煤矸石充填體對地下水污染風險的評估

孔國強 王 軍

(中國礦業大學礦業工程學院，江蘇省徐州市，221116)

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煤矸石充填體對地下水污染風險的評估

孔國強 王 軍

(中國礦業大學礦業工程學院，江蘇省徐州市，221116)

隨著固體充填采煤技術的日益推廣，煤矸石充填礦井對地下水環境污染日益嚴重。為了及時了解并掌握煤矸石充填對礦井地下水的污染風險，在對地下水污染風險理論研究的基礎上，運用迭置指數法和層次分析法，構建了煤矸石充填礦井對地下水污染風險的指標體系及模型，并對其風險等級進行劃分，為充填礦井的地下水保護及污染的防控與應急處理提供可靠指導。

煤矸石充填礦井 迭置指數法 層次分析法 風險指標體系

隨著國家對環境保護工作力度的加大，礦區環境污染預防和治理是未來煤企轉型發展的重要方向。近年來，矸石充填開采是煤矸石綜合利用和改善礦區環境的一種新技術，成為礦區生態環境恢復和礦業城市持續發展的一個重要途徑。

目前，固體充填開采理論與實踐研究、“三下”壓煤技術的發展和地面生態恢復速度較快，但卻忽略了井下采空區的生態和環境效應，主要研究大多集中在地面矸石山堆積產生的環境問題及土壤復墾領域，對矸石充填體有害物質對井下采空區地下水的污染研究是國內外大多數研究者所忽視的一個重要方向，并且隨著煤矸石成為煤礦充填采煤的主要填料，其引發地下水污染的風險正在變得越來越大。因此，有必要及時了解掌握煤矸石充填礦井對地下水的污染風險，為科學有效地預防、控制和治理煤矸石充填體對地下水的污染提供一定的科學理論依據。

1 煤矸石充填體對地下水污染風險評價基礎研究

1.1 煤矸石充填體對地下水污染風險的概念

地下水污染風險主要考慮3個方面，分別是污染源、地下水和危害性，即反映污染源污染地下水的可能性和地下水受到污染的可能性及后果。所以可以將煤矸石充填體對地下水污染風險定義為：污染源煤矸石充填體對地下含水層污染的可能性與嚴重性，其中地下含水層受到煤矸石充填體污染的風險主要由煤矸石充填體的風險性、煤矸石中重金屬離子溶解-釋放的風險性及煤矸石中重金屬離子遷移的風險性這3個影響因素決定，其風險表達式見式(1)：

R=α1R1+α2R2+α3R3

(1)

式中：R——地下水污染風險水平；

R1、R2、R3——分別表示煤矸石充填體、煤矸石中重金屬離子溶解-釋放、煤矸石中重金屬離子遷移的風險性；

α1、α2、α3.——分別代表各對應風險因子的權重值。

1.2 煤矸石充填體對地下水污染風險評價方法

目前，有關煤矸石充填體對地下水污染風險的評價還處于萌芽階段，資料文獻較少，而且進行地下水污染評價時，需要收集充填采煤工作面下的含水層樣品，采集起來較為困難，這直接導致了煤矸石充填體地下水污染風險評價不宜使用復雜的評價方法。因此，本文將選用基于迭置指數法的定性簡單評價方法，以煤矸石充填體為污染源，以采空區底板范圍內的含水層為風險受體，初步對煤矸石充填體地下水污染風險做出評價。

2 煤矸石充填體對地下水污染風險評價指標體系

2.1 評價指標體系構建步驟

煤矸石充填體對地下水污染風險評價指標體系需考慮污染源煤矸石充填體的屬性特征、上覆含水層的裂隙滲流特征、煤矸石中重金屬離子溶解-釋放-遷移特征等，在構建指標體系時，要遵循科學、全面、可行的原則，準確地對地下水污染風險做出評價。煤矸石充填體對地下水污染風險評價指標體系構建步驟如圖1所示。

2.2 評價指標篩選

2.2.1 煤矸石充填體風險識別

煤矸石充填體作為污染源，其風險主要來自于煤矸石的充填量、煤矸石中重金屬離子含量和煤矸石充實率。煤矸石的充填量用礦井開采面積表示，即開采范圍內全部進行密實充填，充填范圍越大，重金屬離子擴散范圍越大；煤矸石中重金屬離子含量取決于煤矸石來源，包括掘進矸石、洗選矸石和矸石山矸石，不同來源的煤矸石成分不一，重金屬含量亦不同；煤矸石充實率越大，滲透系數越小，煤矸石中的重金屬離子析出越困難。

圖1 煤矸石充填體對地下水污染風險評價指標體系構建步驟

2.2.2 煤矸石中重金屬離子溶解-釋放風險識別

煤矸石中重金屬離子溶解-釋放的風險性主要指重金屬離子經過時間累積析出的可能性，用3個指標來表示，分別是充填體粒徑級配、裂隙滲透水量(固液比)和礦井水酸堿度。重金屬離子濃度與固液比成正比，與煤矸石粒徑成反比，pH值對煤矸石中重金屬離子的溶解-釋放起到了一定的催化或抑制作用。

2.2.3 煤矸石中重金屬離子遷移風險識別

煤矸石中重金屬離子遷移的風險性主要指重金屬離子遷移至地下含水層，使含水層存在遭受污染的可能性，采用3個指標來表示，分別是底板賦存條件、底板破壞程度、下伏含水層特性。底板賦存條件包括巖性、厚度和隔水性等，底板破壞程度指底板導水破壞帶發育程度，二者都決定了重金屬離子擴散的難易程度及擴散范圍；下伏含水層特性主要指含水層的滲透性，決定重金屬離子在遷移過程中衰減和濃度稀釋的能力。

基于上述煤矸石充填體對地下水污染風險因素的分析與總結，共篩選出3個一級指標及9個二級指標，煤矸石充填體地下水污染風險評價指標如圖2所示。

2.3 評價指標分級標準

2.3.1 煤矸石充填量

一般情況下，開采面積越大煤矸石充填面積越大，導致煤矸石充填體受到礦井水淋溶浸泡產生的重金屬離子含量越高，隨著時間的推移逐漸累積，對地下水的污染可能性及范圍也隨之加大。通過對全國30個主要煤矸石充填礦井開采面積的數據調查與分析總結，劃分出開采面積的風險等級，礦井充填工作面開采面積風險等級劃分見表1。

圖2 煤矸石充填體地下水污染風險評價指標

礦井開采面積/km2分級對應風險等級>0.4大高0.2～0.4中中<0.2小低

2.3.2 煤矸石中重金屬離子含量

充填矸石主要包括掘進矸石和洗選矸石，還有一部分來自矸石山的風化所造成的堆積矸石。新鮮煤矸石中重金屬離子含量豐富，析出量較高，對地下水的污染可能性較大。根據《危險廢物鑒別標準-毒性物質含量鑒別》(GB5085.6-2007)，煤矸石中重金屬離子含量風險等級劃分見表2。

表2 煤矸石中重金屬含量風險等級劃分

2.3.3 煤矸石充實率

充填體一開始充入采空區時并沒有被完全壓實，會隨著上覆巖層的沉降運動而壓縮變形，兩者之間的相互作用可以用充實率表示。充實率越高，充填體孔隙率越小，滲透系數越小，隔水性能越好。通過對全國30個煤矸石充填礦井充實率的數據調查與總結，參考專家意見進行聚類分析后，煤矸石充實率風險等級劃分見表3。

表3 煤矸石充實率風險等級劃分

2.3.4 充填體粒徑級配

密實充填體因顆粒級配不同，其重金屬離子釋放速率及總量也不同。粒徑級配越小，固液接觸面積越大，重金屬離子溶解釋放速率越快，溶解釋放總量越大。通過對全國15個煤矸石充填礦井矸石粒徑級配的數據調查與總結，進行聚類分析后，充填體粒徑級配風險等級劃分見表4。

表4 充填體粒徑級配風險等級劃分

2.3.5 裂隙滲透水量

礦井涌水量指流入礦井巷道內的地表水和裂隙水等的總量，裂隙滲透水量主要來源于上覆含水層的儲水量。一般來講，在析出未達到飽和之前，水量與重金屬離子析出量成正比關系。根據《煤礦防治水規定》(國家安監總局令第28號)，裂隙滲透水量分為3個等級，分別是大、中、小，裂隙滲透水量風險等級劃分表見5。

表5 裂隙滲透水量風險等級劃分

2.3.6 礦井水酸堿度

在井下煤矸石充填區域，礦井水呈現酸性時，會加速煤矸石中Cu、Mn、Zn等離子的溶解和釋放；礦井水呈堿性時，會加速煤矸石中硫酸鹽及硝酸鹽等無機鹽類污染物的溶解與釋放。根據《地下水質量標準》(GB-T14848-93)劃分標準，礦井水酸堿度風險等級劃分見表6。

表6 礦井水酸堿度風險等級劃分

2.3.7 底板賦存條件

底板賦存條件包括巖性、厚度和隔水性等，決定了重金屬離子擴散的難易程度及擴散范圍。通過對全國10個煤矸石充填礦井底板賦存條件數據的調查，進行聚類分析后，其風險等級劃分見表7。

2.3.8 底板破壞程度

底板的破壞程度取決于底板裂隙發育的程度，決定了重金屬離子擴散的難易程度及擴散范圍，根據全國10個煤矸石充填礦井底板破壞程度調查數據，進行聚類分析后，底板裂隙發育程度風險等級劃分見表8。

表7 底板賦存條件風險等級劃分

表8 底板裂隙發育程度風險等級劃分

2.3.9 下伏含水層特性

下伏含水層特性包括滲透性、巖性、厚度,其中滲透性決定了含水介質受到污染的難易程度，巖性是決定礦井經煤矸石充填后對地下水造成污染及后期治理可能性的重要影響因素之一，厚度決定重金屬離子遷移和擴散的范圍尺度是否超過本層含水介質。通過對全國10個煤矸石充填礦井下伏含水層特性數據的調查，進行聚類分析后，其風險等級劃分如表9所示。

表9 下伏含水層特性風險等級劃分

2.4 評價指標權重賦值

評價指標的權重反映各個指標對地下水污染的風險大小，權重越大表明該指標對地下水污染的風險越大。本文選用層次分析法來確定煤矸石充填體地下水污染風險評價指標的權重，這是目前權重計算最常用的方法之一，被國內外學者在不同領域廣泛應用。

2.4.1 層次結構模型的建立

層次結構模型主要包括3個方面，即目標層、準則層、指標層。其中，目標層表示需要解決的問題，準則層表示為實現目標層應滿足的條件，指標層表示為實現目標層應選取的指標。根據上述建立煤矸石充填體對地下水污染風險評價指標層次結構見表10。

2.4.2 判斷矩陣構造

按照兩兩比較法和10分制專家打分法確定目標層與準則層及準則層之間的判斷矩陣，共咨詢并綜合了徐礦集團、陽煤集團、中國礦業大學以及兗礦集團等單位的10位水文地質或礦區環境保護方面的專家意見。各判斷矩陣見表11～表14。

表10 評價指標層次結構

表11 A～B判斷矩陣

表12 B1～C判斷矩陣

表13 B2～C判斷矩陣

表14 B3～C判斷矩陣

運用和積法計算上述各判斷矩陣的最大特征值和特征向量：

B1～C判斷矩陣的最大特征值：λmax=3.0253；特征向量：?=(0.2783,0.2406,0.4814)T。

B2～C判斷矩陣的最大特征值：λmax=3.0850；特征向量：?=(0.4279,0.2469,0.3253)T。

B3～C判斷矩陣的最大特征值：λmax=3；特征向量：?=(0.4286,0.2857,0.2857)T。

2.4.3 層次一致性檢驗

層次一致性檢驗是評價指標權重賦值的關鍵步驟，通過檢驗判斷矩陣的層次一致性來判別其是否合理。

首先，計算一致性指標CI的值見式(2)：

(2)

式中：CI——一致性指標；

λmax——判斷矩陣的最大特征值；

n——矩陣的階數。

其次，根據判斷矩陣的階數確定隨機一致性指標RI的值見表15。

表15 隨機一致性指標RI

最后，計算判斷矩陣的一致性比率CR的值見式(3)：

(3)

式中：CR——一致性比率；

RI——隨機一致性指標。

當且僅當CR<0.10時，構造的判斷矩陣層次一致性才是可以接受的，否則應重新構造判斷矩陣，直到該矩陣層次一致性可以接受為止。

由式(2)和式(3)可以看出，A～B判斷矩陣的一致性比率為CR=0.0187<0.1；B1～C判斷矩陣的一致性比率為CR=0.0218<0.1；B2～C判斷矩陣的一致性比率為CR=0.0733<0.1；B3～C判斷矩陣的一致性比率為CR=0<0.1，說明各判斷矩陣的層次一致性都是可以接受的。

2.4.4 評價指標權重計算

各指標權重計算結果見表16。

表16 各指標權重計算結果

2.5 評價模型及風險等級劃分

基于迭置指數法的地下水污染風險評價方法，建立煤矸石充填體地下水污染風險評價綜合指數模型，由式(1)可得式(4)：

(4)

式中：R——煤矸石充填體地下水污染風險評價綜合指數；

αi——該評價指標對應的權重；

C1i——第i個煤矸石充填體風險評價指標的評分值；

βj——該評價指標對應的權重；

C2j——第j個煤矸石中重金屬離子溶解-釋放風險評價指標的評分值；

γk——該評價指標對應的權重;

C3k——第k個煤矸石中重金屬離子遷移風險評價指標的評分值。

利用上述模型對地下水污染風險進行評價時，指標的評分值按照評價指標分級標準，設定高風險等級指標的分值范圍為90～100分，中等風險等級的分值范圍為60～90分，低風險等級的分值范圍為0～60分。

通過計算可得，煤矸石充填體地下水污染風險評價綜合指數R隨機分布在55～100之間，采用等間距法，將其污染風險水平劃分為“高、中、低”3個等級，煤矸石充填體地下水污染風險等級見表17。

表17 煤矸石充填體地下水污染風險等級

3 結語

針對固體充填采煤技術對井下采空區地下水環境的影響，基于對煤矸石充填礦井地下水污染風險因素的調查與分析，綜合考慮影響充填礦井地下水污染的所有可能因素，篩選出包括煤矸石充填體風險、煤矸石中重金屬離子溶解-釋放風險、煤矸石中重金屬離子遷移風險3個一級指標及9個二級指標；參考地下水污染風險評價相關標準和規范，通過對全國多個煤矸石充填礦井地下水污染相關影響因子的數據調查與統計分析，利用層次分析法構建了煤矸石充填礦井地下水污染風險評價指標體系；基于迭置指數法的地下水污染風險評價方法，采用加權求和法建立了煤矸石充填礦井地下水污染風險評價綜合指數模型，這對井下地下水污染的預防和治理能提供一定的理論依據和方法，同時對充填開采造成的地下水污染及時進行研究，對于改善礦區生態環境、恢復礦區地下水資源利用價值以及推動煤炭經濟的轉型發展具有重要的意義。

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(責任編輯 王雅琴)

Risk assessment for groundwater pollution of coal gangue filling body

Kong Guoqiang, Wang Jun

(School of Mines, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China)

With the increasing popularization of solid stoping-and-filling technology, the groundwater environmental pollution of coal gangue filled mine was becoming increasingly serious. In order to grasp the groundwater pollution risk of coal gangue filled mine, based on theoretical research of the groundwater pollution risk, the indicator system and model of groundwater pollution risk of coal gangue filled mine were built by adopting overlap index method and analytic hierarchy process, and its risk level was divided, which provided reliable guidance for the prevention, control and emergency treatment of groundwater pollution and protection of filling mine.

coal gangue filled mine, overlap index method, analytic hierarchy process, risk index system

孔國強，王軍. 煤矸石充填體對地下水污染風險的評估[J].中國煤炭，2017，43(7)：153-158. Kong Guoqiang，Wang Jun. Risk assessment for groundwater pollution of coal gangue filling body [J].China Coal，2017，43(7)：153-158.

TD745

A

孔國強(1994-)，山東曲阜人，中國礦業大學礦業工程學院在讀研究生，主要從事巖層控制與固體充填采煤方面的研究。