摘要
松宜地区煤炭开采历史悠久，是湖北省第二大煤炭生产基地，2015年，响应国家政策，松宜地区煤矿全部停产关闭，关闭后煤矿遗留下的大面积采空区逐渐被地下水所充填，地下水位逐年增高，诱发了不同地层间的串层污染，地下水排出地表，也污染地表河流，给当地居民生活用水造成了严重威胁。本文在前在松宜地区地下水污染利用水封法治理的实践基础上，总结了水封法治理松宜地区关闭煤矿酸性废水机理，并归纳出不同关闭煤矿地下水污染“水封法”的适用条件，形成了一套“水封法”治理体系，可为具有相似条件的矿山酸性废水治理提供借鉴作用。
Abstract
Songzi-Yidu area has a long history of coal mining， and it is the second largest coal production base in Hubei Province. In the year of 2015， in response to national policies， all coal mines in Songzi-Yidu have been shut down. After the closure， the large areas of goaf left by coal mines were gradually filled with underground water， and the underground water level increased year by year， which induced cross-layer pollution between different strata. The groundwater has been discharged to the surface and polluted the surface rivers， posing a serious threat to the water supply of local residents. This paper is based on the practice of treating groundwater pollution by water sealing method in Songzi-Yidu area， summarizes the mechanism of water sealing method in treating acid wastewater from closed coal mines in Songzi-Yidu area， and summarizes the application conditions of "water seal method" in different closed coal mine. A set of "water sealing method" treatment system has been formed， which can provide reference for the treatment of acid mine wastewater with similar conditions.
Keywords
0 引言
松宜矿区采煤历史悠久，是湖北省第二大产煤基地。根据国家政策，2015年松宜矿区煤矿停产关 ——但长期开采遗留了大面积采空区。煤矿关闭后，地下水的渗透，水位上升，酸性矿坑废水越层串层污染严重，区内环境条件遭到严重破坏（图1）。 2017 年 7 月，贯穿全区松宜矿区的洛溪河水体严重污染，导致周边居民生产生活用水困难。2017 年 9 月 15 日下午，松滋洈河流域杨林市段水体出现异常，陈家河流域水体出现异常呈铁红色，并逐步加重向下游蔓延流入洈水河，造成洈水河沿岸的杨林市镇石龙桥水厂、杨林市镇赤膊洞水厂、纸厂河镇马放坪水厂 3 个水厂停止供水，服务区内 7.3 万名群众生产生活受到影响。可采用微生物处理法、离子交换法（刘冰扬和赵建民，2001）、石灰中和法（魏建新，1997），人工湿地法（姚运先和王艺娟，2005）、粉煤灰处理法等多种处理方法来治理。地方政府经过分析论证，采用了常规的中和法进行治理（魏建新，1997；李争流等，2003；刘志勇等，2004；刘志勇和陈建中，2004；马文顶和许家林，2004；姚运先和王艺娟，2005；马尧等，2006；夏玉成等，2006；潘科和李正山，2007；鞠海燕等，2008；崔振红，2009； 马思远和李泽琴，2009；王飞等，2009；王李鹏等， 2011），在受污染的河流水体中投入石灰，河流污染有了改善，短期内取得了一定的效果，但由于地表河流污染水体流量大，因此治理费用高，治理效果难以长期保持，而且容易造成二次污染。后经多次实践探索，采用水封法来治理松宜地区煤矿酸性水体污染，效果较好。
1 “ 水封法 ”治理机理及作用分析
由于松宜地区采用中和沉淀法治理煤矿酸性污水具有许多的不足，地方政府迫切需要寻找更加经济的治理方式，经过多种途径尝试，几种方法对比，最终提出采用“水封法”，以期达到标本兼治的效果。
图1松宜地区矿坑排水
“水封法”是通过一定的工程措施，抬升井下地下水水位，改善地下水环境条件的治理方法。“水封法” 治理煤矿酸性废水目前在国内、外都尚处在一个理论探讨和实验探索阶段，国外目前已有几个成功治理案例，国内已知的其他治理成功案例还有广元市煤矿开采地下水污染调查评估与典型矿山治理修复项目，该项目通过将地下水水位抬高近 50 m，一个星期后，矿坑排水的pH值由最初的3～5提高到6～8，矿坑废水中 Fe、Mn 的含量也随即达到排放标准。成功案例的存在说明“水封法”治理煤矿酸性废水是可行的，但其治理机理及其适用条件还没有研究者系统的提出。
1.1 “水封法”治理机理
“水封法”的基本原理：通过对煤矿各类井口进行封堵，井下采空区会随着地下水位的抬升而充水，最终形成一个封闭的地下“水库”，伴随地下水水位抬高，地下水的环境条件的变化，地下水体的水质也因此而有所改善。同时还可通过“水封”井口设置的排水阀门及压力表来监测、控制调节地下水的排泄，抑制采空区污染水的向外径流、排放，从而起到治理的作用（图2）。
图2应急封堵示意图
1.2 “水封法”对废水的治理作用
1.2.1 加强碳酸盐岩对酸性废水的作用
通过“水封法”抬高地下水水位后，可以使煤系顶板的潜水含水层厚度增加，促进碳酸盐岩中的 CaCO3与酸性废水中 H+ 的反应过程，从而消耗掉酸性废水中的 H+。同时，抬高地下水水位后，可以减少包气带中 CO2对采空区废水的补充，抑制 CO2的溶解反应，进一步减少采空区酸性废水中 H+ 的产生。最终，通过减少 H+ 的产生及促进的 H+ 消耗 2个方面，“ 水封法 ”起到改善酸性废水 pH 的作用 （Edward，2004）。
方解石、白云石均易发生溶解反应，其反应方程分别为：
(1)
(2)
这些反应均为消耗H+ 的反应，其结果使地下水的pH升高。
1.2.2 抑制酸性废水的径流、排放
通过“水封法”抬高地下水水位后，井下采空区充水后势必会形成一个较大的“水库”。在不同水位以下，矿井水排泄情况分析见图3。
“水封法”是一种疏堵相结合的方法。“堵”是通过抬高矿井水位，让低于矿井水位的外界来水不能进入矿井内部，防止污染水混合后排出地面，因此只要控制高度选择得当，降水补给面积和进入的水接触污染巷道的途径减少，水污染的程度均会得到改善，此时：
图3矿井水排泄分析图
①如果水质达到要求，就可以自然排放。②如果水质达不到排放要求，但水量经地表弱碱性河水混合后能达到生活水安全的情况下，可以监视排放。③如果监视排放不能达到要求，则将控制水位提高到相应的高度，达到能控制为止。
疏堵结合，“堵”是应急之策，“疏”是长久之策。 “水满则益”是最基本的自然规则。由于“堵”水在前，给“疏”水3个渠道：
（1）控制水位以下的降水。因为矿井采空区里面都装满水，不能接受比它水位低的外来水，水会顺着它的自然渠道排入河道。
（2）控制水位线以上的水。采用对塌陷区周边开挖防洪沟，对溶洞进行封堵，对小窑口进行密闭等工程技术和管理措施，最大限度地减少地表水进入矿区。
（3）控制排放水。对仍有不能达标的水，在满足处理能力和地表洁净的弱碱性水中和能力的前提下，进行控制排放。
1.2.3 抑制硫铁矿氧化过程
溶解氧对于硫铁矿氧化过程极其重要，溶解氧含量与诸多因素有关，如气象参数、水温、水深及水中溶质等（沙鸥等，2008）。在治理的过程中，通过施工钻孔，进行水体中溶解氧监测，研究了溶解氧在地表水、地下水中的分布规律，了解溶解氧与水深的关系。
（1）地表水中溶解氧
溶解氧含量在不同季节不同深度存在显著差异，据图4可知，夏季表层溶解氧含量最高，达到 7.43 mg/L，温度达到 28℃；在 5 m 的位置，出现季节性的稳定层，在这里水流交换能力减弱，溶解氧比较稳定，大约稳定在 4.65 mg/L左右；底层水体溶解氧逐渐降低。溶解氧在不同季节随水深变化情况见图4。
秋季上下层温度较稳定，变化不显著，未出现温跃层，上下层水体交换能力较强，水质比较均一，因此溶解氧变化不显著，而在 20 m 左右，溶解氧逐渐降低，在底层时溶解氧降低显著。
图4水库溶解氧随深度变化图
（2） 地下水中溶解氧
2020年 7月，在松宜地区三岔河附近的 1#地下水监测孔采取水样进行溶解氧分析，采样器为 1 L 贝勒管，所有数据均在现场采用溶氧仪测定。监测当天，钻孔地下水水位 17.47 m，pH为 7.68，近水面水温19.8℃。溶解氧分析结果见图5。
图51#监测孔溶解氧随深度变化图
根据溶解氧分析结果，当地下水水深2 m时，溶解氧为 2.63 mg/L，然后，溶解氧随深度的增加逐渐减小。当水深为15 m时，溶解氧为0.76 mg，在此深度以下，曲线斜率开始变陡，溶解氧随深度的变化开始变缓，水深 30 m 以下溶解氧变化较小，水深至 50 m 时，溶解氧 0.31 mg/L。因此采用“水封法”降低水中溶解氧时，至少要抬升地下水水位高度 15 m，当抬升高度至30 m时，进一步降低水中溶解氧的效果已经不明显了，此时，可以停止抬升地下水水位高度了。
天然情况下，地表水及地下水中溶解氧的含量随着深度增加逐渐减少，通过“水封法”抬高地下水水位，改变地下水氧化环境，可以有效抑制硫铁矿氧化过程，从而到达治理效果。
2 “水封法”的适用条件
通过在松宜地区的水封法实践，我们总结出 “水封法”治理煤矿酸性废水适用条件，主要有以下因素：
2.1 煤层产状
首先，治理区煤层的产状不能太陡，当煤层倾角过大时，煤层开采垂距会较大，“水封”过程中会出现以下3种情况：
（1）地下水不能完全封住采空区，煤系中的硫铁矿仍然暴露在包气带中，在潮湿、氧气充足的情况下，不断氧化。
（2）地下水能够刚好封住采空区，但大面积采空区距离水面较近，水面上部氧气能够不断补充近水面地下水，近水面采空区中硫铁矿能够快速氧化。
（3）地下水能够封住采空区，但需采取的工程措施复杂，治理工程施工费用过高。
2.2 开采方式
本次考虑开采方式的类别主要分上山开采和下山开采两种。采取“水封”方法将水位抬升到采空区上部时，在相同条件下，上山开采封堵点要承受相对下山开采更大的水压力，此时需要的施工质量更为苛刻，施工费用更加高昂，治理难度较大。当煤层开倾角较平缓时，两者开采方式差别还不大，但当煤层倾角达到一定程度时就该考虑开采方式的影响。当煤层倾角较陡时，所以下山开采为主要开采方式的煤矿选用“水封法”治理较为合适（图6、图7）。
2.3 导水构造
导水构造发育情况应该作为“水封法”能否成功的重要影响因素。导水构造首要该考虑的就是断层导水情况，在碳酸盐岩地层广泛分布地区，还应分析岩溶通道导水情况。当治理区断层、岩溶导水构造发育，会破坏相对隔水层阻水能力，矿井水会随着发达的地下导水通道四溢，极大的增大矿井封堵的难度。特别是导水构造联通地表时，当地下水水位被抬升后，在较大的地下水水头压力下，往往会出现旧的漏水点刚封堵好，新的涌水点又出现的现象，导致封堵治理工程出现反复，需增大治理经费投入，也会致使治理时间增长。治理区导水构造需整体上可治、可控，否则当治理经费预算过高时，则需选取其它更经济的治理方法。
图6不同煤层倾角“水封”示意图
a—陡倾斜煤层；b—缓倾斜煤层
图7不同煤层开采方式“水封”示意图
a—上山开采；b—下山开采
2.4 工程地质条件
“水封法”抬升地下水水位后，井下形成一个巨大的地下水库，这就要求治治理区工程地质条件适宜，封堵段及周边需岩体完整，地下水水压不会致使山体整体失稳，导致滑坡、泥石流的发生，地下水水库不会发生“溃库”，形成新的地质灾害。治理区工程地质情况好坏是“水封法”是否成功的最终要影响因素。当治理区工程地质条件差，盲目的使用 “水封法”所形成的次生地质灾害会产生更为严重的后果，会直接威胁治理区，就下游居民的生命财产安全。
综上所述，“水封法”适用于煤层倾角较缓，且工程地质条件较好的地区，另外，当治理区开采方式为上山开采以及导水构造发育会增加“水封法” 治理工程难度，导致治理周期长、治理工程不经济。
3 结论
本文通过在松宜地区煤矿酸性废水治理实践，结合国内外煤矿酸性废水治理技术，归纳总结了 “水封法”治理关闭煤矿酸性废水机理，同时分析了关闭煤矿酸性废水采用“水封法”治理的适用条件，即“水封法”适用于煤层倾角较缓，且工程地质条件较好的地区。在松宜地区关闭煤矿水环境污染治理中采用“水封法”治理技术，治理效果明显，可为具有相似条件的矿山酸性废水治理提供借鉴作用。
