我国煤矿区矿井水污染问题及防控技术体系构建

孙亚军，徐智敏，李 鑫，张 莉，陈 歌，赵先鸣，高雅婷，刘 琪，张尚国，汪韦峻，朱璐璐，王 晟

我国煤矿区极其复杂的水文地质条件导致差异明显、特征各异的地下水环境。受矿井开采扰动和矿井疏排水等影响，煤矿区的矿井水污染和生态环境影响问题日益受到国家有关部门和煤炭企业的重视。近年来，国家政策和地方管理推动了煤矿区环境的改善，鼓励实现煤–水双资源协调开采，凸显出煤矿区地下水环境演化及矿井水污染防治方面的良好基础和研究前景。本刊依托中国矿业大学孙亚军教授负责的国家重点研发计划项目“煤矿区场地地下水污染防控材料与技术”(NO.2019YFC1805400)在煤矿区矿井水环境污染防控方面取得的阶段性系列研究成果，结合部分其他学者的相关科研成果设立本专题，选登6篇相关论文，以展现我国煤矿水文地质工作者在上述领域的最新研究进展和观点，以期引起学术界和产业界的更多关注和讨论，加速推进矿井水污染防控与矿区地下水环境保护方面的研究。

我国煤矿区矿井水污染问题及防控技术体系构建

孙亚军1,2，徐智敏1,2，李 鑫1，张 莉1，陈 歌1，赵先鸣1，高雅婷1，刘 琪1，张尚国1，汪韦峻1，朱璐璐1，王 晟1

(1. 中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；2. 矿山水害防治技术基础研究国家级专业中心实验室，江苏 徐州 221116)

煤炭开采必然产生大量的矿井涌水，我国目前的矿井水整体上表现出水质相对较差、水处理成本较高等问题。首先明确了我国典型矿区矿井水水质的主体特征：常规离子是造成矿井水水质差的主要化学组分；矿井水中有毒有害物质占比小，且基本优于地下水Ⅲ类水质量标准。其次，详细探讨了我国矿井水水质形成、演化的几个科学问题，包括不同水文地质结构下物理–化学作用所起的主导作用，时间效应对水质演化的影响，微生物群落结构特征及其与环境因素的相关关系，水动力场–化学场–微生物场–温度场的多场耦合问题等。接着重点介绍矿井水污染防控的技术方法，以减少矿井突(涌)水量和水资源保护为前提，以实现煤–水双资源协调开采、煤炭绿色开采为目标，以矿井水“阻断、减量、保护”为主要防控思路，围绕煤矿区矿井水阻断技术、污染负荷减量技术、污染区修复治理等科学问题展开分析；通过各种现有技术、方法、工艺，最大可能地降低吨煤矿井水处理成本，如采用井下预处理、地面深度处理、超深回灌封贮、生态资源化利用等。最后，提出研发煤矿区地下水及污染物的阻断材料和吸附材料、注浆装备、监测设备、投料设备、原位取样检测设备等，形成我国煤矿区矿井水污染防控技术体系。该技术体系的构建可对煤矿绿色开采、煤矿区深层地下水污染防控、闭坑矿井水污染防控、矿区地下水资源及生态环境保护利用等提供理论及技术支撑。

煤矿区；矿井水；污染防控；阻断；减量；保护

我国地域辽阔，煤炭资源储量丰富、成煤时期多，各地区煤炭资源赋存状态差异性大，水文地质条件极其复杂，类型各不相同，长期的煤矿开采引发了诸多水文地质及生态环境问题。在煤炭资源开采的同时，必然产生大量的矿井水，据统计，仅2019年全国煤矿产生的矿井水量就达71亿m3[1]，而矿井水往往以高悬浮物、高盐和偏酸性为主要特征[2-5]；西部一些矿区高盐高氟矿井水特征明显[6-8]；某些矿区矿井水中检出少量镉、汞、铅、砷、铬(Ⅵ)、镍和有机污染物等有毒有害物质[5,9-10]。由于部分矿区排放未达标矿井水，造成了一些生态环境污染问题，导致矿井水在社会上普遍呈现负面印象。

根据笔者团队近年来的调研与研究结果，我国大多数煤矿矿井水中超标成分多为常量离子，且有些矿井水水质较好，少数地区的矿井水含有对人体有益元素，如锶、硒、偏硅酸等微量成分，经过简单处理即可作为矿泉水进行开发利用。采空区、闭坑矿井的矿井水在长期的物理–化学–微生物作用下有一定自净能力，已发现鲁西南矿区、徐州矿区老空水水质在时间效应下有逐渐转好的趋势，这与传统上大众对矿井水水质较差且不断恶化的印象有所不同。同时，国家生态环境部门对矿井水严格监督，矿井水必须经过处理达标后才可排放，环境污染问题很大程度上得到了改善。但矿井水达标排放所面临的问题不是技术难，而是成本高；不同煤矿矿井水水质及水处理工艺有所差异，矿井水地面深度处理成本浮动较大，吨水处理成本10～30元。在上述背景下，少数煤矿为了削减矿井水的处理成本，衍生出一系列将矿井水回灌采空区、离层空间、第四系含水层等处理方法，甚至存在矿井水偷排地表现象，导致很多潜在的安全开采、水生态、水环境威胁以及经济损失。

为解决我国矿井水整体上水质较差、水处理成本高、处置方法不合理的现状，笔者团队一直致力于探索体系化的矿井水污染防控有效途径，提出以减少矿井突(涌)水量和保护水资源为前提，以实现煤–水双资源协调开采、煤炭绿色开采为目标，以矿井水的“阻断、减量、保护”为主要防控思路，开展了围绕煤矿区矿井水污染成因机制、污染物运移规律、污染区生态修复等科学问题的系统研究，以期解决相关的关键科学问题。

1 矿井水水质特征及污染因素

1.1 矿井水水质主体特征

我国有14个国家亿吨级的大型煤炭基地，笔者团队基于对全国各大基地中典型矿区的201座煤矿的现场调研、实验研究、文献检索等工作，得出了表1中全国典型矿区矿井水水质总体特征[11-22]，总结分析得出以下几点规律。

(3) Fe、Mn是矿井水中较普遍超标的物质，201座煤矿中有84座其含量超出GB/T 14848—2017《地下水质量标准》Ⅲ类水标准，占比高达42%。但各矿区有毒有害成分含量少，部分矿区含有毒性较强的重金属(如As、Pb、Cr等)和挥发酚类，仅极少数超标。

(4) 以往各个矿区对深层矿井水中的微生物群落结构、氨氮含量等的关注不多；微生物群落结构在矿井水水质演化、修复治理中的作用至关重要、不可忽略，氨氮的含量对人体健康、生态环境都有不同程度的影响，应当对两者给予更多关注。

总体上，矿井水中常规离子大多数超标，部分矿区矿井水中确实存在有毒有害物质，但有毒有害物质含量少、占比小，这与目前大众普遍认为所有矿井水污染非常严重的观念有所差别。

1.2 矿井水中的污染组分特征

我国部分煤矿矿井水中存在有毒有害物质也是不争的事实，但在全国范围内矿井水中有毒有害物质含量少、占比小，且在大多数煤矿矿井水中并不超标，检测到有毒有害物质的煤矿数量不多，201座煤矿中仅有18座检测到有毒有害物质含量超出GB/T 14848—2017《地下水质量标准》Ⅲ类水标准，且多为重金属(除铁、锰外)、挥发酚，占比仅为9%，多数超标组分介于Ⅲ、Ⅳ类水。同时，笔者发现以往煤矿较少关注矿井水中表征有机污染物的各项指标，如生化需氧量(BOD)、化学需氧量(COD)、总有机碳(TOC)等，其中萘、屈、菲、多氯联苯等多环芳烃仅有少数报道[23-25]；但排出的矿井水中有机污染物超标则可能对地表生态环境产生较大影响。另外，极少数矿井含煤地层伴生矿物中含有放射性物质，尤其西部的多个聚煤盆地伴生铀矿床，导致矿井水中含有放射性物质。除有毒有害污染物外，一些煤矿矿井水还检测到某些特征成分，如钒，但目前矿井水中有关钒的研究鲜有报道；同时，多个矿区也检出了对人体有益的微量元素，如锶、硒和偏硅酸，在矿区水资源评价中应加以重视。

1.3 矿井水水质评价存在的问题

国内外学者已进行了大量有关煤矿矿井水特征的研究，但目前仍有很多问题亟需研究。一般认为矿井水水质差、污染严重，但科学界始终未能阐明导致一些矿井水水质差的主控因素。假如常量离子超标是导致矿井水水质差的主要因素，那么常量离子超标会对生态环境产生怎样的影响需要研究、讨论；再者，如果是有毒有害物质造成矿井水水质较差，那么有毒有害物质在矿井水中含量占比情况、对地下水污染的贡献量以及能在矿井水中检测到有毒有害物质超标的煤矿数量及其在全国煤矿中的分布、占比情况，仍需要结合全国各矿区展开深入研究、讨论。比如在众多矿井水污染物中，含有机污染物的矿井水排出地表后极易检出有机污染物超标，可能是煤炭开采过程中确实产生了部分有机污染物，也可能受到地表河流上游、地下水补给区的影响，这些问题仍需要结合实际的水文地质条件深入研究。除上述有毒有害污染物的讨论，针对矿井水中的一些有益元素也存在诸多问题，笔者团队在徐州矿区、鲁西南矿区、鄂尔多斯盆地部分矿区发现矿井水中普遍含有锶，且有些煤矿矿井水中锶含量高达15 mg/L；锶虽然是矿泉水的必要元素，但在GB 8537—2018《食品安全国家标准饮用天然矿泉水》标准中仍有0.20 mg/L的上限要求，这就形成一个矛盾点：一方面锶元素对人体有益，应该保护利用；另一方面有益元素超标也会被判为“污染”，有必要研究合理的“处理”方案。

2 矿井水水质形成及演化的科学问题

2.1 矿井水水质形成机理问题

矿井水水质的形成一方面取决于矿区水文地质结构，影响着矿井水量的大小及其水化学背景；另一方面取决于水化学等多场作用过程，影响矿井水的特征组分及其演化趋势。

水源条件对矿井突(涌)水是否发生的影响体现在其为采掘空间提供水量来源，通道条件作为沟通充水水源和采掘空间的一个重要纽带，是影响开采条件下水文地质结构演化的一个重要因素(图1)。当两个前提条件具备后，一系列物理–化学作用成为影响矿井水水质最重要的因素。目前已知或验证的水质形成作用较多，包括蒸发–浓缩、吸附–解吸、溶解–沉淀、结晶、氧化–还原、离子交换、化学降解等水–岩、水–煤、水–水混合作用，其在地下水系统中留下各种水动力及水文地球化学信息[26-28]。在矿井水形成过程中，众多物理–化学–微生物作用可能同时存在、发生，甚至相互影响，但针对特定的水文地质结构，其矿井水水质特征形成的主控作用是什么仍亟需深入研究。有些矿井水水质特征形成机理的研究过于宏观，仅结合经验理论从广泛报道的水–岩作用、水–煤作用来讨论某些离子或元素的产生，缺乏对实际的水文地质条件的研究、分析，甚至不少研究出现了错误结论。

图1 矿井水形成的概念模式

Fig.1 Conceptual model of the formation of mine water drainage

2.2 矿井水质演化的时间效应问题

目前，大多数矿井水水质演化特征研究缺乏时间效应考虑或对井下矿井水水质的长期监测数据分析，有关老空水在时间效应影响下的水质演化研究鲜有报道，因此，上述水质演化机理尚不十分确定。笔者团队初步研究认为：一些离子或污染物在物理–化学–微生物作用下从矿井水中逐渐转移到沉积物中(煤泥)，导致水中的特征组分含量下降，表明老空水在时间效应下可能有一定自净能力。但不同矿区的水文地球化学特征不同，其他矿区老空水水质演化是否具有类似的时间效应仍是需研究的科学问题。

图2 山东某矿老空水中含量变化

2.3 矿井水中的微生物作用问题

水动力场、水化学场对煤矿区地下水污染成因、溶质运移的重要性毋庸置疑，微生物群落在地下水中的重要性近年逐渐得到重视。在煤炭开采过程中，井下环境发生重大变化，尤其是温度、pH值、氧化还原条件等，导致矿井水中微生物群落结构、多样性、演替规律发生重大变化，而微生物的演替变化又进一步影响矿井水污染物的降解和水化学特征[23,29-31]。

笔者团队对鲁西南矿区、鄂尔多斯盆地某煤矿矿井水形成、排放全过程进行了细菌群落分布及多样性分析，结果表明：水样中微生物群落丰度为煤巷>水仓≈地表水>岩巷>采空区>地下水；群落多样性为地表水>煤巷>水仓≈岩巷≈采空区>地下水；水仓检出的微生物物种最多，其次是煤巷和采空区，含水层中检出的物种最少。沉积物样品中微生物群落丰度和多样性排序为地表水>岩巷>水仓>煤巷>采空区，表明煤矿井下微生物群落分布特征与环境具有极强的相关关系。

根据上述分析，如何定量化研究微生物在矿井水水质演化中的作用仍是一个重要的科学问题，特别是结合水文地质结构、时间效应等因素的微生物作用对水质演化的影响程度仍需探讨，比如不同水文地质结构中微生物群落有何差异，不同微生物在矿井水水质演化所起的作用有何不同，考虑时间效应时微生物的死亡、群落结构对水质演化的定量研究等。

2.4 矿井水质形成的多场耦合问题

煤矿开采活动是强烈扰动原生地质、水文地质、水化学、微生物等环境条件的人为过程。

采煤过程中，顶底板岩层破坏带的形成、矿井涌水的产生、含水层的疏降、注浆改造及堵水帷幕等因素强烈地改变了矿区地下水的水动力条件。地下水在上述扰动条件下进入采掘空间的过程中，一方面产生不同含水层间的地下水串层，另一方面，原来的地下水又从主要接触原含水层介质转变为接触煤层、顶板围岩、煤矸石等不同介质，必将在不同程度上改变矿区地下水化学场。

在我国生产矿井长期以矿井安全、水害防治为主要研究目的情况下，过去对井下的微生物是一种什么样的存在状态，以及微生物对矿井的水质形成有什么作用一直关注不多。但笔者团队研究发现，在井下采掘空间、采空区、水仓等不同环境下，微生物都具有与原生环境显著不同的丰度和多样性。在此前提下，微生物作用对矿井水的水质演化起什么样的作用；对矿井水中的污染特征组分的形成是正向还是负向的作用等问题均需开展深入、系统的研究。

除上述因素外，矿井水水质形成的化学过程、生物过程显然与温度密切相关。目前我国煤矿最大采深超过1 300 m，即使忽略其他因素影响，仅地温梯度影响就会导致不同矿井温度场的显著不同。因此，考虑温度场的变化对矿井水水质形成演化的影响是必要、合理的。

国内相关研究多集中在对矿井水演化的水动力场、水化学场作用的讨论，对水动力场和水化学场的两场耦合作用研究也有较多成果。但笔者认为，为了更加科学、合理地阐明矿井水的水污染成因及其演化，有必要从地下水污染的动力学机制出发，考虑长期时间效应下的水动力场–化学场–微生物场–温度场多场耦合作用，建立多场耦合模型，但相关成果至今未见报道。

3 矿井水污染防控关键技术

3.1 防控思路与技术框架

对煤矿区场地矿井水污染的研究应当包含污染物来源、通道、污染形成和迁移扩散路径等要素；从防控的角度，则应具备源头阻断、通道堵截、过程减量、末端处理、资源化利用和含水层保护等技术特征，减少矿井涌水量及污染负荷的排放；从空间上，还应体现地面井下全空间联动防控的科学属性，因此，提出煤矿区矿井水污染防控技术体系框架，如图3所示。

3.2 源头阻断

矿井水污染防控的主要原则首先应是坚持对矿井水形成的水源或通道进行阻断，既可以减少矿井涌水量，有利于矿井安全；也可以从源头减少矿井水污染负荷的形成。阻断技术与传统的矿井水害防治堵水技术在具体工艺上有所交叉，但两者的科学内涵完全不同。

矿井水害防治是以减少矿井突水事故的发生为目的，主要针对可能有突水威胁的水源或通道，注浆阻断仅是其中的一种措施。而污染阻断则是对所有可能贡献矿井水量的水源、通道进行封堵，特别是水质较差、污染负荷较高的水源，即使是不具有突水威胁，也应从源头上尽可能封堵，以减少矿井水污染负荷的产生。除了对生产矿井的突(涌)水水源、通道进行污染阻断，必要时对闭坑矿井也要进行注浆封堵，以防止污染物的运移扩散。

注浆堵水技术目前已经相对成熟，实践应用也较多，但在应用于矿井水污染防控时，则需要先对水源进行水质评价，特别是其中的污染特征组分、有毒有害组分及其环境影响的针对性评价，在此基础上做出阻断工程决策及合理实施方案。

图3 矿井水污染防控技术体系

3.3 负荷减量

首先，通过污染阻断技术已经尽可能减少了矿井水量的产生，但在目前的技术经济条件下，完全阻断矿井水的形成不现实。

其次，对于无法阻断、必然产生的矿井水量应在井下进行预处理，以尽可能地降低污染负荷，笔者提出可进一步研发并应用采空区缓冲、微生物降解作用、吸附材料减量、矿井水处理等技术。具体技术思路如下。

(1) 老空水在时间效应下可能有一定程度的自净作用，可以先将工作面、煤巷、岩巷的矿井水暂存至采空区，在一系列物理–化学–微生物作用下，矿井水中一些离子、有机质、重金属等可以转化到沉积物中(煤泥)，通过采空区积水的自我净化作用，实现矿井水中某些离子或元素的降解，但微生物作用在时间效应的影响下对重金属富集、降解的效果如何仍是一个待解决的科学问题。

(2) 研究发现，煤矿井下微生物群落分布特征及其与环境因子具有密切的相关关系，在利用原有微生物群落改善水质的同时，可人为向采空区中投加一些具有特定功能的微生物材料，也可以在污染阻断材料中负载特定的微生物，制备成微生物材料，在阻断过程中可降解或固化稳定化矿井水中部分有机污染物或重金属元素，增强阻断效果。

(3) 目前，一些天然或人造的环保材料具有很好的污染物去除效果，尤其是对一些有机污染物的吸附和降解，解决了有机污染物难降解的问题。如原位地下水污染修复可渗透反应墙技术所用的充填材料是当前研究热点，其重点与难点在于充填材料的性能研究，包括吸附或降解污染物的效果、使用寿命、经济成本，但吸附材料经常出现材料钝化、系统堵塞等问题需要更深入研究[32-33]。

(4) 在矿井水排出地面进行深度处理前，可以对矿井水进行过滤、絮凝、沉淀等一些简单的水质处理工作。最后，将矿井水从井下抽出后输送地面处理厂进行深度处理，将处理达标的矿井水排放或资源化利用。根据矿井水的水质不同，相应的深度水处理方法不同，常见的有洁净矿井水处理、含悬浮物矿井水处理、高矿化度矿井水处理(蒸馏法、离子交换法、膜分离法)、酸性矿井水处理以及含特殊组分矿井水处理等[1]。

总之，矿井水污染阻断、负荷减量的最终目的是通过采用各种可行的方法、技术、工艺，尽最大可能地降低吨煤矿井水处理成本。

3.4 超深回灌封贮

矿井水超深回灌封贮技术主要目的是减少矿井水的地面排放量，从而减轻矿井水外排所产生的环境影响，同时也可以降低矿井水处理成本，提高煤炭开采的经济效益。但矿井水的回灌封贮需要较大的贮水空间，还必须避免产生由于回灌目的层选择不当所导致的顶底板突水等次生水害问题。根据我国各矿区的水文地质结构特征，选择埋深大于2 000 m的目的层进行超深回灌成为有前景的技术途径。根据笔者团队的初步研究，选择目的回灌层一般应遵循以下几点原则：

① 选择对煤矿安全开采不产生影响的含水层或储水空间；

② 选择对水循环基本没有影响的含水层；

③ 选择对水资源利用不产生影响的含水层或储水空间；

④ 保证矿井水水质整体上优于目的回灌层水质，不污染目的含水层。

结合上述回灌原则简要分析以下几种不同回灌封贮技术的情况。

1) 煤层顶板含水层

与煤层距离近的顶板含水层往往是开采煤层的直接或间接充水含水层，回灌后煤层顶板突水威胁增大，未能从根本上消减矿井水量。与煤层距离较远、与地面距离较近的第四系含水层或其他含水层往往是地下水饮用水源，国家环保生态红线规定“实行人工回灌地下水时不得污染当地地下水源”和“当补给源为地表水体时，该地表水体水质不应低于《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准”，故顶板含水层的回灌封贮不具有可行性。

2) 离层空间、采空区

离层和采空区储水空间有限，难以满足大量矿井水回灌封贮的需求，服务时效短，有时还可能伴有严重突(涌)水危险。

3) 底板含水层

在地面水处理成本高的情况下，相比其他含水层或储水空间均无法满足目的回灌层选择原则的情况下，底板含水层超深回灌封贮是最具可行性的一种方法(本文提到的超深，特指埋深1 000～2 000 m或以下)。

笔者团队在鄂尔多斯盆地某煤矿开展矿井水超深回灌封贮的试验研究，试验结果超出预期，回灌水量完全满足煤矿日矿井水排水需求，表明此方法具有可行性，具备很大的开发潜力。虽然超深回灌封贮已经取得一些突破，但目前仍存在多方面的理论、技术和法规问题：

(1) 超深目的回灌层的确定，是否必须选择渗透性非常好的含水层，对超深低孔–低渗含水层的可回灌性仍缺乏深入研究；

(2) 矿井水与目的回灌含水层的水质对比分析，矿井水易取样、检测，而超深地层取样较为困难；

(3) 高压回灌的过程中必然会对地层进行压裂，使目的层原生裂隙增生、扩展和连通，但在回灌过程中孔隙–裂隙双重介质地层渗透系数变化的定量描述及不同压裂工艺的深入研究不足；

(4) 由于西部矿区特殊的弱胶结地层和超深高压回灌的原因[6,34]，目的回灌层的水文地质条件在回灌过程中会发生变化，特别是含水介质的压裂增渗变化，导致相关的参数计算、流场演化规律等已无法利用现有的地下水动力学原理解释(如回灌水量一直增加，回灌压力保持稳定)；

(5) 长期回灌水量预计的理论计算方法目前欠缺，超深回灌目的层是否可形成持续回灌能力也需要深入探讨；

(6) 目前国内缺乏矿井水回灌的法规依据，因此，开展矿井水回灌的应用条件、可行性分析、长期环境影响演化理论等方面的研究可为相关法规制定提供理论基础，且十分迫切。

3.5 闭坑矿井水污染防控技术

随着近年来我国中东部矿区浅部煤炭资源逐步衰竭、开采条件日趋复杂、国家能源政策的宏观调控以及去产能政策的实施，中东部矿区大量煤矿有序关闭，形成了大量关闭/废弃矿井。据统计，“十一五”期间，全国累计关闭煤矿9 616座；“十二五”期间，全国累计关闭煤矿7 250座；“十三五”期间，全国累计有7 448处煤矿关闭(图4)。“十一五”以来，全国关闭的各类煤矿多达24 000余座，闭坑矿井的区域水环境演化、修复治理已然成为煤矿区矿井水污染防控的重要内容之一。

图4 我国“十三五”期间闭坑矿井数量

关于闭坑矿井水污染防控技术的研究，依然可以延续开采矿井的“阻断、减量、保护”思路，但在具体工艺技术上有所差别。应在查明矿井闭坑后污染源、污染通道，分析水质演化特征的基础上，结合通道阻截注浆工艺，开展地下水污染通道阻断–原位修复–抽出处理等综合工艺，最终确定闭坑矿井水污染防控方案。可能的技术途径有：

(1) 采用注浆材料在煤矿区周围建立阻断帷幕，注浆材料在保障切断矿井水与外界水力联系的前提下，研发能降解、吸附污染物的材料，如微生物材料；

(2) 对矿井水水质较好的区段采用井下预处理方式(老采区缓冲、投加吸附材料、微生物作用)；

(3) 对水质较差的区段采用分段抽出技术，在地面进行深度处理，清除水体中污染物；

(4) 对于治理修复后的闭坑矿井水可以采用原地存储、超深回灌封贮、城市应急水源地补给、生态补水、人工生态湿地等处理；

(5) 对于闭坑矿井存在串层污染井的特殊情况，选择适当的注浆材料与注浆工艺，由下向上进行注浆封堵，截断污染矿井水与其他含水层联系，杜绝污染源，封堵后，要进行压水试验以确认封堵效果，并采用原位修复–分段抽出处理技术治理受污染水体。

3.6 矿井水资源保护及利用

煤矿矿井水既可能是一种具有煤炭行业特点的污染源，但又是一种宝贵的可利用水资源。矿区水资源保护目前已经受到广泛的重视，最大限度地利用矿井水也是减量排放的技术途径之一。

我国煤矿区地质条件复杂多样，不同矿区水文地质条件、矿井水水质特征各不相同，因此，对不同类型矿井水进行针对性、灵活性处理有助于提高矿井水处理效率、降低处理成本。目前，国内众多学者从不同角度研究矿区水资源保护与矿井水利用的问题，逐步形成以下技术途径。

1) 矿井开采水资源影响评价

新建矿井、生产矿井对生产过程中可能影响的矿区水资源进行评价，明确矿井生产可能影响的水体和含水层范围及水资源量，保护重要水源地。

2)保水采煤

在缺水地区，通过限制煤层采高、优化工作面布置和生产工艺等技术，避免采动导水裂隙带导通顶板含水层，保护有限的水资源。

3) 煤水共采

在大水矿区，研究及实践煤水共采技术，既可以消除矿井水害隐患，也可以充分利用丰富的地下水资源。

4) 保护闭坑矿井水资源

研究闭坑矿井老空水对相关含水层的回渗影响评价、污染阻断、修复治理技术；煤矿企业在闭坑前应采取工程措施消除老空水对地下水资源的不良影响。

5) 优化矿井排水系统

通过专用放水巷道、放水钻孔建立分离的排水系统；“清污分流”“分质分流”。

6) 矿井水净化处理

将矿井水在井下进行预处理后再抽出地面进行深度处理；发展低成本矿井水处理技术及设备。

7) 矿井水的生产利用

可直接用矿井水作为煤矿井下防尘、防灭火、降温、注浆等生产用水，争取做到矿井水的“零排放”；洗煤选煤、坑口发电、煤化工等企业优先使用矿井水。

8) 城市应急水源地

在闭坑矿井水量丰富、水质较好的条件下，发展利用其作为城市应急供水水源之一的相关技术，如徐州市利用城市周边煤矿采空区，选择水质较好的闭坑矿井作为城市应急供水水源。

9) 优质矿井水利用

一些矿区的矿井水水质优良，并且含有对人体有益的微量元素，经过适当的处理可以开发成矿泉水加以利用。

10) 矿井水生态利用

将水质较好的矿井水用于生态补水和景观补水；将地面塌陷坑改造为生态湿地、人工湖等，如徐矿集团由煤矿塌陷区治理后的潘安湖景区，徐州矿区的新河煤矿奥灰水水质优良，新河煤矿矿井水是5A级云龙湖风景区的重要生态补给来源。

11) 转移存储技术

在西部干旱半干旱矿区，当上覆含水层难以避免被采煤破坏时，可将上覆含水层中的地下水转移至煤层底板以下具有适当存贮空间的含水层中，以保护水资源。

12) 极端环境下矿井水的生态改善作用

在西部极端干旱–半干旱的环境下，采煤活动面临水资源的供需矛盾，新疆吐哈盆地某煤矿将矿井水排放到地表后，在戈壁荒漠地区形成湖泊，在一定程度上改善了小区域生态环境。

13)农田灌溉

西部矿区缺水严重，新疆某些煤矿矿井水水质非常优良，如位于新疆的伊犁一矿矿井水经过简单沉淀即可用于农田灌溉，为矿井周边干旱地区5.3 km2小麦提供灌溉用水。

4 矿井水污染防控材料及装备

4.1 污染防控材料

矿井水污染防控的阻断、减量和保护过程中，需要采用多种具有不同功能的新型材料，如高膨胀性的导水通道阻断材料，基于固废基的低成本注浆材料，具有降低矿井水污染负荷的膨胀吸附材料，可在井下转化矿井水中污染物的微生物材料等，需要进一步研发。目前，常用的注浆材料可分为无机类及有机类，无机类材料包括水泥类、水泥–水玻璃类，有机类材料包括环氧树脂类、聚氨酯类、丙烯酸盐类、木质素类以及在此基础上的各类改性注浆材料[35-37]。

针对宽大管道与裂隙注浆治理，水泥–水玻璃双液浆在水中溶解度大，后期强度与体积均倒缩，配比对初终凝时间敏感性强，浆液在凝胶之前无法抵抗动水冲刷，易造成浆液流失，无法阻断污水运移，材料初终凝时间间隔较短，浆液无法有效扩散[38]。环氧树脂与聚氨酯类注浆材料价格高昂，且存在一定的毒性；水溶性的聚氨酯和环氧树脂类在水中易被稀释冲刷，从而丧失作用[39-40]；丙烯酸盐类注浆材料强度较低，毒性较强[41]；木质素类注浆材料是以亚硫酸纸浆废液为主剂并加入一定量的重铬酸钠或硫酸铵作为固化剂制成，对环境具有一定的污染[42]。因此，研发一种对污染物有较强的吸附和降解能力，在地下水环境中能长时间保持稳定和活性，廉价易得，并且具有适宜的黏度、环保且能够快速实现大通道污水运移阻断的新型材料具有重要的意义。

山东大学已经研发出的新型膨胀突(涌)水封堵材料、高性能低成本固废基阻断材料，以及正在研发的新型多孔无机聚合物基污染物阻断材料均具备良好污染物阻断效果。除了阻断材料，矿井水在井下预处理过程中也可以人工投加吸附材料，以达到更好的预处理效果，如现有的零价铁、铁的氧化物、活性炭、沸石、磷酸盐、石灰石、离子交换树脂以及有机材料等，也可以研发适用于矿井水预处理的新型吸附材料。阻断材料和吸附材料的研发应重点研究污染物在阻截材料或吸附材料中的降解过程、机理、降解效果及其影响因素，确定不同材料的衰变期和使用寿命等关键参数，研究污染防控材料与其抗渗性能的关系，污染物在阻截墙体中穿透、扩散与吸附行为，都是决定材料综合性能的控制因素。

4.2 污染过程监测与防控装备

目前，注浆工艺在阻断突水通道、阻截污染矿井水扩散运移方面得到广泛应用，形成了一系列的注浆控制技术与方法。在水泥浆制浆机设备方面，国内基本上保持了与国外的同步发展水平，以机动–液控、机动–电控、电控–液控和全液压控制换向为主，前3种可靠性低，易受电磁推力干扰，流量相对较小，尤其易在煤矿井下复杂的工作环境中发生故障和安全隐患；后者结构简单、性能平稳可靠、维护方便[43-44]。高性能全液压自动智能换向控制系统、井下小型可移动式注浆装备仍需要深入研发。

除了注浆设备的研发，监测设备、超深原位取样、原位检测、投料装备的研发对煤矿区矿井水污染防控技术的发展也非常重要。煤炭开采已进入千米深井，一方面超深含水层原位取样难度大，取样设备缺乏；另一方面，原位取样后能够对水质情况进行快捷、方便的原位测试仪器也很缺乏，且原位测试的指标也非常有限，一般只能检测pH值、温度、电导率、溶解氧、氧化还原电位等。应当加快推进矿井水污染物检测领域便携式快速检测装备、高灵敏快速检测装备、超深样品信息采集技术、投料装备以及智能化原位监测装备的研究开发进度，增强煤矿区地下污染物原位监测和检测技术能力，满足矿井水污染防控调查评估需要。矿井水在采空区缓冲的过程中可以投加吸附材料、微生物功能物种提高其净化能力。有关井下自适应投料装备亟需研发，根据不同水文地质条件下采空区净化能力可自动调节投料量，实现定时定量投料，以达到最大的矿井水预处理效果。当前能满足2 000 m以下深部含水层温度、压力和pH值在线监测，并且具有耐压、耐温、超低功耗、智能补偿等特点的监测设备依然缺乏。

5 结论

a.根据全国201座煤矿的统计，得出常量离子为矿井水超标的主要成分，铁、锰含量超标比较常见，有毒有害物质、有机污染物含量少、占比小，少数矿井水中含有有益元素。但不同污染物对地下水污染的贡献量以及矿井水中污染因素的宏观分布仍存在诸多科学问题。

b.煤矿区矿井水在地下含水层的污染成因–演化–运移–扩散的全过程受到多种因素的影响，提出了不同水文地质结构下物理–化学作用所起的主导作用，时间效应对水质演化的影响，微生物群落结构特征及其与环境的相关关系，水动力场–化学场–微生物场–温度场的多场耦合等亟需解决的科学问题。

c.基于矿区污染识别、源头和过程阻断、污染水量和污染物量消减的思路，以阻断、减量和保护为核心构建了精准、高效的煤矿区矿井水污染防控技术体系。通过各种可行的技术、方法、工艺，尽最大可能降低吨煤矿井水处理成本，开展井下预处理、地面深度处理、超深回灌封贮、生态利用等。

d.应当加快推进原位监测、超深取样、高灵敏快速检测、投料装备的研发，研发出适应污染过程监测与防控装备，包括矿井水污染物防控领域便携式快速检测装备、高灵敏快速检测装备、超深样品信息采集技术、投料装备以及智能化原位监测装备等，增强煤矿区污染物现场原位监测、采样和检测技术能力，满足矿井水污染调查评估需要。

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Mine water drainage pollution in China’s coal mining areas and the construction of prevention and control technical system

SUN Yajun1,2, XU Zhimin1,2, LI Xin1, ZHANG Li1, CHEN Ge1, ZHAO Xianming1, GAO Yating1, LIU Qi1, ZHANG Shangguo1, WANG Weijun1, ZHU Lulu1, WANG Sheng1

(1. School of Resources and Geosciences, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2. National Professional Center Laboratory of Basic Research on Mine Water Disaster Prevention and Control Technology, Xuzhou 221116, China)

Mining activities are bound to produce enormous mine water drainage. Mine water in China shows relatively poor water quality and high cost of water treatment and other problems. Firstly, the main characteristics of mine water quality in China’s typical mine areas are clarified in this paper: conventional ions are the main chemical components causing poor mine water quality; mine water has a small proportion of toxic and harmful substances, which is generally better than the quality standard of class Ⅲ groundwater. Secondly, some scientific issues on the formation and evolution of mine water quality are discussed in detail, including the leading role of physical-chemical effects under different hydrogeological structures, the influence of time effect on water quality evolution, the relationship between microbial community structure characteristics and environmental factors, the multi-field coupling of hydrodynamic field, chemical field, microbial field and temperature field. Then, this paper mainly introduces the prevention and control techniques of mine water pollution where on the premise of reducing the amount of water inrush and the protection of water resources, with the goal of realizing the coordinated mining of coal and water resources and the green mining, and the main ideas of “block, reduction and protection” for prevention and control of mine water, scientific issues such as mine water blocking technology, pollution substances reduction technology and pollution area restoration and treatment are analyzed. The cost of coal mine water treatment can be minimized through various existing technologies, methods and processes, such as underground pretreatment, surface in-depth treatment, super deep recharge and storage, ecological resources utilization. Finally, the paper puts forward the development of blocking materials, adsorption materials, grouting equipment, monitoring equipment, feeding equipment, in-situ sampling and detection equipment for groundwater and pollutants in coal mine areas, forming the technical system of mine water pollution prevention and control in coal mine areas. The construction of this technical system provides theoretical and technical support for green mining, the prevention and control of deep groundwater pollution in coal mine areas, the prevention and control of water pollution in closed mines, the protection and utilization of groundwater resources and ecological environment in mine areas.

coal mine areas; mine water; pollution prevention and control; block; reduction; protection

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X52；P641

A

1001-1986(2021)05-0001-16

2021-08-15；

2021-08-30

国家重点研发计划项目(2019YFC1805400)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(2020ZDPY0201)

孙亚军，1963年生，男，安徽涡阳人，博士，教授，博士生导师，研究方向为矿井水害防治与污染防控.E-mail：syj@cumt.edu.cn

孙亚军，徐智敏，李鑫，等. 我国煤矿区矿井水污染问题及防控技术体系构建[J]. 煤田地质与勘探，2021，49(5)：1–16. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.001

SUN Yajun，XU Zhimin，LI Xin，et al. Mine water drainage pollution in China’s coal mining areas and the construction of prevention and control technical system[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(5)：1–16. doi: 10.3969/ j.issn.1001-1986.2021.05.001

(责任编辑 周建军)