煤矿区矿井水水质形成与演化的多场作用机制及研究进展

孙亚军，张 莉，徐智敏，陈 歌，赵先鸣，李 鑫，高雅婷，张尚国，朱璐璐

(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矿井水，目前我国吨煤开采产生矿井水约 1.87 m，每年产生煤矿矿井水约 68.8亿m，根据煤炭产量发展趋势研究预测，2035年前我国煤矿矿井水每年可以稳定在60亿m以上。同时，矿井关闭后，地下水位回升，淹没废弃的矿坑、巷道和采空区等，废弃矿井成为潜在的污染源，并在相当长的一段时间内通过多种途径对区域地下水造成污染。因此，煤矿区场地地下水环境调查、评价与污染防控已经成为我国煤炭行业绿色发展亟待解决的重要问题之一。

阐明矿井水的水质形成及演化机理是煤矿区地下水污染防控的理论基础。矿井水的水质形成及演化过程非常复杂，受水动力场、水化学场、微生物场和温度场等多场控制，具有高度非均质性和时空变异性。目前，国内外学者对矿井水的水动力场和水化学场研究较多，但是对于煤矿区场地的微生物场和温度场研究还不充分，尤其是微生物影响下多场耦合作用对水质的形成及演化研究更鲜有报道。因此，笔者在深入研究我国煤矿区矿井水污染成因和运移规律的基础上，阐述了矿井水水质形成及演化的多场作用机制及研究进展，以期为煤炭安全绿色开采与水生态环境保护提供理论支撑。

1 矿井水污染场地的界定

煤矿开采活动必然会影响自然条件下的水环境，与常规浅地表化工、金属冶炼、工业复合污染、废矿堆场等不同，煤矿开采的影响通常面积更广、深度更大、涵盖地层也更多样。煤矿区污染场地的界定是开展水质调查、环境评价、污染阻断、污染负荷减量和地下水保护的基础，因此，污染场地的界定至关重要。

由于我国复杂的煤矿区水文地质结构，矿井水的形成及其对煤矿造成的安全影响伴随着煤矿的全生命周期，而矿井水的外排是保障煤矿安全生产的必要举措，在采动以及矿井水外排的影响下，煤矿区的地下水流场(补给、径流、排泄)、微生物群落结构和水化学组分等方面的原始状态发生改变，在物理-化学-生物等多场耦合影响下矿井水水质的特征发生复杂演化。由此可见，矿井水质的形成过程主要围绕采动空间产生作用，主要受到煤矿开采活动和水文地质结构2种因素的控制，煤矿区污染场地的范围应以这2种因素为基础进行界定。

1.1 采动影响下的煤矿区水质“三带”

开采活动是矿井水质演化最主要的驱动力。因此，在多数煤矿区(除露天矿区外)，在不考虑构造及特殊水文地质结构的影响下，仅根据煤矿开采活动影响的大小，可以将矿井水质特征划分为“三带”(图1)。

第一带：采动顶(底)板导水裂隙带以外的区域。其含水介质及围岩基本不参与矿井水水质形成，地下水动力场基本不受开采扰动影响，其中的地表水、地下水参与自然循环，但此带范围内的浅部地下水和地表水的水质易受矿井水外排的影响。

图1 煤矿区水质垂向“三带”分区Fig.1 Vertical “three-zone” of water quality in coal mine area

第二带：采煤工作面以上，顶(底)板导水裂隙带所波及到的所有区域。由于导水裂隙带的存在，受开采扰动的含水层地下水进入矿井工作面，地下水流场发生重要改变。地下水径流路径发生改变使得原生地下水的水动力场、水化学场、微生物场、温度场以及介质条件等逐渐改变。因此，在此过程中极大可能产生不同含水层间水-水混合作用以及部分水-岩作用，导致地下水水质特征发生不同程度的改变，进而影响矿井水的水质形成，但是这些作用进行的时间相对较短，使得此水质带有较为明显的原生含水层水质特征。

第三带：井下积水区域(含工作面后方、采空区、巷道及水仓等)。此水质带是人类活动影响最为频繁的区域，在矿井开采时期，由于矿井通风氧气充足，常呈现出氧化环境，而在矿井闭坑后，逐渐转变为缺氧环境。环境的变化控制着复杂的生物地球化学反应的类型及作用程度，从而影响采空区的地下水化学组分演化过程，因此，此水质带为矿井水质形成的关键区域。在此水质带内，生产工作面和排水巷道中的地下水受矿井长期排水影响，水动力条件较好，但在已封闭的采空区中矿井水径流缓慢。来自各充水含水层的地下水在经历长时间的混合作用、水-岩(煤)作用、微生物作用等耦合后形成感观较差、微生物群落较为丰富的矿井“污水”。即使在矿井闭坑以后，其水质形成和演化仍可继续长期进行。

1.2 典型水文地质结构及水质形成模式

我国煤炭资源和煤炭产区主要分布在华北、西北和西南，占全国煤炭资源保有总量的95.5%以及原煤产量的88.3%(2020年)。根据我国主要的煤炭产区的分布特征，我国煤矿区主要有3种典型的水文地质结构(图2)，分别为：华北型、西北—东北型和南方型煤田水文地质结构。在此基础上，重点以矿井水的来源及形成方式为依据，将我国典型水文地质结构及水质形成模式初步划成3类，其各自的特征如下：

图2 我国主要煤矿区矿井水形成模式结构Fig.2 Typical hydrogeological structure of main coal mine areas

(1)华北型。我国华北型煤田以多含水层、受断层和陷落柱等影响为特征的复杂水文地质结构(图2(b))，且由于采动裂隙的存在含水层间普遍存在不同程度的水力和水质联系，顶、底板含水层均可能对矿井水质形成起重要作用。由于水文地质结构的差异，有些矿区的最大采深已经超过了1 300 m，在垂向上矿井水质形成的作用空间很大，不同矿区的矿井水质污染程度也有较大差异，闭坑后的矿井水质演化机理也相对复杂。

(2)西北—东北型。我国西北型煤田主采煤层为侏罗系煤层，水文地质结构总体简单，但不同地区差异大(图2(a))。对矿井水水质形成有影响的主要为顶板结构松散、多孔隙的弱胶结砂岩含水层。受干旱-半干旱的气候影响，地表常存在季节性河流，降雨量少，蒸发量大，蒸发浓缩作用强烈，常以高矿化度的地下水及矿井水为主要特征，有些矿区的矿井水TDS甚至超过了40 g/L。我国东北型煤田主采煤层为北晚侏罗早白垩纪煤田，水文地质结构与西北型煤田类似，主要充水水源为地表水和煤层顶板裂隙水，受干旱-半干旱的气候及季节性降水的影响，其矿井水的TDS也较高。与西北型煤田不同的是，东北型煤田开采历史较早，大多数煤矿相继进入了老龄化阶段。因此，采空区积水(老空水)现象普遍存在，煤系地层的废弃采掘空间发生充分的水-煤作用，进而导致东北型煤田矿井水悬浮物大量超标，而形成“矿井黑水”；少数煤矿的矿井水中检出砷、酚、镉、铅等毒性组分。

(3)南方型。我国南方型煤田煤层顶(如长兴组)、底(如茅口组)板均为岩溶强烈发育的灰岩含水层(图2(c))，其矿井水水质形成同时受顶底板灰岩含水层及其中的多种伴生矿物的水岩作用控制。由于南方地区地形起伏大、沟谷深切、岩溶系统复杂、金属类伴生矿物(部分含有毒有害元素)背景值高，其矿井水质常具有强酸性(有些矿区pH<3)、高铁锰的特征。特别是我国西南地区金属矿产资源丰富，其产生的矿井水常呈现镉、铅、汞、铬、砷、铜等有毒有害重金属含量高的特征，对当地的生态环境产生重要影响。且有些矿区的矿井水可自流出地表进入河流水系、浅层地下水等，对区域环境污染影响较大。

矿井的水文地质结构反映了各类充水水源、导水通道和采动空间的相对位置关系，决定了区域内水赋存介质的渗流条件及主要成分，从而控制了采动空间内的地下水质特征的背景值及主要的水-岩作用类型。充水水源对矿井水水质形成的影响体现在其为采动空间提供了水量来源，是水污染是否发生的先决条件，其影响因素主要包括充水水源的水压、富水性、水温、水化学及微生物指标等。采动破坏带、断层、陷落柱、钻孔等导水通道连接了水源与采动空间，是导致水源与深部地下水以及井下复杂环境之间发生多场耦合作用的纽带，同时，导水通道也是各水化学组分扩散、运移、富集的重要途径。

因此，煤矿区污染场地的界定是以煤矿区采矿活动场为中心，以地下水天然流场、人工干扰流场演变所在的水文地质单元为平面边界，上至顶板导水裂隙带影响区域，下至底板导水构造影响带的立体空间。污染场地涵盖煤矿区水文地质单元内部的各个含隔水层和导水构造、工作面或巷道等井下空间，以及复杂地质环境中煤泥、木材、矸石、其他废弃物等多要素。这些要素发生复杂的物理-化学-生物耦合作用，驱动了矿井水的形成与演化。

2 矿井水水质形成的水动力场演化及其作用

2.1 地下水动力场的演化

煤矿开采过程中，一方面，顶、底板岩层破坏带的形成、断层活化和导水钻孔等影响，使矿区含水层间的水力通道发生重大变化；另一方面，为保证安全开采而实施的矿井长期排水、顶底板含水层人工疏降、含水层注浆改造和帷幕截流等工程，必然对矿区的地下水流场产生重大影响，进一步影响矿井水质的形成与演化。从矿井全生命周期的角度，可将矿区的地下水动力场的演化分为采前自然平衡、开采强烈扰动和闭坑后再平衡3个阶段。

(1)采前自然平衡阶段。煤层开采扰动前，区域地下水系统补、径、排条件处于动态平衡状态，地下水自然循环稳定。煤矿区水文地质单元往往处于天然的地下水平衡状态，含(隔)水层、弱透水层、断层、陷落柱等使地下水成为一个半封闭半开放的系统。因采前含水层水量、水压、渗流速度、介质条件等稳态因素的存在，使得同一含水层水化学、水生态环境相对稳定；但不同地层的岩性、矿物组成成分、赋存条件、地温梯度等因素导致不同含水层的自然水动力条件、水化学条件、微生物环境差异，进而导致各含水层的常量、微量甚至有害有益元素含量具有不同程度的差异。

(2)开采强烈扰动阶段。煤层开采扰动会诱发原生含(隔)水层结构损伤，煤层顶、底板隔水层的阻水完整性遭到破坏，增强含水层间的水力联系；主要表现为隔水断层活化、岩溶陷落柱突(涌)水、钻孔导水、顶底板采动破坏带、采空区等成为地下水的优势通道或储水空间。在开采扰动影响下，煤矿区的水文地质结构由原来相对稳态且含(隔)水层单向水力联系的系统转变为非稳态且复杂水力联系的系统，涉及含水层、导水通道、含水体/空间、钻孔、巷道、采空区等多个方面，使煤矿区水文地质结构、地下水动力条件、生化环境发生重大变化，煤炭开采扰动对区域地下水动力场的影响归纳为以下几点：

1)导水通道的改变。① 煤层开采扰动形成顶板导水裂隙带、底板采动破坏带，诱发隔水断层活化、陷落柱突(涌)水，以及一些封闭不良钻孔等都会成为新的导水通道。② 为了减少矿井涌水量的产生，减少工作面突水事故的发生，对已查明的原生导水断层、陷落柱的进行注浆封堵等措施，阻断了原生的导水通道。

2) 边界条件的改变。对于一些富水性强、补给性好、水力联系复杂的含水层，煤矿为保证安全生产，有时采用帷幕注浆截流、含水层注浆改造等工程以减少矿井涌水量形成，实质上改变了煤矿区一个或多个水文地质单元的垂向或侧向边界条件。

3) 含水介质的改变。① 煤层开采改变了地层应力场，顶板岩层破坏、下沉导致的裂隙、孔隙结构变化，新形成的裂隙、孔隙成为径流通道、储水空间，会导致煤矿区地下水在流入工作面前其水质与建井前的水质有所区别。② 为了增加煤层顶底板隔水层的阻隔水能力及完整性，对顶底板充水含水层进行注浆改造或区域治理，将含水层改造成隔水层，直接改变了含水层的介质条件、厚度、渗透系数等。③ 人工疏降作为一种常见的防治水措施，可将煤层直接充水含水层的承压水头疏降至安全水位以下，从源头上避免矿井水的形成。疏水降压会使含水层富水性降低、骨架压缩；其次，疏水降压形成明显的水力梯度增大，加速了含水层区域渗流速度，造成一些盐类胶结物溶出，间接导致含水层溶孔发育、空隙增大，进而使得含水层渗透性增强。特别是近年来我国煤炭开发重心向西部转移，西部矿区煤层顶板含水层多存在盐类弱胶结特征，受开采扰动及人工疏降叠加影响，含水层渗透系数经过长期演化有递增趋势。

4)水力坡度的改变。煤矿开采的过程中，无论是人工疏降还是矿井长期排水都会形成区域降落漏斗，促使水力坡度加大，加速了地下水的水循环条件，一定程度上改变了地下水水质形成及演化的背景条件。

(3) 矿山闭坑后再平衡阶段。煤矿闭坑后地下水动力场经过长期演化会趋向新的平衡状态。开采扰动、人工疏降、底板注浆改造后含水层水动力场逐渐恢复至采前状态，而帷幕注浆截流完全改变了地下水渗流路径，往往难以恢复。当井下废弃采掘空间蓄满水后，其中一些封闭完整、水压较小的井下储水空间将变成滞留区域，矿井水主要在水交替频繁的活水区域形成。从区域地下水系统的宏观角度研究，闭坑后井下废弃采掘空间由于停止排水，矿井水逐渐积蓄，区域水动力条件逐渐弱化，使得地下水流速减缓、水位回弹；封闭采空区内趋于静止(死水)，水化学平衡继续保持正反应，水质在短期内趋于劣化(以山东某矿为例)。随着地下水位恢复，当采空区填满后，会出现地下水自下而上经过采空区反补顶板含水层，类似岩溶陷落柱、导水断层破碎带能够沟通多层含水层。由于底板含水层往往具备承压性，在采空区水位恢复到承压水头高度之前，其不会反补底板含水层，也不会造成底板含水层污染；当采空区承压水位高于底板含水层时，在区域地下水动力场驱动下，矿井水与顶、底板含水层的水相互混合后沿着地下水渗流路径运移扩散，造成含水层间的串层污染，污染负荷将在含水层渗流途径上形成一定的水动力弥散范围。

2.2 水动力场演化对矿井水质的影响

矿区地下水系统从采前平衡、开采扰动、矿井闭坑到采后平衡的全生命周期过程中，矿井水质形成过程所发生的物理-化学-生物作用主要受地下水动力场的驱动和影响。

(1)水化学平衡扰动作用。水动力场是控制矿井水形成的动力来源，地下水流速直接决定水-岩(煤)、水-气、水-水混合作用化学反应的时间，对物理-化学-生物反应的平衡状态影响不同；一般接触时间越长，反应越充分，所形成的矿井水水质越复杂。煤层开采前后，煤矿区的地下水动力条件会发生较大程度的改变，从而影响水化学平衡的反应方向。

例如，在我国西部一些煤矿区，煤层开采前地下水在蒸发浓缩作用下，导致地下水TDS不断升高，一些盐分不断析出结晶；而采后的煤矿区地下水水流由缓慢流动变成快速流动，反而会溶解原已析出的盐分。而闭坑后则相反，由快速流动逐渐趋于静止，水质在短期内会逐步呈现劣化趋势，经过长期的水质演化及氧化还原条件变化，水质又可能存在逐渐转好的趋势，所以地下水动力场对水化学平衡有至关重要的影响作用。

(2)串层混合作用。煤矿区往往存在陷落柱、断层等天然地质构造。煤层开采前，部分导水断层、岩溶陷落柱会沟通含多个水层，使得不同含水层的水质相混合，形成天然的水化学平衡。煤层工作面首采时，原来各个含水层之间存在水质差异，但是由于开采扰动导致新的导水通道形成后，水动力条件发生了改变，使不同含水层中的水发生水-水混合反应，可在很短的时间形成新的水质，即矿井水的初期水质。例如，部分矿区浅层低矿化度地下水，在开采扰动后，串层并大量进入采掘空间形成矿井水，整体降低了矿井水的矿化度；煤层深度开采时，煤层顶底板采动破坏带、勘探/原位试验的钻孔也成为串层混合的导水通道；当开采扰动非常剧烈时，有些隔水断层可能活化成导水断层，使矿井水初期水质形成过程更加复杂。

图3 矿井水特征污染物浓度变化示意Fig.3 Schematic diagram of concentration variation of characteristic pollutants in mine water

3 矿井水水质形成的水化学场演化及主控因素

矿井水化学场的形成与地下水原生化学背景既有紧密联系，也有不同的特征：一方面，矿井水主要来源为地下水，继承了原生地下水的部分背景值；另一方面，地下水自原生含水层经导水通道进入矿井并在井下运移、汇聚的过程中，不同程度地接触非原生岩层及各种介质，并发生复杂的水-水混合作用、水-岩(煤)作用等，可能导致水中的特征组分含量发生重要变化。

3.1 地下水原生化学背景及特征

煤系地层以沉积地层为主，地下水主要起源于大气降水和地表水入渗，埋藏于不同类型水文地质结构中，在漫长地质历史时期与其周围环境持续地相互作用，演化出非均质层状分布的原生水化学场。地下水对含水层的持续溶滤作用是水化学成分形成的最主要因素，从补给区、径流区到排泄区，水化学成分在水动力场、微生物场、温度场、浓度差等影响下发生扩散，其间经历离子交替吸附、浓缩、水-水混合等作用，在不同阶段和区域，某一、两种作用可能居于主导地位。以某华北型煤田为例，其二叠系煤系砂岩含水层密封条件良好，富含钾、钠长石受溶滤作用和阳离子交替作用，多形成矿化度大于1 g/L的HCO-Ca型水；若地下水交替循环条件更差，可形成矿化度>3 g/L的Cl·SO-Na型水。而煤系基底的中奥陶统灰岩岩溶裂隙含水层水质主要受碳酸盐岩、石膏与岩盐的溶解、沉淀和阳离子交替吸附作用控制，往往形成高矿化度的HCO·SO-Ca·Mg型水；太行山东麓的焦作、鹤壁等矿区奥灰水因接受地表补给条件较好，矿化度多低于1 g/L。此外，地下水中的非常规指标，如有益元素、天然放射性水平等也存在天然异常。

总体而言，地下水原生化学特征取决于自然状态不同水文地质结构下主要水文地球化学作用的结果，而这些作用及其结果受地下水循环交替条件控制，呈现出区域差异与复杂性。

3.2 物源特征及主要化学作用

煤矿开采后剧烈变化的自然条件和各种人为因素导致原生地下水接触到不同的岩石矿物介质并相互作用，主要的化学作用有溶解/沉淀、氧化/还原、吸附/解吸和离子交替吸附等。参与化学作用的非原生介质主要划分为无机物源和有机物源。

(1)无机物源。主要包括煤系地层伴生矿物、采掘设备、注浆材料等(图4)。

② 采掘设备受矿井水长期淋洗可能发生腐蚀，溶出金属离子。矿井闭坑后遗弃井下的各种器械和岩层加固材料也是矿井水金属离子的来源之一。

③ 注浆材料水化产物有Ca，OH等，可以提高周围地下水的碱度，当含水层主要吸附有Na时，Ca，Na之间会发生离子交替吸附作用，使一定范围内地下水中Na含量增多。

(2)有机物源。主要来自吸附在煤层或煤炭风化过程中的HA等，以及井下设备使用的乳化液、润滑油，人类排泄物等(图4)。

图4 矿井水水质形成及演化的多场耦合作用概念Fig.4 Conceptual diagram of multi field coupling effect on the formation and evolution of mine water quality

① HA可与金属离子发生交换、吸附和络合等作用从而减缓金属离子的迁移转化能力并降低有毒重金属的生物利用性。HA与核素也有较强的络合或螯合能力，能增强放射性核素在饱和多孔介质中的迁移能力。

② 乳化液、润滑油中所含的硝基苯类、氯苯类、多环芳烃(PAHs)和酯类是我国大型机械化矿井中微量有机污染物的主要来源。冯启言团队对PAHs研究较多，认为其普遍存在于煤、矸石和矿井水中。与矿区地表水和塌陷坑积水相比，矿井水中PAHs含量明显较高。毒性更强的烷基多环芳烃(a-PAHs)也被发现普遍存在于煤矸石中。此外，乳化液、润滑油的使用还会导致矿井水中化学需氧量(COD)、总有机碳等有机物指标增加。

目前，国内外针对矿井水水质形成的化学作用的研究较多，且多聚焦于水质“第二带”的水-水混合、水-岩作用，以及矿井水对地表生态系统的影响及其污染防治技术。而对于矿井水在矿井内运移对特征组分的影响，尤其是微量元素、有机物等，需要在水化学场形成与演化的全生命周期的背景下系统研究。

3.3 矿井水水质的总体特征及演化趋势

图5 我国典型矿区矿井水水质超GB/T 14848—2017中Ⅲ类水标准情况Fig.5 Mine water quality exceeding Class III water standard in GB/T 14848—2017 in typical mining areas of China

在煤矿开采和闭坑的全生命周期中，在物源特征未发生明显改变的情况下，仅覆岩破坏、常年疏排水等引发的区域含水层排泄增强、层间混合就能逐渐改变直接和间接充水含水层的水量、水质(图4)，对“第三带”矿井水质起到“潜移默化”的作用。少数情况下，足量的特殊水质补给亦可显著转变“第三带”矿井水质演化趋势，例如某些矿开采后期导裂发育至浅部老窑造成酸性淋水，岩(煤)、采掘设备等受腐蚀程度加深，矿井水中部分新增物源性离子增加。若排除“第二带”入井水质的波动，在“第三带”范围内，矿井水演化趋势与物源特征、微生物代谢活动等密切相关。

4 矿井水的微生物基本特征及其作用

地下水环境是微生物重要的栖息地之一，平均每毫升地下水中就存在10～10个微生物，其中主要是细菌和古细菌，还包括少量真菌。在地下水系统中，这些微生物群落是物质循环、能量转换和信息传递的重要承担者，是生物地球化学循环的主要驱动因子。微生物群落组成的特异性可反映和影响地下水环境化学特征。在煤矿开采过程中，地下水入矿井空间后，微生物的存在环境发生了巨大改变，其对矿井水水质形成的影响研究还较少，因此，研究煤矿区微生物群落的分布特征及其对矿井水水质演化和治理的作用机制对于矿井水污染防控至关重要。

4.1 矿井水微生物群落的分布特征

随着分子生物学技术(高通量测序技术和宏基因组分析等)的快速发展，地下水系统中微生物群落结构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与水化学因素密切相关，其中氧化还原条件、温度、pH值和总有机碳等是控制微生物组成的重要因素。在氧化环境的地下水中硝化细菌、硫杆菌和锰氧化菌等丰度较高；而还原环境下，厌氧反硝化菌、铁还原菌和脱硫菌等比例增加。对温泉中微生物群落组成与其水化学特征相关性研究表明，微生物群落结构与温度(35～88 ℃)显著相关，而与水文地质特征明显的地理位置无关。在煤系地下水含水层中，煤中含有多种复杂有机分子可为微生物生长提供丰富的碳源，笔者团队对山东某矿煤层顶底板含水层微生物群落结构分析表明，离煤层越近能够降解有机物的戈登氏菌属和生丝单胞菌属丰度越高。因此，在煤层开采前原生的水文地球化学条件构成了矿井水中微生物群落的主要物质基础。

微生物群落很容易受到环境变化的影响。煤层开采过程中为了安全生产，不断疏排煤层顶、底板的地下水，会提高地下水流速，增强各含水层的水力联系，扰动水动力场；同时矿井通风将氧气引入井下提高了矿井水中的溶解氧浓度。这些开采扰动都会增加矿井水中的微生物生物量和多样性。各含水层水混合后，水化学特征发生变化也会导致微生物群落的变化。BEN MAAMAR 等研究表明不同年代的地下水混合后强烈影响了微生物群落结构，并且促进了嘉利翁氏菌对铁的氧化作用。采煤活动产生大量新鲜煤炭和矸石碎块，增大了水-煤(岩)反应的比表面积，导致煤中的有机物进入矿井水中进而促进脂肪族和芳香烃等有机物降解菌的生长。笔者团队对某矿井下不同功能分区中矿井水的微生物群落结构分析表明，可以降解PAHs等有机物的索氏菌属、迪茨氏菌属和湖沉积杆菌在煤巷和采空区中丰度最高。同时，在矿井水进入工作面与大量煤、岩接触时，部分附着在固体上的微生物进入矿井水中，也会改变水体中的微生物群落的丰富度和多样性。

此外，根据矿井背景温度的不同，会采取升温或降温的手段来保障井下安全生产，由此带来的温度扰动也会影响矿井水微生物群落分布。井下光照可能会激活矿井水中休眠的光合细菌。煤矿开采除了改变矿井水的水文地球化学性质外，还可以通过矿山基础设施、设备和人员引入新的物种来改变地下微生物种群，比如采矿人员携带的抗药性微生物；井下饮食供应，可能带来丰富碳源，激活了微生物群落等。因此，煤矿区场地的矿井水可能形成独特的微生物群落结构，然而目前关于煤矿井下不同功能分区中矿井水的微生物群落分布特征报道较少。RAUDSEPP等对澳大利亚开采深度为-150 m的2个煤矿矿井水进行16S rRNA高通量测序分析，结果表明矿井水中假单胞菌属和红环菌科的细菌丰度最高。笔者团队对某矿微生物群落结构垂向分布研究发现，从地表到深部含水层中的微生物群落丰度和多样性逐渐降低，而井下采掘空间中微生物群落丰度和多样性显著增加。所以，煤层开采对井下不同功能分区矿井水微生物群落分布的影响机制仍需系统研究。

4.2 矿井水水质演化的微生物作用

(1)

(2)

式中,M为酸性矿井水中溶解的金属。

基于以上分析，深入了解不同时空尺度下矿井水中微生物群落的分布特征及其作用机制将有助于预测矿井水特征污染物的自然衰减潜力。目前，关于煤矿全生命周期中微生物群落的演化特征及其对矿井水质演化的影响机制还可进一步深入，尤其是这些生物地球化学过程在较长时间尺度上的反应机制和作用影响程度还有待定量研究。例如，在闭坑若干年后，相邻含水层的补给造成地下水位回弹及可能的串层污染，氧化还原条件恢复到接近原生状态，微生物群落及其对矿井水质的影响将如何变化？以上科学问题的回答可为矿井水环境的微生物修复奠定基础。

4.3 矿井水污染负荷减量的微生物作用

此外，在AMD形成的初期可通过促进铁还原菌的生长抑制硫化矿物的氧化。我国学者研发了煤矿地下水库采空区净化技术，该技术充分利用采空区中冒落的岩体对矿井水的过滤、沉淀、吸附以及微生物降解等自净作用，实现了矿井水的大规模低成本处理。同时，利用微生物的重金属固定原理，开发井下原位重金属固化稳定化技术，在矿井水污染负荷减量中也有较好的应用前景。

总之，微生物修复矿井水的研究主要集中在利用SRB修复AMD上，而酸性矿井水只占11%～24%，针对其他高矿化度、高放射性、高氟、重金属和有机物污染的矿井水的微生物修复技术还有待系统研究。并且，现有的矿井水处理技术大多是异位修复和对地表排水的处理，对于煤矿区场地地下水原位修复技术研究还不充分。尤其是地下水污染具有隐蔽性、复杂性、长期性等特点，有些煤矿在闭坑10～20 a后形成的酸性矿井水才流出地表被发现且处理成本高，所以地下水污染修复应该以预防为主、防治结合，建立煤矿全生命周期的地下水质量监测和污染风险评估至关重要。

5 矿井水水质演化的温度场作用

煤矿区的温度场主要受地质背景控制，开采前状态相对稳定。开采过程中，温度变化将通过改变物理、化学和生物作用来影响矿井水水质的演化(图4)。首先，温度变化影响岩石的物理参数，如热导率、比热容等，同时岩石的渗透率也与温度有关。其次，适当升温将会加速水化学作用中的部分化学反应，在一定程度上影响水化学场。并且，矿井水中微生物的生命活动也与温度变化密切相关。

5.1 矿区的原生温度场

现有资料表明，我国煤层最大赋存深度超过2 000 m，最大开采深度超过1 300 m，即使只考虑地温梯度的影响，煤矿区地下温度场在垂向上的变化幅度也可达到40 ℃左右，一方面导致煤矿的热害问题；另一方面也对矿井水质的形成产生重要影响。

矿区开采前，其原生温度场的主要影响因素包括区域地质背景、地质构造、岩性、地下水活动，以及岩浆活动和覆盖层厚度等，状态相对稳定。受多个构造-热事件以及其他运动的影响，下扬子区因相关事件发生在较早的中生代，从而该区为中等热流背景，大地热流值约为60 mW/m，而塔里木盆地未经历大型构造-热事件，其中央隆起如今的大地热流平均值为46.7 mW/m。褶皱核部的地温比构造的其他部位温度相对较高，由于结晶基底的岩石比盖层的导热率高，热量更容易汇集于此。地下水作为地下相对活跃的热量载体，本身具有较大的热容量，由于其具有补给、排泄等活动，不断与介质发生热量交换，可对地温产生影响。据文献资料统计，各矿区的原生温度场受其复杂的地质及水文地质背景等因素影响呈现出不同的特点(表1)。

表1 不同煤矿分水平温度

5.2 矿区的采动温度场

(1)对于多个开采水平的大采深矿井，由于地温梯度的存在，各开采水平的围岩温度和地下水温度存在明显差异，自上而下温度逐渐升高。煤矿开采扰动可导致各水平温度场的相互影响，主要发生在水质“第二带”和“第三带”。

(2)开采过程中，由于顶、底板岩层破坏及其对地下水水动力场的影响，原生温度场发生较大改变，呈现以下特征：① 顶板含水层地下水向下渗流，可能导致采动空间围岩温度和地下水温度不同程度的降低。如谢李矿区的长期开采，使上部低温水下渗，岩层温度降低。② 底板含水层地下水向上渗流，导致采动空间围岩温度和地下水温度不同程度的升高。以淮南煤田为例，相对高温的深部高压岩溶地下水沿裂隙上升，补给浅部含水层，使渗流路径周围的岩石温度上升，表现为丁集、顾桥矿中深部地温梯度偏高。③ 矿井排水和含水层疏降导致各含水层补给强度加大，对于主要补给源为大气降水、地表水和第四系浅层水的矿区，一般导致含水层温度下降，特别是在西部以雪融水为主要水源的情况下，温度下降更为明显。④ 有些矿井受底板隆起或构造抬升影响，围岩温度和地下水温度场产生高温异常。如潘集背斜核部地温明显高于两翼，造成井田局部温度升高。当采动破坏使高温异常地下水运移途径改变，将对矿区地温场的分布产生新的影响。

(3)煤矿开采过程中的矿井通风和为治理矿井热害而进行的主动降温也会在一定程度上影响采动空间围岩温度和矿井水的温度。一般情况下，通风不断消散矿井温度场的热量，而通风系统的围岩又会不断向系统中传递热量，这种持续的热量传递将会导致采动空间温度的变化。

综上，矿区的温度由于开采水平不同，在采前已存在差别。开采过程中，采煤活动使地下水动力场发生变化，改变地下水运移途径，进而影响不同层位地下水、地下水与围岩之间的热量交换。此外，煤层开采时对温度场最直接的影响活动是排水和通风，使整个矿井系统成为地下吸热体或散热体。人类活动作用下采动温度场的形成，将直接影响矿井水水质的演化过程。

5.3 温度场对矿井水水质演化的影响

同时，温度场可以通过影响微生物的生命活动来影响矿井水水质的演化。微生物因其自身生理特点对温度具有选择性和适应性，部分微生物通过呼吸作用完成获取能量和自身代谢过程，而微生物呼吸作用速率的主控因素就是温度。矿井水水质演化过程中微生物参与的典型作用有硝化作用、反硝化作用、硫酸盐还原作用等，具有相应功能的微生物在不同温度下的生长速率和作用效率不同。同时，微生物可通过自身代谢直接或间接影响矿物溶解能力，从而影响矿井水水质的演化。

目前，多场耦合研究中，温度作为耦合变量常分别与结构场、应力场、渗流场以及水化学场形成多场作用，其中的典型问题为渗流和污染强度的温度效应；尤其以渗透率为指示变量进行温度场、渗流场和应力场的多场作用研究报道较多。然而，矿井水水质演化过程中温度场与水化学场、水动力场以及微生物场的多场耦合作用研究还鲜有报道，其耦合作用的概念模型和数值模型亟待深入研究和构建。

6 结 论

(1)界定了煤矿区矿井水污染场地的范围，提出了我国矿井水水质形成的“三带”模型，以传统矿井水害形成的水文地质结构模型为基础，提出并阐明了华北型、西北—东北型、南方型3种典型矿井水水质形成的水文地质结构模式及主控因素。划分并阐明了矿井水水质形成的水动力场的演化阶段，包括采前自然平衡、开采强烈扰动和闭坑后再平衡3个阶段。在研究采煤活动对区域地下含水层导水通道、边界条件、含水介质、水力坡度等影响的基础上，阐明水动力场演化对矿井水形成过程中水化学平衡、串层混合、采空区自净作用等的影响。

(2)厘清了矿井水水质形成的水化学场控制因素，包括地下水原生化学背景及特征、物源特征及主要化学作用、矿井水水质的总体特征及演化趋势等。在矿井水化学场的形成过程中，矿井水水质继承了原生地下水的部分背景值，同时地下水经导水通道进入矿井并在井下运移、汇聚的过程中，接触非原生岩(煤)层、黄铁矿、注浆材料、采掘设备、乳化液等各种介质，并发生复杂的水-水混合作用、水-岩(煤)作用等，进而改变矿井水中特征组分的浓度。

(3)提出并阐明了矿井水水质形成的微生物作用机制，论述了矿井水微生物群落的分布特征、矿井水水质演化以及矿井水污染负荷减量的微生物作用过程。水质“三带”中的微生物群落结构具有独特的垂向分布特征，并对矿井水水质形成及演化产生重要影响，基于某些微生物可以降解硫酸盐、固化重金属等机理，提出可以研发矿井水污染的微生物修复技术方法。

(4)阐明了矿井水水质演化的温度场作用过程，分别探讨了矿区的原生温度场、采动温度场特征及其对矿井水水质演化的影响。煤矿区的温度场随着煤炭开采深度的增加而愈发复杂，在研究采煤引起的地下水交替和通风措施等对温度场扰动规律的基础上，揭示了温度场主要通过影响化学反应动力学、热力学及微生物代谢影响矿井水水质的机制。

(5)目前，矿井水水质演化过程中微生物场和温度场作用下的多场耦合作用研究还不充分，其耦合作用的概念模型和数值模型亟待深入研究和构建。对于煤矿区场地矿井水污染防控，阐明矿井水水质形成及演化的多场耦合作用机制是理论基础，同时应当加快推进地下水原位监测、超深取样、高灵敏快速检测及低成本修复和水处理等技术研发，完善矿井全生命周期地下水环境保护技术体系，避免“先关闭再治理”的问题。

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