贵州省地矿局101地质大队 刘发康

一、酸性矿井水的危害

（一）河流污染

根据矿区内河流水、矿井水水质检测报告得知，辖区平路河上游、泡木河上游及重安江上游水中的Fe3+、SO42-的浓度均较低，但是当矿井水、淋滤水进入到河流后，这两项离子都会逐渐升高。平路河上游、泡木河上游及重安江上游段pH值都偏弱碱性，但矿井水、淋滤水的汇入使得河流中的pH值急剧降低，水体呈酸性。从Fe3+、SO42-和pH值的变化趋势判断出该区域内的矿山水质恶化已较为严重，不但造成了鱼洞河流域内河流的污染，还进一步影响到下游重安江的水质。

（二）河流污染成因

根据《贵州省凯里市鱼洞河流域生态环境综合治理水文地质勘查报告》，河流水质受污染主要由矿井水、淋滤水污染及河流含沙量造成。

1.矿井水及淋滤水

矿井水、淋滤水污染主要分布于流域东部煤矿密集区，矿井水淋滤水污染区面积为80km2，占整个流域面积的34﹪。根据勘查报告，区内的涌水矿井有30个，最大矿井涌水量为475.740L/s，总涌水量为1590.394L/s，所有的矿井水均存在污染情况，测得鱼洞河汇入重安江出口处流量为5347.800L/s，则矿井水占鱼洞河总流量的29.74﹪，所以矿井水对鱼洞河的化学污染影响最大。经调查，区内共有煤矸石堆积体137个，占地面积为865713m2，体积为3797550m3，煤矸石淋滤水通过污染地表地下水造成的流域污染情况也不容小觑。

2.河流泥沙

河流含沙量主要分布于流域西部的非煤矿山密集区，由于非煤矿山多采用露天开采的方式，所以其对植被的破坏较大，易发生水土流失，且大量的重晶石矿山还有洗矿场的分布，也为河流含沙量提供了大量的物源。河流含沙量区面积为157.97km2，占整个流域面积的65.82﹪。区内有非煤矿山18家，废弃矿石场7个，占地面积105282m2，体积1209682m3，非煤矿山采场采坑76个，面积2518918m2，总面积为2624200m2，为大量的河流含沙量的物源提供区。

二、酸性矿井水的成因分析

（一）酸性矿井水基本特征

酸性矿井水整体呈浅黄色、黄褐色、嗅有铁锈味。根据统计的28个矿井水水质分析报告，矿井水pH值为3左右，地下水化学类型为SO4—Ca·Mg型水（见表1），为典型的酸性矿井水，矿井水污染附近土壤及污染水体，影响动植物生长，形成的Fe（OH）3沉淀破坏当地景观。

表1 水质类型

（二）酸性矿井水成因

1.酸性矿井水中水的来源

煤矿采空区一般高于当地最低侵蚀基准面（平路河河床标高），特别是矿井控制的采空区范围，采空区范围内无大的地表水体（水库、水塘、湖泊），无常年性地表河流，采空区内及以上地下水主要接受大气降水补给，沿地表发育的岩溶洼地、塌陷等岩溶裂隙发育带下渗或灌入式补给地下水（见图1）。

2.酸性矿井水中污染物质的来源

不同成因的地下水有不同的原始化学成分，它们在形成过程中与周围的介质即岩石及矿物不断相互作用。水的化学成分也随之发生变化，其结果使地下水的化学成分与原始化学成分产生很大的差别。根据已查明的与地下水接触的岩石，如二叠系中统栖霞（P2q）、茅口组（P2m）灰岩和梁山组（P2l）碎屑岩以及泥盆系上统尧梭（D3y）、望城坡组（D3w）白云岩与矿物组成。其中梁山组（P2l）碎屑岩主要为含铁含煤的地层，以石英砂岩、铝土岩、碳质页岩及烟煤、铝土质页岩及菱铁矿结核为主。各岩层中主要化学成分如下：

灰岩中主要成分为CaO和CO2，其中CaO含量50.99﹪，CO2含量40.55﹪，MgO含量0.80﹪，其他成分7.66﹪；

白云岩中主要成分也为CaO和CO、MgO2，MgO的含量相较于灰岩中有所升高。其中CO2含量43.29﹪,CaO含量30.75﹪，MgO含量17.94﹪，其他成分8.02﹪；

煤矿中固定碳含量36.393﹪，全铁（TFe）含量3.679﹪，可溶铁（KFe）含量1.546﹪，FeS2含量3.041﹪，Fe2O3含量2.249﹪，CO2含量0.185﹪，S含量3.154﹪，Mn含量0.004﹪，F含量0.014﹪，其他占比49.735﹪。根据S的含量，将该煤层划为富硫煤（S含量2.5～4﹪），煤矿中FeS2（黄铁矿）含量较高，由于其易水解的特性，水解后的产物能直接影响到地下水、地表水的水质；

铝土矿中Al2O3含量49.30﹪，Fe2O3含量2.19﹪，全铁（TFe）含量1.59﹪，可溶铁（KFe）含量0.83﹪，FeS2含量0.15﹪，Mn含量0.01﹪，F含量0.01﹪，其他成分占比45.92﹪；全铁（TFe）含量18.329﹪、可溶铁（KFe）含量16.120﹪、FeS2含量0.234﹪，Fe2O3含量24.384﹪，CO2含量0.383﹪，S含量0.180﹪，Mn含量0.014﹪，固定碳含量4.480﹪，F含量0.034﹪，其他成分占比35.842﹪。前三项合计40.738﹪，为矿井水中Fe2+、Fe3+提供了丰富的矿物条件。

煤矸石堆中CaO含量0.389﹪，MgO含量0.512﹪，CO2含量1.356﹪，全铁（TFe）含量3.760﹪，可溶铁（KFe）含量1.579﹪，FeS2含量1.651﹪，Fe2O3含量3.579﹪，Mn含量0.008﹪，F含量0.022﹪，Al2O3含量20.580﹪，SiO2含量52.860﹪，FeO含量0.630﹪，TS含量2.02﹪，SO3含量2.830﹪，其他成分占比8.215﹪。

矿物由于部分元素如Fe、S、Mn、Al等富集程度高，地表地下水在溶解、水解矿物的过程中会使得地表地下水中部分离子含量往往高于正常值，导致了地表地下水的污染。由于梁山组中富硫煤的存在，使得地下水中会存在大量的SO42-离子，使得地下水会出现含硫酸盐的类型水。如HCO3•SO4－ Ca 型水、HCO3•SO4－ Ca•Mg 型水、SO4－Ca型水、SO4－Ca·Mg型水等等。

3.酸性矿井水形成过程

煤层的顶底板都是充水含水层，当上部含水层中地下水底板隔水层被采矿破坏后，顶板含水层中地下水充入采空区，煤系地层中黄铁矿（FeS2）经水解、氧化等作用，使水中铁、硫酸盐、锰、pH等超标，地下水水质下降。具体过程如下：

FeS2的氧化作用：

（1）在氧和水存在的条件下，煤层或者顶、底板岩层中硫铁矿被氧化，生成硫酸和亚铁离子：

2FeS2+7O2+2H2O=4H++2Fe2++4SO42-

（2）在酸性条件下，亚铁离子被进一步氧化成铁离子：

2Fe2++0.5O2+2H+=2Fe3++H2O

（3）由于Fe3+在pH值大于3.5时，水解生成氢氧化铁，增加了矿井水的酸度：

2Fe3++6H2O=2Fe(OH)3+6H+

从以上反应式可以看出，2mol的FeS2氧化生成6mol的H+和2mol的Fe(OH)3，结果不但使矿井水呈酸性，而且因Fe(OH)3悬浮于水中，使矿井水呈黄褐色。

根据相关资料，FeS2氧化产物Fe3+对FeS2具有氧化作用：

FeS2（s）+14Fe3++8H2O=15Fe2++2SO42-+16H+

因此，氧化生成的Fe3+加快了FeS2的氧化速度，增加了矿井水的酸性。

三、对策建议

为践行绿水青山就是金山银山的理念，现阶段对鱼洞河流域酸性矿井水进行综合治理已刻不容缓，经过近期参与的贵州省凯里市鱼洞河流域生态环境综合治理水文地质勘查项目及赴其他单位进行酸性矿井水封堵考察学习，对酸性矿井水的治理提出如下对策建议：

（一）恢复地下水环境

全面封堵与煤矿矿井连通的巷道、采空区，阻隔空气进入，还原开采前的地下水环境；对于支护较好的巷道、采空区，可经过二次支护，采用混凝土对顶、底板进行封堵，在保证完全安全的前提下进行矿山旅游开发。

（二）改变地下水动力条件

在主巷道与采空区的接触处进行封堵，使顶板含水层中的水位抬升到顶板标高以上，封堵标高为采空区的极值标高。

（三）跌水曝气

对于水量较小、且有足够长跌水路径的矿井，可采用跌水曝气+沉淀池进行处理，其原理为在跌水曝气过程中，酸性水体中的Fe2+充分氧化、沉淀，直至排出的水体为清水。