煤礦區礦井水水質形成與演化的多場作用機制及研究進展

孫亞軍，張 莉，徐智敏，陳 歌，趙先鳴，李 鑫，高雅婷，張尚國，朱璐璐

(1.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；2. 礦山水害防治技術基礎研究國家級專業中心實驗室，江蘇 徐州 221116)

煤炭開采必然產生大量礦井水，目前我國噸煤開采產生礦井水約 1.87 m，每年產生煤礦礦井水約 68.8億m，根據煤炭產量發展趨勢研究預測，2035年前我國煤礦礦井水每年可以穩定在60億m以上。同時，礦井關閉后，地下水位回升，淹沒廢棄的礦坑、巷道和采空區等，廢棄礦井成為潛在的污染源，并在相當長的一段時間內通過多種途徑對區域地下水造成污染。因此，煤礦區場地地下水環境調查、評價與污染防控已經成為我國煤炭行業綠色發展亟待解決的重要問題之一。

闡明礦井水的水質形成及演化機理是煤礦區地下水污染防控的理論基礎。礦井水的水質形成及演化過程非常復雜，受水動力場、水化學場、微生物場和溫度場等多場控制，具有高度非均質性和時空變異性。目前，國內外學者對礦井水的水動力場和水化學場研究較多，但是對于煤礦區場地的微生物場和溫度場研究還不充分，尤其是微生物影響下多場耦合作用對水質的形成及演化研究更鮮有報道。因此，筆者在深入研究我國煤礦區礦井水污染成因和運移規律的基礎上，闡述了礦井水水質形成及演化的多場作用機制及研究進展，以期為煤炭安全綠色開采與水生態環境保護提供理論支撐。

1 礦井水污染場地的界定

煤礦開采活動必然會影響自然條件下的水環境，與常規淺地表化工、金屬冶煉、工業復合污染、廢礦堆場等不同，煤礦開采的影響通常面積更廣、深度更大、涵蓋地層也更多樣。煤礦區污染場地的界定是開展水質調查、環境評價、污染阻斷、污染負荷減量和地下水保護的基礎，因此，污染場地的界定至關重要。

由于我國復雜的煤礦區水文地質結構，礦井水的形成及其對煤礦造成的安全影響伴隨著煤礦的全生命周期，而礦井水的外排是保障煤礦安全生產的必要舉措，在采動以及礦井水外排的影響下，煤礦區的地下水流場(補給、徑流、排泄)、微生物群落結構和水化學組分等方面的原始狀態發生改變，在物理-化學-生物等多場耦合影響下礦井水水質的特征發生復雜演化。由此可見，礦井水質的形成過程主要圍繞采動空間產生作用，主要受到煤礦開采活動和水文地質結構2種因素的控制，煤礦區污染場地的范圍應以這2種因素為基礎進行界定。

1.1 采動影響下的煤礦區水質“三帶”

開采活動是礦井水質演化最主要的驅動力。因此，在多數煤礦區(除露天礦區外)，在不考慮構造及特殊水文地質結構的影響下，僅根據煤礦開采活動影響的大小，可以將礦井水質特征劃分為“三帶”(圖1)。

第一帶：采動頂(底)板導水裂隙帶以外的區域。其含水介質及圍巖基本不參與礦井水水質形成，地下水動力場基本不受開采擾動影響，其中的地表水、地下水參與自然循環，但此帶范圍內的淺部地下水和地表水的水質易受礦井水外排的影響。

圖1 煤礦區水質垂向“三帶”分區Fig.1 Vertical “three-zone” of water quality in coal mine area

第二帶：采煤工作面以上，頂(底)板導水裂隙帶所波及到的所有區域。由于導水裂隙帶的存在，受開采擾動的含水層地下水進入礦井工作面，地下水流場發生重要改變。地下水徑流路徑發生改變使得原生地下水的水動力場、水化學場、微生物場、溫度場以及介質條件等逐漸改變。因此，在此過程中極大可能產生不同含水層間水-水混合作用以及部分水-巖作用，導致地下水水質特征發生不同程度的改變，進而影響礦井水的水質形成，但是這些作用進行的時間相對較短，使得此水質帶有較為明顯的原生含水層水質特征。

第三帶：井下積水區域(含工作面后方、采空區、巷道及水倉等)。此水質帶是人類活動影響最為頻繁的區域，在礦井開采時期，由于礦井通風氧氣充足，常呈現出氧化環境，而在礦井閉坑后，逐漸轉變為缺氧環境。環境的變化控制著復雜的生物地球化學反應的類型及作用程度，從而影響采空區的地下水化學組分演化過程，因此，此水質帶為礦井水質形成的關鍵區域。在此水質帶內，生產工作面和排水巷道中的地下水受礦井長期排水影響，水動力條件較好，但在已封閉的采空區中礦井水徑流緩慢。來自各充水含水層的地下水在經歷長時間的混合作用、水-巖(煤)作用、微生物作用等耦合后形成感觀較差、微生物群落較為豐富的礦井“污水”。即使在礦井閉坑以后，其水質形成和演化仍可繼續長期進行。

1.2 典型水文地質結構及水質形成模式

我國煤炭資源和煤炭產區主要分布在華北、西北和西南，占全國煤炭資源保有總量的95.5%以及原煤產量的88.3%(2020年)。根據我國主要的煤炭產區的分布特征，我國煤礦區主要有3種典型的水文地質結構(圖2)，分別為：華北型、西北—東北型和南方型煤田水文地質結構。在此基礎上，重點以礦井水的來源及形成方式為依據，將我國典型水文地質結構及水質形成模式初步劃成3類，其各自的特征如下：

圖2 我國主要煤礦區礦井水形成模式結構Fig.2 Typical hydrogeological structure of main coal mine areas

(1)華北型。我國華北型煤田以多含水層、受斷層和陷落柱等影響為特征的復雜水文地質結構(圖2(b))，且由于采動裂隙的存在含水層間普遍存在不同程度的水力和水質聯系，頂、底板含水層均可能對礦井水質形成起重要作用。由于水文地質結構的差異，有些礦區的最大采深已經超過了1 300 m，在垂向上礦井水質形成的作用空間很大，不同礦區的礦井水質污染程度也有較大差異，閉坑后的礦井水質演化機理也相對復雜。

(2)西北—東北型。我國西北型煤田主采煤層為侏羅系煤層，水文地質結構總體簡單，但不同地區差異大(圖2(a))。對礦井水水質形成有影響的主要為頂板結構松散、多孔隙的弱膠結砂巖含水層。受干旱-半干旱的氣候影響，地表常存在季節性河流，降雨量少，蒸發量大，蒸發濃縮作用強烈，常以高礦化度的地下水及礦井水為主要特征，有些礦區的礦井水TDS甚至超過了40 g/L。我國東北型煤田主采煤層為北晚侏羅早白堊紀煤田，水文地質結構與西北型煤田類似，主要充水水源為地表水和煤層頂板裂隙水，受干旱-半干旱的氣候及季節性降水的影響，其礦井水的TDS也較高。與西北型煤田不同的是，東北型煤田開采歷史較早，大多數煤礦相繼進入了老齡化階段。因此，采空區積水(老空水)現象普遍存在，煤系地層的廢棄采掘空間發生充分的水-煤作用，進而導致東北型煤田礦井水懸浮物大量超標，而形成“礦井黑水”；少數煤礦的礦井水中檢出砷、酚、鎘、鉛等毒性組分。

(3)南方型。我國南方型煤田煤層頂(如長興組)、底(如茅口組)板均為巖溶強烈發育的灰巖含水層(圖2(c))，其礦井水水質形成同時受頂底板灰巖含水層及其中的多種伴生礦物的水巖作用控制。由于南方地區地形起伏大、溝谷深切、巖溶系統復雜、金屬類伴生礦物(部分含有毒有害元素)背景值高，其礦井水質常具有強酸性(有些礦區pH<3)、高鐵錳的特征。特別是我國西南地區金屬礦產資源豐富，其產生的礦井水常呈現鎘、鉛、汞、鉻、砷、銅等有毒有害重金屬含量高的特征，對當地的生態環境產生重要影響。且有些礦區的礦井水可自流出地表進入河流水系、淺層地下水等，對區域環境污染影響較大。

礦井的水文地質結構反映了各類充水水源、導水通道和采動空間的相對位置關系，決定了區域內水賦存介質的滲流條件及主要成分，從而控制了采動空間內的地下水質特征的背景值及主要的水-巖作用類型。充水水源對礦井水水質形成的影響體現在其為采動空間提供了水量來源，是水污染是否發生的先決條件，其影響因素主要包括充水水源的水壓、富水性、水溫、水化學及微生物指標等。采動破壞帶、斷層、陷落柱、鉆孔等導水通道連接了水源與采動空間，是導致水源與深部地下水以及井下復雜環境之間發生多場耦合作用的紐帶，同時，導水通道也是各水化學組分擴散、運移、富集的重要途徑。

因此，煤礦區污染場地的界定是以煤礦區采礦活動場為中心，以地下水天然流場、人工干擾流場演變所在的水文地質單元為平面邊界，上至頂板導水裂隙帶影響區域，下至底板導水構造影響帶的立體空間。污染場地涵蓋煤礦區水文地質單元內部的各個含隔水層和導水構造、工作面或巷道等井下空間，以及復雜地質環境中煤泥、木材、矸石、其他廢棄物等多要素。這些要素發生復雜的物理-化學-生物耦合作用，驅動了礦井水的形成與演化。

2 礦井水水質形成的水動力場演化及其作用

2.1 地下水動力場的演化

煤礦開采過程中，一方面，頂、底板巖層破壞帶的形成、斷層活化和導水鉆孔等影響，使礦區含水層間的水力通道發生重大變化；另一方面，為保證安全開采而實施的礦井長期排水、頂底板含水層人工疏降、含水層注漿改造和帷幕截流等工程，必然對礦區的地下水流場產生重大影響，進一步影響礦井水質的形成與演化。從礦井全生命周期的角度，可將礦區的地下水動力場的演化分為采前自然平衡、開采強烈擾動和閉坑后再平衡3個階段。

(1)采前自然平衡階段。煤層開采擾動前，區域地下水系統補、徑、排條件處于動態平衡狀態，地下水自然循環穩定。煤礦區水文地質單元往往處于天然的地下水平衡狀態，含(隔)水層、弱透水層、斷層、陷落柱等使地下水成為一個半封閉半開放的系統。因采前含水層水量、水壓、滲流速度、介質條件等穩態因素的存在，使得同一含水層水化學、水生態環境相對穩定；但不同地層的巖性、礦物組成成分、賦存條件、地溫梯度等因素導致不同含水層的自然水動力條件、水化學條件、微生物環境差異，進而導致各含水層的常量、微量甚至有害有益元素含量具有不同程度的差異。

(2)開采強烈擾動階段。煤層開采擾動會誘發原生含(隔)水層結構損傷，煤層頂、底板隔水層的阻水完整性遭到破壞，增強含水層間的水力聯系；主要表現為隔水斷層活化、巖溶陷落柱突(涌)水、鉆孔導水、頂底板采動破壞帶、采空區等成為地下水的優勢通道或儲水空間。在開采擾動影響下，煤礦區的水文地質結構由原來相對穩態且含(隔)水層單向水力聯系的系統轉變為非穩態且復雜水力聯系的系統，涉及含水層、導水通道、含水體/空間、鉆孔、巷道、采空區等多個方面，使煤礦區水文地質結構、地下水動力條件、生化環境發生重大變化，煤炭開采擾動對區域地下水動力場的影響歸納為以下幾點：

1)導水通道的改變。① 煤層開采擾動形成頂板導水裂隙帶、底板采動破壞帶，誘發隔水斷層活化、陷落柱突(涌)水，以及一些封閉不良鉆孔等都會成為新的導水通道。② 為了減少礦井涌水量的產生，減少工作面突水事故的發生，對已查明的原生導水斷層、陷落柱的進行注漿封堵等措施，阻斷了原生的導水通道。

2) 邊界條件的改變。對于一些富水性強、補給性好、水力聯系復雜的含水層，煤礦為保證安全生產，有時采用帷幕注漿截流、含水層注漿改造等工程以減少礦井涌水量形成，實質上改變了煤礦區一個或多個水文地質單元的垂向或側向邊界條件。

3) 含水介質的改變。① 煤層開采改變了地層應力場，頂板巖層破壞、下沉導致的裂隙、孔隙結構變化，新形成的裂隙、孔隙成為徑流通道、儲水空間，會導致煤礦區地下水在流入工作面前其水質與建井前的水質有所區別。② 為了增加煤層頂底板隔水層的阻隔水能力及完整性，對頂底板充水含水層進行注漿改造或區域治理，將含水層改造成隔水層，直接改變了含水層的介質條件、厚度、滲透系數等。③ 人工疏降作為一種常見的防治水措施，可將煤層直接充水含水層的承壓水頭疏降至安全水位以下，從源頭上避免礦井水的形成。疏水降壓會使含水層富水性降低、骨架壓縮；其次，疏水降壓形成明顯的水力梯度增大，加速了含水層區域滲流速度，造成一些鹽類膠結物溶出，間接導致含水層溶孔發育、空隙增大，進而使得含水層滲透性增強。特別是近年來我國煤炭開發重心向西部轉移，西部礦區煤層頂板含水層多存在鹽類弱膠結特征，受開采擾動及人工疏降疊加影響，含水層滲透系數經過長期演化有遞增趨勢。

4)水力坡度的改變。煤礦開采的過程中，無論是人工疏降還是礦井長期排水都會形成區域降落漏斗，促使水力坡度加大，加速了地下水的水循環條件，一定程度上改變了地下水水質形成及演化的背景條件。

(3) 礦山閉坑后再平衡階段。煤礦閉坑后地下水動力場經過長期演化會趨向新的平衡狀態。開采擾動、人工疏降、底板注漿改造后含水層水動力場逐漸恢復至采前狀態，而帷幕注漿截流完全改變了地下水滲流路徑，往往難以恢復。當井下廢棄采掘空間蓄滿水后，其中一些封閉完整、水壓較小的井下儲水空間將變成滯留區域，礦井水主要在水交替頻繁的活水區域形成。從區域地下水系統的宏觀角度研究，閉坑后井下廢棄采掘空間由于停止排水，礦井水逐漸積蓄，區域水動力條件逐漸弱化，使得地下水流速減緩、水位回彈；封閉采空區內趨于靜止(死水)，水化學平衡繼續保持正反應，水質在短期內趨于劣化(以山東某礦為例)。隨著地下水位恢復，當采空區填滿后，會出現地下水自下而上經過采空區反補頂板含水層，類似巖溶陷落柱、導水斷層破碎帶能夠溝通多層含水層。由于底板含水層往往具備承壓性，在采空區水位恢復到承壓水頭高度之前，其不會反補底板含水層，也不會造成底板含水層污染；當采空區承壓水位高于底板含水層時，在區域地下水動力場驅動下，礦井水與頂、底板含水層的水相互混合后沿著地下水滲流路徑運移擴散，造成含水層間的串層污染，污染負荷將在含水層滲流途徑上形成一定的水動力彌散范圍。

2.2 水動力場演化對礦井水質的影響

礦區地下水系統從采前平衡、開采擾動、礦井閉坑到采后平衡的全生命周期過程中，礦井水質形成過程所發生的物理-化學-生物作用主要受地下水動力場的驅動和影響。

(1)水化學平衡擾動作用。水動力場是控制礦井水形成的動力來源，地下水流速直接決定水-巖(煤)、水-氣、水-水混合作用化學反應的時間，對物理-化學-生物反應的平衡狀態影響不同；一般接觸時間越長，反應越充分，所形成的礦井水水質越復雜。煤層開采前后，煤礦區的地下水動力條件會發生較大程度的改變，從而影響水化學平衡的反應方向。

例如，在我國西部一些煤礦區，煤層開采前地下水在蒸發濃縮作用下，導致地下水TDS不斷升高，一些鹽分不斷析出結晶；而采后的煤礦區地下水水流由緩慢流動變成快速流動，反而會溶解原已析出的鹽分。而閉坑后則相反，由快速流動逐漸趨于靜止，水質在短期內會逐步呈現劣化趨勢，經過長期的水質演化及氧化還原條件變化，水質又可能存在逐漸轉好的趨勢，所以地下水動力場對水化學平衡有至關重要的影響作用。

(2)串層混合作用。煤礦區往往存在陷落柱、斷層等天然地質構造。煤層開采前，部分導水斷層、巖溶陷落柱會溝通含多個水層，使得不同含水層的水質相混合，形成天然的水化學平衡。煤層工作面首采時，原來各個含水層之間存在水質差異，但是由于開采擾動導致新的導水通道形成后，水動力條件發生了改變，使不同含水層中的水發生水-水混合反應，可在很短的時間形成新的水質，即礦井水的初期水質。例如，部分礦區淺層低礦化度地下水，在開采擾動后，串層并大量進入采掘空間形成礦井水，整體降低了礦井水的礦化度；煤層深度開采時，煤層頂底板采動破壞帶、勘探/原位試驗的鉆孔也成為串層混合的導水通道；當開采擾動非常劇烈時，有些隔水斷層可能活化成導水斷層，使礦井水初期水質形成過程更加復雜。

圖3 礦井水特征污染物濃度變化示意Fig.3 Schematic diagram of concentration variation of characteristic pollutants in mine water

3 礦井水水質形成的水化學場演化及主控因素

礦井水化學場的形成與地下水原生化學背景既有緊密聯系，也有不同的特征：一方面，礦井水主要來源為地下水，繼承了原生地下水的部分背景值；另一方面，地下水自原生含水層經導水通道進入礦井并在井下運移、匯聚的過程中，不同程度地接觸非原生巖層及各種介質，并發生復雜的水-水混合作用、水-巖(煤)作用等，可能導致水中的特征組分含量發生重要變化。

3.1 地下水原生化學背景及特征

煤系地層以沉積地層為主，地下水主要起源于大氣降水和地表水入滲，埋藏于不同類型水文地質結構中，在漫長地質歷史時期與其周圍環境持續地相互作用，演化出非均質層狀分布的原生水化學場。地下水對含水層的持續溶濾作用是水化學成分形成的最主要因素，從補給區、徑流區到排泄區，水化學成分在水動力場、微生物場、溫度場、濃度差等影響下發生擴散，其間經歷離子交替吸附、濃縮、水-水混合等作用，在不同階段和區域，某一、兩種作用可能居于主導地位。以某華北型煤田為例，其二疊系煤系砂巖含水層密封條件良好，富含鉀、鈉長石受溶濾作用和陽離子交替作用，多形成礦化度大于1 g/L的HCO-Ca型水；若地下水交替循環條件更差，可形成礦化度>3 g/L的Cl·SO-Na型水。而煤系基底的中奧陶統灰巖巖溶裂隙含水層水質主要受碳酸鹽巖、石膏與巖鹽的溶解、沉淀和陽離子交替吸附作用控制，往往形成高礦化度的HCO·SO-Ca·Mg型水；太行山東麓的焦作、鶴壁等礦區奧灰水因接受地表補給條件較好，礦化度多低于1 g/L。此外，地下水中的非常規指標，如有益元素、天然放射性水平等也存在天然異常。

總體而言，地下水原生化學特征取決于自然狀態不同水文地質結構下主要水文地球化學作用的結果，而這些作用及其結果受地下水循環交替條件控制，呈現出區域差異與復雜性。

3.2 物源特征及主要化學作用

煤礦開采后劇烈變化的自然條件和各種人為因素導致原生地下水接觸到不同的巖石礦物介質并相互作用，主要的化學作用有溶解/沉淀、氧化/還原、吸附/解吸和離子交替吸附等。參與化學作用的非原生介質主要劃分為無機物源和有機物源。

(1)無機物源。主要包括煤系地層伴生礦物、采掘設備、注漿材料等(圖4)。

② 采掘設備受礦井水長期淋洗可能發生腐蝕，溶出金屬離子。礦井閉坑后遺棄井下的各種器械和巖層加固材料也是礦井水金屬離子的來源之一。

③ 注漿材料水化產物有Ca，OH等，可以提高周圍地下水的堿度，當含水層主要吸附有Na時，Ca，Na之間會發生離子交替吸附作用，使一定范圍內地下水中Na含量增多。

(2)有機物源。主要來自吸附在煤層或煤炭風化過程中的HA等，以及井下設備使用的乳化液、潤滑油，人類排泄物等(圖4)。

圖4 礦井水水質形成及演化的多場耦合作用概念Fig.4 Conceptual diagram of multi field coupling effect on the formation and evolution of mine water quality

① HA可與金屬離子發生交換、吸附和絡合等作用從而減緩金屬離子的遷移轉化能力并降低有毒重金屬的生物利用性。HA與核素也有較強的絡合或螯合能力，能增強放射性核素在飽和多孔介質中的遷移能力。

② 乳化液、潤滑油中所含的硝基苯類、氯苯類、多環芳烴(PAHs)和酯類是我國大型機械化礦井中微量有機污染物的主要來源。馮啟言團隊對PAHs研究較多，認為其普遍存在于煤、矸石和礦井水中。與礦區地表水和塌陷坑積水相比，礦井水中PAHs含量明顯較高。毒性更強的烷基多環芳烴(a-PAHs)也被發現普遍存在于煤矸石中。此外，乳化液、潤滑油的使用還會導致礦井水中化學需氧量(COD)、總有機碳等有機物指標增加。

目前，國內外針對礦井水水質形成的化學作用的研究較多，且多聚焦于水質“第二帶”的水-水混合、水-巖作用，以及礦井水對地表生態系統的影響及其污染防治技術。而對于礦井水在礦井內運移對特征組分的影響，尤其是微量元素、有機物等，需要在水化學場形成與演化的全生命周期的背景下系統研究。

3.3 礦井水水質的總體特征及演化趨勢

圖5 我國典型礦區礦井水水質超GB/T 14848—2017中Ⅲ類水標準情況Fig.5 Mine water quality exceeding Class III water standard in GB/T 14848—2017 in typical mining areas of China

在煤礦開采和閉坑的全生命周期中，在物源特征未發生明顯改變的情況下，僅覆巖破壞、常年疏排水等引發的區域含水層排泄增強、層間混合就能逐漸改變直接和間接充水含水層的水量、水質(圖4)，對“第三帶”礦井水質起到“潛移默化”的作用。少數情況下，足量的特殊水質補給亦可顯著轉變“第三帶”礦井水質演化趨勢，例如某些礦開采后期導裂發育至淺部老窯造成酸性淋水，巖(煤)、采掘設備等受腐蝕程度加深，礦井水中部分新增物源性離子增加。若排除“第二帶”入井水質的波動，在“第三帶”范圍內，礦井水演化趨勢與物源特征、微生物代謝活動等密切相關。

4 礦井水的微生物基本特征及其作用

地下水環境是微生物重要的棲息地之一，平均每毫升地下水中就存在10～10個微生物，其中主要是細菌和古細菌，還包括少量真菌。在地下水系統中，這些微生物群落是物質循環、能量轉換和信息傳遞的重要承擔者，是生物地球化學循環的主要驅動因子。微生物群落組成的特異性可反映和影響地下水環境化學特征。在煤礦開采過程中，地下水入礦井空間后，微生物的存在環境發生了巨大改變，其對礦井水水質形成的影響研究還較少，因此，研究煤礦區微生物群落的分布特征及其對礦井水水質演化和治理的作用機制對于礦井水污染防控至關重要。

4.1 礦井水微生物群落的分布特征

隨著分子生物學技術(高通量測序技術和宏基因組分析等)的快速發展，地下水系統中微生物群落結構和功能的分布特征得以深入研究。大量研究表明微生物群落分布特征與水化學因素密切相關，其中氧化還原條件、溫度、pH值和總有機碳等是控制微生物組成的重要因素。在氧化環境的地下水中硝化細菌、硫桿菌和錳氧化菌等豐度較高；而還原環境下，厭氧反硝化菌、鐵還原菌和脫硫菌等比例增加。對溫泉中微生物群落組成與其水化學特征相關性研究表明，微生物群落結構與溫度(35～88 ℃)顯著相關，而與水文地質特征明顯的地理位置無關。在煤系地下水含水層中，煤中含有多種復雜有機分子可為微生物生長提供豐富的碳源，筆者團隊對山東某礦煤層頂底板含水層微生物群落結構分析表明，離煤層越近能夠降解有機物的戈登氏菌屬和生絲單胞菌屬豐度越高。因此，在煤層開采前原生的水文地球化學條件構成了礦井水中微生物群落的主要物質基礎。

微生物群落很容易受到環境變化的影響。煤層開采過程中為了安全生產，不斷疏排煤層頂、底板的地下水，會提高地下水流速，增強各含水層的水力聯系，擾動水動力場；同時礦井通風將氧氣引入井下提高了礦井水中的溶解氧濃度。這些開采擾動都會增加礦井水中的微生物生物量和多樣性。各含水層水混合后，水化學特征發生變化也會導致微生物群落的變化。BEN MAAMAR 等研究表明不同年代的地下水混合后強烈影響了微生物群落結構，并且促進了嘉利翁氏菌對鐵的氧化作用。采煤活動產生大量新鮮煤炭和矸石碎塊，增大了水-煤(巖)反應的比表面積，導致煤中的有機物進入礦井水中進而促進脂肪族和芳香烴等有機物降解菌的生長。筆者團隊對某礦井下不同功能分區中礦井水的微生物群落結構分析表明，可以降解PAHs等有機物的索氏菌屬、迪茨氏菌屬和湖沉積桿菌在煤巷和采空區中豐度最高。同時，在礦井水進入工作面與大量煤、巖接觸時，部分附著在固體上的微生物進入礦井水中，也會改變水體中的微生物群落的豐富度和多樣性。

此外，根據礦井背景溫度的不同，會采取升溫或降溫的手段來保障井下安全生產，由此帶來的溫度擾動也會影響礦井水微生物群落分布。井下光照可能會激活礦井水中休眠的光合細菌。煤礦開采除了改變礦井水的水文地球化學性質外，還可以通過礦山基礎設施、設備和人員引入新的物種來改變地下微生物種群，比如采礦人員攜帶的抗藥性微生物；井下飲食供應，可能帶來豐富碳源，激活了微生物群落等。因此，煤礦區場地的礦井水可能形成獨特的微生物群落結構，然而目前關于煤礦井下不同功能分區中礦井水的微生物群落分布特征報道較少。RAUDSEPP等對澳大利亞開采深度為-150 m的2個煤礦礦井水進行16S rRNA高通量測序分析，結果表明礦井水中假單胞菌屬和紅環菌科的細菌豐度最高。筆者團隊對某礦微生物群落結構垂向分布研究發現，從地表到深部含水層中的微生物群落豐度和多樣性逐漸降低，而井下采掘空間中微生物群落豐度和多樣性顯著增加。所以，煤層開采對井下不同功能分區礦井水微生物群落分布的影響機制仍需系統研究。

4.2 礦井水水質演化的微生物作用

(1)

(2)

式中,M為酸性礦井水中溶解的金屬。

基于以上分析，深入了解不同時空尺度下礦井水中微生物群落的分布特征及其作用機制將有助于預測礦井水特征污染物的自然衰減潛力。目前，關于煤礦全生命周期中微生物群落的演化特征及其對礦井水質演化的影響機制還可進一步深入，尤其是這些生物地球化學過程在較長時間尺度上的反應機制和作用影響程度還有待定量研究。例如，在閉坑若干年后，相鄰含水層的補給造成地下水位回彈及可能的串層污染，氧化還原條件恢復到接近原生狀態，微生物群落及其對礦井水質的影響將如何變化？以上科學問題的回答可為礦井水環境的微生物修復奠定基礎。

4.3 礦井水污染負荷減量的微生物作用

此外，在AMD形成的初期可通過促進鐵還原菌的生長抑制硫化礦物的氧化。我國學者研發了煤礦地下水庫采空區凈化技術，該技術充分利用采空區中冒落的巖體對礦井水的過濾、沉淀、吸附以及微生物降解等自凈作用，實現了礦井水的大規模低成本處理。同時，利用微生物的重金屬固定原理，開發井下原位重金屬固化穩定化技術，在礦井水污染負荷減量中也有較好的應用前景。

總之，微生物修復礦井水的研究主要集中在利用SRB修復AMD上，而酸性礦井水只占11%～24%，針對其他高礦化度、高放射性、高氟、重金屬和有機物污染的礦井水的微生物修復技術還有待系統研究。并且，現有的礦井水處理技術大多是異位修復和對地表排水的處理，對于煤礦區場地地下水原位修復技術研究還不充分。尤其是地下水污染具有隱蔽性、復雜性、長期性等特點，有些煤礦在閉坑10～20 a后形成的酸性礦井水才流出地表被發現且處理成本高，所以地下水污染修復應該以預防為主、防治結合，建立煤礦全生命周期的地下水質量監測和污染風險評估至關重要。

5 礦井水水質演化的溫度場作用

煤礦區的溫度場主要受地質背景控制，開采前狀態相對穩定。開采過程中，溫度變化將通過改變物理、化學和生物作用來影響礦井水水質的演化(圖4)。首先，溫度變化影響巖石的物理參數，如熱導率、比熱容等，同時巖石的滲透率也與溫度有關。其次，適當升溫將會加速水化學作用中的部分化學反應，在一定程度上影響水化學場。并且，礦井水中微生物的生命活動也與溫度變化密切相關。

5.1 礦區的原生溫度場

現有資料表明，我國煤層最大賦存深度超過2 000 m，最大開采深度超過1 300 m，即使只考慮地溫梯度的影響，煤礦區地下溫度場在垂向上的變化幅度也可達到40 ℃左右，一方面導致煤礦的熱害問題；另一方面也對礦井水質的形成產生重要影響。

礦區開采前，其原生溫度場的主要影響因素包括區域地質背景、地質構造、巖性、地下水活動，以及巖漿活動和覆蓋層厚度等，狀態相對穩定。受多個構造-熱事件以及其他運動的影響，下揚子區因相關事件發生在較早的中生代，從而該區為中等熱流背景，大地熱流值約為60 mW/m，而塔里木盆地未經歷大型構造-熱事件，其中央隆起如今的大地熱流平均值為46.7 mW/m。褶皺核部的地溫比構造的其他部位溫度相對較高，由于結晶基底的巖石比蓋層的導熱率高，熱量更容易匯集于此。地下水作為地下相對活躍的熱量載體，本身具有較大的熱容量，由于其具有補給、排泄等活動，不斷與介質發生熱量交換，可對地溫產生影響。據文獻資料統計，各礦區的原生溫度場受其復雜的地質及水文地質背景等因素影響呈現出不同的特點(表1)。

表1 不同煤礦分水平溫度

5.2 礦區的采動溫度場

(1)對于多個開采水平的大采深礦井，由于地溫梯度的存在，各開采水平的圍巖溫度和地下水溫度存在明顯差異，自上而下溫度逐漸升高。煤礦開采擾動可導致各水平溫度場的相互影響，主要發生在水質“第二帶”和“第三帶”。

(2)開采過程中，由于頂、底板巖層破壞及其對地下水水動力場的影響，原生溫度場發生較大改變，呈現以下特征：① 頂板含水層地下水向下滲流，可能導致采動空間圍巖溫度和地下水溫度不同程度的降低。如謝李礦區的長期開采，使上部低溫水下滲，巖層溫度降低。② 底板含水層地下水向上滲流，導致采動空間圍巖溫度和地下水溫度不同程度的升高。以淮南煤田為例，相對高溫的深部高壓巖溶地下水沿裂隙上升，補給淺部含水層，使滲流路徑周圍的巖石溫度上升，表現為丁集、顧橋礦中深部地溫梯度偏高。③ 礦井排水和含水層疏降導致各含水層補給強度加大，對于主要補給源為大氣降水、地表水和第四系淺層水的礦區，一般導致含水層溫度下降，特別是在西部以雪融水為主要水源的情況下，溫度下降更為明顯。④ 有些礦井受底板隆起或構造抬升影響，圍巖溫度和地下水溫度場產生高溫異常。如潘集背斜核部地溫明顯高于兩翼，造成井田局部溫度升高。當采動破壞使高溫異常地下水運移途徑改變，將對礦區地溫場的分布產生新的影響。

(3)煤礦開采過程中的礦井通風和為治理礦井熱害而進行的主動降溫也會在一定程度上影響采動空間圍巖溫度和礦井水的溫度。一般情況下，通風不斷消散礦井溫度場的熱量，而通風系統的圍巖又會不斷向系統中傳遞熱量，這種持續的熱量傳遞將會導致采動空間溫度的變化。

綜上，礦區的溫度由于開采水平不同，在采前已存在差別。開采過程中，采煤活動使地下水動力場發生變化，改變地下水運移途徑，進而影響不同層位地下水、地下水與圍巖之間的熱量交換。此外，煤層開采時對溫度場最直接的影響活動是排水和通風，使整個礦井系統成為地下吸熱體或散熱體。人類活動作用下采動溫度場的形成，將直接影響礦井水水質的演化過程。

5.3 溫度場對礦井水水質演化的影響

同時，溫度場可以通過影響微生物的生命活動來影響礦井水水質的演化。微生物因其自身生理特點對溫度具有選擇性和適應性，部分微生物通過呼吸作用完成獲取能量和自身代謝過程，而微生物呼吸作用速率的主控因素就是溫度。礦井水水質演化過程中微生物參與的典型作用有硝化作用、反硝化作用、硫酸鹽還原作用等，具有相應功能的微生物在不同溫度下的生長速率和作用效率不同。同時，微生物可通過自身代謝直接或間接影響礦物溶解能力，從而影響礦井水水質的演化。

目前，多場耦合研究中，溫度作為耦合變量常分別與結構場、應力場、滲流場以及水化學場形成多場作用，其中的典型問題為滲流和污染強度的溫度效應；尤其以滲透率為指示變量進行溫度場、滲流場和應力場的多場作用研究報道較多。然而，礦井水水質演化過程中溫度場與水化學場、水動力場以及微生物場的多場耦合作用研究還鮮有報道，其耦合作用的概念模型和數值模型亟待深入研究和構建。

6 結 論

(1)界定了煤礦區礦井水污染場地的范圍，提出了我國礦井水水質形成的“三帶”模型，以傳統礦井水害形成的水文地質結構模型為基礎，提出并闡明了華北型、西北—東北型、南方型3種典型礦井水水質形成的水文地質結構模式及主控因素。劃分并闡明了礦井水水質形成的水動力場的演化階段，包括采前自然平衡、開采強烈擾動和閉坑后再平衡3個階段。在研究采煤活動對區域地下含水層導水通道、邊界條件、含水介質、水力坡度等影響的基礎上，闡明水動力場演化對礦井水形成過程中水化學平衡、串層混合、采空區自凈作用等的影響。

(2)厘清了礦井水水質形成的水化學場控制因素，包括地下水原生化學背景及特征、物源特征及主要化學作用、礦井水水質的總體特征及演化趨勢等。在礦井水化學場的形成過程中，礦井水水質繼承了原生地下水的部分背景值，同時地下水經導水通道進入礦井并在井下運移、匯聚的過程中，接觸非原生巖(煤)層、黃鐵礦、注漿材料、采掘設備、乳化液等各種介質，并發生復雜的水-水混合作用、水-巖(煤)作用等，進而改變礦井水中特征組分的濃度。

(3)提出并闡明了礦井水水質形成的微生物作用機制，論述了礦井水微生物群落的分布特征、礦井水水質演化以及礦井水污染負荷減量的微生物作用過程。水質“三帶”中的微生物群落結構具有獨特的垂向分布特征，并對礦井水水質形成及演化產生重要影響，基于某些微生物可以降解硫酸鹽、固化重金屬等機理，提出可以研發礦井水污染的微生物修復技術方法。

(4)闡明了礦井水水質演化的溫度場作用過程，分別探討了礦區的原生溫度場、采動溫度場特征及其對礦井水水質演化的影響。煤礦區的溫度場隨著煤炭開采深度的增加而愈發復雜，在研究采煤引起的地下水交替和通風措施等對溫度場擾動規律的基礎上，揭示了溫度場主要通過影響化學反應動力學、熱力學及微生物代謝影響礦井水水質的機制。

(5)目前，礦井水水質演化過程中微生物場和溫度場作用下的多場耦合作用研究還不充分，其耦合作用的概念模型和數值模型亟待深入研究和構建。對于煤礦區場地礦井水污染防控，闡明礦井水水質形成及演化的多場耦合作用機制是理論基礎，同時應當加快推進地下水原位監測、超深取樣、高靈敏快速檢測及低成本修復和水處理等技術研發，完善礦井全生命周期地下水環境保護技術體系，避免“先關閉再治理”的問題。

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