韩家洼煤矿采空区水污染物溶解释放规律研究*

王治文，李艳龙，孙建军，王 亮

（山西煤炭进出口集团左云韩家洼煤业有限公司，山西 大同 037100）

我国煤炭资源储量丰富，长期的煤矿开采引发了诸多水文地质及生态环境问题[1-2]。矿井水文地质结构影响着矿井涌水量的大小及矿井水化学特征[3-4]，区域水文地球化学场演变作用过程，也影响矿井水的特征成分及其演化方向[5]。

大同煤田煤炭资源储量巨大，经过近四十年的高强度开采，侏罗系煤层内赋存了规模体系较大的采空区，特殊的干旱黄土地貌为浅埋的采空区提供了良好的充水水源及导水通道条件。因大同市水资源严重短缺，多年来居民供水紧张，对采空区水资源优化利用技术的研究具有重要意义。针对上述问题研究了韩家洼煤矿采空区水在不同固液、不同浸泡时间条件下污染物的溶解释放规律，从而为煤矿采空区水的资源化利用提供科学理论依据。

1 研究区水文地质概况

韩家洼井田位于神头泉域北部边界附近，属神头泉域补给区。井田及周边地区无地表水体赋存，大气降水通过垂直渗透的方式补给煤系地层砂岩裂隙含水层。井田中部的北泉沟于雨季有短暂洪流，为矿井地下水的重要补给源。井田内的含水层主要有第四系松散岩类孔隙含水层、风化壳碎屑岩裂隙含水层、下石盒子组砂岩裂隙含水层、山西组砂岩裂隙含水层、太原组砂岩裂隙含水层及奥陶系碳酸盐岩类岩溶含水层组。

根据韩家洼煤矿提供的2015 年至2020 年6月矿井涌水量观测统计资料分析，2017 年至2020年矿井正常涌水量为28.5～31.6 m3/h，矿井最大涌水量为30～37.6 m3/h。

2 采空区水质评价

根据韩家洼煤矿提供的水质检测报告，韩家洼煤矿采空区水的主要离子成分及含量如表1 所示。

表1 韩家洼煤矿采空区水质检测报告

由表1 可以发现，韩家洼煤矿采空区积水中总溶解性固体物质（TDS）、总硬度值均较高，水体遭受轻度污染。结果显示矿井水在采空区经过了长期淋溶，导致煤层采空区内垮落的砂岩、石灰岩中的众多沉积盐类进入水体并充分溶解，采空区水中的Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-增多，导致矿井水中的矿化度增高。

另外重金属Fe 明显低于标准值，矿井水中氟化物的指标也在合理的数值范围内。从表1 中数据整体分析来看，韩家洼矿区含水层的水质比较好，属于Ⅱ类水质，为矿井水的处理和净化提供了有利的条件。

按照国家 《地下水质量标准》（GB/T14848-2017） 中的部分标准指标对韩家洼煤矿井下水水质进行评价，主要评价因子如下：硬度、硝酸盐、亚硝酸盐、氯化物、氨氮、硫酸盐，水质评价结果如表2 所示。

表2 地下水质量标准分析项目

从表2 的数据可知： 韩家洼煤矿井下矿井水永久硬度、暂时硬度的浓度含量都达到地下水Ⅲ类的标准值。矿井水中Ca2+和Mg2+的浓度均比较高，需要利用净化工艺进一步降低其浓度才能达到深度处理目标，处理后的矿井水可以作为矿区职工洗浴用水及景观用水等。

3 采空区煤体浸泡试验

3.1 实验方法

为了探究韩家洼煤矿采空区水污染物的溶解释放规律，本次在韩家洼煤矿采取了新鲜煤样，并对其进行了煤体浸泡试验，具体的实验过程如下：

本次试验结合煤矿采空区的实际特点，主要分析煤体在不同固液比条件下浸泡随时间变化水中溶出各离子成分的变化趋势，本试验采取平行双样进行测试分析。

实验前，分别称取3 类煤样各400 g、200 g、100 g，粒度≤10 mm，置于2 500 mL 试剂瓶中，加入去离子水2 000 mL，初始pH 值为7，混合后的溶液形成的固、液质量比分别为1∶5、1∶10、1∶20，期间进行间歇式搅动，测定不同浸泡时间的上清液。

试验测试过程中，测定滤液中的主要水质因子：氯化物（C1-）、钠（Na+）、硫酸盐（SO42-）、总硬度（CaCO3）、钙（Ca2+）、铁（Fe3+）、耗氧量（OC）、总溶解性固体（TDS）、pH 值等，并确定主要污染因子。

按照上述实验步骤，针对韩家洼煤样在不同固液比下分别浸泡10、20、30 天后，采取上清液进行水质全分析。

3.2 试验结果分析

根据上述试验的水质全分析结果发现，煤样浸泡后水中阳离子主要为Ca2+、Mg2+，其次为K+、Na+，阴离子主要为HCO3-，其次为SO42-、Cl-；主要污染因子为总硬度、溶解性总固体、硫酸盐；pH 为偏碱性，铁离子、硝酸盐含量较低，这与采空区实际采样的水质化验结果中各主要离子成分的比例基本一致。

为了进一步探究煤样在不同固液比条件下随时间变化的水质演化规律，根据上述试验结果，绘制了各水质影响因子在1∶5、1∶10、1∶20 固液比条件下分别浸泡10、20、30 天的变化曲线，如图1、图2 所示。

图1 不同固液比条件下浸泡总硬度分析结果

图2 不同固液比条件下浸泡TDS 分析结果

由图1、图2 可以看出，在不同固液比条件下对煤样进行浸泡处理，随着浸泡时间的变化，浸泡液中主要阴阳离子及总硬度、TDS 等指标均呈上升趋势，且固液比越大，各主要参数的浸出浓度越高，这与水与煤体发生溶滤作用密切相关。

4 结论

1）根据大同市左云韩家洼煤矿采空区水水质检测结果，对韩家洼采空区水污染程度进行了初步评价，发现韩家洼矿井水中溶解性总固体及总硬度均较高，采空区水轻度污染。

2）通过煤体浸泡试验，探讨了采空区水中污染物的溶解释放规律。试验结果表明：随着浸泡时间的变化，浸泡液中主要阴阳离子及总硬度、TDS等指标均呈上升趋势，且固液比越大，各主要参数的浸出浓度越高，这与采空区水与残留煤体、煤矸石发生溶滤作用有关。

3）煤矿区采空区水的水质演化是一个非常复杂的过程，涉及地下水动力场、水化学场、温度场以及微生物群落等多因素耦合，其具体机理及过程模拟尚需进一步研究探索。