坑后产生的水文地 质效应， 分析了闭坑矿井地下水污染模式， 并提出了 有效的防治技术手段。 综上所述， 现有防控技术多从保水开采、 闭坑矿 井角度进行研究， 且多偏重于生产安全， 生态安全关 注程度稍显不足。并且， 现有的防控技术未能从矿 井全生命周期考虑， 在很大程度上缺乏系统性和实 践性。为此， 本研究立足于煤矿区地下水污染模式 和特点， 阐明煤矿区场地的科学内涵以及地下水污 染特征， 从煤矿区地下水污染源头控制、 过程阻断和 末端修复等方面， 结合调查、 监测、 评估和防控手段， 构建煤矿区地下水污染防控技术体系， 并探讨了煤 矿区地下水污染防控技术的发展方向。 1煤矿区污染场地界定 污染场地的确定是后续开展调查、 评估和防控的 基础， 因此， 污染场地的确定至关重要。目前， 国际上 对污染场地的定义尚未统一， 相关定义如表1所示。 总体来说， 污染场地具备3个特点 ①以堆积或 处置等方式承载有害物质； ②有害物质对人体健康 和环境产生危害或构成潜在威胁； ③场地具有一定 的空间范围。煤矿区污染场地界定的难点在于污 染场地范围的确定。场地调查通常是针对具体的 研究对象， 显然， 以水文地质边界为单元定义煤矿 区地下水污染场地范围太大， 以此为基础进行污染 2 杜明泽等 煤矿区场地地下水污染防控技术研究进展及发展方向2020年第9期 场地调查是不合适的， 煤矿区污染场地的划分应该 为具体的污染对象 （场地） 。由于煤矿区地下水流 场演变是以水文地质边界为单元， 因此， 对于煤矿 区地下水污染的监测预警或风险评价应该以水文 地质边界为单元。 鉴于此， 为合理界定煤矿区污染场地的概念和 范围， 借鉴固体废物场地概念， 煤矿区地下水污染场 地应以矿井以及矿山开采形成的矸石山、 洗煤厂等 堆积物或处理厂为单元进行定义， 煤矿区场地地下 水污染的监测预警、 风险评估则以水文地质边界为 单元。 2煤矿区场地污染特征 煤层开采过程中， 顶底板围岩产生裂隙， 煤岩介 质中的有害元素遇到空气、 水会发生一系列的氧化 还原反应， 从而产生有害物质， 进而对地下含水层或 地表水产生威胁。同时， 采煤机等机械设备使用的 润滑油、 乳化液以及人类活动遗留物等也给煤矿区 场地地下水污染防控带来了挑战。无论是露天开采 还是井工开采， 煤岩介质与空气、 水发生的氧化还原 反应是引起地下水污染的主要原因。某矿井闭坑后 积水外流情况如图1所示。 2. 1煤矿区场地矿井水污染类型 煤矿开采、 闭坑以及煤炭在气化过程中都会引 起地下水污染 ［20］。煤岩介质、 采煤机等机械设备使 用的乳化液中的有害元素与空气、 水接触会产生污 染物， 在生化作用下水质将会进一步恶化。同时， 通 过污染通道 （孔隙、 裂隙、 构造、 不良钻孔、 采掘空间 等） 向邻近含水层进行扩散， 进而引发一系列的地下 水污染灾害。矿井水的主要污染类型为高悬浊物矿 井水、 酸性矿井水、 高矿化度矿井水、 高硫酸盐矿井 水、 高氟矿井水以及特殊组分矿井水 （铁锰离子为 主） 六大类型， 各类型具有交叉性 ［16］。目前， 对于6种 类型矿井水污染防控的研究主要集中在矿井水外排 处理利用上， 本研究关注点主要集中在矿井水污染 防控和水资源保护方面。 明晰煤矿区场地地下水污染的形成机理， 对于 有效防控污染具有重要意义。就矿井生产和闭坑阶 段而言， 煤矿开采过程中地下水污染的 6种类型都 有， 由于各区域煤系地层中黄铁矿、 硫化物含量不 同， 矿井水化学类型差别较大， 如鲁西、 山西、 宁东和 新疆矿区高矿化度水占比较高， 云贵矿区酸性水、 铁 锰矿井水常见。国内部分典型矿区水质情况见表2。 高矿化度水的形成环境较为复杂， 开采过程中 遇水后硫酸盐、 碳酸盐等可溶性矿物的溶解； 降雨量 少， 蒸发量大， 蒸发浓缩作用使地下水以及矿井水的 矿化度高； 地下咸水入侵以及黄铁矿 （FeS2） 的氧化反 应等都可促进高矿化度水的形成 ［16， 21］。以黄铁矿 （FeS2） 为例， 水与煤层中的硫化物反应产生的游离酸 有关， 游离酸与白云岩、 灰岩等发生中和反应， 使钙、 镁、 硫酸根等离子增多， 高矿化度水发生的系列反应 方程式为 4FeS2 14H2O 15O2→ 4FeOH 3 8SO 2 - 4 16H ，（1） CaCO3 4H→ Ca2 2H2O CO2↑，（2） MgCaCO3 2 4H → Mg2 Ca2 2H2O 2CO2↑ . （3） 同时， 由于采煤机等机械设备使用的机油、 润滑 3 金属矿山2020年第9期总第531期 油等， 使得矿井水中出现了有机污染物， 但总体含量 较低。闭坑矿井由于排水系统停止运转， 地下水位 出现回弹， 引起酸化， 酸性水中通常含有较高的铁锰 以及硫酸盐离子。酸性水的形成主要与黄铁矿 （FeS2） 有关， 黄铁矿与氧气、 水发生的系列反应方程 式为 FeS23.5O2H2O→Fe 2 2SO2 - 4 2H ，（4） Fe 2 0.25O 2H →Fe3 0.5H 2O ， （5） FeS2 14Fe3 8H2O → 15Fe2 2SO2 - 4 16H， （6） Fe3 3H2O → FeOH 3 3H . （7） 总体来看， 煤矿区地下水污染的特征因子以铁 锰、 硫酸盐、 矿化度和pH为主， 不同区域的生产矿井 水污染的主控特征因子有所差异， 闭坑矿井以高铁 锰及硫酸盐离子的酸性水为主。 2. 2煤矿区场地地下水污染模式 2. 2. 1浅层地下水污染模式 煤矿区场地地下水污染主要是通过地表淋滤、 塌陷坑积水以及地下各含水层的水压差进行补给。 浅层地下水主要是由于降雨、 积水等使浅层地下水 水位升高， 原本在包气带内的污染物进入地下含水 层所致 （图2 （a） ） 。此外， 随着煤炭开采或者闭坑， 塌 陷坑积水增多， 水位升高反补污染潜水， 甚至污染更 深的地下含水层 （图2 （b） ） 。 2. 2. 2深层地下水污染模式 深层地下水污染主要是含水层本身破坏污染以 及各含水层相互补给串层造成的。煤层开采后， 煤 岩体的有害元素与空气、 水发生氧化还原反应， 在渗 流场和裂隙场的作用下污染了含水层。同时， 由于 开采活动的影响， 采动裂隙、 构造 （断层、 陷落柱等） 、 不良钻孔或者废弃井筒等沟通含水层， 改变了各含 水层的水化学场、 渗流场和水动力场。由于受采动 影响， 含水层较初始水头下降， 邻近高水压含水层进 行补给， 改变了原有的补给途径， 进而影响了水化学 场， 造成水体污染。串层污染可在煤层顶板各含水 层间、 顶板与底板含水层间、 底板与底板含水层间发 生， 深层地下水串层污染模式如图3所示。 闭坑矿井深部串层污染有两种形式 浅部含水 层先污染， 闭坑后矿井水位回弹， 当受污染的含水层 水位高出底板承压水头时， 位于浅层的被污染的矿 井内部和含水层通过隔水层的 “天窗” 补给底板承压 水； 另一种情况为， 当底板承压水先污染后， 承压水 4 2020年第9期杜明泽等 煤矿区场地地下水污染防控技术研究进展及发展方向 水位高于浅部含水层， 通过导水通道污染浅部含水 层。特别是矿井闭坑后， 由于矿井水无法排出， 矿井 水在废弃井筒或者采空区、 巷道等积聚回弹， 受污染 水体通过废弃井筒、 采动裂隙、 构造等通道补给含水 层， 甚至溢出地表， 造成更大范围的污染 （图1） 。 3煤矿区场地地下水污染监测预警与防控技 术 煤矿区场地地下水污染防控体系的构建包括调 查、 监测、 评估和防控几个环节。本研究分别从地下 水污染监测预警技术和防控技术两方面对目前我国 煤矿区场地地下水污染监测预警与防控技术的研究 进展进行分析。 3. 1煤矿区地下水污染监测预警技术 国内外对于地下水污染风险评价方法、 监测预 警装备较多， 为煤矿区场地地下水污染监测预警技 术与装备研发提供了有效参考 ［16， 22-25］。在国内， 由于 人们环保意识淡薄， 煤矿区场地地下水污染长期跟 踪监测的数据较少， 虽然在矿井建设和开采过程中， 大多数矿井基本实现了水文长观孔水位、 水温、 水压 长期监测以及各含水层的水质化验分析， 但水污染 长期监测的数据较少， 总体上对于地下水污染的关 注较少。2006年， 虽然国家安全生产监督管理总局 发布了 废弃矿井地下水污染监测布网技术规范 ， 但对于闭坑矿井引发的地下水污染、 生态环境等问 题的重视程度还远远不够。本研究分别从水文水情 监测预警技术与装备、 煤矿区地下水污染监测技术、 煤矿区地下水污染风险评价预警技术等方面， 对现 阶段国内煤矿区场地地下水污染监测预警技术与装 备方面的研究进展进行分析。 3. 1. 1水文水情监测预警技术与装备 国内科研院所和企业对矿井水文水情监测系统 进行了长期研究， 开发了一系列的水文水情监测装 备， 例如， KJ117矿井水文监测系统、 KJ402矿井水文 监测系统、 KJ628矿井水文监测系统 （图4 （a） ） 以及笔 者团队自主研发的 KJ1165智慧水文监测系统 （图 4 （b） ） 等， 基本实现了煤矿地面水文长观孔水位、 温 度， 井下水文长观孔水压、 矿井水水温、 明渠流量、 管 道流量、 底板应力的自动监测， 并基于水文监测数 据， 结合灰色聚类、 神经网络等数学模型， 初步实现 了对矿井水害的报警或预警。常规的水文水情监测 系统关注点在于矿井水害， 大部分技术的研究思路 是通过将各类传感器投放到钻孔中， 传感器将采集 的数据传输到分站， 分站通过无线网传输到地面计 算机软件系统， 实现对数据的分析， 进而判断水害危 险程度。常规水文监测系统缺少地下水污染监测预 警方面的模块， 缺乏地下水污染相关参数 （水质、 悬 浮物、 浊度等） 的监测预报功能， 无法实现对地下水 污染进行在线监测、 报警， 更谈不上预警。 3. 1. 2煤矿区地下水污染监测技术 煤矿区场地地下水污染监测多是通过现场取样 后， 在实验室内进行水质分析或者特征污染因子鉴 定， 然后与初始水质进行对比分析， 为矿山突水水源 判定提供参考， 也为分析地下水质演变规律提供依 据。例如， 采用试管滴定法、 离子色谱仪测试或者离 子电极等方法对所取含水层的水质样品进行分析； 采用可见分光光度计、 原子荧光光度计、 三维荧光光 谱技术等检测矿井水样中的有机物、 重金属等； 采用 pH、 浊度仪等测试矿井水样的酸碱性和浑浊度等 ［27］。 现阶段， 尽管地下水水质、 特征污染因子检测手段逐 渐增多， 但基本上集中在实验室内进行。目前虽然 已有类似便携式水质监测仪问世， 但监测精度较低、 监测离子数量较少、 水质监测数据不全， 导致其在煤 矿区地下水污染监测应用中存在很多问题。在煤矿 场地现场取水样进行实验室化验， 测试时间间隔长、 工作效率低， 无法满足对地下水污染长期持续监测 的要求， 更无法实现煤矿区地下水污染特征因子智 能识别。 国家安全生产监督管理总局公布了 废弃矿井 地下水污染监测布网技术规范 （MT/T 10222006） ， 针对闭坑矿井或废弃矿井地下水污染监测布网方 5 法、 布设要求等方面给出了明确要求， 但总体来说， 闭坑矿井诱发的水环境问题仍处于初级阶段， 水污 染的智能监测还缺乏深入系统的研究。就技术层面 而言， 煤矿区场地地下水污染井 （点） 的在线监测仍 然是个瓶颈问题， 目前多数仍然采用井 （点） 取样进 行实验室化验检测。因此， 煤矿区场地地下水污染 在线智能监测体系还不完善， 地下水污染在线智能 识别、 监测系统仍然需要加大研发力度。 3. 1. 3煤矿区地下水污染风险评价预警技术 现有的煤矿区预警技术是基于地下水污染监 测数据以及风险评价理论， 采用迭置指数法、 过程 数学模拟法、 统计方法和模糊数学等风险评价方 法， 对煤矿区地下水污染程度进行风险评估。同 时， 采用计算机语言 （VB.NET、 C等） ArcGIS等多 元信息融合技术开发地下水污染评价软件， 实现地 下水污染风险评价、 预警、 决策等功能。但现有的 煤矿区场地地下水污染监测与预警并非在线一体 化完成， 而是通过将监测数据输入预警软件后实现 预警。目前， 针对闭坑矿井或废弃矿井已经有地下 水污染风险评价系统问世， 例如， 中国矿业大学冯 启言教授团队开发了废弃矿井地下水污染风险评 价系统 ［16］， 其基本思路为 首先建立闭坑矿井地下 水污染风险评价指标体系， 即分析地下水污染影响 因素， 并进行赋权值； 然后基于数学方法， 采用加权 求和法建立闭坑矿井地下水污染风险评价综合模 型； 最后对闭坑矿井地下水污染风险进行预警或危 险等级划分。现有的煤矿区场地地下水污染预警 技术框架大体上如图5所示。评价系统的研发对于 煤矿区场地地下水污染防控有重要意义， 但评价的 基础仍然是建立在实验室水质检测数据的基础上， 而非矿区水污染现场在线监测。如何实现煤矿区 地下水污染因子智能识别、 在线监测和预警功能， 仍然是现阶段煤矿区地下水污染监测预警装备发 展需要探索的核心问题。 3. 2煤矿区地下水污染防控技术 目前， 煤矿区场地地下水污染防控多集中在开 采阶段和闭坑阶段， 地下污染防控的重点是污染源 头控制、 过程阻断方面， 对于已经污染的场地， 尤其 是已经污染的闭坑矿井， 多采取末端修复 （治理） 的 方式。对于末端修复来说， 采用原位修复 （治理） 方 式的修复效果通常难以掌控， 而采用异位治理方式 通常要结合矿井水利用进行分类分级处理， 且成本 较高 ［27］。因此， 在矿井建设前， 要立足矿井全生命周 期， 考虑采前、 采中和采后地下水污染问题， 从污染 源头控制、 过程阻断和末端修复的角度进行防控， 力 争实现开采与水资源保护统筹兼顾。以闭坑矿井为 例， 煤矿区地下水污染过程如图6所示。 3. 2. 1保水开采技术 在煤炭开采过程中， 保水开采的目的是既要防 止水害发生、 实现安全生产， 又要保证含水层的供水 价值和生态价值。传统的保水开采技术通常基于岩 层控制理论， 对采煤区域进行富水性和保水开采等 级划分， 通过采用合适的采煤方法或隔水层再造技 术， 抑制导水裂隙带发育或阻断导水通道， 进而维持 含水层稳定， 实现低损害高效煤水共采的目 金属矿山2020年第9期总第531期 6 的 ［11-13］。近10 a来， 众多学者又发展了地下水库储水 等新技术、 新方法， 延伸了保水开采的内涵。现有的 保水开采技术根据矿井保水分区特征， 通常可分为 以下几类， 部分技术存在交叉。 3. 2. 1. 1导水裂隙带发育高度调控技术 基于岩层控制理论， 改变采煤方法或工艺， 使采 动影响下的上覆含水层扰动在可控范围内， 防止含 水层结构变异， 从而造成含水层大范围失水或污染。 近年来， 国内众多学者进行了大量的研究和现场实 践， 通过控制采煤方法或工艺， 降低岩层扰动程度或 导水裂隙带发育程度， 可有效控制覆岩含水层破坏。 例如 ①限厚开采 ［28-29］， 降低覆岩运动强度， 使得导水 裂隙带发育高度减小 （多伦协鑫煤矿1708-1工作面 限厚开采， 实现了水体下安全开采） ； ②充填开采， 弱 化 “三带” 结构， 人为减少垮落带， 控制扰动强度， 控 制含水层失水及地表沉陷 （邢台煤矿 7606、 7608 工 作面煤矸石固体充填开采， 田庄煤矿1611工作面高 水充填开采， 岱庄煤矿 2351 工作面膏体充填开 采 ［30］ ） ； ③将长壁高强度开采调整为条带、 短壁或房 柱开采等， 合理控制条带和煤柱宽度， 减小覆岩扰动 强度， 合理控制地表及水体变形； ④合理留设防隔水 煤 （岩） 柱， 使导水裂隙带不波及到上覆水体， 进而实 现安全开采， 保护水资源 （江苏大屯微山湖下采煤实 践 ［31］ ） 。图7为水压作用下保水开采防砂安全煤 （岩） 柱留设方法， 其中， Hs为高水压作用下防砂安全煤 （岩） 柱留设高度， Hm为垮落带高度， Hb为保护层厚 度， Hp为水压作用下煤柱损伤厚度。 3. 2. 1. 2隔 （含） 水层再造技术 基于阻断材料以及含 （隔） 水层再造技术， 利用 隔水层的自我修复能力或开发一系列阻断材料， 对 采动裂隙、 废弃采掘空间或构造进行充填或者封堵。 例如， 废弃井筒、 采掘空间注浆封堵； 采动裂隙注浆、 不良钻孔封堵等。虽然条带开采、 房柱式开采可控 制含水层结构变异， 有效保护上覆水体， 但对于我国 西部富煤区来讲， 水资源保护与高效开采的矛盾难 以调和， 因此， 在高强度开采模式下采取人工修复或 促进含 （隔） 自修复的方式尽可能实现保水功能是缓 解开采与水资源保护矛盾的重要技术手段 ［14］。例 如， 补连塔煤矿12401工作面利用采动裂隙的自愈合 作用， 可促使含水层水位修复 ［33］； 南桐煤矿采用封闭 不良钻孔重新启封段注浆和离层裂隙带压力注浆两 种方法修复含水层， 可有效预防地下水污染 ［34］。 另外， 污染通道封堵效果的好坏与阻断材料性 能密不可分， 虽然目前矿山注浆封堵材料种类较多， 充填材料、 注浆材料、 修复材料等多种材料不断涌 现， 但阻断材料的成本和环保性仍然是长期需要关 注的问题。成本太高， 开采价值不大； 材料毒性大， 容易造成地下水二次污染。虽然水泥浆液、 水玻璃 类等无机材料， 脲醛树脂、 聚氨酯、 环氧树脂等有机 材料， 粉煤灰基材料、 高水或超高水材料， 煤矸石等 固废材料在矿山采动裂隙、 构造、 不良钻孔或采掘空 间等污染通道封堵方面发挥了重要作用， 但阻断材 料的毒性、 材料与地层的互馈反应效果还需要进一 步展开研究和工业试验论证。 3. 2. 1. 3地下水库储水技术 在我国西部生态脆弱区， 通过人工建造坝体或 者利用井下防水煤 （岩） 柱等， 可在采空区内进行储 水， 同时可实现对地下水的初步净化 ［35-36］。例如大柳 塔煤矿利用采空区空间储水， 采空区矸石对水体过 滤净化， 自然压差输水的 “循环型、 环保型、 节能型、 效益型” 的煤矿分布式地下水库 （图8） ［37］， 开发了入 库前沉淀池过滤→库内矸石自然净化→井下模块化 矿井水处理的三位一体技术， 实现了库内水体自然 净化与库外污染较重矿井水的井下处理， 保障了矿 井水高效资源化利用。煤矿地下水库储水技术与传 统保水开采不同， 作为传统保水开采内涵的补充， 为 煤矿区场地地下水污染防控提供了新思路。 我国西部生态脆弱区由于地表蒸发量大， 矿井 水外排会造成大量蒸发损失， 同时高矿化度矿井水 容易造成地表土壤盐碱化， 因此， 煤矿地下水库的应 用和推广不仅有助于实现井下矿井水的初步净化， 对于我国西部矿区保水、 用水也具有重要意义。目 前， 煤矿地下水库在神东矿区应用较多， 但西部矿区 地质条件也有一定的差异性， 煤矿地下水库的适用 2020年第9期杜明泽等 煤矿区场地地下水污染防控技术研究进展及发展方向 7 性和长期稳定性仍然需要进一步探索。 3. 2. 2闭坑矿井地下水污染修复技术 针对不同场所的地下水污染防治， 常用技术有 监测自然衰减技术、 阻隔技术、 抽出处理技术、 循环 井修复技术、 原位微生物修复技术、 植物修复技术、 自由产品回收技术、 原位化学还原技术、 原位化学氧 化技术、 地下水曝气技术、 渗透反应墙技术、 双相抽 提技术、 原位热处理技术等 ［38］。但在煤矿领域， 特别 是国内闭坑矿井的地下水污染防控方面， 技术水平 还较为薄弱， 地下水污染修复成功案例较少， 典型成 果多集中在矿井闭坑后对邻近煤矿防隔水煤 （岩） 柱 稳定 （生产安全） 、 露天开采或井工开采造成的塌陷 坑积水污染防治等方面 ［39-41］。矿井闭坑后， 矿井面临 无人管理或管理投入不足的状态， 给闭坑矿井地下 水污染防控带来了较大困难。目前， 国外学者对闭 坑矿井水污染防控进行了较为深入的研究， 主要集 中在闭坑矿井水环境演变规律以及水质处理上， 通 过水质演变和预测模型， 提出了矿井水污染的防控 措施， 取得了一定的效果 ［42-44］。在国内， 关于闭坑矿 井地下水污染防控的研究成果较少。目前， 闭坑矿 井地下水污染防控技术主要分为闭坑过程的主动防 控以及闭坑后的被动防控两大类。 3. 2. 2. 1主动防控技术 主动防控技术多针对矿井闭坑前或闭坑过程中 进行的原位控制手段， 主要是从源头控制和过程阻 断两个方面入手， 即在矿井闭坑过程中为防止地下 水酸化， 进行各种酸性中和剂和金属沉淀剂投放、 封 堵源头或在含水层下游设置氧化还原屏障， 逐级进 行污染离子或污染物絮凝或中和， 以达到原位防控 和过程阻断的目的。 （1） 投放物化材料或药剂。闭坑过程中向潜在 酸性、 重金属污染矿井中投放碱石灰、 碳酸钙、 粉煤 灰、 高炉渣和白云石等碱性中和剂以及助凝剂等， 促 使矿井水在酸化过程中进行中和、 絮凝沉淀， 降低矿 井水 pH 值以及钙离子、 硫酸盐含量， 该类方法在 Beth Energys 105W号地下矿井中进行应用， 取得了 预期效果 ［45］； 投放无烟煤、 钢渣、 石英砂、 沸石等材料 组合去除含有机物、 氮、 磷和重金属离子污染物 ［46］； 投放阴离子表面活性剂等杀菌剂， 抑制硫氧化细菌 进而控制矿井酸性水的形成。闭坑过程中投放物化 材料或药剂属于源头控制的有效手段， 但此类方法 多在短期内有效， 随着时间的延长， 防控效果有所减 弱甚至逐渐失效。 （2） 帷幕注浆、 隔离封堵等密封污染源以及阻断 污染通道。矿井在闭坑过程中对采掘废弃巷道、 井 筒以及不良钻孔进行充填封堵， 对潜在危险的积水 区进行帷幕注浆封存或隔离； 对地面矸石堆、 露天塌 陷坑等底部土壤或包气带进行防渗处理， 防止淋滤 入渗等； 提前在浅部污染含水层下游设置氧化还原 反应屏障、 泥浆墙等 （图6） ， 促使矿井中的硫酸根离 子、 重金属离子等进行反应中和、 吸附或沉淀。帷幕 注浆等技术在矿井水害防治中应用较多 ［47］， 在矿井 水污染防控方面仍然有一定的应用空间。 3. 2. 2. 2被动治理技术 被动治理技术多属于末端治理技术的范畴。与 主动防控相比， 被动治理在闭坑矿井地下水污染中 最为常见。目前， 国内外对于闭坑酸性水的处理主 要有中和法、 硫化物沉淀法、 人工湿地法和微生物修 复法 ［48-51］， 其中， 植物修复技术、 人工湿地和微生物修 复方法多用于露天塌陷坑、 井工开采沉陷区塌陷坑 积水以及浅部含水层污染治理方面。例如， 潘安湖 由于权台矿、 旗山矿采煤沉陷影响， 水质、 生态环境 恶化， 采用人工湿地修复方式， 改善了潘安湖的水质 和生态环境， 达到了修复的目的 ［2］。此外， 在露天矿 坑或井工开采塌陷坑积水中投放适量硫酸盐还原菌 及其所需要的基质碳源来修复酸