露天礦地下水庫人工回灌介質(zhì)滲透性與水質(zhì)變化規(guī)律研究

張溪彧，楊 建，王 皓，王強民，王甜甜

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710177;3.西安交通大學 能源與動力工程學院，陜西 西安 710049)

0 引 言

在煤炭開采過程中，覆巖結(jié)構(gòu)的破壞無法避免，導致地表及地下水資源漏失進入礦井中形成礦井水[1]。其作為一種多元混合體系早期與瓦斯、粉塵、火災等一同被視為礦井四大災害之一，往往采用預疏放、超前區(qū)域治理等方式消除隱患，隨著環(huán)保形勢日益嚴峻，越來越多的專家學者也意識到了礦井水的資源屬性，《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出到2020年礦井水綜合利用率達到77%～80%。從途徑而言礦井水保護主要分為源頭治理和終端處理[2]，源頭治理是指保護隔水層的方式避免水資源漏失，而終端處理是指在地面構(gòu)建大型水處理設施對井下礦井水進行統(tǒng)一處理，存在著、處理成本高、處理周期較長的弊端。地下水庫[3]作為礦井水潔凈利用的一項關鍵技術已受到行業(yè)廣泛關注，其不僅可以有效解決水資源的季節(jié)性矛盾，真正意義上實現(xiàn)水資源的“冬儲夏用”，礦井水與垮落巖體發(fā)生水巖作用，對水中部分污染外物有一定的去除效果，可以省去冗雜的處理工藝，研究發(fā)現(xiàn)：經(jīng)地下水庫自凈化作用，礦井水中Fe3+去除率達到68%～100%，Mn2+去除率達到75%～99%，其主要通過附著在懸浮物表面被去除[4]；采空區(qū)垮落及充填的煤矸石，其中的高嶺土與石英石對礦井水中硝酸根、氨氮等污染物具有一定的吸附作用[5]；在地下水庫儲水過程中，如何合理有效地引導地下水庫實現(xiàn)自凈化目前尚未有這方面研究，且對地下水庫入水濁度無明確標定。礦井水含有大量的懸浮物，主要由煤粉、巖粉和黏土組成[6]，懸浮物的去除是礦井水處理的首要亦是最關鍵的一步，其去除效率對后續(xù)工藝的處理效果將產(chǎn)生直接影響，進而影響最終的出水水質(zhì)與復用途徑[7]。當高濁度礦井水不經(jīng)預處理直接回灌進入地下水庫中，由于水中懸浮物的累積形成淤泥層，造成回灌系統(tǒng)堵塞，當系統(tǒng)堵塞后，輕者耗費大量人財物力對其進行清淤，重則直接導致回灌系統(tǒng)癱瘓報廢，所以在人工回灌地下水庫前進行礦井水預處理至關重要。

基于此，本研究將懸浮物充填介質(zhì)空隙的堵塞問題與人工回灌過程中水質(zhì)凈化問題進行結(jié)合，分析人工回灌過程中堵塞成因，在此基礎上針對不同堵塞類型利用介質(zhì)堵塞特性去除水中污染物質(zhì)，同時保證礦井水回灌進程中堵塞與水質(zhì)凈化的協(xié)調(diào)控制。

1 研究區(qū)現(xiàn)狀

研究區(qū)位于我國內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市寶日希勒礦，該地區(qū)年平均降水量315.0 mm，蒸發(fā)量1 344.8 mm，屬于干旱地區(qū)，礦區(qū)周圍的植被受降雨量影響較大，在豐水期，植被具有較好的漲勢，而到了枯水期常會由于缺水出現(xiàn)植被大量干枯死亡的現(xiàn)象。該礦開采模式為露天開采，礦區(qū)每年用于灌溉綠化用水總量高達250萬t[8]?；谶@一現(xiàn)狀，將豐水期多余的礦井水儲存于地下水庫中，到了枯水期重新回用，具有良好的經(jīng)濟價值及生態(tài)意義。

礦井水懸浮物含量過高會對其回用造成較大影響，損耗檢修設備，導致排泥困難，增加運營成本[9]；亞硝酸鹽超標會干擾肌肉組織對維生素A的吸收并引發(fā)維生素A缺失；此外亞硝酸鹽可以與酰胺和胺反應生成致癌的亞硝酸胺和亞硝酸酰胺[10]；飲用水中，缺氟會引起齲齒，氟過量則會引發(fā)氟斑齒[11]。寶日希勒礦井水主要污染因子見表1。

表1 寶日希勒礦井水水質(zhì)指標

由表1可以看出，寶日希勒礦井水主要呈現(xiàn)高濁度水質(zhì)特性，由于礦井水中懸浮物質(zhì)粒徑分布小于100 nm，采用自然沉降的方式無法對其進行去除，需通過投加混凝劑破壞水中懸浮物質(zhì)原有的雙電子層穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，由吸附架橋作用聚集而成較大的絮體，從而達到去除的目的[12]。

筆者對礦井水人工回灌過程中水質(zhì)演變及介質(zhì)堵塞兩大科學問題，通過人工模擬露天煤礦地下水庫儲水過程，采用混凝法對礦坑水進行預處理后回灌至地下水庫中，并通過壓力傳感器監(jiān)測人工回灌過程中水頭壓力變化，表示不同位置滲透性演化規(guī)律，并在地下水庫進出水設取樣口，通過研究不同預處理情況下地下水庫出水水質(zhì)變化情況，揭示露天煤礦地下水庫自凈化過程的機制，并在此基礎上提出了人工引導地下水庫實現(xiàn)自凈化功能的方法，為工程實踐提供技術指導。

2 試驗材料與方法

水樣：采集國家能源集團寶日希勒露天礦礦坑水，其中一部分使用混凝法預處理將濁度處理至50 NTU，另一部分用去離子水對礦坑水按照一定比例稀釋至50 NTU，開展對照試驗。

土樣：取自寶日希勒露天礦排土場，其主要來源于露天礦剝采過程中的煤層頂板，主要成分有：黑黏土、粉細沙、砂礫石等，將其過2 mm篩網(wǎng)篩分后，用去離子水浸泡24 h，并置于80 ℃烘箱烘干以備使用。

2.1 試驗裝置

首先選取一個5 L的燒杯作為供液瓶，并以一個內(nèi)徑100 mm，高度500 mm的有機玻璃柱作為回灌柱，在西安市有機玻璃廠自行訂制生產(chǎn)，試驗開始前，以濕法加樣的方式向玻璃柱中加入提前篩分好的粒徑2 mm土樣，在柱身的頂部設置有進樣孔，在柱體側(cè)面設有8個測樣孔，互相間隔50 mm，在開孔處連接有壓力傳感器，用于實時監(jiān)測柱體內(nèi)部各個位置水頭壓力的變化情況，并與2臺HOBO 4通道數(shù)據(jù)采集器相連接，距離柱體頂部100 mm處，開設環(huán)形凹槽，凹槽內(nèi)放置布液板，確保上部液體能夠均一流下。柱體下部開有接樣孔及樣品采集系統(tǒng)，以法蘭相連接。

圖1 試驗裝置示意Fig.1 Schematic of experimental setup

2.2 分析方法與儀器

采用英國馬爾文公司生產(chǎn)的馬爾文NANO激光粒度儀測定水體當中懸浮物的粒徑分布情況，對每組樣品分析3次，取其均值。試驗完成后采用美國FEI QUANTA 650掃描電子顯微鏡測定懸浮物在回灌介質(zhì)中的賦存狀況。

試驗前后，分別對水質(zhì)進行檢測分析，以此考量水中不同污染物隨試驗進行的變化情況，其中濁度的測定采用美國哈希便攜式濁度儀，TDS采用稱量法進行測定[13]。

3 結(jié)果與討論

3.1 礦井水水質(zhì)變化

由圖2可以看出，在礦井水人工回灌地下水庫過程中，不同預處理方法的回灌后水質(zhì)差異較大，在進水濁度同為50 NTU的條件下，采用混凝法處理的礦井水在回灌后濁度降至4.14 NTU，相較于預處理階段去除率達到91.7%，出水水質(zhì)澄清且無肉眼可見物。而采用稀釋法處理的礦井水在回灌后濁度僅降至25 NTU，相較于預處理階段去除率達到50%。

圖2 不同預處理方法出水濁度Fig.2 Turbidity of effluent from different pretreatment methods

由圖3可以看出，2種預處理方式對水中TDS皆有一定的去除效果，通過人工回灌地下水庫后，經(jīng)稀釋法預處理后的礦井水中TDS無明顯變化，而混凝法預處理后的礦井水TDS有一定去除效果，去除率達到47.3%。

圖3 礦井水中TDS的變化情況Fig.3 Changes of TDS in mine water

為研究連續(xù)儲存條件礦井水水質(zhì)風險，開展了礦井水儲存試驗，在連續(xù)1個月條件下，每隔5 d取樣，觀察其水質(zhì)變化情況，如圖4所示。

圖4 地下水庫儲水過程中水質(zhì)變化Fig.4 Water quality changes during groundwater storage

可以看出，在地下水庫儲水過程中，濁度會呈現(xiàn)一定程度的下降，當達到0.7 NTU后基本維持不變，隨著時間增加，懸浮顆粒不斷地累積，當連續(xù)儲水2 d后，濁度略微增加；在地下水庫連續(xù)儲水過程中，水中TDS呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢，這與傳統(tǒng)概念下TDS變化趨勢有一定出入，分析是由于環(huán)境溫度降低，導致水中部分離子溶解度降低而析出，并附著在懸浮物上被去除[14]。

3.2 礦井水懸浮顆粒粒徑

針對不同預處理方式的礦井水在進入地下水庫后呈現(xiàn)出的水體濁度有較大差異，分析是由于混凝法預處理時在水中添加了混凝劑，其與礦井水中懸浮顆粒由于電性中和、吸附架橋等作用生成大分子的絮團，導致微粒粒徑有了較大的變化[15]，為證實這個猜想，對不同預處理條件下礦井水的粒徑進行測試分析，分析結(jié)果見表2。

表2 地下水庫進出水粒徑分布

可以看出，礦井水原水粒徑均值主要分布在398.3～427.0 nm，因其粒徑較小，采用自然方法較難沉降[17]，通過對比分析，采用稀釋法預處理過后礦井水中懸浮顆粒的粒徑無明顯變化，基本分布在365.3～389.0 nm，而采用混凝法預處理過后的礦井水中懸浮顆粒粒徑有大幅度增高，基本分布在41 530～71 630 nm，經(jīng)人工回灌地下水庫過后，采用稀釋法預處理的礦井水懸浮顆粒粒徑無明顯變化，基本分布在344.7～361.4 nm，而采用混凝法預處理后的礦井水懸浮顆粒有了一定降低，基本分布在1 773～2 751 nm。這一結(jié)果證實了此前關于不同預處理方式水質(zhì)變化的猜想：是由于經(jīng)過混凝法預處理后的礦井水，水中懸浮顆粒相互凝聚形成大顆粒懸浮物，進而在人工回灌地下水庫過程中粒徑大于2 800 nm的微粒被回灌介質(zhì)攔截，實現(xiàn)了水質(zhì)的自凈化[16]。

3.3 SEM掃描電鏡

為探查混凝法預處理條件下，礦井水中懸浮顆粒在回灌介質(zhì)中的空間分布規(guī)律，進一步研究地下水庫自凈化機理，在試驗進行結(jié)束后，分別在0～5,5～10,10～15,15～20 cm不同層位對回灌介質(zhì)進行分層取樣，并將其從上至下定義為第1層至第4層，并置于80 ℃干燥箱中去除水分，通過SEM掃描電鏡觀察回灌介質(zhì)剖面形態(tài)，如圖5所示。

圖5 人工回灌介質(zhì)剖面形態(tài)Fig.5 Profile of artificial recharge medium profile

通過混凝法預處理后的礦井水經(jīng)過人工回灌地下水庫，會有一定的懸浮微粒附著在回灌介質(zhì)表面，并且隨位置變化，賦存狀態(tài)有較大差異。在表層0～5 cm處，有大量的懸浮物附著在回灌介質(zhì)表面，隨著入滲深度的增加，附著量逐漸減小[17-19]，基于此，提出了礦井水人工回灌過程中的自凈化機理，如圖6所示。

圖6 不同預處理方法回灌示意Fig.6 Schematic diagram of groundwater storage

地下水庫自凈化機理遵循“濾餅過濾”模型，介質(zhì)堵塞發(fā)生的位置取決于介質(zhì)粒徑與礦井水中微粒粒徑的大小有關，當回灌介質(zhì)粒徑一定時，可通過改變礦井水中微粒粒徑的方法控制系統(tǒng)間自凈化與介質(zhì)滲透性變化的關系。

3.4 礦井水在地下水庫儲存過程中滲透性變化

為研究不同濁度礦井水人工回灌下介質(zhì)滲透性的變化規(guī)律，選取不同濁度礦井水進行人工回灌，采用壓力傳感器測定回灌過程中不同位置的水頭壓力，進而判斷系統(tǒng)堵塞情況，當水頭壓力增大代表該位置介質(zhì)滲透性降低，并用數(shù)據(jù)采集器每隔30 s讀取1次數(shù)據(jù)，如圖7所示。

圖7 人工回灌過程中水頭壓力變化Fig.7 Change of head pressure of artificial recharge ground reservoir

當?shù)叵滤畮爝M水濁度為10 NTU，在回灌介質(zhì)不同空間位置滲透性變化規(guī)律一致，皆呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，在表層0～5 cm處，介質(zhì)滲透性下降最為明顯，且介質(zhì)滲透性變化具有周期性，當某處水頭壓力持續(xù)性增加至峰值后，會迅速減??；當進水濁度達到20 NTU，試驗進行20 h之前，不同位置水頭壓力皆無明顯變化，當試驗達到20～30 h，在0～5 cm表層位置水頭壓力有了較低程度的增加，當試驗達到30 h之后，0～5 cm表層位置水頭壓力出現(xiàn)大幅度增加，介質(zhì)滲透性嚴重下降，這是由于隨著回灌過程的進行，越來越多的懸浮物質(zhì)淤積在介質(zhì)表層，發(fā)生了物理堵塞，進而導致水體無法順利流動至系統(tǒng)內(nèi)部，在實際工程中需采用清淤或反向回揚的方法清除堵塞；當進水濁度達到50 NTU時，主要堵塞位置集中在表層0～5 cm處，且滲透性變化呈現(xiàn)周期性趨勢，這是由于隨著濁度增加，水體中懸浮物濃度增大，系統(tǒng)達到堵塞的時間變短，當試驗進行至10 h，表層水頭壓力呈現(xiàn)迅速增加，介質(zhì)滲透性下降，而當試驗進行至28 h，水頭壓力呈現(xiàn)急劇性下降，推測是隨著表層介質(zhì)滲透性下降，水體在介質(zhì)頂部不斷積累，水體總質(zhì)量逐漸增大，由于重力作用再次沖破淤泥層，從而導致表層位置水頭壓力的急劇下降。

綜上所述：當回灌過程進行至30 h，回灌介質(zhì)表層0～5 cm處滲透性開始逐漸降低，所以可采用30 h周期性回揚的措施，此時只需要周期性對0～5 cm表層進行清淤就可以保證回灌系統(tǒng)穩(wěn)定的運行。對比圖4中濁度的變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，地下水庫的自凈化作用與回灌介質(zhì)滲透性下降存在矛盾關系，當進水濁度小于20 NTU，水中懸浮粒子會遷移至介質(zhì)內(nèi)部，隨著水體的沖刷進入地下水庫中，此時自凈化作用減弱，而當濁度大于50 NTU，水中大量懸浮粒子在表層被攔截，其在表層形成的淤泥層作為濾餅對礦井水中的懸浮微粒起到了過濾的作用，因此控制進水濁度在20～50 NTU，既能保證回灌系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行，又能合理控制預處理成本，避免過度處理的現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

1)發(fā)現(xiàn)地下水庫自凈化與介質(zhì)滲透性變化存在矛盾關系，需控制進水水體濁度位于20～50 NTU之間，過高的濁度會加快系統(tǒng)滲透性的降低的速度，而過低的濁度會增加處理成本，造成過度處理。

2)露天煤礦地下水庫連續(xù)儲水過程中，水中濁度呈現(xiàn)先下降后趨于平穩(wěn)的趨勢，TDS呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢，其自凈化的機制以物理過濾為主，粒徑大于2 800 nm的微粒被攔截在所填介質(zhì)當中，可通過添加絮凝劑的方法增大水中微粒粒徑，引導地下水庫實現(xiàn)自凈化。

3)地下水庫系統(tǒng)介質(zhì)滲透性變化存在間歇性的規(guī)律，當局部堵塞，隨著頂部積累水量的增加，由于重力作用會重新沖破堵塞，根據(jù)這一規(guī)律，提出了30 h周期性回揚的技術措施，以保證地下水庫連續(xù)穩(wěn)定儲水。