煤矿区场地地下水污染防控技术研究进展及发展方向

2020-10-26杜明泽李宏杰王东昊1

金属矿山 2020年9期

杜明泽李宏杰李文邱浩姜鹏王东昊1

（1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京100013；3.辽宁工程技术大学博士后科研流动站，辽宁阜新123000）

地下水是人类赖以生存的最宝贵资源之一。随着我国城市化进程加快和经济的不断发展，人类活动对地下水的影响与破坏日趋严重。大规模高强度的煤炭开采，强烈破坏了地下岩体，显著扰动了地下水流场，造成了矿区地下水水位下降以及地下水酸化、铁锰离子超标等一系列严重的环境污染问题［1-3］。同时，随着大量矿井逐渐关闭（截至2019年底，由20世纪80年代8万多座缩减至5 700座左右）以及中小型矿井的整合，使闭坑、整合矿井也成为煤矿区地下水污染源，给矿区地下水污染防控带来了巨大挑战。

我国地下水污染防控技术研究起步较晚，煤矿区地下水污染问题更是近数十年才引起较大关注。随着人们环保意识的提高以及国家的大力倡导，矿山企事业单位逐步树立、践行“绿水青山就是金山银山”的理念，使得煤矿区的重心逐渐由生产安全向生态安全转变，煤矿区地下水污染问题也成为矿山生态安全亟待解决的问题。针对煤矿区地下水污染防控问题，国外学者多从矿井闭坑阶段地下水污染机理和防控技术方面展开研究。MIAO等［4］、JOHNSON等［5］研究发现，矿山开采引发矿井水酸化，且会产生大量的硫酸盐，给矿区当地居民生活用水带来了安全隐患；MARUYAMA［6］、MCDONOUGH 等［7］、MURRELL等［8］、POREDA等［9］分别对闭坑后矿坑水污染进行了研究，分析了污染水体的水化学特征；ROYCHOWDHURY等［10］研究了闭坑矿井酸性水中铁离子、硫酸根离子的氧化还原过程，提出了闭坑矿井主动和被动防控技术。国内学者从开采过程和开采后两个方面对煤矿区水污染防控进行了相关研究。武强等［11］阐述了“煤—水”双资源型矿井开采概念与内涵，提出了多位一体优化结合、井下洁污水分流分排、充填开采等“煤—水”双资源型矿井开采的技术和方法，并进行了实例分析；张东升等［12］构建了我国西北矿区不同环境类型的生态—水—煤系地层结构模型，提出了采充并行充填开采等保水采煤技术；范立民等［13］研究了我国西部生态脆弱区保水采煤方法，开展了基于含水层结构保护的充填开采、限高（分层）开采等保水采煤工程实践；李文平等［14］以国内西北关键隔水层N2红土为研究对象，探索了关键隔水层的自我修复能力及其工程属性，为保水采煤实践提供了参考；虎维岳等［15］研究了闭坑矿井地下水回弹机理，探讨了闭坑后可能引发的环境地质灾害，并提出了防控的关键问题；李庭［16］研究了我国闭坑矿井地下水污染特点，开发了闭坑矿井地下水污染评价软件，并提出了闭坑矿井地下水污染风险管控流程；刘埔等［17］研究了矿井闭坑后产生的水文地质效应，分析了闭坑矿井地下水污染模式，并提出了有效的防治技术手段。

综上所述，现有防控技术多从保水开采、闭坑矿井角度进行研究，且多偏重于生产安全，生态安全关注程度稍显不足。并且，现有的防控技术未能从矿井全生命周期考虑，在很大程度上缺乏系统性和实践性。为此，本研究立足于煤矿区地下水污染模式和特点，阐明煤矿区场地的科学内涵以及地下水污染特征，从煤矿区地下水污染源头控制、过程阻断和末端修复等方面，结合调查、监测、评估和防控手段，构建煤矿区地下水污染防控技术体系，并探讨了煤矿区地下水污染防控技术的发展方向。

1 煤矿区污染场地界定

污染场地的确定是后续开展调查、评估和防控的基础，因此，污染场地的确定至关重要。目前，国际上对污染场地的定义尚未统一，相关定义如表1所示。

总体来说，污染场地具备3个特点：①以堆积或处置等方式承载有害物质；②有害物质对人体健康和环境产生危害或构成潜在威胁；③场地具有一定的空间范围。煤矿区污染场地界定的难点在于污染场地范围的确定。场地调查通常是针对具体的研究对象，显然，以水文地质边界为单元定义煤矿区地下水污染场地范围太大，以此为基础进行污染场地调查是不合适的，煤矿区污染场地的划分应该为具体的污染对象（场地）。由于煤矿区地下水流场演变是以水文地质边界为单元，因此，对于煤矿区地下水污染的监测预警或风险评价应该以水文地质边界为单元。

鉴于此，为合理界定煤矿区污染场地的概念和范围，借鉴固体废物场地概念，煤矿区地下水污染场地应以矿井以及矿山开采形成的矸石山、洗煤厂等堆积物或处理厂为单元进行定义，煤矿区场地地下水污染的监测预警、风险评估则以水文地质边界为单元。

2 煤矿区场地污染特征

煤层开采过程中，顶底板围岩产生裂隙，煤岩介质中的有害元素遇到空气、水会发生一系列的氧化还原反应，从而产生有害物质，进而对地下含水层或地表水产生威胁。同时，采煤机等机械设备使用的润滑油、乳化液以及人类活动遗留物等也给煤矿区场地地下水污染防控带来了挑战。无论是露天开采还是井工开采，煤岩介质与空气、水发生的氧化还原反应是引起地下水污染的主要原因。某矿井闭坑后积水外流情况如图1所示。

2.1 煤矿区场地矿井水污染类型

煤矿开采、闭坑以及煤炭在气化过程中都会引起地下水污染［20］。煤岩介质、采煤机等机械设备使用的乳化液中的有害元素与空气、水接触会产生污染物，在生化作用下水质将会进一步恶化。同时，通过污染通道（孔隙、裂隙、构造、不良钻孔、采掘空间等）向邻近含水层进行扩散，进而引发一系列的地下水污染灾害。矿井水的主要污染类型为高悬浊物矿井水、酸性矿井水、高矿化度矿井水、高硫酸盐矿井水、高氟矿井水以及特殊组分矿井水（铁锰离子为主）六大类型，各类型具有交叉性［16］。目前，对于6种类型矿井水污染防控的研究主要集中在矿井水外排处理利用上，本研究关注点主要集中在矿井水污染防控和水资源保护方面。

明晰煤矿区场地地下水污染的形成机理，对于有效防控污染具有重要意义。就矿井生产和闭坑阶段而言，煤矿开采过程中地下水污染的6种类型都有，由于各区域煤系地层中黄铁矿、硫化物含量不同，矿井水化学类型差别较大，如鲁西、山西、宁东和新疆矿区高矿化度水占比较高，云贵矿区酸性水、铁锰矿井水常见。国内部分典型矿区水质情况见表2。

高矿化度水的形成环境较为复杂，开采过程中遇水后硫酸盐、碳酸盐等可溶性矿物的溶解；降雨量少，蒸发量大，蒸发浓缩作用使地下水以及矿井水的矿化度高；地下咸水入侵以及黄铁矿（FeS2）的氧化反应等都可促进高矿化度水的形成［16，21］。以黄铁矿（FeS2）为例，水与煤层中的硫化物反应产生的游离酸有关，游离酸与白云岩、灰岩等发生中和反应，使钙、镁、硫酸根等离子增多，高矿化度水发生的系列反应方程式为

同时，由于采煤机等机械设备使用的机油、润滑油等，使得矿井水中出现了有机污染物，但总体含量较低。闭坑矿井由于排水系统停止运转，地下水位出现回弹，引起酸化，酸性水中通常含有较高的铁锰以及硫酸盐离子。酸性水的形成主要与黄铁矿（FeS2）有关，黄铁矿与氧气、水发生的系列反应方程式为

总体来看，煤矿区地下水污染的特征因子以铁锰、硫酸盐、矿化度和pH为主，不同区域的生产矿井水污染的主控特征因子有所差异，闭坑矿井以高铁锰及硫酸盐离子的酸性水为主。

2.2 煤矿区场地地下水污染模式

2.2.1 浅层地下水污染模式

煤矿区场地地下水污染主要是通过地表淋滤、塌陷坑积水以及地下各含水层的水压差进行补给。浅层地下水主要是由于降雨、积水等使浅层地下水水位升高，原本在包气带内的污染物进入地下含水层所致（图2（a））。此外，随着煤炭开采或者闭坑，塌陷坑积水增多，水位升高反补污染潜水，甚至污染更深的地下含水层（图2（b））。

2.2.2 深层地下水污染模式

深层地下水污染主要是含水层本身破坏污染以及各含水层相互补给串层造成的。煤层开采后，煤岩体的有害元素与空气、水发生氧化还原反应，在渗流场和裂隙场的作用下污染了含水层。同时，由于开采活动的影响，采动裂隙、构造（断层、陷落柱等）、不良钻孔或者废弃井筒等沟通含水层，改变了各含水层的水化学场、渗流场和水动力场。由于受采动影响，含水层较初始水头下降，邻近高水压含水层进行补给，改变了原有的补给途径，进而影响了水化学场，造成水体污染。串层污染可在煤层顶板各含水层间、顶板与底板含水层间、底板与底板含水层间发生，深层地下水串层污染模式如图3所示。

闭坑矿井深部串层污染有两种形式：浅部含水层先污染，闭坑后矿井水位回弹，当受污染的含水层水位高出底板承压水头时，位于浅层的被污染的矿井内部和含水层通过隔水层的“天窗”补给底板承压水；另一种情况为，当底板承压水先污染后，承压水水位高于浅部含水层，通过导水通道污染浅部含水层。特别是矿井闭坑后，由于矿井水无法排出，矿井水在废弃井筒或者采空区、巷道等积聚回弹，受污染水体通过废弃井筒、采动裂隙、构造等通道补给含水层，甚至溢出地表，造成更大范围的污染（图1）。

3 煤矿区场地地下水污染监测预警与防控技术

煤矿区场地地下水污染防控体系的构建包括调查、监测、评估和防控几个环节。本研究分别从地下水污染监测预警技术和防控技术两方面对目前我国煤矿区场地地下水污染监测预警与防控技术的研究进展进行分析。

3.1 煤矿区地下水污染监测预警技术

国内外对于地下水污染风险评价方法、监测预警装备较多，为煤矿区场地地下水污染监测预警技术与装备研发提供了有效参考［16，22-25］。在国内，由于人们环保意识淡薄，煤矿区场地地下水污染长期跟踪监测的数据较少，虽然在矿井建设和开采过程中，大多数矿井基本实现了水文长观孔水位、水温、水压长期监测以及各含水层的水质化验分析，但水污染长期监测的数据较少，总体上对于地下水污染的关注较少。2006年，虽然国家安全生产监督管理总局发布了《废弃矿井地下水污染监测布网技术规范》，但对于闭坑矿井引发的地下水污染、生态环境等问题的重视程度还远远不够。本研究分别从水文水情监测预警技术与装备、煤矿区地下水污染监测技术、煤矿区地下水污染风险评价预警技术等方面，对现阶段国内煤矿区场地地下水污染监测预警技术与装备方面的研究进展进行分析。

3.1.1 水文水情监测预警技术与装备

国内科研院所和企业对矿井水文水情监测系统进行了长期研究，开发了一系列的水文水情监测装备，例如，KJ117矿井水文监测系统、KJ402矿井水文监测系统、KJ628矿井水文监测系统（图4（a））以及笔者团队自主研发的KJ1165智慧水文监测系统（图4（b））等，基本实现了煤矿地面水文长观孔水位、温度，井下水文长观孔水压、矿井水水温、明渠流量、管道流量、底板应力的自动监测，并基于水文监测数据，结合灰色聚类、神经网络等数学模型，初步实现了对矿井水害的报警或预警。常规的水文水情监测系统关注点在于矿井水害，大部分技术的研究思路是通过将各类传感器投放到钻孔中，传感器将采集的数据传输到分站，分站通过无线网传输到地面计算机软件系统，实现对数据的分析，进而判断水害危险程度。常规水文监测系统缺少地下水污染监测预警方面的模块，缺乏地下水污染相关参数（水质、悬浮物、浊度等）的监测预报功能，无法实现对地下水污染进行在线监测、报警，更谈不上预警。

3.1.2 煤矿区地下水污染监测技术

煤矿区场地地下水污染监测多是通过现场取样后，在实验室内进行水质分析或者特征污染因子鉴定，然后与初始水质进行对比分析，为矿山突水水源判定提供参考，也为分析地下水质演变规律提供依据。例如，采用试管滴定法、离子色谱仪测试或者离子电极等方法对所取含水层的水质样品进行分析；采用可见分光光度计、原子荧光光度计、三维荧光光谱技术等检测矿井水样中的有机物、重金属等；采用pH、浊度仪等测试矿井水样的酸碱性和浑浊度等［27］。现阶段，尽管地下水水质、特征污染因子检测手段逐渐增多，但基本上集中在实验室内进行。目前虽然已有类似便携式水质监测仪问世，但监测精度较低、监测离子数量较少、水质监测数据不全，导致其在煤矿区地下水污染监测应用中存在很多问题。在煤矿场地现场取水样进行实验室化验，测试时间间隔长、工作效率低，无法满足对地下水污染长期持续监测的要求，更无法实现煤矿区地下水污染特征因子智能识别。

国家安全生产监督管理总局公布了《废弃矿井地下水污染监测布网技术规范》（MT/T 1022—2006），针对闭坑矿井或废弃矿井地下水污染监测布网方法、布设要求等方面给出了明确要求，但总体来说，闭坑矿井诱发的水环境问题仍处于初级阶段，水污染的智能监测还缺乏深入系统的研究。就技术层面而言，煤矿区场地地下水污染井（点）的在线监测仍然是个瓶颈问题，目前多数仍然采用井（点）取样进行实验室化验检测。因此，煤矿区场地地下水污染在线智能监测体系还不完善，地下水污染在线智能识别、监测系统仍然需要加大研发力度。

3.1.3 煤矿区地下水污染风险评价预警技术

现有的煤矿区预警技术是基于地下水污染监测数据以及风险评价理论，采用迭置指数法、过程数学模拟法、统计方法和模糊数学等风险评价方法，对煤矿区地下水污染程度进行风险评估。同时，采用计算机语言（VB.NET、C++等）+ArcGIS等多元信息融合技术开发地下水污染评价软件，实现地下水污染风险评价、预警、决策等功能。但现有的煤矿区场地地下水污染监测与预警并非在线一体化完成，而是通过将监测数据输入预警软件后实现预警。目前，针对闭坑矿井或废弃矿井已经有地下水污染风险评价系统问世，例如，中国矿业大学冯启言教授团队开发了废弃矿井地下水污染风险评价系统［16］，其基本思路为：首先建立闭坑矿井地下水污染风险评价指标体系，即分析地下水污染影响因素，并进行赋权值；然后基于数学方法，采用加权求和法建立闭坑矿井地下水污染风险评价综合模型；最后对闭坑矿井地下水污染风险进行预警或危险等级划分。现有的煤矿区场地地下水污染预警技术框架大体上如图5所示。评价系统的研发对于煤矿区场地地下水污染防控有重要意义，但评价的基础仍然是建立在实验室水质检测数据的基础上，而非矿区水污染现场在线监测。如何实现煤矿区地下水污染因子智能识别、在线监测和预警功能，仍然是现阶段煤矿区地下水污染监测预警装备发展需要探索的核心问题。

3.2 煤矿区地下水污染防控技术

目前，煤矿区场地地下水污染防控多集中在开采阶段和闭坑阶段，地下污染防控的重点是污染源头控制、过程阻断方面，对于已经污染的场地，尤其是已经污染的闭坑矿井，多采取末端修复（治理）的方式。对于末端修复来说，采用原位修复（治理）方式的修复效果通常难以掌控，而采用异位治理方式通常要结合矿井水利用进行分类分级处理，且成本较高［27］。因此，在矿井建设前，要立足矿井全生命周期，考虑采前、采中和采后地下水污染问题，从污染源头控制、过程阻断和末端修复的角度进行防控，力争实现开采与水资源保护统筹兼顾。以闭坑矿井为例，煤矿区地下水污染过程如图6所示。

3.2.1 保水开采技术

在煤炭开采过程中，保水开采的目的是既要防止水害发生、实现安全生产，又要保证含水层的供水价值和生态价值。传统的保水开采技术通常基于岩层控制理论，对采煤区域进行富水性和保水开采等级划分，通过采用合适的采煤方法或隔水层再造技术，抑制导水裂隙带发育或阻断导水通道，进而维持含水层稳定，实现低损害高效煤—水共采的目的［11-13］。近10 a来，众多学者又发展了地下水库储水等新技术、新方法，延伸了保水开采的内涵。现有的保水开采技术根据矿井保水分区特征，通常可分为以下几类，部分技术存在交叉。

3.2.1.1 导水裂隙带发育高度调控技术

基于岩层控制理论，改变采煤方法或工艺，使采动影响下的上覆含水层扰动在可控范围内，防止含水层结构变异，从而造成含水层大范围失水或污染。近年来，国内众多学者进行了大量的研究和现场实践，通过控制采煤方法或工艺，降低岩层扰动程度或导水裂隙带发育程度，可有效控制覆岩含水层破坏。例如：①限厚开采［28-29］，降低覆岩运动强度，使得导水裂隙带发育高度减小（多伦协鑫煤矿1708-1工作面限厚开采，实现了水体下安全开采）；②充填开采，弱化“三带”结构，人为减少垮落带，控制扰动强度，控制含水层失水及地表沉陷（邢台煤矿7606、7608工作面煤矸石固体充填开采，田庄煤矿1611工作面高水充填开采，岱庄煤矿2351工作面膏体充填开采［30］）；③将长壁高强度开采调整为条带、短壁或房柱开采等，合理控制条带和煤柱宽度，减小覆岩扰动强度，合理控制地表及水体变形；④合理留设防隔水煤（岩）柱，使导水裂隙带不波及到上覆水体，进而实现安全开采，保护水资源（江苏大屯微山湖下采煤实践［31］）。图7为水压作用下保水开采防砂安全煤（岩）柱留设方法，其中，Hs为高水压作用下防砂安全煤（岩）柱留设高度，Hm为垮落带高度，Hb为保护层厚度，Hp为水压作用下煤柱损伤厚度。

3.2.1.2 隔（含）水层再造技术

基于阻断材料以及含（隔）水层再造技术，利用隔水层的自我修复能力或开发一系列阻断材料，对采动裂隙、废弃采掘空间或构造进行充填或者封堵。例如，废弃井筒、采掘空间注浆封堵；采动裂隙注浆、不良钻孔封堵等。虽然条带开采、房柱式开采可控制含水层结构变异，有效保护上覆水体，但对于我国西部富煤区来讲，水资源保护与高效开采的矛盾难以调和，因此，在高强度开采模式下采取人工修复或促进含（隔）自修复的方式尽可能实现保水功能是缓解开采与水资源保护矛盾的重要技术手段［14］。例如，补连塔煤矿12401工作面利用采动裂隙的自愈合作用，可促使含水层水位修复［33］；南桐煤矿采用封闭不良钻孔重新启封段注浆和离层裂隙带压力注浆两种方法修复含水层，可有效预防地下水污染［34］。

另外，污染通道封堵效果的好坏与阻断材料性能密不可分，虽然目前矿山注浆封堵材料种类较多，充填材料、注浆材料、修复材料等多种材料不断涌现，但阻断材料的成本和环保性仍然是长期需要关注的问题。成本太高，开采价值不大；材料毒性大，容易造成地下水二次污染。虽然水泥浆液、水玻璃类等无机材料，脲醛树脂、聚氨酯、环氧树脂等有机材料，粉煤灰基材料、高水或超高水材料，煤矸石等固废材料在矿山采动裂隙、构造、不良钻孔或采掘空间等污染通道封堵方面发挥了重要作用，但阻断材料的毒性、材料与地层的互馈反应效果还需要进一步展开研究和工业试验论证。

3.2.1.3 地下水库储水技术

在我国西部生态脆弱区，通过人工建造坝体或者利用井下防水煤（岩）柱等，可在采空区内进行储水，同时可实现对地下水的初步净化［35-36］。例如大柳塔煤矿利用采空区空间储水，采空区矸石对水体过滤净化，自然压差输水的“循环型、环保型、节能型、效益型”的煤矿分布式地下水库（图8）［37］，开发了入库前沉淀池过滤→库内矸石自然净化→井下模块化矿井水处理的三位一体技术，实现了库内水体自然净化与库外污染较重矿井水的井下处理，保障了矿井水高效资源化利用。煤矿地下水库储水技术与传统保水开采不同，作为传统保水开采内涵的补充，为煤矿区场地地下水污染防控提供了新思路。

我国西部生态脆弱区由于地表蒸发量大，矿井水外排会造成大量蒸发损失，同时高矿化度矿井水容易造成地表土壤盐碱化，因此，煤矿地下水库的应用和推广不仅有助于实现井下矿井水的初步净化，对于我国西部矿区保水、用水也具有重要意义。目前，煤矿地下水库在神东矿区应用较多，但西部矿区地质条件也有一定的差异性，煤矿地下水库的适用性和长期稳定性仍然需要进一步探索。

3.2.2 闭坑矿井地下水污染修复技术

针对不同场所的地下水污染防治，常用技术有监测自然衰减技术、阻隔技术、抽出处理技术、循环井修复技术、原位微生物修复技术、植物修复技术、自由产品回收技术、原位化学还原技术、原位化学氧化技术、地下水曝气技术、渗透反应墙技术、双相抽提技术、原位热处理技术等［38］。但在煤矿领域，特别是国内闭坑矿井的地下水污染防控方面，技术水平还较为薄弱，地下水污染修复成功案例较少，典型成果多集中在矿井闭坑后对邻近煤矿防隔水煤（岩）柱稳定（生产安全）、露天开采或井工开采造成的塌陷坑积水污染防治等方面［39-41］。矿井闭坑后，矿井面临无人管理或管理投入不足的状态，给闭坑矿井地下水污染防控带来了较大困难。目前，国外学者对闭坑矿井水污染防控进行了较为深入的研究，主要集中在闭坑矿井水环境演变规律以及水质处理上，通过水质演变和预测模型，提出了矿井水污染的防控措施，取得了一定的效果［42-44］。在国内，关于闭坑矿井地下水污染防控的研究成果较少。目前，闭坑矿井地下水污染防控技术主要分为闭坑过程的主动防控以及闭坑后的被动防控两大类。

3.2.2.1 主动防控技术

主动防控技术多针对矿井闭坑前或闭坑过程中进行的原位控制手段，主要是从源头控制和过程阻断两个方面入手，即在矿井闭坑过程中为防止地下水酸化，进行各种酸性中和剂和金属沉淀剂投放、封堵源头或在含水层下游设置氧化还原屏障，逐级进行污染离子或污染物絮凝或中和，以达到原位防控和过程阻断的目的。

（1）投放物化材料或药剂。闭坑过程中向潜在酸性、重金属污染矿井中投放碱石灰、碳酸钙、粉煤灰、高炉渣和白云石等碱性中和剂以及助凝剂等，促使矿井水在酸化过程中进行中和、絮凝沉淀，降低矿井水pH值以及钙离子、硫酸盐含量，该类方法在Beth Energy's 105W号地下矿井中进行应用，取得了预期效果［45］；投放无烟煤、钢渣、石英砂、沸石等材料组合去除含有机物、氮、磷和重金属离子污染物［46］；投放阴离子表面活性剂等杀菌剂，抑制硫氧化细菌进而控制矿井酸性水的形成。闭坑过程中投放物化材料或药剂属于源头控制的有效手段，但此类方法多在短期内有效，随着时间的延长，防控效果有所减弱甚至逐渐失效。

（2）帷幕注浆、隔离封堵等密封污染源以及阻断污染通道。矿井在闭坑过程中对采掘废弃巷道、井筒以及不良钻孔进行充填封堵，对潜在危险的积水区进行帷幕注浆封存或隔离；对地面矸石堆、露天塌陷坑等底部土壤或包气带进行防渗处理，防止淋滤入渗等；提前在浅部污染含水层下游设置氧化还原反应屏障、泥浆墙等（图6），促使矿井中的硫酸根离子、重金属离子等进行反应中和、吸附或沉淀。帷幕注浆等技术在矿井水害防治中应用较多［47］，在矿井水污染防控方面仍然有一定的应用空间。

3.2.2.2 被动治理技术

被动治理技术多属于末端治理技术的范畴。与主动防控相比，被动治理在闭坑矿井地下水污染中最为常见。目前，国内外对于闭坑酸性水的处理主要有中和法、硫化物沉淀法、人工湿地法和微生物修复法［48-51］，其中，植物修复技术、人工湿地和微生物修复方法多用于露天塌陷坑、井工开采沉陷区塌陷坑积水以及浅部含水层污染治理方面。例如，潘安湖由于权台矿、旗山矿采煤沉陷影响，水质、生态环境恶化，采用人工湿地修复方式，改善了潘安湖的水质和生态环境，达到了修复的目的［2］。此外，在露天矿坑或井工开采塌陷坑积水中投放适量硫酸盐还原菌及其所需要的基质碳源来修复酸性矿井水，可有效去除硫酸根离子和降低酸性，但现有研究多集中在物理模拟试验方面［52-56］。

矿井闭坑后通过投放药剂来治理矿井酸性水和重金属污染，在国外也有应用案例，并对投放药剂进行了示踪试验［45］。从闭坑后投放效果来看，药剂的投放位置和投放量是制约闭坑矿井地下水污染修复效果的关键因素。例如，Keystone State Park的Salem 2号废弃矿井多次投放NaOH进行矿井水污染防治，但铁锰离子含量变化并不明显，酸性矿井水并未得到明显改善甚至无变化。因此，闭坑后药剂投放原位治理效果仍然难以保证，投放药剂的治理方法还需要进一步研究和论证。中和法、硫化物沉淀法多用于矿井水抽出处理，即将闭坑矿井内污染的含水体抽取到地面，根据矿井水污染类型进行分类分级处理。例如：洁净矿井水采用物理法处理，酸性矿井水可采用物理吸附法、化学中和法、微生物法、湿地生态工程法处理，含悬浮物矿井水可采用混凝和超磁分离法处理，高矿化度矿井水可采用蒸馏、离子交换和膜分离法处理，特殊组分矿井水可采用絮凝沉淀和离子交换法处理［28］。

4 煤矿区地下水污染防控技术发展方向

近年来，煤矿区场地地下水污染得到了业内较大关注，保水开采、闭坑矿井地下水修复以及采煤塌陷区积水防控等技术研究越来越得到国家的重视。本研究针对煤矿区场地地下水污染监测技术不足、防控技术缺乏体系的问题，立足于矿井全生命周期不同阶段的特征，以煤矿区地下水污染源、通道精准探测为前提，提出以煤矿区地下水污染防控技术体系为核心，研发地下水污染智能监测预警技术与装备，研究煤矿区地下水源头控制、过程阻断和末端修复技术与工艺，形成煤矿区地下水污染防控技术体系与规范。笔者分别从煤矿区场地地下水污染精准探测技术、监测预警技术、保水开采技术和闭坑矿井地下水防控技术等方面进行分析，对煤矿区场地地下水污染防控技术发展方向进行讨论。

4.1 煤矿区场地地下水污染精准探测技术

煤矿区场地地下水污染范围可采用钻探、物探和化探方法确定。在污染场地附近施工钻孔，并对目标及相邻的含水层水样进行化验，进而分析含水层水样的污染程度，但钻孔施工成本高、所需时间长，且“一点”之见无法有效确定污染范围。地球物理方法可以进行大范围的测试，且测试较为快捷。图9为本研究团队自主研发的YCS625型瞬变电磁仪。目前，采用地球物理方法对煤矿区地层构造、富水区域进行探测比较成熟，但在污染特征因子与地球物理的响应关系方面的研究有所欠缺，地下水特征污染因子与电磁场的定量关系还不明确。因此，煤矿区场地地下水污染精准探测技术发展重点方向为：构建地下水特征污染因子与电磁响应的计算模型，分析污染源及污染通道与电磁响应的关系，同时结合钻探和化探手段，开展污染区域水化学示踪试验，构建水化学数据库等。

（1）煤矿区地下水污染物性响应计算。基于煤矿区地下水污染因子提取分析，建立地下水污染特征因子量化物性模型，研究地下水特征污染因子地球物理全时域响应数值计算方法，探索水污染特征因子与地球物理响应的半定量、定量关系，为煤矿区地下水污染源、污染通道的精准探测提供理论基础。

（2）煤矿区地下水污染源精准探测技术。基于煤矿区地下水污染源的种类特征，建立地下水系统层状电性模型，研究污染水源系统性电性特征，开展瞬变电磁法、探地雷达等物探技术的适用性试验，获取地下水污染源探测的最优响应方法组合；建立水化学分析数据库，分析各含水层污染特征因子的关联性，不断发展和完善煤矿区地下水污染源精准探测技术体系。

（3）煤矿区地下水污染通道精准探测技术。基于煤矿区水文地质条件及地下水动力学特征，建立典型地下水污染传输通道的系统物性模型，研究污染物集、聚迁移扩散的响应特征，通过瞬变电磁法、探地雷达等物探技术试验，研究污染通道探测的最佳响应组合；开展污染区域水化学示踪试验，分析特征污染因子迁移轨迹，不断发展和完善煤矿区地下水污染通道精准探测技术体系。

4.2 煤矿区地下水污染智能监测预警技术与装备

现阶段，煤矿区场地地下水污染监测多停留在监测网布设方面，地下水污染在线智能监测、预警技术与装备发展水平不高。目前，常规监测多为一个钻孔监测一个含水层，若要全面监测多个含水层所需的钻孔数量巨大，成本较高，快速实现单孔分层连续采样监测，是矿井水监测亟需解决的问题。煤矿区地下水污染在线智能监测、预警技术与装备的发展方向主要有如下3个方面。

（1）煤矿区地下水特征污染监测技术。开展煤矿区场地地下水污染在线识别与监测方法研究，研究地下水单孔分层连续采样及特征因子快速智能识别技术与监测装备，建立煤矿区地下水污染智能监测网，在线监测地下水文、水质、污染特征因子浓度的动态变化，并实现特征污染因子浓度的超限报警。

（2）煤矿区地下水污染风险评价技术。基于地下水环境的承载能力和地下水污染风险理论，建立污染物风险、污染通道风险和目标含水层风险3个主控因素的多级评价指标体系，研究地下水污染风险及污染程度风险评价方法，构建地下水污染风险评价模型，为进一步实现煤矿区地下水污染智能预警奠定基础。

（3）煤矿区地下水污染“监测—评价—预警”一体化平台。在地下水污染在线监测技术与装备的基础上，结合地下水污染风险评价模型，开发地下水污染风险评价、预警系统，实现对煤矿区地下水污染风险及污染程度的实时预警，形成集智能识别、监测、风险评价与预警等功能于一体的地下水污染综合平台。

4.3 保水开采技术

保水开采技术在我国西部生态脆弱区应用较广，随着采矿技术的发展，保水开采的内涵和技术手段也不断丰富。保水开采技术的发展既要满足生态环境保护要求，又要兼顾矿井高效开采，新型阻断材料研发和技术工艺创新必不可少。阻断材料的使用要实现低成本、环保的目的，技术工艺和工程参数要考虑材料扩散与地层耦合的互馈反应，低成本、低污染材料和“煤—水”双资源开采技术是煤矿区场地地下水污染防控的重要研究方向。

（1）阻断系列材料研制。研制低成本、低污染的采动裂隙、构造和开采空间的“封—注—充—填—堵”以及修复等绿色系列复合材料，探索岩体裂隙与浆液扩散耦合关系，研究不同尺度孔隙、裂隙等与阻断材料封堵的互馈机制；开展不同尺度阻断材料注浆工艺以及衔接时序关系研究，优化注浆工程参数，进行阻断系列材料现场适用性研究。

（2）低损害、零（低）污染高效煤水共采技术。开展煤层顶底板突水危险性及保水开采分区方法研究，精准划分保水开采等级，在此基础上，提出合理的采煤方法与工艺；以岩层控制理论为基础，以导水裂隙带发育为重点防控对象，优化含（隔）水再造技术施工工艺和参数，开发含（隔）水层结构稳态再造方法与工艺，降低含水层损害程度，形成煤—水双资源共采技术。

4.4 闭坑矿井地下水污染防控技术

随着中东部闭坑矿井数量增多，闭坑矿井地下水污染问题日益突出。在后闭坑阶段（开采前并未考虑闭坑阶段生态环境问题），煤炭开采前和开采中均未采取地下水污染针对性的防控措施，闭坑阶段势必会面临地下水污染问题。因此，必须掌握矿井闭坑过程中地下水污染演变规律，在此基础上，形成闭坑矿井地下水污染关键技术。

（1）闭坑矿井地下水污染演变规律。研究矿井闭坑过程水位回弹、水质酸化演变规律，探索闭坑矿井污染过程与煤岩介质的属性关系；研究污染通道煤岩介质孔隙—裂隙结构特征，概化闭坑矿井地下水污染通道裂隙尺度与传输通量的关系；探索闭坑矿井地下水污染过程“水—岩—微生物”的共生关系，为闭坑矿井地下水污染控源阻径防控提供理论指导与参数依据。

（2）矿井闭坑过程地下水污染防控关键技术。基于碱性材料的研制，研究闭坑矿井地下水酸性、高矿化度等污染源头控制方法，探索源头物性转化、封堵及分源氧气隔绝技术途径与工艺；基于硫酸根、铁锰离子等污染特征离子络合、氧化还原作用材料，结合地下水污染模式，研究地下水污染反应屏障工序及位置关系，探索可渗透反应屏障阻滞技术与工艺参数。

（3）矿井闭坑后地下水污染修复关键技术。研究闭坑矿井酸性水、铁锰与植物吸附、有氧/无氧生物菌群共生关系，探索煤矿区地表及地下水污染湿地生态工程、硫酸盐细菌等微生物注气投菌原位修复方法与工艺；研究闭坑矿井地下水污染碱性材料调控时间和掺量，探索钻孔精准定位与原位消污减灾技术；研究地下水污染抽取分类分级处理技术，形成闭坑矿井地下水污染原位—异位末端修复技术。

4.5 煤矿区全生命周期地下水污染防控技术体系与规范

国外对地下水资源及矿区环境保护的重视程度较高，对于矿井生产的各阶段出台了相关的技术标准和管理体系［56］。我国起步较晚，除了发布《废弃矿井地下水污染监测布网技术规范》（2016年）外，在煤矿区场地地下水污染防控技术方面还没有较为具体的技术规范，尤其是缺少立足于矿井全生命周期的技术体系以及相关的技术规范。

（1）煤矿区地下水污染防控技术体系。基于煤矿区全生命周期地下水污染的阶段特征，从煤矿区地下水污染调查、监测、风险评估、防控的角度出发，结合矿井设计理念［2］，提出矿井设计、矿井生产、矿井闭坑等不同阶段的防控技术与工艺，构建煤矿区全生命周期地下水污染防控技术体系。

（2）煤矿区地下水污染防控技术规范研究。针对煤矿开采和闭坑期地下水环境影响特征，提出不同阶段的地下水污染防控技术要求，包括：开采准备期的地下水环境背景调查评估要求；开采过程中不同开采方式条件下的地下水环境跟踪监测、环境保护措施与环境风险管控要求；闭坑后针对不同水文地质条件的地下水污染防控要点等，制订煤矿区地下水污染防控技术系列规范。

煤矿区地下水污染防控技术路线如图10所示。