煤礦酸性礦井水成因分析及對(duì)策建議

貴州省地礦局101地質(zhì)大隊(duì) 劉發(fā)康

一、酸性礦井水的危害

（一）河流污染

根據(jù)礦區(qū)內(nèi)河流水、礦井水水質(zhì)檢測報(bào)告得知，轄區(qū)平路河上游、泡木河上游及重安江上游水中的Fe3+、SO42-的濃度均較低，但是當(dāng)?shù)V井水、淋濾水進(jìn)入到河流后，這兩項(xiàng)離子都會(huì)逐漸升高。平路河上游、泡木河上游及重安江上游段pH值都偏弱堿性，但礦井水、淋濾水的匯入使得河流中的pH值急劇降低，水體呈酸性。從Fe3+、SO42-和pH值的變化趨勢判斷出該區(qū)域內(nèi)的礦山水質(zhì)惡化已較為嚴(yán)重，不但造成了魚洞河流域內(nèi)河流的污染，還進(jìn)一步影響到下游重安江的水質(zhì)。

（二）河流污染成因

根據(jù)《貴州省凱里市魚洞河流域生態(tài)環(huán)境綜合治理水文地質(zhì)勘查報(bào)告》，河流水質(zhì)受污染主要由礦井水、淋濾水污染及河流含沙量造成。

1.礦井水及淋濾水

礦井水、淋濾水污染主要分布于流域東部煤礦密集區(qū)，礦井水淋濾水污染區(qū)面積為80km2，占整個(gè)流域面積的34﹪。根據(jù)勘查報(bào)告，區(qū)內(nèi)的涌水礦井有30個(gè)，最大礦井涌水量為475.740L/s，總涌水量為1590.394L/s，所有的礦井水均存在污染情況，測得魚洞河匯入重安江出口處流量為5347.800L/s，則礦井水占魚洞河總流量的29.74﹪，所以礦井水對(duì)魚洞河的化學(xué)污染影響最大。經(jīng)調(diào)查，區(qū)內(nèi)共有煤矸石堆積體137個(gè)，占地面積為865713m2，體積為3797550m3，煤矸石淋濾水通過污染地表地下水造成的流域污染情況也不容小覷。

2.河流泥沙

河流含沙量主要分布于流域西部的非煤礦山密集區(qū)，由于非煤礦山多采用露天開采的方式，所以其對(duì)植被的破壞較大，易發(fā)生水土流失，且大量的重晶石礦山還有洗礦場的分布，也為河流含沙量提供了大量的物源。河流含沙量區(qū)面積為157.97km2，占整個(gè)流域面積的65.82﹪。區(qū)內(nèi)有非煤礦山18家，廢棄礦石場7個(gè)，占地面積105282m2，體積1209682m3，非煤礦山采場采坑76個(gè)，面積2518918m2，總面積為2624200m2，為大量的河流含沙量的物源提供區(qū)。

二、酸性礦井水的成因分析

（一）酸性礦井水基本特征

酸性礦井水整體呈淺黃色、黃褐色、嗅有鐵銹味。根據(jù)統(tǒng)計(jì)的28個(gè)礦井水水質(zhì)分析報(bào)告，礦井水pH值為3左右，地下水化學(xué)類型為SO4—Ca·Mg型水（見表1），為典型的酸性礦井水，礦井水污染附近土壤及污染水體，影響動(dòng)植物生長，形成的Fe（OH）3沉淀破壞當(dāng)?shù)鼐坝^。

表1 水質(zhì)類型

（二）酸性礦井水成因

1.酸性礦井水中水的來源

煤礦采空區(qū)一般高于當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面（平路河河床標(biāo)高），特別是礦井控制的采空區(qū)范圍，采空區(qū)范圍內(nèi)無大的地表水體（水庫、水塘、湖泊），無常年性地表河流，采空區(qū)內(nèi)及以上地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給，沿地表發(fā)育的巖溶洼地、塌陷等巖溶裂隙發(fā)育帶下滲或灌入式補(bǔ)給地下水（見圖1）。

2.酸性礦井水中污染物質(zhì)的來源

不同成因的地下水有不同的原始化學(xué)成分，它們?cè)谛纬蛇^程中與周圍的介質(zhì)即巖石及礦物不斷相互作用。水的化學(xué)成分也隨之發(fā)生變化，其結(jié)果使地下水的化學(xué)成分與原始化學(xué)成分產(chǎn)生很大的差別。根據(jù)已查明的與地下水接觸的巖石，如二疊系中統(tǒng)棲霞（P2q）、茅口組（P2m）灰?guī)r和梁山組（P2l）碎屑巖以及泥盆系上統(tǒng)堯梭（D3y）、望城坡組（D3w）白云巖與礦物組成。其中梁山組（P2l）碎屑巖主要為含鐵含煤的地層，以石英砂巖、鋁土巖、碳質(zhì)頁巖及煙煤、鋁土質(zhì)頁巖及菱鐵礦結(jié)核為主。各巖層中主要化學(xué)成分如下：

灰?guī)r中主要成分為CaO和CO2，其中CaO含量50.99﹪，CO2含量40.55﹪，MgO含量0.80﹪，其他成分7.66﹪；

白云巖中主要成分也為CaO和CO、MgO2，MgO的含量相較于灰?guī)r中有所升高。其中CO2含量43.29﹪,CaO含量30.75﹪，MgO含量17.94﹪，其他成分8.02﹪；

煤礦中固定碳含量36.393﹪，全鐵（TFe）含量3.679﹪，可溶鐵（KFe）含量1.546﹪，F(xiàn)eS2含量3.041﹪，F(xiàn)e2O3含量2.249﹪，CO2含量0.185﹪，S含量3.154﹪，Mn含量0.004﹪，F(xiàn)含量0.014﹪，其他占比49.735﹪。根據(jù)S的含量，將該煤層劃為富硫煤（S含量2.5～4﹪），煤礦中FeS2（黃鐵礦）含量較高，由于其易水解的特性，水解后的產(chǎn)物能直接影響到地下水、地表水的水質(zhì)；

鋁土礦中Al2O3含量49.30﹪，F(xiàn)e2O3含量2.19﹪，全鐵（TFe）含量1.59﹪，可溶鐵（KFe）含量0.83﹪，F(xiàn)eS2含量0.15﹪，Mn含量0.01﹪，F(xiàn)含量0.01﹪，其他成分占比45.92﹪；全鐵（TFe）含量18.329﹪、可溶鐵（KFe）含量16.120﹪、FeS2含量0.234﹪，F(xiàn)e2O3含量24.384﹪，CO2含量0.383﹪，S含量0.180﹪，Mn含量0.014﹪，固定碳含量4.480﹪，F(xiàn)含量0.034﹪，其他成分占比35.842﹪。前三項(xiàng)合計(jì)40.738﹪，為礦井水中Fe2+、Fe3+提供了豐富的礦物條件。

煤矸石堆中CaO含量0.389﹪，MgO含量0.512﹪，CO2含量1.356﹪，全鐵（TFe）含量3.760﹪，可溶鐵（KFe）含量1.579﹪，F(xiàn)eS2含量1.651﹪，F(xiàn)e2O3含量3.579﹪，Mn含量0.008﹪，F(xiàn)含量0.022﹪，Al2O3含量20.580﹪，SiO2含量52.860﹪，F(xiàn)eO含量0.630﹪，TS含量2.02﹪，SO3含量2.830﹪，其他成分占比8.215﹪。

礦物由于部分元素如Fe、S、Mn、Al等富集程度高，地表地下水在溶解、水解礦物的過程中會(huì)使得地表地下水中部分離子含量往往高于正常值，導(dǎo)致了地表地下水的污染。由于梁山組中富硫煤的存在，使得地下水中會(huì)存在大量的SO42-離子，使得地下水會(huì)出現(xiàn)含硫酸鹽的類型水。如HCO3?SO4－ Ca 型水、HCO3?SO4－ Ca?Mg 型水、SO4－Ca型水、SO4－Ca·Mg型水等等。

3.酸性礦井水形成過程

煤層的頂?shù)装宥际浅渌畬?，?dāng)上部含水層中地下水底板隔水層被采礦破壞后，頂板含水層中地下水充入采空區(qū)，煤系地層中黃鐵礦（FeS2）經(jīng)水解、氧化等作用，使水中鐵、硫酸鹽、錳、pH等超標(biāo)，地下水水質(zhì)下降。具體過程如下：

FeS2的氧化作用：

（1）在氧和水存在的條件下，煤層或者頂、底板巖層中硫鐵礦被氧化，生成硫酸和亞鐵離子：

2FeS2+7O2+2H2O=4H++2Fe2++4SO42-

（2）在酸性條件下，亞鐵離子被進(jìn)一步氧化成鐵離子：

2Fe2++0.5O2+2H+=2Fe3++H2O

（3）由于Fe3+在pH值大于3.5時(shí)，水解生成氫氧化鐵，增加了礦井水的酸度：

2Fe3++6H2O=2Fe(OH)3+6H+

從以上反應(yīng)式可以看出，2mol的FeS2氧化生成6mol的H+和2mol的Fe(OH)3，結(jié)果不但使礦井水呈酸性，而且因Fe(OH)3懸浮于水中，使礦井水呈黃褐色。

根據(jù)相關(guān)資料，F(xiàn)eS2氧化產(chǎn)物Fe3+對(duì)FeS2具有氧化作用：

FeS2（s）+14Fe3++8H2O=15Fe2++2SO42-+16H+

因此，氧化生成的Fe3+加快了FeS2的氧化速度，增加了礦井水的酸性。

三、對(duì)策建議

為踐行綠水青山就是金山銀山的理念，現(xiàn)階段對(duì)魚洞河流域酸性礦井水進(jìn)行綜合治理已刻不容緩，經(jīng)過近期參與的貴州省凱里市魚洞河流域生態(tài)環(huán)境綜合治理水文地質(zhì)勘查項(xiàng)目及赴其他單位進(jìn)行酸性礦井水封堵考察學(xué)習(xí)，對(duì)酸性礦井水的治理提出如下對(duì)策建議：

（一）恢復(fù)地下水環(huán)境

全面封堵與煤礦礦井連通的巷道、采空區(qū)，阻隔空氣進(jìn)入，還原開采前的地下水環(huán)境；對(duì)于支護(hù)較好的巷道、采空區(qū)，可經(jīng)過二次支護(hù)，采用混凝土對(duì)頂、底板進(jìn)行封堵，在保證完全安全的前提下進(jìn)行礦山旅游開發(fā)。

（二）改變地下水動(dòng)力條件

在主巷道與采空區(qū)的接觸處進(jìn)行封堵，使頂板含水層中的水位抬升到頂板標(biāo)高以上，封堵標(biāo)高為采空區(qū)的極值標(biāo)高。

（三）跌水曝氣

對(duì)于水量較小、且有足夠長跌水路徑的礦井，可采用跌水曝氣+沉淀池進(jìn)行處理，其原理為在跌水曝氣過程中，酸性水體中的Fe2+充分氧化、沉淀，直至排出的水體為清水。