廢棄煤礦山酸水地學(xué)防治的實(shí)驗(yàn)室模擬研究

盧裴裴 王詩揚(yáng)，3

(1.貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，貴州 貴陽 550004；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源勘查工程，湖北 武漢 430074；3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)計算機(jī)科學(xué)技術(shù)與軟件工程)

1 引言

煤炭作為主要的能源之一，在經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中發(fā)揮了重要的作用。但大量閉坑和政策性關(guān)閉的煤礦山及老窯卻留下了眾多的廢棄礦坑和地下采空區(qū)，并產(chǎn)生了大量的酸性礦井水，造成地下水污染(李懷展，2015；胡立峰，2005；楊勝元等，2008)，或溢出地表造成大面積的地表水污染(梁浩乾等，2019)。在煤礦水的污染類型中，酸性礦井水的危害最為顯著(沈繼芳，于青春，胡章喜，1992)，成為生態(tài)環(huán)境中的“毒瘤”，也成為“山水林田湖草”生態(tài)環(huán)境治理的一項(xiàng)重要工作。

傳統(tǒng)的礦井酸性水治理方法主要包括：物理化學(xué)處理方法、生物化學(xué)處理方法，以及濕地生態(tài)學(xué)處理方法三大類(黃世龍，王學(xué)軍，2001)，這些治理方法均局限于對礦井酸水溢出地表以后進(jìn)行“末端治理”處理，是一種“被動”的治理(黃世龍，王學(xué)軍， 2001)，具有運(yùn)行成本高、管理難度較大的特點(diǎn)。近代針對煤礦酸性水“源頭控制”技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今主要研究方向，不同的學(xué)者和專家提出了諸如抑制鐵氧化菌技術(shù)、通過物理化學(xué)反映在硫化礦物表面形成不溶惰性膜的鈍化處理技術(shù)、采用碳酸鹽巖巖石充填采空區(qū)減緩酸性水形成的技術(shù)(叢志遠(yuǎn)等，2002)等等。眾所周知，煤礦礦井酸水的形成是硫化礦物被氧化并與地下水相互作用的結(jié)果(鮑道亮，2003)，而上述方法都僅局限于從物理化學(xué)的角度減緩硫化礦物的氧化進(jìn)程，仍不能較好的實(shí)現(xiàn)從源頭上徹底實(shí)現(xiàn)酸性礦井水形成。為此，需要探索一種新的、從源頭上減輕乃至阻斷礦井酸水產(chǎn)生的“前端”治理方法。

本研究以地球化學(xué)及地下水動力學(xué)(陳崇希，林敏， 1997)為指導(dǎo)，力圖從地學(xué)的角度探索從源頭上防治廢棄煤礦山酸性水的新模式。通過建立閉坑煤礦山礦床物理模型，分別開展了模擬開放的“氧化環(huán)境”和隔絕空氣的“還原環(huán)境”條件下硫化礦物氧化演變實(shí)驗(yàn)，以及通過改變排水高程模擬改變水動力條件下的礦井排水水質(zhì)演化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：“還原環(huán)境”下礦井中硫化礦物氧化程度明顯滯緩于“氧化環(huán)境”；抬高排水高程后，礦井排水的pH值顯著上升。實(shí)驗(yàn)證明“地學(xué)治理”的途徑可行、有效，實(shí)驗(yàn)結(jié)果一定程度上豐富了礦山地質(zhì)環(huán)境治理修復(fù)的理論，并為后期野外治理工程奠定了基礎(chǔ)，對廢棄煤礦山生態(tài)修復(fù)治理具有借鑒意義。

2 研究的基本思路

煤礦酸性礦井水的形成是在氧化環(huán)境中硫鐵礦(FeS2)被持續(xù)氧化，并與地下水共同作用的結(jié)果(胡立峰， 2005；李錦文等，2012)。礦井酸性水形成的主控因子為“硫鐵礦(FeS2)”、“氧氣(O2)”、“地下水(H2O)”。其中“硫鐵礦”是煤礦床客觀存在的、不因人的意志改變的地質(zhì)背景，而“氧化環(huán)境”、“地下水動力”則是可控的。因此，可以通過人為工程干預(yù)，改變礦井中“氧化環(huán)境”和礦山所處地下水系統(tǒng)的“水動力條件”(王明章等，2014；中國地質(zhì)調(diào)查局.2003)，來實(shí)現(xiàn)廢棄礦山酸性礦井水的治理和生態(tài)環(huán)境的修復(fù)。

3 研究方法

以地球科學(xué)為指導(dǎo)，綜合礦床水文地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)、環(huán)境水地質(zhì)學(xué)和地下水動力學(xué)等相關(guān)理論，采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)方法。

3.1 實(shí)驗(yàn)室物理模型建立

3.1.1 廢棄煤礦基本特征

廢棄煤礦山具有如下共同特征：地表下遺留了大面積的“井巷”和 “采空區(qū)”，采空區(qū)通過遺留的運(yùn)輸井筒、風(fēng)井等與地表相通；采空區(qū)頂、底板及邊邦殘留一定數(shù)量的硫分含量較高的煤炭甚至硫鐵礦；采空區(qū)及井巷部分地帶已經(jīng)發(fā)生頂板坍塌、并在頂板產(chǎn)生了大量的“冒落導(dǎo)水裂隙帶”，這些裂隙帶不同程度導(dǎo)通為采空區(qū)上覆含水巖層，成為含水層中地下水向采空區(qū)充水的通道。

3.1.2 廢棄煤礦山物理模型建立

根據(jù)廢棄煤礦山的共性特征，建立了實(shí)驗(yàn)室礦山物理模型(圖1)。

圖1 廢棄煤礦山實(shí)驗(yàn)室物理模型示意圖

實(shí)驗(yàn)室礦山物理模型由以下四部分組成：

“供水系統(tǒng)”。包括“供水水箱”、“進(jìn)水控制閥”、“進(jìn)水管”；

“廢棄礦山系統(tǒng)”。包括“廢棄礦坑系統(tǒng)”和“模擬采空區(qū)(儲煤槽)”。 “廢棄礦坑”除模擬采空區(qū)為無充填空間外，其余部分全部采用透水性極差的泡沫材料全充填并在泡沫材料中適當(dāng)留設(shè)小型裂縫，模擬礦坑采空區(qū)上覆蓋巖層及導(dǎo)水裂隙；

“排水系統(tǒng)”。包括 “排水管(口)”、“出水控制閥”。排水管分別按照高于模擬采空區(qū)(儲煤槽)0.3 m、0.4 m、0.5 m設(shè)置；

“水位監(jiān)測系統(tǒng)”。由多個控制不同高程的監(jiān)測管組成。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

3.2.1 “氧化環(huán)境”礦井酸水形成的模擬實(shí)驗(yàn)

在儲煤槽(模擬采空區(qū))中填入“高硫煤”，注入無污染的清水，開啟礦山模型的進(jìn)、排水通道，模擬與地表空氣連通的采空區(qū)“氧化環(huán)境”以及“氧化環(huán)境”下硫化礦物氧化的演化過程。

3.2.2 “還原環(huán)境”礦井酸水形成的模擬實(shí)驗(yàn)

在儲煤槽(模擬采空區(qū))中填入“高硫煤”，注入無污染的清水，關(guān)閉礦山模型的進(jìn)、排水通道，模擬與地表空氣隔離的采空區(qū)“還原環(huán)境”，以及“還原環(huán)境”下硫化礦物氧化的演化過程。

3.2.3 “水動力條件改變”礦井酸水排放模擬實(shí)驗(yàn)

在儲煤槽(模擬采空區(qū))中填入“高硫煤”，關(guān)閉排水系統(tǒng)閘閥；開啟進(jìn)水系統(tǒng)閘閥對“模擬礦山系統(tǒng)”充水至模擬礦坑系統(tǒng)達(dá)到“飽水”狀態(tài)，關(guān)閉進(jìn)水閘閥，讓“高硫煤”在浸泡1周，讓酸性水充分形成；開啟供水“供水系統(tǒng)”閘閥向“礦山系統(tǒng)”充水，開啟“排水系統(tǒng)”某一高程的排水閘閥進(jìn)行排水，模擬礦山地下水系統(tǒng)中地下水循環(huán)。按照一定的時間間隔在排水口采集水樣，采用“水質(zhì)多參數(shù)儀”、pH試紙現(xiàn)場檢測水樣的pH值、氧化還原電位(ORP)、電導(dǎo)率，并詳細(xì)記錄測量和檢測結(jié)果。同一高程排水實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，再依次進(jìn)行下一排水高程的實(shí)驗(yàn)。不同排水高程實(shí)驗(yàn)的延續(xù)時間以水樣PH值達(dá)到基本穩(wěn)定為準(zhǔn)。

3.3 數(shù)據(jù)采集

“氧化環(huán)境”和“還原環(huán)境”礦井酸水演化實(shí)驗(yàn)均從實(shí)驗(yàn)開始，第一周每天采樣1次，嗣后間隔5天、10天采樣1次，作pH值測試。

“改變水動力條件”礦井酸水排放模擬實(shí)驗(yàn)在排水管出口采樣，采樣時間間隔原則上每15分鐘1次，測試項(xiàng)目包括PH值、氧化還原電位(ORP)及電導(dǎo)率(SED)。

4 結(jié)果與分析

4.1 結(jié)果

4.1.1 “氧化環(huán)境”下礦井酸水演化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

“氧化環(huán)境”條件下模擬礦井酸水演化實(shí)驗(yàn)檢測結(jié)果見表1、圖2。

表1 氧化環(huán)境條件下高硫煤水溶液pH值演化檢測成果表

圖2 氧化環(huán)境下高硫煤溶濾液pH演化歷時曲線圖

4.1.2 “還原環(huán)境”下礦井酸水演化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

“還原環(huán)境”條件下模擬礦井酸水演化實(shí)驗(yàn)檢測結(jié)果見表2、圖3。

表2 還原環(huán)境條件下高硫煤水溶液pH值演化檢測成果表

圖3 還原環(huán)境下高硫煤溶濾液pH演化歷時曲線圖

4.1.3 “改變水動力條件”礦井排水水質(zhì)演化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

距模擬采空區(qū)(儲煤槽)不同高程排水實(shí)驗(yàn)排水口水中pH值、氧化還原電位(ORP)以及電導(dǎo)率檢測結(jié)果見表3、圖4。

表3 不同高程條件下礦井排水水質(zhì)演化實(shí)驗(yàn)記錄表

圖4 “不同高程條件下”礦井排放水質(zhì)演化歷時曲線圖

4.2 分析

4.2.1 不同環(huán)境條件礦井酸水演化趨勢

不同環(huán)境條件礦井酸水演化實(shí)驗(yàn)得出兩個結(jié)論：一是高硫煤溶濾液pH值下降與水、煤相互作用的時間呈指數(shù)關(guān)系，在開放的“氧化環(huán)境”條件下滿足pHt=pH0e-0.3623t，而“還原環(huán)境”條件下則為pHt=pH0e-0.1565t，氧化環(huán)境下的pH值的衰減速率是還原環(huán)境條件下的2.32倍；二是開放的“氧化環(huán)境”條件下高硫煤溶濾液pH值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于“還原環(huán)境”條件下的pH值。

4.2.2 改變水動力條件下礦井排放水pH演化特征

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著模擬礦井排水口的抬高，排水口水中pH值和氧化還原電位隨之升高呈正相關(guān)關(guān)系，而電導(dǎo)率相應(yīng)減小呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖5)。特別是當(dāng)出水口高于模擬采空區(qū)頂板0.3 m以后，上述變化極為顯著，當(dāng)出水口高于模擬采空區(qū)頂板0.5 m時，排水口出水的pH值基本恢復(fù)到了進(jìn)水口的“本底值”。

圖5 不同高程排水口pH值演化曲線圖

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

(1)封閉廢棄煤礦山采空區(qū)與地表的聯(lián)系通道，盡可能的將原地下采空區(qū)的“氧化環(huán)境”改造為近似的“還原環(huán)境”，可以實(shí)現(xiàn)延遲礦井酸性水的形成時間和減低礦井水酸性程度。

(2)通過抬高排水口與模擬采空區(qū)的距離，可以實(shí)現(xiàn)排水口pH值改善。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，在廢棄礦井采空區(qū)下游合理設(shè)置地下截水“帷幕”，抬升“帷幕”上游地下水系統(tǒng)含水層徑流帶，而將原采空區(qū)中地下水徑流帶改變成為滯留帶，并利用采空區(qū)頂板巖層滲透性弱、彌散性差的特點(diǎn)，有效截斷礦井采空區(qū)中酸性礦井水和含水層上游清潔地下水的混合，實(shí)現(xiàn)“清污分流”，以達(dá)到廢棄煤礦山地下水和地表水質(zhì)的改善。

(3)本研究提出“地學(xué)模式”對治理廢棄礦山酸性礦井水，實(shí)現(xiàn)礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)是可行的，研究成果為從源頭治理廢棄煤礦山礦井酸水提供了技術(shù)支撐。

5.2 討論

(1)“煤礦酸性水地學(xué)防治”的理論基礎(chǔ)是環(huán)境地球化學(xué)和地下水動力學(xué)，治理的實(shí)質(zhì)是減緩礦進(jìn)污染組份形成，以及實(shí)現(xiàn)廢棄煤礦山地下水系統(tǒng)中地下水的“清污分流”。因此，必須以詳細(xì)查明廢棄煤礦山礦床水文地質(zhì)條件和礦山采空區(qū)空間分布為前提，據(jù)此合理進(jìn)行“井巷封堵”和“帷幕”設(shè)計，才能有效實(shí)現(xiàn)廢棄煤礦山礦井酸水的治理。

(2)受有研究經(jīng)費(fèi)等多種因素影響，未能開展采空區(qū)上覆巖層的巖性和厚度與礦井酸水垂直彌散能力關(guān)系的模擬研究。

(3)本研究成果僅為實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，未來尚需在實(shí)際的廢棄煤礦山工程治理中進(jìn)一步檢驗(yàn)，完善。