# 关闭煤矿酸性废水污染治理技术-全国矿山生态修复创新技术


- 发布：2024-04-13
- 栏目：技术讨论

## 正文

关闭煤矿酸性废水污染治理技术

蒋向明1、任虎俊1、李曦滨1、李冲2、段俭君1、杨斌2、李彦恒2、付宏学1、董志鸣2、陈少帅2、焦运磊2、杨志鸿2、王旭2、武明飞2

（1、中煤地华盛水文地质勘察有限公司， 河北 邯郸　056001； 2. 中煤地华盛水文地质勘察有限公司第三分公司， 河北 邯郸　056006）

摘要：煤矿酸性废水污染是煤炭行业的主要污染问题之一。自20世纪80年代初期贵州省凯里市鱼洞河流域内小煤矿大规模无序开采，矿井遍布河流两侧，煤矸石随意堆放，煤矿开采导致上部岩溶水进入矿坑，与煤层及煤矸石等发生物理化学反应，产生高含铁、锰离子的煤矿酸性废水肆意流淌，造成鱼洞河流域生态环境严重污染。针对鱼洞河流域地质环境背景，煤矿开采及酸性废水形成条件，本次选取典型闭坑煤矿污染点——龙洞泉为研究对象，创新工作手段，采用“源头控制＋关键通道封堵”的综合治理技术，将煤矿区域治理防治水技术应用到治理上，开展水污染控制工程，治理效果良好，为今后贵州省及南方煤矿酸性废水综合治理起到重要示范和借鉴作用。

关键词：关闭煤矿；酸性废水；源头控制+关键通道封堵；污染治理；龙洞泉

中图分类号： U 45　　　　　文献标志码：A

## **0、引言**

由于煤炭资源枯竭和相关政策的出台，近年来我国已有大量煤矿废弃、整合或去产能关闭,矿井关闭并停止排水后，地下水水位回弹，淹没废弃矿坑，巷道与工作面，煤岩层原生矿物组分(如黄铁矿)以及遗留井下的废弃设备、物料、残留污染物，极易造成地下水污染,造成地下水硫酸盐、铁锰含量超标，并有可能造成串层污染\[1-2\]，而受污染的矿井水排入地表后会对周边水体及土壤环境造成极大的污染，因此关闭煤矿酸性费水污染问题越发受到关注。

贵州作为我国煤矿资源大省，大多数煤矿分布于喀斯特山区内。自20世纪80年代初期贵州省凯里市鱼洞河流域内小煤矿大规模无序开采，矿井遍布河流两侧，煤矸石随意堆放，煤矿开采导致上部岩溶水进入矿坑，与煤层及煤矸石等发生物理化学反应，产生高含铁、锰离子的煤矿酸性废水肆意流淌，造成鱼洞河流域生态环境严重污染，严重影响了区内五镇9.6万居民的日常生活，导致约2330公顷地耕地面积无法正常使用，每年间接经济损失达1.6亿元。

在酸性矿井水的治理上，国内外传统做法主要是依靠主动处理技术进行处理(如石灰石中和法)，但主动处理技术不仅需要大量的设施设备投入、长期依赖外部动力源，经济成本高，而且还会产生大量污泥。特别是对龙洞泉这个处理水量比较大的项目，在技术上和经济上采取主动处理技术均难以得到有效解决\[3-5\]。

目前已有的研究中，对闭坑煤矿的研究则主要集中在闭坑地下水污染、水资源评价、水质评价等方面，而在研究造成泉水污染的成因机理、探查污染通道和确定有效治理模式等方面的研究仍然存在很大不足。尤其是在喀斯特地区，岩溶作用发育强烈、地表岩溶形态多样、地下溶洞暗河密集、岩溶系统的组成极为复杂，无疑给地下水污染运移起到极大的促进作用，探查治理难度极大，地下水污染修复成功案例较少，闭坑煤矿的水资源保护任重道远。

因此，本文选取典型闭坑煤矿污染点——龙洞泉为研究对象，转变治理思路，对源头和通道开展针对性治理工作，以期从根本上解决酸性废水污染问题，提出“源头控制＋关键通道封堵”治理思路，并开展水污染控制工程，治理效果较好，为推进鱼洞河流域生态环境持续治理工作提供了良好示范。

## **1、依托工程概况**

鱼洞河流域位于贵州省东南部凯里市西北，鱼洞河是贵州省凯里市主要河流之一，由其支流白水河、平路河汇流而成,为长江流域沅江水系清水江上游的重安江支流。鱼洞河流域煤炭资源大规模开采始于20世纪80年代初期,先后有80余座煤矿，至今大部分已关闭，只有少部分留待整合,目前全部处于停产状态。部分关闭煤矿矿井水未经处理通过井口直排至河流之中,丰水期最高总排放量约2660 m3/h，导致多个河段水体及底泥颜色变黄或变红，对当地水环境造成了明显的影响。鱼洞河流域位置见图1。

龙洞泉为鱼洞河流域内污染最为严重的地区，自2017年6月强降雨过后发生污染，随着时间的推移，该泉污染发生污染的次数愈发频繁，污染持续时间也越来越长，酸性废水肆意流淌，在雨季变成了“红泉”、“锈泉”，泉水中铁离子超标330倍。这种水体具有低pH值、高电导率、高硫酸根和高重金属含量特征，对下游水生生物及植物等具有很强的毒性，严重影响到全村2000余名群众正常成生产及生活用水，给当地水生态环境带来了严重威胁，治理工作刻不容缓。

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图1　鱼洞河流域位置图

Fig. 1　Location map of Yudong River Basin

# **2、龙洞泉污染成因**

## 2.1　污染源识别及污染通道探查

基于水化学分析结果，利用水文地质调查、瞬变电磁地球物理探测技术、示踪试验及实地调查等相结合的手段，最终确定龙洞泉污染源范围为靠近龙洞泉的飞龙煤矿，矿井水与龙洞泉存在补给通道，

酸性矿井水来源于其中部采空区，泉水污染通道为地下岩溶管道，龙洞泉污染模式为矿井水沿岩溶管道直接灌入型污染地下水及地表水。

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图2　龙洞泉及周边煤矿

Fig. 2  Longdongquan and surrounding coal mines

## 2.1　污染成因机理

龙洞泉泉水污染与流量和降雨之间有正相关关系，当龙洞泉降雨较小，流量较低时，泉水不污染；当龙洞泉降雨大，泉水流量大时，龙洞泉发生污染，泉水污染特征离子含量受丰、枯水期降雨量控制。龙洞泉降大雨结束的第一天，污染物浓度降低由于流量变大的稀释导致，而在龙洞泉枯水季，其污染程度较低，以清水流出。由此可见，矿井水位高低大致决定了龙洞泉污染现象。

图3所示为龙洞泉污染模式三维立体图，从图中可以看出河流也是矿井水的补给来源，经调查分析其补给通道为地下岩溶管道，因此，在一定条件下河流可快速补给矿井水。提出了龙洞泉污染的“U型管效应”，即飞龙煤矿采空积水“908等水位线”以上为污染源头，属于特殊条件下通道式污染，非持续污染，这种采空区水源补给方式类似于“U型管”，U型管的一端为地下水，另一端为采空区。在地下水端，其水位变化相对缓慢的，在采空区端可接受河水的大量和迅速的补给，结果造成汛期时强降雨导致河流水位增加，大大增大了矿井水的补给，补给区水头压力增大必然导致排泄区补给量增大，为龙洞泉污染治理思路的提出和污染源工程防控奠定了基础。

可以明确：1）龙洞泉污染源是附近采空区积水；2）泉水污染模式为矿井积水通过岩溶管道污染地下水；3）泉水污染特征离子含量受丰、枯水期降雨量控制；4）龙洞泉污染源为飞龙煤矿采空区矿井水，属于特殊条件下通道式污染，非持续污染，根据钻探成果和污染分析，基本圈定采空区积水“908等水位线”以上采空区积水为污染源头。

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图3 飞龙煤矿对龙洞泉污染机理概念模型

Figure 3  Conceptual model of Longdong Spring pollution mechanism

## **3、龙洞泉污染治理思路及关键技术**

## 3.1　治理思路

根据龙洞泉污染模式及污染机理研究，确定了“源头控制+关键通道封堵”的污染控制治理思路。源头控制采用的区域治理技术是在治理范围内通过地面施工钻孔对采空区顶板含水层进行注浆改造，达到阻断顶板含水层与采空区之间水力联系的综合技术方法（即在探查煤层顶板导水裂隙带发育高度的

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图4 龙洞泉泉水污染治理工程技术路线图

Figure 4  Technical roadmap of pollution control project for Longdong Spring

上,采用多分支水平定向钻探技术结合高效的地面高压注浆控制技术,对探查到的导水通道及岩溶裂隙、构造裂隙等进行注浆改造,完成区域治理。）

在进行龙洞泉污染通道精准定位后，采用源头封堵、关键通道封堵、末端帷幕阻隔、采空区积水疏排等措施进行控制治理，龙洞泉污染治理技术路线图如图4所示。

## 3.2　关键技术

（1）采空区主要补给水源源头封堵。通过对采空区积水的补给水源和补给通道进行封堵，以最大限度的减少采空区的补给水量，实现源头补给源头控制的目的。

（2）采空区低洼处积水疏排。通过对采空区不同部位施工疏排钻孔，通过钻孔疏排实现污染水源头控制的目的，同时可实现采空区水位的分区管控，减小污染水动能，为末端动水注浆控制创造条件。

（3）采空区末端巷道关键通道充填。根据钻孔揭露情况，利用跨孔层析成像(电阻率和地震波)和井地物探新技术探测（跨孔地震波CT和电阻率CT两种方法）周围采空区发育情况和关键通道位置，为治理工作提供依据。对采空区末端巷道进行充填灌浆封堵，最大限度控制采空区污染水流出，实现污染扩散控制。

（4）泉水近端污染口帷幕灌浆。通过帷幕拦截封堵污染水进入岩溶管道的通道，通过清污分流，实现污染物进入岩溶管道的途径控制。污染控制工程如图5所示。

![](https://file.sinosite.com.cn/sinosite-file/news/old/20240413/227026696ad7e1aed42ac255bfcd12a0.png)

图5 龙洞泉污染控制工程示意图

Figure 5   Schematic diagram of Longdong Spring pollution control project

## **4、治理效果**

## 龙洞泉水污染治疗效果主要从特征污染离子Fe的含量以及水的物理性质上加以说明。在枯水季采空区水位标高在905~910 m之间，在丰水期，尤其是降雨后，采空区水位出现不同程度的升高。当采空区水位超过908 m标高时，龙洞泉泉水即发生污染，最大总铁含量为97.8 mg/L。治理前龙洞泉泉水2018年全年为常态化污染，对照治理标准-《贵州省环境污染物排放标准》（DB52/ 864-2013），超标天数（总铁含量大于1 mg/L）有149天，占比超过60%。

图6所示为2021年最新的泉水Fe含量，治理后，2021年监测至今，总铁含量均小于1 mg/L，水质达到地下水Ⅲ类水体标准（总铁含量小于0.03 mg/L）。圆满完成了治理目标。目前，龙洞泉已成为当地最美的自然景观，变成当地群众散步、钓鱼等日常休闲的“打卡地”（图7）。因此，水质监测结果表明治理效果显著。

![](https://file.sinosite.com.cn/sinosite-file/news/old/20240413/5a86982994311917f934de4cc6992aa3.png)

图6 2021年治理后龙洞泉泉水总铁含量与降雨量关系图

Figure 6  Total iron in Longdong Spring and rainfall during 2021

![](https://file.sinosite.com.cn/sinosite-file/news/old/20240413/8083df076c0984d5e169c4206eead91d.png)

![](https://file.sinosite.com.cn/sinosite-file/news/old/20240413/d7f1f4ace3f9f1a933fd3373fdf810f6.png)

图7 龙洞泉治理前后泉水变化

Figure 7  Changs of Longdong Spring after pollution control project

## **5、结论与建议**

1）基于水化学分析结果、水文地质调查、地球物理探测、示踪试验及实地调查等手段，完成了龙洞泉污染源辨识及污染通道探查，确定龙洞泉污染源来源于为靠近龙洞泉的飞龙煤矿矿井水，泉水污染通道为地下岩溶管道，揭示了龙洞泉泉水的污染成因及机理。

2）提出了龙洞泉污染的“U型管效应”。当水位上升至908 m标高后，泉水开始出现污染，当水位降至908 m以下逐步变清以至于稳定清澈状态。泉水在丰水期污染严重而在枯水期污染程度较小。

3）提出了喀斯特地区关闭煤矿酸性废水污染“源头控制+关键通道封堵”治理思路，集成了“源头减量+关键通道封堵+末端阻断+采空区积水疏排”闭坑煤矿酸性废水综合治理技术体系，实现了龙洞泉污染治理成功，取得了良好的示范应用效果。

该技术首次将煤矿防治水技术应用于煤矿酸性废水治理工作，开启了酸性废水治理从末端处理向针对“污染源头和通道”进行根本性治理的重大转变。该技术广泛适用于喀斯特地区废弃煤矿酸性废水污染综合治理项目，在我国酸性矿井水治理领域，尤其是南方岩溶煤矿区具有广泛的推广应用前景。

下一步可通过对鱼洞流域水污染机理的进行深入分析，进一步掌握治理后期流域水环境质量状况及其变化趋势，加强对岩溶地质学研究，提高生态环境综合治理水平。

# **参考文献（References）：**

\[1\] 李怀展，查剑锋，元亚菲.关闭煤矿诱发灾害的研究现状及展望\[J\].煤矿安全,2015(5):201-204.

Li huaizhan, Cha Jianfeng, Yuan Yafei. Research status and Prospect of coal mine closure induced disasters \[J\]. Coal mine safety, 2015 (5): 201-204

\[2\] 陈亚洲.闭坑煤矿对喀斯特地区泉水污染研究\[D\].中国矿业大学,2019.

Chen Ya Ya. Research on spring water pollution in karst area by closed pit coal mine \[D\]. China University of mining and technology, 2019

\[3\] 张浪,李俊,潘晓东,等.西南某岩溶区地下水系统示踪试验与解析\[J\].中国岩溶,2020,39(01):42-47.

Zhang Lang, Li Jun, pan Xiaodong, et al. Tracer test and analysis of groundwater system in a karst area in Southwest China \[J\]. China karst, 2020,39 (01): 42-47

\[4\] 任虎俊.贵州省凯里市龙洞泉水污染问题研究\[J\].煤炭与化工,2018,41(08):56-62.

Ren Hujun. Research on water pollution of Longdong spring in Kaili City, Guizhou Province \[J\]. Coal and chemical industry, 2018,41 (08): 56-62

\[5\] 赵利利.岩溶地区的地质常用的勘察技术探讨\[J\].江西建材,2012(02):219-220.

Zhao Lili. Discussion on common geological survey techniques in Karst Areas \[J\]. Jiangxi building materials, 2012 (02): 219-220

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