新常态下我国煤矿废弃矿井水污染防治与资源化综合利用

2022-08-01孙文洁任顺利董东林甘先炎

煤炭学报 2022年6期

孙文洁，任顺利，武强，董东林，甘先炎

(1.中国矿业大学(北京)国家煤矿水害防治工程技术研究中心，北京 100083;2.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

煤炭在我国能源结构中占有主体地位，是我国经济健康持续稳定发展的重要保障。随着我国经济进入新常态，经济发展对煤矿的要求逐渐提高，煤矿因低产能、高消耗及矿井资源枯竭到达生命周期面临关闭问题日益严重，同时，在供给侧结构性改革的背景下，因产能过剩关闭的煤矿数量也大幅提升。面对逐渐增加的废弃及关闭矿井，其内部的大量矿井水也被积聚、污染，严重造成了水资源的巨大浪费，而且还对矿区生态环境产生重大威胁。我国的煤炭资源和水资源呈“逆向分布”，北方地区缺水问题相对突出。对废弃矿井水进行有效处理及资源化利用是实现缓解水资源紧张及矿业生态文明建设的重要途径。

根据国家煤矿安全监察局调查统计，我国开采1 t煤炭约产生2 t矿井水，近年全国煤矿每年实际排水量约71亿t。针对废弃矿井水综合开发与资源化利用，近年来国内外开展了大量的研究工作，国外对废弃矿井水处理和资源化利用技术的研究应用较早，美国制订了矿井水排放标准，已将许多成熟的方法应用于生产与处理，20世纪80年代废弃矿井水的利用率已经达到81%；俄罗斯通过将一半以上的煤矿废弃矿井水用于选煤等工业用水进行资源化利用；英国煤矿年排水量36亿t，经处理后，其中15%用于工业用水，其余85%外排到地表水系；德国和日本通过立法的形式推动废弃矿井水资源化利用，经处理达标后，部分矿井水排放至地表，剩余则供选煤工业和矿井生产用水。

我国约1/3矿井为水资源丰富矿井，但我国煤矿废弃矿井水资源化利用起步相对较晚，整体上我国废弃矿井水资源化利用水平不到25%，发展不平衡，高排放、低利用的现象依旧存在。针对以上问题近年来我国学者对废弃矿井水资源化利用也开展了很多研究，袁亮等提出了考虑关闭/废弃矿井水文地质条件，分析地下水系统和环境特征并基于应力场-裂隙场-渗流场的耦合演化规律，实现对矿井水进行智能精准开发；苗立永等针对我国煤矿高矿化度矿井水的特点，总结了主要的处理工艺并进行技术对比，同时结合矿区本身、周围企业及矿区生态用水特点提出了分质资源化综合利用途径；武强等基于煤-水双资源型矿井建设与开发的理念，提出矿井水控制、处理、利用、回灌与生态环保五位一体优化结合、井下洁污水分流、井上下联合疏排等“煤-水”双资源型矿井开采的技术和方法；何绪文等通过对矿井水水质进行分析，提出了分质供水梯级利用等4种矿井水资源化利用的新模式及矿井水资源化利用新技术。因此，开辟出一条矿井废水资源化和矿井废水零排放的道路，实现煤矿的绿色开采、有效缓解我国区域水资源紧张局面，对我国矿业绿色可持续发展和生态环境保护具有重要意义。

1 关闭煤矿概况

随着我国经济发展方式的转变和碳达峰、碳中和目标的不断推进，我国关闭煤矿数量快速增加。经过长时间的开采，部分煤矿煤炭资源枯竭，逐步关闭。“十五”期间累计关闭煤矿约8 000处。“十一五”期间，我国对煤炭工业开展了结构调整，并且取得重大成果，我国煤矿数量由“十一五”初的24 000座降低至“十一五”末的15 000座，实现平均单井规模从10万t向20万t转变。“十二五”期间，我国进一步推动煤炭产业规模化生产，2013年，国务院发布《国务院办公厅关于进一步加强煤矿安生产工作的意见》，指出加快推进落后小煤矿闭坑退出。“十二五”期间我国共计关闭煤矿7 250处，主要为非法开采型煤矿。由于煤炭供给过剩，“十三五”期间国家对煤炭基地的规划将划分层次，区别对待。煤炭行业围绕推动供给侧结构性改革目标任务，深化市场化体制机制创新，着力淘汰落后产能、化解过剩产能取得了一系列重大进展。截止到2020年底，“十三五”期间我国累计关闭煤矿7 448处(图1)，全国累计退出煤炭产能10亿t。“十四五”期间，我国经济结构将进一步调整优化，由《煤炭工业“十四五”高质量发展指导意见》可知，到“十四五”末，全国煤矿数量控制在4 000处以内，对煤炭工业发展提出了更高的要求。随着煤炭去产能的推进，大批煤矿将被淘汰。

图1 “十五”以来我国煤矿已关闭数量统计

由于浅部煤炭资源逐渐枯竭、能源供给侧结构性改革及去产能等因素，我国的大量煤矿已经或濒临关闭，造成我国的中东部和南方矿区出现大面积的煤矿集中关闭区。废弃矿井主要集中分布在我国贺兰山—龙门山线以东，分界线以西的西部地区为我国重要的生态安全屏障，西部地区环境脆弱，采矿活动易造成严重的生态破坏和环境地质问题，影响区域生态系统稳定性及生物多样性。

2 废弃矿井水环境问题

2.1 矿井水污染类型

我国煤炭资源大多形成于石炭二叠纪和侏罗纪，由于处于不同的水文地球化学环境，所以造成矿井水化学类型具有较大的差异，即使处于同一煤矿，当采掘不同工作面的煤层或位于同一煤层的不同开采阶段，矿井水的化学组分也有相对明显的差别。矿井关闭后，煤矸石、废弃支架和采煤设备产生的油污等遗留在地下巷道中，以上伴生物质及残余物质将成为废弃矿井地下水污染的主要来源。经调查和分析，废弃矿井水污染源主要分为2种：地表污染源和地下污染源。地表污染源主要指粉煤灰和煤矸石等固体废弃堆积物，被外排矿井水和雨水冲淋后以入渗方式渗透到地下，会对浅层地下水造成严重污染。此外，塌陷区域的积水也可能成为污染源。地下污染源主要包括：① 废弃木材与金属设备的腐蚀物；② 遗留的油污及其分解产物；③ 残留在井下工作面和废弃巷道的人为垃圾等；④ 煤岩水岩作用产物。

通过对我国废弃矿井水采样测试分析，按照所含污染物种类的不同将矿井水类型划分为：洁净矿井水，含悬浮物矿井水，高矿化度矿井水，酸性矿井水，含毒害物矿井水。因地域性差异，煤矿“五大区”的矿井水主要类型也不尽相同，详见表1。

表1 煤矿“五大区”矿井水主要类型

2.2 矿井水污染特征及危害

(1)地下水与地表水受到严重污染，对矿区环境及生活用水构成威胁。由于前期大量废弃矿井水未经特殊处理直接外排，污水通过导水通道反向补给地下含水层或者直接地表排放。当地下水水位回升到一定高度，超过有水力联系的含水层顶板后，由于2者间水位差，造成其向周围含水层入渗，进一步扩大水污染面积，甚至出现大范围的串层污染，加剧了水资源的恶化。由于煤矿矿井水中含有大量的悬浮物及其他污染物颗粒，进入到地表水体，以物理性污染模式造成地表水体高度浑浊及悬浮物的含量增加，且一般水体中的煤粉颗粒和黏土颗粒直径较小不易发生沉降，常悬浮于水体中破坏水体的自净能力。在矿山关闭之后，井下水位逐渐抬升，除重金属元素扩散外，煤与煤矸石中的硫酸盐等水化学离子也会随废弃矿井水的外排向环境释放，破坏矿区不同含水层间的地下水补、径、排条件，导致地下水流场和水化学性质发生变化；当矿井水中一般含较多的氮、磷有机物时，在矿井水进入到地表及地下水体后，使水体产生富营养化并产生大量藻类。有机物质在水中通过生物氧化分解，消耗水中的氧气造成水中多种生物大量死去。

(2)土壤重金属元素积聚。关闭矿井停止抽排地下水，地下水位将逐渐回弹，使该地区先前地下水的贮蓄环境、循环条件和流动方式再次被破坏。煤炭生产时的开放系统变为封闭、半封闭系统，被遗弃的矿井逐渐变成此地区的潜在污染源。煤和煤矸石中含有铁、锰、铜、锌、汞、砷、镉、铬等多种重金属元素，其溶出释放后产生的重金属将随着废弃矿井水的流动而排出。重金属元素在水与土壤中不能被降解，通常以不同价态的离子成分随着矿井水进入地表水或者地下水中，矿井水流经土壤后，使土壤中的有毒有害元素不断地积累或者迁移。在受重金属污染的土壤中生物酶的活性显著降低，微生物群落结构发生改变，物种多样性发生大规模的减少。

(3)诱发矿山事故与地质灾害。长期以来，采空区积水突水事故在煤矿水害事故中占有很大比例。由于采空区积水改变了围岩应力场的力学性质，原来处于应力平衡状态的煤岩柱体经过地下水长期浸泡后，强度降低，稳定性下降，诱发矿区地表二次塌陷，甚至出现山体崩塌和滑坡地质灾害。矿井关闭后，采空区内积水不断积累，形成一个相对较大的储水库，其中积水压力也不断增加，当相邻煤矿后期煤层开采靠近或扰动积水区时可能会引发突水事故的发生。采空区积水突水一般是在短时间内大量积水迅速地涌入工作面，具有极强的破坏性，直接对周围环境、开采设备及作业人员造成巨大损害。

(4)水资源大量浪费，形成污染矿井水源。我国近年来全国煤矿矿井水资源量约71亿m，吨煤平均排水量约2 m，水资源平均利用率不到25%，废弃矿井水利用率不高使得我国每年浪费大量的自然水资源。大量矿井水的外排、渗漏造成采空区及废弃巷道充满水体，露天矿坑逐渐形成大面积积水坑，由于矿井水携带多类重金属元素、有机污染物及大量污浊悬浮物，使得废弃矿井(坑)水体水质变差，成为潜在的巨大污染性水源。

(5)影响植被生长。废弃矿井周围的土壤长期受到矿井水的危害，土壤酸碱度、重金属含量也会受到矿井水的排放发生变化。土壤pH值为6～7时最有利于植物生长，若土壤酸性过强，使得植物原生质变质影响酶的吸收，另外也会造成土壤钾、钙、镁、磷等营养元素短缺。土壤酸碱度还能通过改变其环境中细菌等微生物进而影响植物的生长。重金属是植物生长的非必需元素，土壤中部分重金属元素含量超过其自身处理能力时，将对植物生长发育及代谢产生破坏作用，重金属元素使细胞膜过氧化并损坏细胞膜的完整性，使其通透性增加进而损害细胞内酶的动态平衡，导致植株生长不良，甚至死亡；使植物光合作用受阻及呼吸作用紊乱，致使植物无法正常生长；影响植物细胞的遗传，使其基因发生改变。

3 废弃矿井水污染防治

3.1 矿井闭坑前防治

废弃矿井水污染防治不能完全依靠闭坑后的集中处理，应主要体现在前期的源头控制，对补给矿井地下水形成最大化控制、最大限度减少矿井涌水量，提前采取措施降低矿井水对周边影响。矿井闭坑前控制措施包括：① 改善工艺，减少废弃矿井水排放量。提高采煤机械化、自动化、智能化水平，在井下采用边开采边治理的方式，减少矿井水的外排，促进矿井水的就地利用；② 酸性矿井水、高矿化度矿井水处理后外排，将其携带的各种污染物经处理后外排，会减少对水资源、植被、土壤等的不良影响；③ 构筑尾矿区域隔离墙或隔离措施，封堵污染源。煤矿开采会形成顶板导水裂隙带和底板矿压破坏带，矿井污水将顺着这些通道进入含水层或工作面，修筑隔离设施可有效控制污染源，阻止污染区域进一步扩大；④ 严格控制污水水质，禁止用渗坑、渗井方式排放废水。渗坑、渗井排放污水将会直接污染深层或多层含水层中的地下水，废水下渗后污水与含水层相互融合，严重污染地下水源，对人民健康造成巨大威胁；⑤ 回收井下残留的施工设备，清理油污，清洗过水巷道，避免对地下环境造成再次污染；⑥ 处理地表堆积的废弃物、矸石山等工业废渣和生活垃圾。煤矸石及其他地表堆积物中含有较多的有毒因子，防止经长时间大量堆积后对地表水系、土壤等产生大量有毒有害物质破坏地表生态系统。

3.2 废弃矿井采空区治理

随着煤炭的产出后，地下矿井中会形成大面积的采空区。煤炭开采活动对地下岩层动态平衡产生破坏，当采煤工作形成的裂隙带及不良钻孔扰动甚至侵入上覆含水层时，导致含水层中水体沿导水通道流入采空区造成大量积水，经过长时间的积聚与生物、化学反应后，水质发生变化并形成具有污染性的废弃矿井水，对地下水资源产生极大浪费与破坏。为对废弃采空区进行有效控制，当煤层遇构造破碎带和导水裂隙带，无法采用疏水降压方法或疏排水费用太高、浪费地下水资源且经济上不合理时，可利用注浆系统将填充物注入采空区及其上覆岩体裂隙中，形成固结体，固实岩层裂隙带并对上覆岩层产生支撑作用，防止岩层产生沉降变形并且避免产生大量的废弃矿井水。注浆材料的选取应结合注入区域地质信息及实际工程需要采用绿色环保材料，最大限度降低对地下环境造成的影响；对采空区治理也可构筑挡水墙，隔断不同含水层之间的水力联系，实现对采空区积水的封闭隔离；当对采空区控制利用时，可通过在主要出水口构筑滤水墙对水体中悬浮物及其他污染物进行净化处理，加快废弃矿井水回采循环使用。

3.3 串层污染防治

矿井关闭或废弃后停止排水，造成地下矿井水位快速回弹，并携带矿井中的大量污染物通过人工及天然导水通道与不同含水层水中的地下水发生串层污染，对我国的水资源及土壤资源造成严重的危害。不同的矿井水对地下水的污染模式具有一定的差异性，串层污染主要有：底板采动裂隙串层污染、顶板导水裂隙串层污染、断层或陷落柱串层污染、封闭不良钻孔串层污染。对串层污染的控制基本在以下3个方面：① 切断串层污染途径，主要对不良导水钻孔、井筒和陷落柱等进行注浆封堵，一般为处于正常流场中局部异常分水岭的污染井，从而切断矿井水与含水层的水力联系；② 人为干预地下水流场也可以有效解决矿井水与含水层产生水位差导致的串层污染，其主要包括：控制灰岩水位使其高于矿井水位或控制矿井水位使其低于灰岩水位；同时控制2个水位，使2者处于动态平衡；采煤前预控制，严格履行煤炭开采探放水准则，健全供、排水系统，合理布设水质水位监测点。

3.4 矿井水处理

受煤矿井田所属地区的地质条件、环境气候和开采方式等因素的影响，致使不同废弃矿井水中所含污染物种类不同，据其所含污染物的差异性，将废弃矿井水划分为洁净矿井水、含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水和含毒害物矿井水5类。针对这5类废弃矿井水各自的特性分别对其使用以下技术进行处理：

(1)洁净矿井水处理。此类矿井水主要来源于石炭纪和奥陶纪石灰岩水、砂岩裂隙水和第四纪冲积层水等，常见于我国东北、华北等地的废弃矿井中。清洁矿井水pH值一般呈中性，具有低浑浊度、低矿化度、不含或含有极少有毒有害元素等特点，基本符合CJ 3020—93《生活饮用水水源水质标准》。对清洁矿井水的处理与利用，多采用“洁污分流”的方法，在井下埋设单独疏排管道，将清洁矿井水与其他被污染矿井水分开排出，经过简单处理后可作为工业用水，或经过消毒处理，达到生活饮用水标准后用作城市生活用水。对于含有多种微量元素的清洁矿井水可进一步处理为矿泉水。

(2)含悬浮物矿井水处理。含悬浮物矿井水水质一般呈中性，外观多为灰黑色，悬浮物含量较高，矿井水中的悬浮物主要由煤粉、岩粉及黏土等固体颗粒组成，并含有少量有机物、部分离子和大量细菌。对含悬浮物矿井水的处理一般采用混凝、沉淀、过滤、消毒等处理过程，最终处理后可满足生产生活使用。近年来随着工艺的不断发展，超磁分离工艺得到了大范围使用，超磁分离工艺通过投加微磁絮凝药剂和磁种媒介，让废弃矿井水中的悬浮物与磁种胶着为一体，生成具有磁性的絮状物后，借助永磁材料产生的高强磁场，在强磁场力的作用下，实现絮状物的快速分离。该工艺流程如图2所示。

图2 超磁分离工艺流程

图3 高矿化度矿井水处理流程

(4)酸性矿井水处理。含硫煤在开采及开采后，煤层、围岩中的含硫矿物质与氧气和水接触后发生氧化反应，产生大量的酸性矿井水。酸性矿井水通常分布在我国南方矿区，具有较强的酸性特征且富含铁、锰等高浓度重金属离子。若酸性矿井水处理不达标直接排出不仅会造成严重的土地酸碱度失衡，而且还会威胁矿区生态环境。酸性矿井水的处理技术包括：中和法、吸附法、硫化法、高浓度泥浆法、人工湿地法、微生物法及膜分离技术等，上述方法在对酸性矿井水处理时各具利弊，选用前务必开展水质分析并具有针对性选择，避免造成经济损失和引发环境再次污染。

(5)含毒害物矿井水处理。该类矿井水主要指含微量有毒有害元素矿井水、含放射性元素矿井水、含氟矿井水或含油类矿井水。我国北方部分煤矿矿井水含氟超过1 mg/L，含氟矿井水主要来源于煤与围岩中含氟矿物萤石(CaF)或氟磷灰石的地区，含氟矿井水的处理方法主要有膜法、电化学法、离子交换-吸附法、混凝沉淀法等。目前，活性氧化铝法在煤矿矿井水处理中广泛应用。对含有毒有害元素(Pb，Cd，Hg，As，Cr)矿井水处理利用，通常采用絮凝沉淀法和离子交换法。放射性元素矿井水中产生总α，β放射性的元素主要是铀、钍、镭等，对于煤矿大规模污水处理，化学沉淀法和吸附法具有相对优势。

4 废弃矿井水资源化利用

4.1 资源化利用途径

(1)地下污水处理中心。废弃矿井中的矿井水在矿井关闭停止排水后，矿井水位将快速回升，对矿区及周边地下水环境造成显著影响。地上式污水处理中心占地面积较大，不利于土地集约利用发展，并且在污水处理过程中会积聚大量含有毒物质的泥垢，对环境和居民产生巨大的潜在危害。建设地下污水处理中心将直接对废弃矿山中的矿井水进行净化处理，避免地上污水处理引发的一系列二次污染问题发生。地下污水处理主要包括预处理、生化池处理、二沉池处理、深度处理及污泥处理等五大中心环节。地下污水处理中心多采用膜生物反应器技术，它将生物处理与膜分离技术相结合，利用膜分离设备将生化池中的大分子有机物质和活性污泥保留，分别控制污泥停留时间和水力停留时间，最终实现系统的固液分离和污水中氨氮及难降解有机物的去除。经膜处理后的水质较好且稳定，经过后期消毒处理后，可作为水质和生物安全性较高的优质再生水，也可以直接作为新生水源。

(2)抽水蓄能发电站。由于我国早期大规模高强度的煤炭资源开采模式，使矿山关闭后遗留了大面积的采空区，煤炭采空后会造成地表塌陷并形成积水。充分利用矿井自身结构的高度差，将地表塌陷带水体作为上水库，地下巷道作为下水库(图4)，使用电力负荷低谷时的电能将水抽至上水库，在电力负荷高峰期通过放水至下水库中的发电站，将水的势能转化为电能。河北省丰宁抽水蓄能电站包括上下2个水库，落差425 m，年发电量可达66.12亿kW·h，可满足260万户家庭1 a的用电。抽水蓄能电站是电网系统的重要调节器，随着我国能源革命的推进，不仅实现了废弃矿井水的资源化利用，还进一步推动了矿区的生态文明建设。

图4 抽水蓄能发电示意

4.2 资源化利用体系

废弃矿井水资源化综合利用体系(图5)遵循“洁污分流，水质处理、分级应用”的原则，根据需水质量要求，将处理后的废弃矿井水用于工业、生活、农业及生态等方面。首先，在井下进行洁污水分流将净洁水通过输水管网运送到地上或地下洁净水库，直接或经过简单处理后作为井下生产、农业灌溉、生活生产等用水；污水则通过排水通道引流至地上或地下污水处理中心，运用3.4节中的矿井水处理技术进行净化处理使其达到工业用水、人畜饮用等相关标准，根据分质供水、梯级利用模式以满足不同领域的用水需求。废弃矿井水资源化利用要满足社会、经济和环境3方效益的最大化发展，在进行矿井水再利用时结合实际用水需求开展水质处理，一般遵循“先井下后井上，先工业后生活和农业”的使用原则，井下用于煤层注水、灭火、防尘和设备降温等，井上作为矿区洗煤和降尘用水或经进一步处理后用于生活与农业。

图5 废弃矿井水资源化综合利用体系

5 废弃矿井水发展趋势和研究展望

(1)摸清我国废弃矿井水再利用限制性因素，完善废弃矿井水资源化利用结构体系，补齐发展短板。我国废弃矿井水高效资源化利用尚处于初级阶段并存在缺乏扶持政策、技术驱动力不足、科研与市场脱节等方面的限制性因素。应加强政策引导和宏观调控，完善财政、税收、价格等方面的政策和扶持，拓宽投融资渠道；制定废弃矿井水利用标准、监督管理体系，加强技术标准和管理规范机制；坚持以市场为导向、企业为主体原则，将废弃矿井水利用纳入矿区发展总体规划；明确“产学研”一体化发展，建立科研成果集成化、规模化技术示范；推进废弃矿井水处理、管理、利用智能发展，开展关键技术与设备创新发展。

(2)深化“煤-水”双资源型矿井开采和矿井水控制、处理、利用、回灌与生态环保五位一体优化结合的研究开发战略。在煤炭资源开发中统筹区域经济发展和矿区生态文明建设，优化开采方法，创建煤水资源精确开发、科学闭坑、环境保护、废弃资源再利用和生态建设等多位一体优化结合的可持续发展体系，达到煤炭和水“双资源”共同开发与废弃矿井水多场耦合绿色发展目的，实现煤矿区水资源保护利用、煤炭资源绿色精准开发、矿区生态环境保护和可持续发展的综合目标。