酸性矿井水的治理思路及工程实例分析

林光鑫，许 昶，沈 飞，杨在文，程 科

(1.四川省天晟源环保股份有限公司，成都 610037；2.四川省地质工程勘察院集团有限公司，成都 610072)

引 言

矿井封堵法属于AMD的源头控制技术之一，兼具过程阻断功能，属于标本兼治的一种处理方式。在充分掌握矿井情况及周边水文地质、工程地质条件后，矿井封堵法所需工程量一般不高，且为一次性投入，后期基本无运行费用，工程整体治理费用较低。目前我国还没有利用矿井封堵法治理AMD的案例。本文将矿井封堵法用于关口煤矿4#矿井AMD的治理，以实际工程案例为矿井封堵法的工程应用提供技术和数据参考。

1 材料与方法

针对通过源头控制与过程阻断方式治理酸性矿井水的问题，以广元市关口煤矿4#矿井为例，采用矿井封堵法治理酸性矿井水，不但降低了矿井水pH值改善了水质，同时解决了酸性矿井水排放带来的环境问题。

1.1 工程概况

关口煤矿所在黄家沟最早开采煤矿历史可追溯到20世纪90年代，主要开采二叠系吴家坪组(P2w)煤层。4#矿井平水期涌水量400～500 m3/d，丰水期涌水量约2000 m3/d，在实施治理前2019年10月(平水期)其水质如表1，主要表现为pH值低，铁、硫酸盐含量较高。西北河受关口煤矿矿井涌水的影响较为直观，黄家沟汇入之后，西北河水质明显变差。

表1 关口煤矿4#矿井水水质分析结果Tab.1 Analysis results of water quality of Guankou coal mine 4# mine (mg/L)

1.2 工程区地质条件

关口煤矿地处四川盆地北部边缘，属于构造溶蚀侵蚀中山地区，区内海拔高程600～1300 m。关口煤矿所在的黄家沟沟谷狭长，两侧山脊呈北东-南西向条形岭脊近于平行展布。关口煤矿西南及西北侧的西北河河谷深切，两岸多呈直立峭壁。关口煤矿4#矿井从外到内依次穿越三叠系下统飞仙关组(T1f)、二叠系上统大隆组(P2d)、长兴组(P2c)、吴家坪组(P2w)，揭露二叠系下统茅口组(P1m)顶板(图1)。关口煤矿区处于龙门山边缘坳陷褶皱的东部边缘，位于关口背斜南东翼。关口背斜轴部延伸方向为北东-南西向，南东翼地层急转较陡，倾角50°～72°，发育断层F1，倾向北西，倾角71°，北西翼地层较缓，倾角14°～27°。

图1 关口煤矿4#矿井剖面图Fig.1 Section of Guankou coal mine 4# mine

区内地下水主要接受大气降雨补给。在未进行煤矿开采时，区内以碳酸盐岩裂隙溶洞水为主的地下水，主要在关口背斜所在的山脊等岩溶发育部位接受大气降雨补给，向西北河倾伏端排泄。在关口煤矿开采后，矿井成为地下水排泄的优势通道，区内地下水沿矿洞主要向黄家沟排泄。根据水文地质勘察资料，三叠系下统飞仙关组(T1f)含水岩组泉流量0.01～0.1 L/s，单井涌水量小于10 m3/d，属于相对隔水层；二叠系上统大隆组和长兴组(P2c+d)含水岩组泉发育较少，泉流量0.1～2 L/s，未见暗河发育；碳酸盐岩裂隙溶洞水埋藏较深，含水岩组泉流量5～50 L/s，暗河流量200～500 L/s，地下水径流模数10～14 L/s·km2[8]。因此，关口煤矿4#矿井水的主要来源是区内地下水补给资源量，也就是二叠系地层赋存的碳酸盐岩裂隙溶洞水。

关口煤矿4#矿井洞口围岩为三叠系下统飞仙关组(T1f)中风化泥灰岩，其物理力学试验成果见表2，饱和抗压强度为13.8 MPa，属软岩，岩体较完整，围岩岩体质量等级为Ⅳ类[9]。

表2 中风化泥灰岩岩石物理力学试验成果统计表Tab.2 Statistics of physical and mechanical test results of weathered marl rock

良好的水文地质工程地质条件为关口煤矿4#矿井进行封堵治理创造了条件，同时封堵实施后矿井水水位将抬升，沿原有二叠系下统岩溶裂隙通道径流，于已有溶洞暗河排泄。

1.3 矿井封堵原理

AMD是在空气、水与微生物的共同作用下产生的。由于微生物在土壤与矿山环境中广泛存在，导致微生物的作用难以控制和阻断。因此，只有通过控制空气中氧的扩散速度，减少水中的溶解氧含量才能有效地控制硫铁矿的氧化，从而阻断AMD的产生[9～13]。相关反应方程式如下：

(1)

(2)

(3)

2H++CaCO3→Ca2++CO2++2H2O

(4)

2H++MgCO3→Mg2++CO2++2H2O

(5)

对于露天开采的矿山，如果地下水对硫铁矿的影响小，则可以在其表面用粉煤灰、土壤层覆盖，减少硫铁矿与氧气接触的范围。对于地下开采的矿山，主要是采用矿坑封闭法和水封法。矿井封堵法可以直接控制酸性矿井水不从矿井洞口涌出，在抬升水位的同时，一定程度上隔绝了硫铁矿层与空气的接触，从而逐渐从源头上减缓氧化过程，因此其兼具了源头控制与过程阻断两种治理方式。但矿井封堵需要对矿井开采情况及周边的水文地质条件有充分的掌握，同时对硐室稳定性等工程地质条件有一定要求。

1.4 矿井封堵方法

关口煤矿4#矿井采取源头控制+跟踪监测的治理方案，从源头上抑制AMD形成，其中矿井封隔可以隔绝氧气，并进一步形成水封。其施工工艺主要为“砖砌体+黏土隔水+砖砌体+混凝土+砖砌体+黏土隔水+砖砌体+混凝土封堵井口”等，其施工工艺流程如图2。

图2 矿井封堵施工工艺流程图Fig.2 Process flow chart of mine plugging construction

1.5 主要设计参数

矿井封堵长度40.9 m；矿井封堵位置5.0～45.9 m；洞口周围5.0 m内注浆孔间距为1.0 m，5.0～20.0 m范围内注浆孔间距为2.0 m，20.0～30.0 m范围内注浆孔间距为4.0 m，注浆深度15.0 m；设置了地质灾害、水质、水压跟踪监测点共计7个。

2 结果与讨论

2.1 矿井水位变化

2020年4月关口煤矿4#矿井封堵治理后，经过近两个水文年的跟踪监测，井口及周边无水渗出，4#矿井水水位抬升至47.0 m后趋于稳定(图3)，水位在43.4 m～48.6 m之间呈周期性波动，水位变幅5.27 m。证明关口煤矿4#矿井封堵治理后，矿井水恢复至地下水系统平衡状态，地下水已沿开采前原有地下水通道径流排泄。

图3 4#矿井水位抬升高度变化图Fig.3 Height variation diagram of 4# mine drainage level elevation

2.2 矿井水质变化

表3 关口煤矿4#矿井水治理前后主要水质污染指标对比分析Tab.3 Comparative analysis of main water pollution indexes before and after treatment of 4# mine water in Guankou Coal Mine

图4 4#矿井水pH值变化图Fig.4 pH variation diagram of 4# mine drainage

图5 4#矿井水硫酸盐浓度变化图Fig.5 Sulfate concentration variation diagram of 4# mine drainage

图6 4#矿井水铁含量变化图Fig.6 Iron content variation diagram of 4# mine drainage

4#矿洞封堵治理前酸性矿井水直接排入黄家沟，治理前(2019年10月21日)黄家沟水质为pH值6.37、硫酸盐371 mg/L、铁49.3 mg/L、三价铁3.50 mg/L、二价铁45.8 mg/L、锰1.39 mg/L。治理后(2021年9月30日)黄家沟水质为pH值7.14、硫酸盐224 mg/L、铁<0.05 mg/L、三价铁<0.05 mg/L、二价铁<0.05 mg/L、锰<0.0005 mg/L。通过4#矿洞治理前后对黄家沟上下游水质监测数据可知，黄家沟水质得到了极大改善。

2.3 应用实例对比分析

通过对本工程与浙江长广集团公司六矿矿井[10]、叙永兴发二队主井酸性矿井水治理实例分析(表4)，封堵治理与直接处理法(两级综合法、一体化中和沉淀水处理系统)对比可知，封堵治理建设费用高于直接处理法约50 %，但封堵治理后无酸性矿井水涌出，无需运维，节约了运维费用及管理成本。

表4 酸性矿井水治理应用实例对比分析Tab.4 Comparative analysis of application cases of acid mine drainage treatment

续表4

3 结 论

(2)矿井封堵法治理具有减少AMD排放、改善地表水环境、保护地下水资源、减少运维费用等优点，在经济效益和环境效益方面相比修建污水处理厂具有明显优势。

(3)矿井封堵法适用于具有良好的地下水隔水层、围岩工程地质条件较好的矿洞，且需要矿山开采相关资料齐全，需在清楚了解矿区水文地质、工程地质条件的基础上因地制宜设计封堵位置、长度、结构等。矿井封堵后矿井水水质有所改善，但是否能通过自然净化达到地下水质量Ⅲ类标准还需后期持续监测和研究。