历史遗留矿山生态修复环境设计

贵州煤矿地质工程咨询与地质环境监测中心 龙开先，宋赟，梁释芳

贵州省煤炭资源丰富，含煤地层面积占全省总面积的44%，查明的和推测的煤炭资源总量达2419.6亿吨，位居全国第5位，有“西南煤海”之称[1]。丰富的煤炭已使贵州成为江南最大的炼焦煤生产基地和南方商品煤输出最多的省区，不仅能充分满足本省对煤炭的大量需要，而且为支持江南缺煤少煤省区作出了重要贡献。但是贵州地区的煤炭特征是高硫含量[2]，含硫量接近或高于3%[3]。因此，煤矿在生产过程中将产生大量的酸性废水，同时存在Fe、Mn、SS等不同程度超标。随着环保意识的加强和产业结构的调整，按照《贵州省化解煤炭行业过剩产能实现脱困发展领导小组办公室公告》将关闭一批落后产能煤矿企业。

图1 受污染水体现状图

虽然有些煤矿企业已经关闭，但是矿井封堵不规范，井下涌出的矿井污水未经处理直接外排，对周围的水环境造成了污染。本文涉及的工程为贵州省遵义地区已关闭煤矿。该煤矿开采时间为20世纪末期，年开采规模为10万吨/年，于2006年关闭。因煤矿开采，对水体造成了严重的污染。污染水域面积为2.18万m2，污水量约为20万m3。受污染水体呈暗红色、不透明、微臭，水塘内未发现任何动植物生长。

一、煤矿区煤层主要特征

图2 工艺流程图

经过资料收集该区域可采煤层5层，即5、7、8、9、12号煤层，可采煤层总厚3.26-17.17m，平均7.05m，可采含煤系数8.85%。区内各可采煤层原煤进行各种硫测试，全区黄铁矿硫（Sp,d）和硫酸盐硫（Ss,d）之和平均为3.17%；有机硫（So,d）平均为0.39%。由此可见，区内原煤中的硫主要以无机的黄铁矿硫和硫酸盐硫形态存在，有机硫较少，仅占全硫的11%；可采煤层原煤灰成分以含SiO2为主，含量为26.45-76.93%，平均48.98%；其次为Al2O3和Fe2O3，含量分别为11.60-34.39%和1.21-37.22%，少量的CaO、TiO2，含量分别为0.16-14.14%和0.90-4.48%，平均分别为3.20%和2.18%；最少为MnO2，含量为0.011-0.442%，平均0.070%；其余成分含量均在2.00%以下。

图3 污水处理站图

煤矿区内断裂构造及褶皱构造不发育，岩层呈单斜构造产出，岩层倾向320-350°、倾角31-40°。

二、污染原因分析

根据水文地质调查及环境地质调查分析，水体被污染的主要原因有三：

其一，该煤矿地处洼地中间最低处，周围四面环山，山高坡陡，坡度为20-40°。四周形成一个完整的分水岭，大气降水顺着四周坡面流下汇入低洼地内。洼地周围排口高度距离最低点有9.2m，水无法向外排。

其二，该煤矿存在大面积采空区，煤矿关闭后停止抽排，地下水位快速回弹，加上大气降水的渗入，淹没了采空区。加之井口封堵不规范，采空区废水从井口溢出、外流排泄至地表，带出含S、Fe、Mn离子的酸性废水汇集至水塘内。煤矿井矿井水对污水塘的补给量虽然小，但却是水质污染的重要原因。

图4 1线推断地电断面图

其三：污水塘北东角堆积大面积煤矸石，煤矸石中富集的S、Fe、Mn离子，经过长时间的浸泡、溶解后，逐渐浸出，浸出后的S、Fe、Mn离子在污水塘内富集，塘内水体得不到循环净化作用，浓度逐渐升高，以致污染整个水塘水质。废水中的大量Fe2+在地表接触空气后氧化形成Fe3+，这是污水塘呈红褐色的主要原因。

三、生态修复工程设计

通过对煤矿4km2区域进行调查发现，区域内存在的问题有：私采的老窑，踩空区的塌陷，煤矿主工业广场建筑物的压站损毁，煤矸石堆和污水塘水污染问题。而水污染问题最为严重，因此本生态修复方案的核心内容为对污水的治理。通过对其治理最终将污水塘恢复成为人工湖。具体生态修复工程如下：

表2 煤层特征表

表3 当地降雨量统计表

（一）受污水体的治理

通过对受污水体水质进行检测发现，Fe含量306.9mg/L，Mn含量32.08mg/L，pH值为2.8。由于本矿井废水呈酸性，主要污染物为铁含量超标，根据原水水质，采用中和+曝气+混凝沉淀+过滤工艺对该矿废水进行处理。对于污泥采用压滤机干化处理，暂时储存在污泥堆棚中，达到一定量后运送到砖厂进行制砖，处理总污水量为20万m3，污水处理站设计规模为100m3/h。工艺流程见下图所示。处理后的出水达到国家《煤炭工业污染物排放标准》（GB20426-2006）。Fe达到《贵州省环境污染物排放标准》（DB52/864-2013）。表1为污水处理站出水水质。

表1 出水水质表

（二）矿井水处理

该项目现场调查时间为冬季，在对其井口调查时未发现有出水，但井口外有黄色水流出痕迹，由此推断，矿井出水为季节性出水，出水期仅在丰水期。矿井出水量可通过理论计算得出。

通过现场勘查，该煤矿主要采掘C5、C8、C12三层煤，结合各剖面采空区三带充水或泥影响范围，推断C5煤层采空区为2个、C8煤层采空区为3个、C12煤层采空区为2个。

根据公式计算矿井水最大出水量：

Q=S×H×i

式中：Q—矿井井口出水量，m3/d；

S—踩空区总面积，m2；

H—最大降雨量，mm；

i—渗水系数，取0.02。

以当地最大日降雨量134.2mm计算，矿井最大的日出水量为355.1m3/d（14.8m3/h）。矿井水出水将引入污水站进行处理，达标后再外排。

（三）固废处理

1、底泥处理

随着污水不断被处理水位下降，污水塘水域下面的底泥不断被呈现。通过现场的测量，在污水塘东侧底泥厚度较深为40-60cm，其余面为10-20cm。污水塘最低点面积为9560m3，参考暴露的部分底泥情况，底部底泥厚度预估1m。由此计算底泥处理量为 1.61 万 m3。

为了对底泥进行全面了解，需制定有效的处置方法，对其进行浸出实验检测。表4为底泥检测报告。

表4 底泥浸出液检测

通过对底泥金属浸出液分析，重金属离子浸出值均在标准范围内，故污水塘中的底泥属于一般固废。底泥属于一般固废，不需要进行特殊处理，可在收集后运送到垃圾填埋场进行填埋处理。但外运处理不仅会增加成本，而且容易造成二次污染的风险。一种简便、经济的处理未就地填埋。底泥经过与石灰充分拌和后，改变污泥中的pH，为金属离子的沉淀创造良好环境。就地填埋不仅节约处理成本，而且还不会造成二次污染的风险。

2、煤矸石处理

污水塘北面为煤矿的主工业广场，面积为1893m2。随着水面的降低，暴露的地表显示该区域内为煤矸石堆场，通过计算，堆积方量12740m3。表5为煤矸石浸出实验报告。

表5 煤矸石浸出液检测

通过对煤矸石金属浸出液分析，重金属离子浸出值均在标准范围内，故煤矸石属于一般固废。煤矸石经过检测pH为3.56，为酸性，因此煤矸石与石灰石拌合后一起填埋。

3、建筑固废处置

通过现场调查发现，在污水塘北东岸分布有5个大小不一的建筑物，且建筑物周围是水泥地面。随着煤矿的关闭停产，这些建筑物失去使用价值。废弃的建筑物不仅破坏了周围地貌景观，而且还压占损毁了土地。应对废弃建筑物进行拆除处理，产生的固废用于回填污水塘。

废弃建筑物拆除后，对其表面进行覆土，覆土有效厚度为50cm，最终恢复成旱地。

（四）人工湖防渗工程

污水处理完成后，收集所有的底泥和煤矸石就地填埋。为了让人工湖防渗层有一个坚固的基础层，固体废弃物填埋后在其表面回填渣石。回填厚度为1m。防渗层使用两布一膜（HPDE）。在防渗层上回填30cm黏土保护层和20cm的土壤层。

（五）截排水沟工程

污水塘地处洼地中间，降水顺着四周坡面流下汇入其内，易于再次形成集水塘。为了保证污水塘生态修复后不被汇集的山水浸泡，因此需要在污水塘周围修建截水沟，并且在雨季到来之前修建完成。截排水沟沿污水塘四周布置。

（六）水质保证措施

为了提高水体的自净能力，可在水体周围种植芦苇、荷花、蒲草、水葫芦、铜钱草、水金英、黑藻等水生植物。

四、结论

通过实施历史遗留矿区生态环境保护修复工程，逐步完善矿山生态环境受损的修复工程。对受损矿山的生态环境进行修复、保护、以及改良土壤，完成矿山废弃工矿地修复及治理，强化土地整理工作，有效控制矿山区域内的水土流失，防止土地荒漠化；对工作区内的污染水体进行治理，加强水体的保护力度，有效控制区内受损的地表水，使得水循环系统得到初步修复。

通过开展修复区的生态修复工程，有效提高土地利用率及产出率，使得农民的生活条件得到改善，优化区域经济社会发展结构，提高社会的生态环境保护意识，为打造当地的绿色生态文明城镇奠定基础。