酸性礦井水的治理思路及工程實例分析

林光鑫，許 昶，沈 飛，楊在文，程 科

(1.四川省天晟源環(huán)保股份有限公司，成都 610037；2.四川省地質(zhì)工程勘察院集團有限公司，成都 610072)

引 言

礦井封堵法屬于AMD的源頭控制技術(shù)之一，兼具過程阻斷功能，屬于標(biāo)本兼治的一種處理方式。在充分掌握礦井情況及周邊水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件后，礦井封堵法所需工程量一般不高，且為一次性投入，后期基本無運行費用，工程整體治理費用較低。目前我國還沒有利用礦井封堵法治理AMD的案例。本文將礦井封堵法用于關(guān)口煤礦4#礦井AMD的治理，以實際工程案例為礦井封堵法的工程應(yīng)用提供技術(shù)和數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

針對通過源頭控制與過程阻斷方式治理酸性礦井水的問題，以廣元市關(guān)口煤礦4#礦井為例，采用礦井封堵法治理酸性礦井水，不但降低了礦井水pH值改善了水質(zhì)，同時解決了酸性礦井水排放帶來的環(huán)境問題。

1.1 工程概況

關(guān)口煤礦所在黃家溝最早開采煤礦歷史可追溯到20世紀(jì)90年代，主要開采二疊系吳家坪組(P2w)煤層。4#礦井平水期涌水量400～500 m3/d，豐水期涌水量約2000 m3/d，在實施治理前2019年10月(平水期)其水質(zhì)如表1，主要表現(xiàn)為pH值低，鐵、硫酸鹽含量較高。西北河受關(guān)口煤礦礦井涌水的影響較為直觀，黃家溝匯入之后，西北河水質(zhì)明顯變差。

表1 關(guān)口煤礦4#礦井水水質(zhì)分析結(jié)果Tab.1 Analysis results of water quality of Guankou coal mine 4# mine (mg/L)

1.2 工程區(qū)地質(zhì)條件

關(guān)口煤礦地處四川盆地北部邊緣，屬于構(gòu)造溶蝕侵蝕中山地區(qū)，區(qū)內(nèi)海拔高程600～1300 m。關(guān)口煤礦所在的黃家溝溝谷狹長，兩側(cè)山脊呈北東-南西向條形嶺脊近于平行展布。關(guān)口煤礦西南及西北側(cè)的西北河河谷深切，兩岸多呈直立峭壁。關(guān)口煤礦4#礦井從外到內(nèi)依次穿越三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)、二疊系上統(tǒng)大隆組(P2d)、長興組(P2c)、吳家坪組(P2w)，揭露二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)頂板(圖1)。關(guān)口煤礦區(qū)處于龍門山邊緣坳陷褶皺的東部邊緣，位于關(guān)口背斜南東翼。關(guān)口背斜軸部延伸方向為北東-南西向，南東翼地層急轉(zhuǎn)較陡，傾角50°～72°，發(fā)育斷層F1，傾向北西，傾角71°，北西翼地層較緩，傾角14°～27°。

圖1 關(guān)口煤礦4#礦井剖面圖Fig.1 Section of Guankou coal mine 4# mine

區(qū)內(nèi)地下水主要接受大氣降雨補給。在未進行煤礦開采時，區(qū)內(nèi)以碳酸鹽巖裂隙溶洞水為主的地下水，主要在關(guān)口背斜所在的山脊等巖溶發(fā)育部位接受大氣降雨補給，向西北河傾伏端排泄。在關(guān)口煤礦開采后，礦井成為地下水排泄的優(yōu)勢通道，區(qū)內(nèi)地下水沿礦洞主要向黃家溝排泄。根據(jù)水文地質(zhì)勘察資料，三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)含水巖組泉流量0.01～0.1 L/s，單井涌水量小于10 m3/d，屬于相對隔水層；二疊系上統(tǒng)大隆組和長興組(P2c+d)含水巖組泉發(fā)育較少，泉流量0.1～2 L/s，未見暗河發(fā)育；碳酸鹽巖裂隙溶洞水埋藏較深，含水巖組泉流量5～50 L/s，暗河流量200～500 L/s，地下水徑流模數(shù)10～14 L/s·km2[8]。因此，關(guān)口煤礦4#礦井水的主要來源是區(qū)內(nèi)地下水補給資源量，也就是二疊系地層賦存的碳酸鹽巖裂隙溶洞水。

關(guān)口煤礦4#礦井洞口圍巖為三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)中風(fēng)化泥灰?guī)r，其物理力學(xué)試驗成果見表2，飽和抗壓強度為13.8 MPa，屬軟巖，巖體較完整，圍巖巖體質(zhì)量等級為Ⅳ類[9]。

表2 中風(fēng)化泥灰?guī)r巖石物理力學(xué)試驗成果統(tǒng)計表Tab.2 Statistics of physical and mechanical test results of weathered marl rock

良好的水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件為關(guān)口煤礦4#礦井進行封堵治理創(chuàng)造了條件，同時封堵實施后礦井水水位將抬升，沿原有二疊系下統(tǒng)巖溶裂隙通道徑流，于已有溶洞暗河排泄。

1.3 礦井封堵原理

AMD是在空氣、水與微生物的共同作用下產(chǎn)生的。由于微生物在土壤與礦山環(huán)境中廣泛存在，導(dǎo)致微生物的作用難以控制和阻斷。因此，只有通過控制空氣中氧的擴散速度，減少水中的溶解氧含量才能有效地控制硫鐵礦的氧化，從而阻斷AMD的產(chǎn)生[9～13]。相關(guān)反應(yīng)方程式如下：

(1)

(2)

(3)

2H++CaCO3→Ca2++CO2++2H2O

(4)

2H++MgCO3→Mg2++CO2++2H2O

(5)

對于露天開采的礦山，如果地下水對硫鐵礦的影響小，則可以在其表面用粉煤灰、土壤層覆蓋，減少硫鐵礦與氧氣接觸的范圍。對于地下開采的礦山，主要是采用礦坑封閉法和水封法。礦井封堵法可以直接控制酸性礦井水不從礦井洞口涌出，在抬升水位的同時，一定程度上隔絕了硫鐵礦層與空氣的接觸，從而逐漸從源頭上減緩氧化過程，因此其兼具了源頭控制與過程阻斷兩種治理方式。但礦井封堵需要對礦井開采情況及周邊的水文地質(zhì)條件有充分的掌握，同時對硐室穩(wěn)定性等工程地質(zhì)條件有一定要求。

1.4 礦井封堵方法

關(guān)口煤礦4#礦井采取源頭控制+跟蹤監(jiān)測的治理方案，從源頭上抑制AMD形成，其中礦井封隔可以隔絕氧氣，并進一步形成水封。其施工工藝主要為“磚砌體+黏土隔水+磚砌體+混凝土+磚砌體+黏土隔水+磚砌體+混凝土封堵井口”等，其施工工藝流程如圖2。

圖2 礦井封堵施工工藝流程圖Fig.2 Process flow chart of mine plugging construction

1.5 主要設(shè)計參數(shù)

礦井封堵長度40.9 m；礦井封堵位置5.0～45.9 m；洞口周圍5.0 m內(nèi)注漿孔間距為1.0 m，5.0～20.0 m范圍內(nèi)注漿孔間距為2.0 m，20.0～30.0 m范圍內(nèi)注漿孔間距為4.0 m，注漿深度15.0 m；設(shè)置了地質(zhì)災(zāi)害、水質(zhì)、水壓跟蹤監(jiān)測點共計7個。

2 結(jié)果與討論

2.1 礦井水位變化

2020年4月關(guān)口煤礦4#礦井封堵治理后，經(jīng)過近兩個水文年的跟蹤監(jiān)測，井口及周邊無水滲出，4#礦井水水位抬升至47.0 m后趨于穩(wěn)定(圖3)，水位在43.4 m～48.6 m之間呈周期性波動，水位變幅5.27 m。證明關(guān)口煤礦4#礦井封堵治理后，礦井水恢復(fù)至地下水系統(tǒng)平衡狀態(tài)，地下水已沿開采前原有地下水通道徑流排泄。

圖3 4#礦井水位抬升高度變化圖Fig.3 Height variation diagram of 4# mine drainage level elevation

2.2 礦井水質(zhì)變化

表3 關(guān)口煤礦4#礦井水治理前后主要水質(zhì)污染指標(biāo)對比分析Tab.3 Comparative analysis of main water pollution indexes before and after treatment of 4# mine water in Guankou Coal Mine

圖4 4#礦井水pH值變化圖Fig.4 pH variation diagram of 4# mine drainage

圖5 4#礦井水硫酸鹽濃度變化圖Fig.5 Sulfate concentration variation diagram of 4# mine drainage

圖6 4#礦井水鐵含量變化圖Fig.6 Iron content variation diagram of 4# mine drainage

4#礦洞封堵治理前酸性礦井水直接排入黃家溝，治理前(2019年10月21日)黃家溝水質(zhì)為pH值6.37、硫酸鹽371 mg/L、鐵49.3 mg/L、三價鐵3.50 mg/L、二價鐵45.8 mg/L、錳1.39 mg/L。治理后(2021年9月30日)黃家溝水質(zhì)為pH值7.14、硫酸鹽224 mg/L、鐵<0.05 mg/L、三價鐵<0.05 mg/L、二價鐵<0.05 mg/L、錳<0.0005 mg/L。通過4#礦洞治理前后對黃家溝上下游水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，黃家溝水質(zhì)得到了極大改善。

2.3 應(yīng)用實例對比分析

通過對本工程與浙江長廣集團公司六礦礦井[10]、敘永興發(fā)二隊主井酸性礦井水治理實例分析(表4)，封堵治理與直接處理法(兩級綜合法、一體化中和沉淀水處理系統(tǒng))對比可知，封堵治理建設(shè)費用高于直接處理法約50 %，但封堵治理后無酸性礦井水涌出，無需運維，節(jié)約了運維費用及管理成本。

表4 酸性礦井水治理應(yīng)用實例對比分析Tab.4 Comparative analysis of application cases of acid mine drainage treatment

續(xù)表4

3 結(jié) 論

(2)礦井封堵法治理具有減少AMD排放、改善地表水環(huán)境、保護地下水資源、減少運維費用等優(yōu)點，在經(jīng)濟效益和環(huán)境效益方面相比修建污水處理廠具有明顯優(yōu)勢。

(3)礦井封堵法適用于具有良好的地下水隔水層、圍巖工程地質(zhì)條件較好的礦洞，且需要礦山開采相關(guān)資料齊全，需在清楚了解礦區(qū)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上因地制宜設(shè)計封堵位置、長度、結(jié)構(gòu)等。礦井封堵后礦井水水質(zhì)有所改善，但是否能通過自然凈化達到地下水質(zhì)量Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)還需后期持續(xù)監(jiān)測和研究。