李曦滨

(中国煤炭地质总局水文地质局，河北 邯郸 056004)

0 前言

煤炭是我国重要的支柱能源，煤炭在开采过程中会形成大量煤矿酸性废水(acid mine drainage，AMD)。煤矿酸性废水是含硫化物的煤矿床在开采过程中被氧化而产生的pH值低于6的矿井水，对生态环境破坏性极大，其主要特点为pH较低，一般在4～6，含有高浓度的硫酸盐以及多种可溶性的重金属离子，如Fe2+、Mn2+等。酸性废水的直接排放不仅造成水资源的浪费，而且污染水资源、生态环境及土地资源，危害农作物、水生生物和人体健康。煤矿酸性废水因其量大、面广、污染严重、治理难度大而成为制约地方生态环境及经济可持续发展的一大障碍[3]。

贵州是我国煤炭资源丰富的省份之一，高硫含量是贵州煤的特征[9]，煤中含硫量接近或高于3%，以黄铁矿含硫为主[10]。煤矿在开采过程中，因含煤地层中所含硫化物(主要为黄铁矿)的赋存环境变化而自发进行氧化还原反应产生AMD。由于贵州省煤矿开采主要以小煤矿为主，矿井水及煤矸石排放无序，导致煤矿酸性废水排放成为突出的环境问题[4]。

1 鱼洞河流域煤矿酸性废水污染现状及煤炭开采污染方式

1.1 污染现状

贵州省凯里市鱼洞河流域位于贵州东南部，流域面积约267km2(图1)。区内自然资源丰富多样，主要矿产资源有煤矿、铝土矿、菱铁矿、重晶石和石灰岩矿等。自20世纪80年代初期鱼洞河流域大规模开采煤炭资源，小煤矿遍布，私挖乱采严重，形成地下煤巷错综复杂和大面积采空区，导致含煤地层与上伏岩溶地层沟通，岩溶水进入矿坑，与煤层产生化学反应，形成酸性废水。由于多数矿井布置在河流两侧，矿井酸性废水沿井口排泄汇入河流。造成鱼洞河流域及其支流白水河、平路河、泡木河等水体呈现出黄褐黄、铁锈黄色，浑浊度高，有颗粒状黄色悬浮物，手感滑腻，具铁腥味。鱼洞河流域河水严重污染，整体水质现状属劣Ⅴ类水。同时，煤矿排放煤矸石随意堆放，经降雨淋滤析出有害成分，污染地表水、地下水及土壤。

图1 鱼洞河流域地理位置示意Figure 1 Yudonghe valley geographical position

鱼洞河流域煤矿酸性废水排放的特点：

2)煤矿酸性废水中污染物种类与煤质特征及地质条件相关。鱼洞矿区煤质为高硫、高灰分、低发热量烟煤，富含硫铁矿，属陆植煤类—腐植煤型。梁山组上覆二叠系栖霞茅口组岩溶发育，造成具有极强侵蚀能力的酸性废水大量排出，环境污染严重。

3)流域内采煤历史长，小煤窑较多，形成一定规模的采空区。由于分布于岩溶地区，受气候和地质条件影响，导致废水排放点多、面广、分散、持久，对水环境、土壤环境和生态环境的污染严重。同时，酸性废水造成河流覆盖含铁沉积物严重影响人视觉景观感受[4]。

4)流域内受国家及贵州省能源政策及资源条件的影响，小煤矿废弃或关闭形成无主煤矿，丧失主体的废弃无主煤矿产生的酸性废水排放点多、面广分散，无人管理，治理难度大。煤矿闭坑后产生的酸性废水排放已成为本区乃至贵州省一个突出的水环境污染问题[4]。

1.2 煤炭资源及煤矿开采条件

鱼洞河流域内煤炭资源分布于两个区域。西区主要分布在大风洞断层西侧，沿断层呈带状分布；东区主要分布在白水河及平路河中下游至重安江一带。煤炭保有储量8 142万t[1]。

鱼洞河流域煤炭资源开采历史较早。据调查，没有登记造册和没有留下开采记录的老窑已无法统计，记录造册的煤矿先后有80余座，至今已关闭停产。现存大量责任主体灭失的无主煤矿，煤矿废水无人管理，长期排入就近河道，造成了流域河流的严重污染。目前对鱼洞河流域造成污染的矿井主要分布在东西两个区域。西部分布于白水河上游的大猫山、飞龙煤矿等4个煤矿；东部分布集中在白水河与平路河的中下游两岸，主要有顺发、桥头、芭茅坪、江口煤矿等54个煤矿。煤矿主采煤层为二叠系梁山组，可采煤层一层，煤层厚度0.6～1.3m，倾角小于10°。开采方式多以斜井、平硐开拓开采为主，顶板垮落管理。开采规模较小，一般在3～15万t/a。

1.3 煤矿酸性废水排放污染方式

鱼洞河流域污染源主要来源于煤矿酸性废水的排放及煤矸石污染，其排放污染方式为：

1)煤矿矿井口直接排放废水。主要为矿井口(斜井、平硐、风井、排水巷等)出水自流直接排放，是鱼洞河流域污染的主要排放方式。此类方式受降雨影响季节变化明显，丰水期水量增大，枯水期水量下降。当大气降水入渗至采空区聚集，水位标高高于矿井口标高时，矿井水则会沿井口流出，因断面大，径流通畅，排放量较大，成为排放的主要通道。据调查在鱼洞河、白水河两岸共有矿井水排放点24处，酸性废水排放量为3 000～8 000m3/h。

2)通过溶洞、暗河间接排放。通过调查和取样测试，个别煤矿井下巷道与溶洞、暗河沟通排泄矿井水，如万利-青杠坳煤矿等，导致流域内7处岩溶大泉、暗河，遭受煤矿酸性废水的污染，如桃子冲岩溶泉、鱼洞泉等泉点。受矿井污染酸性废水影响的岩溶泉点水量为1 500～2 000m3/h。

3)煤矸石淋滤污染。据调查流域内煤矸石堆放点200多处，矸石总量约300万m3。大部分就近杂乱堆放于井口或河道附近。煤矸石在大气降水淋滤下产生酸性废水沿沟谷汇入河流，造成地表水体污染。

2 鱼洞河流域区域地质及水文地质背景

2.1 地质背景

鱼洞河矿区大地构造位于扬子准地台黔北台隆遵义断拱的贵阳复杂构造变形区与黔南台陷的交接地带[1]。区内构造总体形态呈NE向复向斜构造体系，以北东南西向褶皱和断层为主，主要有大风洞逆断层、鱼洞正断层、大泡木向斜、鱼洞向斜等。构造条件属复杂型[1]。

区内出露地层由老至新有：志留系、泥盆系、石炭系、二叠系下统梁山组、栖霞组和茅口组及第四系。其中，二叠系下统梁山组为主要含矿地层，岩性由石英砂岩、炭质页岩、煤层、铝土岩夹黄铁矿团块或结核，分三段，底部含铁矿层，厚度0～1.5m；中部含铝土矿层，厚度0.8～6.0m；上部含煤(炭质)层，厚度2.2～3.6m。总厚度20～30m。

2.2 水文地质条件背景

2.2.1 岩溶含水层

依据地下水的赋存条件、水力特征、水理性质及地质结构，鱼洞矿区主要含水层划分为四层：第四系松散孔隙含水层、二叠系茅口栖霞组岩溶裂隙含水层、石炭系摆佐组岩溶裂隙含水层和泥盆系尧梭组岩溶裂隙含水层。其中，位于梁山组煤层之上的二叠系下统茅口组-栖霞组岩溶裂隙含水层是本区最主要的强含水层，岩性为深灰色中厚层状灰岩，该组灰岩风化和岩溶作用强烈，岩溶发育，发育大量落水洞、地下暗河，富水性强但不均一。据以往地质勘探揭露该层钻孔溶蚀现象岩溶率8.8%，溶洞现象岩溶率5.7%[1]。据地质调查流域内溶洞57个，出水溶洞占36.80%，大型溶洞、暗河均位于含水层底部，发育标高在+679～+1 069m。出露泉点约108个，流量0.07～600m3/h，大流量泉点多分布在河流岸边。

2.2.2 岩溶发育特征

该区碳酸盐岩分布广泛，受地形、岩性、构造作用以及湿润多雨的气候条件影响，岩溶化程度较高。茅口栖霞组岩溶最为发育，水动力条件最强。岩溶发育特征主要表现在：

1)岩溶发育受地形地貌影响，不同的地貌单元岩溶发育程度、形态、规模差异较大；

2)岩溶发育程度受岩性控制明显，本区可溶性碳酸盐与碎屑岩相间分布，可溶性盐占据主导地位。岩溶发育主要集中在茅口栖霞组灰岩中，如龙场-鱼洞岩溶管道、地下暗河；

3)岩溶形态多样化，地表岩溶以石牙、溶沟(槽)、洼地、落水洞为主；地下岩溶以溶孔、溶洞、岩溶管道和地下暗河为主，规模差异大，具多层性、延伸性。

4)岩溶发育受构造作用影响明显，以北东向展布的断裂影响是溶蚀的主要方向，岩石切割破碎，给地下水存储、运移、溶蚀创造有利空间，地表水、地下水交换频繁岩溶作用强烈。

5)岩溶发育受水动力作用明显。区内地下水主要为大气降水补给，多年平均降水量1 264.7mm，雨量丰富，水动力作用使得地下水溶蚀作用增强、活动频繁。

2.2.3 地下水补径排条件

区内地下水主要为大气降水补给，降雨集中在4～8月，地下水动态属气象型。区内岩溶地下水的补给、径流、排泄严格受地形切割、岩性及构造的控制，形成若干独立的小的水文地质单元。岩溶地下水以溶隙、溶孔、溶洞、管道及暗河的形式径流，受非可溶岩的阻隔或地形切割，以泉的形式排泄于溪沟及河流。此外，煤矿开采导致区内地下水径流途径的改变，周边地下水由矿井涌出，导致岩溶大泉水量减少甚至疏干，矿井排水成为人为排泄方式。

3 国内外煤矿酸性废水治理技术现状及发展趋势

3.1 现状

目前国内外对矿山酸性废水处理的技术方法主要有化学处理、物理处理及生物处理等技术方法，常见的工艺方法主要包括中和法、微生物法及人工湿地法等。近年来，国内外专家学者加强对新技术方法的试验研究工作，酸性废水治理领域有了较大的发展，出现了一系列新技术、新方法和新工艺，如电化学技术、膜分离技术、反渗透技术及源头治理技术等[2]。

3.2 发展趋势

目前，随着国内外科学技术水平的快速发展和科技创新，矿山酸性废水治理技术方法手段呈现出新的发展趋势。主要表现在以下方面：

1)由低效、高成本向高效、低成本的方向发展[6]。传统的酸性废水处理技术存在着处理成本高，处理效率低等问题。如石灰法，存在结垢严重，易堵塞管道及沉淀污泥量大，容易造成二次污染等弊端。如何减少沉淀和污泥量，节省污泥处理运输费用，降低处理成本，提高废水处理效率，科研工作者开展了大量研究和实践，如杨晓松、刘峰彪[11]改进沉淀物形态等，成为目前发展的方向。

2)由末端治理向源头控制方向发展。废水处理过程，相比末端治理，源头控制的意义更大，越来越受到重视，成为当今研究发展的主要方向。源头控制新技术有抑制铁氧化菌、钝化处理、工程覆盖、充填技术等[6]。如美国宾州阿多比采矿公司布兰齐顿矸石场中黄铁矿含量达14.2%，采用杀菌处理技术后含酸量下降80%，环境危害降低。钝化处理[12]是通过化学物理反应在硫化物矿物颗粒表面形成一层不溶的惰性膜。工程覆盖主要是利用覆盖物来降低废石中氧的浓度，达到减缓硫化物的氧化速度。张瑞雪、吴攀等提出利用碳酸盐岩充填采空区避免酸性废水外排的技术[4]。德兴铜矿将集成控制技术应用于矿山废水综合治理中取得了显著的环境、经济和社会效益[7]。

3)由达标处理向资源化处理方向发展。目前，矿山常用的酸性废水处理方法几乎都是中和沉淀后达标排放，处理成本高，浪费水资源和水中的金属资源。武强院士指出，在对矿井酸性废水进行无害化处理的基础上，考虑资源化处理的可行性，形成良性的循环，使单纯的治理上升到资源再利用的高度。如微生物法处理矿山酸性废水具有费用低、适用性强、可回收短缺原料单质硫等优点[8]。

4 鱼洞河流域酸性废水综合治理新技术应用研究

4.1 源头控制+末端治理的综合治理技术方案的选择确定

矿井酸性废水排放，为煤层开采顶板破坏后大气降水和上覆岩溶水等补给水源进入矿井采空区，水煤反应后酸性废水自井口排出。目前，国内及贵州酸性废水的治理模式多为末端治理建设废水处理站(被动处理)，我国南方降雨充沛的气候条件，造成酸性废水源源不断，治理设施需要长期运行且成本居高不下，致使很多废水处理站运行不正常，出水不达标。

通过地质环境调查，分析研究污染的机理，结合煤矿废水排放条件，提出将国内最新的煤矿区域治理防治水技术应用到治理上，实施源头控制(主动处理)，减少地下水对废弃矿井采空区的补给量，封堵地下水进入矿井的通道，以达到从源头上减少污水的排放总量的目的；同时，结合煤矿井口处理工程的末端治理，采用井口可渗透反应墙→连续碱→人工湿地处理技术工艺，最终实现酸性废水的达标排放。选择实施源头控制+末端治理的技术治理模式，将打破传统的治理模式，是一种标本兼治理的新模式。

4.2 源头控制——采空区顶板区域治理技术

源头控制采用的区域治理技术是在治理范围内通过地面施工钻孔对采空区顶板含水层进行注浆改造，达到阻断顶板含水层与采空区之间水力联系的综合技术方法。即在探查煤层顶板导水裂隙带发育高度的基础上，采用多分支水平定向钻探技术结合高效的地面高压注浆控制技术，对探查到的导水通道及岩溶裂隙、构造裂隙等进行注浆改造，完成区域治理。在实施区域治理的同时，采取“一矿一策”的治理思路，针对各煤矿的特定条件结合采用关键通道封堵、帷幕注浆、采空区充填等技术手段。

采空区顶板区域治理主要关键技术：

1)多分支水平定向钻探技术。鱼洞河流域地貌为岩溶中低山，山地地形对于钻探工程施工极为不利，钻场选择和平整上难度大。因此，选择一种便于钻场布置的钻探工艺显得尤为重要。通过对比分析，治理工程拟采用多分支定向钻井技术进行实施。该技术主要分为俯角多分支水平定向钻探区域治理技术和仰角旋转式大角度爬坡技术。近年来，中国煤炭地质总局所属单位在煤矿区地面区域治理中采用多分支水平定向钻进关键技术，较好地解决了防治水技术难题。

多分支水平定向钻探区域治理技术是先施工主孔，后造斜至治理目标层成水平孔，在目标层中保持水平钻进，然后对治理目标层进行注浆的一种技术。水平孔以“带、羽”状结合的方式有效探知目标层钻进范围内的裂隙和构造，使原来在水平方向无联系的裂隙、断裂构造、溶孔溶洞等渗流通道互相连通，提高了目标层区域注浆效果(图2)。

图2 多分支水平定向钻井施工示意Figure 2 A schematic diagram of multi-lateralhorizontal directional borehole construction

多分支定向钻井技术的优势：①通过实施多分支井，可大大压缩钻孔数量，减少农田和林地占用，工程施工对环境的影响大幅减弱；②通过实施水平钻井，可实现治理目的层“线状”揭露，通过后续注浆治理从而实现“面状”覆盖，达到“立体”防治的目的；③通过地质导向技术，可有效控制水平钻井轨道，起到绕障、定向作用，达到水平钻井轨迹按需覆盖。

2)注浆层位的选择确定。注浆目的层选取需具备以下条件：①所选层位具备可注性，裂隙发育，利于浆液扩散；②所选层位具备一定强度，在煤层顶板形成隔水盖层；③所选层位应具备持浆能力。

综合地层条件和开采方式等因素研究分析，注浆层位确定为栖霞茅口组下部，煤层顶板导水裂隙带以上5～50m的石灰岩层段。

3)注浆技术。自20世纪90年代我国已将采煤工作面顶底板含水层改造为隔水层的工艺方法，广泛用于煤矿治理水害和加固岩层，取得较好的经济效益。本次治理采用注浆技术改造煤层顶板栖霞茅口组岩溶含水层，将一种或几种材料配制成浆液，用压送设备将其压入含水层或破碎地层中凝固胶结，起到堵水或加固作用，封堵岩溶裂隙通道将其改造为相对隔水层。

4.3 末端治理——井口可渗透反应墙→连续碱→人工湿地治理技术

主要是在可渗透反应墙填料和连续碱产生系统填料的确定、人工湿地基质及植物选择和工艺参数优化确定的基础上，充分利用废弃的矿井巷道口内部空间，在井口内部一定的距离内建设可渗透反应墙处理系统，除掉水中的悬浮物、铁、锰等污染物质，同时在矿井出水外附近建设连续碱→人工湿地系统，可有效去除出水中的酸及铁、锰等污染物，水体得以净化，实现出水达标排放的目的。

鱼洞河流域煤矿多分布在沟谷之中，场地空间有限，但废弃矿井口保存基本完好，将可渗透反应墙设在井口内部可以充分利用井口原有空间；渗透后出水可通过集水渠收集并分配到连续碱反应和人工湿地系统(图3)，可结合地形场地条件灵活布置。实施井口可渗透反应墙→连续碱→人工湿地治理的主要技术优势：因地制宜，简单可行、运行管理方便及运行费用低廉。该技术酸性废水处理能力，出水量50m3/h以下可单独实施，对于出水量大于100m3/h，需要与采空区区域治理工程结合共同进行治理。

①可渗透反应墙。利用渗透填充墙原理结合微生物修复处理酸性废水的原位治理技术。可渗透反应墙是通过建立渗透墙，填充透水性的活性材料，污染物羽流在水力梯度作用下通过反应墙时，水中污染物与活性材料发生沉淀、吸附、氧化还原和生物降解等反应，同时与石灰石溶解产生的碱度共同作用于废水，金属离子以硫化物、氢氧化物、碳酸盐沉淀形式去除。其特点是：无需外加动力，反应墙构建于矿井口内部，不占地面空间，处理经济便捷，墙体填充材料可更换。

②连续碱反应系统。连续碱反应技术(SAPS)是近年来治理酸性废水的新技术。 SAPS装置从上至下为水层、 有机物层和碱度层。废水从池顶部流入，水层是阻止有机物层与空气的接触，减少氧气扩散，调节温度，可以减少氧的浓度，促进系统产生更多的碱度。经过有机物层，主要是利用该层中的硫酸盐还原菌(SRB)将硫酸盐转化为硫化物或单质硫并最终除去，流入碱度层。碱度层由石灰石或其他产碱无机物构成，可以直接提高碱度，使金属离子沉淀下来。其特点是：具有硬件设施易获得、有机物层易获得、成本低、适用性强、无二次污染、操作管理简单。

③人工湿地系统。人工湿地技术由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，污水与污泥在沿一定方向流动的过程中，主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水进行处理的技术。通过一系列作用，污水中主要有机污染物得到降解同化， 成为微生物细胞的一部分， 其余的变成对环境无害的无机物质回归到自然界中，可获得污水处理与资源化的最佳效益。其特点是：污染物去除效果好、基建运行费用低、工艺简单、维护管理方便等。

图3 矿井水井口处理工程工艺流程示意Figure 3 A schematic diagram of mine water well mouth treatment engineering process flow

4.4 综合经济对比分析

在鱼洞河治理工程中设计采用源头控制+末端治理的综合治理技术方案，实现源头控制的前端治理新技术，从源头上治理，以减少排入环境的污染物总量，最终实现达标排放。而常规的废水治理多采用末端处理，建设废水处理站。本次应用技术研究，在处理相同的废水量的条件下，对两种不同的处理方式进行经济对比分析，可为治理方案的优化选择提供依据。治理方案综合经济对比分析结果如下表1。

表1 治理方案综合经济对比

5 结语及前景

近年来我国在处理煤矿酸性废水上开展大量的试验研究工作，在理论和技术上有了较大的进步和提高，但是，新技术的应用普及率尚不高。很多地区依然使用传统的废水处理技术，不仅效率不理想且处理效果不佳。同时部分酸性废水治理新技术，受到地质、环境、经济及资源条件的限制，很难实现产业化应用，成为困扰酸性废水治理技术产业化的最大障碍。

煤矿酸性废水源头控制+末端治理的综合治理技术是一种酸性废水综合治理体系集成技术，源头控制采用先进的煤矿防治水采空区区域治理技术配合关键通道封堵技术，结合末端治理井口可渗透反应墙→连续碱→人工湿地系统处理技术。通过实施对鱼洞河流域进行煤矿酸性废水综合治理，可有效改善鱼洞河流域水环境现状，恢复流域生态环境。

本次鱼洞河流域煤矿酸性废水治理设计采用源头控制+末端治理的综合治理技术，将煤矿防治水技术大胆应用到废水治理中，转变以往高成本、低效率、浪费水资源的末端治理的模式，不仅能达到标本兼治的效果，而且工程实施可充分结合南方山区地形地貌条件，场地安排灵活、利用井口空间，同时，治理后期运行成本低、污泥量极少，利于维护，环保效果好。贵州煤炭资源丰富，如六盘水、毕节等地煤炭大量分布，由于开采主要以小煤矿居多，大型矿井较少，煤层含硫量高，多分布在岩溶山区，受气候条件影响，酸性废水排放问题严重。应用源头控制+末端治理的综合治理技术，不仅具有先进的新技术特点，而且具有明显的环境效益、生态效益和经济效益。因此，源头控制+末端治理的综合治理技术治理矿山酸性废水，可为贵州省酸性废水乃至我国南方矿山酸性废水的治理提供一种新的技术和方法。