新常態下我國煤礦廢棄礦井水污染防治與資源化綜合利用

孫文潔，任順利，武 強，董東林，甘先炎

(1.中國礦業大學(北京)國家煤礦水害防治工程技術研究中心，北京 100083;2.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083)

煤炭在我國能源結構中占有主體地位，是我國經濟健康持續穩定發展的重要保障。隨著我國經濟進入新常態，經濟發展對煤礦的要求逐漸提高，煤礦因低產能、高消耗及礦井資源枯竭到達生命周期面臨關閉問題日益嚴重，同時，在供給側結構性改革的背景下，因產能過剩關閉的煤礦數量也大幅提升。面對逐漸增加的廢棄及關閉礦井，其內部的大量礦井水也被積聚、污染，嚴重造成了水資源的巨大浪費，而且還對礦區生態環境產生重大威脅。我國的煤炭資源和水資源呈“逆向分布”，北方地區缺水問題相對突出。對廢棄礦井水進行有效處理及資源化利用是實現緩解水資源緊張及礦業生態文明建設的重要途徑。

根據國家煤礦安全監察局調查統計，我國開采1 t煤炭約產生2 t礦井水，近年全國煤礦每年實際排水量約71億t。針對廢棄礦井水綜合開發與資源化利用，近年來國內外開展了大量的研究工作，國外對廢棄礦井水處理和資源化利用技術的研究應用較早，美國制訂了礦井水排放標準，已將許多成熟的方法應用于生產與處理，20世紀80年代廢棄礦井水的利用率已經達到81%；俄羅斯通過將一半以上的煤礦廢棄礦井水用于選煤等工業用水進行資源化利用；英國煤礦年排水量36億t，經處理后，其中15%用于工業用水，其余85%外排到地表水系；德國和日本通過立法的形式推動廢棄礦井水資源化利用，經處理達標后，部分礦井水排放至地表，剩余則供選煤工業和礦井生產用水。

我國約1/3礦井為水資源豐富礦井，但我國煤礦廢棄礦井水資源化利用起步相對較晚，整體上我國廢棄礦井水資源化利用水平不到25%，發展不平衡，高排放、低利用的現象依舊存在。針對以上問題近年來我國學者對廢棄礦井水資源化利用也開展了很多研究，袁亮等提出了考慮關閉/廢棄礦井水文地質條件，分析地下水系統和環境特征并基于應力場-裂隙場-滲流場的耦合演化規律，實現對礦井水進行智能精準開發；苗立永等針對我國煤礦高礦化度礦井水的特點，總結了主要的處理工藝并進行技術對比，同時結合礦區本身、周圍企業及礦區生態用水特點提出了分質資源化綜合利用途徑；武強等基于煤-水雙資源型礦井建設與開發的理念，提出礦井水控制、處理、利用、回灌與生態環保五位一體優化結合、井下潔污水分流、井上下聯合疏排等“煤-水”雙資源型礦井開采的技術和方法；何緒文等通過對礦井水水質進行分析，提出了分質供水梯級利用等4種礦井水資源化利用的新模式及礦井水資源化利用新技術。因此，開辟出一條礦井廢水資源化和礦井廢水零排放的道路，實現煤礦的綠色開采、有效緩解我國區域水資源緊張局面，對我國礦業綠色可持續發展和生態環境保護具有重要意義。

1 關閉煤礦概況

隨著我國經濟發展方式的轉變和碳達峰、碳中和目標的不斷推進，我國關閉煤礦數量快速增加。經過長時間的開采，部分煤礦煤炭資源枯竭，逐步關閉。“十五”期間累計關閉煤礦約8 000處。“十一五”期間，我國對煤炭工業開展了結構調整，并且取得重大成果，我國煤礦數量由“十一五”初的24 000座降低至“十一五”末的15 000座，實現平均單井規模從10萬t向20萬t轉變。“十二五”期間，我國進一步推動煤炭產業規模化生產，2013年，國務院發布《國務院辦公廳關于進一步加強煤礦安生產工作的意見》，指出加快推進落后小煤礦閉坑退出。“十二五”期間我國共計關閉煤礦7 250處，主要為非法開采型煤礦。由于煤炭供給過剩，“十三五”期間國家對煤炭基地的規劃將劃分層次，區別對待。煤炭行業圍繞推動供給側結構性改革目標任務，深化市場化體制機制創新，著力淘汰落后產能、化解過剩產能取得了一系列重大進展。截止到2020年底，“十三五”期間我國累計關閉煤礦7 448處(圖1)，全國累計退出煤炭產能10億t。“十四五”期間，我國經濟結構將進一步調整優化，由《煤炭工業“十四五”高質量發展指導意見》可知，到“十四五”末，全國煤礦數量控制在4 000處以內，對煤炭工業發展提出了更高的要求。隨著煤炭去產能的推進，大批煤礦將被淘汰。

圖1 “十五”以來我國煤礦已關閉數量統計

由于淺部煤炭資源逐漸枯竭、能源供給側結構性改革及去產能等因素，我國的大量煤礦已經或瀕臨關閉，造成我國的中東部和南方礦區出現大面積的煤礦集中關閉區。廢棄礦井主要集中分布在我國賀蘭山—龍門山線以東，分界線以西的西部地區為我國重要的生態安全屏障，西部地區環境脆弱，采礦活動易造成嚴重的生態破壞和環境地質問題，影響區域生態系統穩定性及生物多樣性。

2 廢棄礦井水環境問題

2.1 礦井水污染類型

我國煤炭資源大多形成于石炭二疊紀和侏羅紀，由于處于不同的水文地球化學環境，所以造成礦井水化學類型具有較大的差異，即使處于同一煤礦，當采掘不同工作面的煤層或位于同一煤層的不同開采階段，礦井水的化學組分也有相對明顯的差別。礦井關閉后，煤矸石、廢棄支架和采煤設備產生的油污等遺留在地下巷道中，以上伴生物質及殘余物質將成為廢棄礦井地下水污染的主要來源。經調查和分析，廢棄礦井水污染源主要分為2種：地表污染源和地下污染源。地表污染源主要指粉煤灰和煤矸石等固體廢棄堆積物，被外排礦井水和雨水沖淋后以入滲方式滲透到地下，會對淺層地下水造成嚴重污染。此外，塌陷區域的積水也可能成為污染源。地下污染源主要包括：① 廢棄木材與金屬設備的腐蝕物；② 遺留的油污及其分解產物；③ 殘留在井下工作面和廢棄巷道的人為垃圾等；④ 煤巖水巖作用產物。

通過對我國廢棄礦井水采樣測試分析，按照所含污染物種類的不同將礦井水類型劃分為：潔凈礦井水，含懸浮物礦井水，高礦化度礦井水，酸性礦井水，含毒害物礦井水。因地域性差異，煤礦“五大區”的礦井水主要類型也不盡相同，詳見表1。

表1 煤礦“五大區”礦井水主要類型

2.2 礦井水污染特征及危害

(1)地下水與地表水受到嚴重污染，對礦區環境及生活用水構成威脅。由于前期大量廢棄礦井水未經特殊處理直接外排，污水通過導水通道反向補給地下含水層或者直接地表排放。當地下水水位回升到一定高度，超過有水力聯系的含水層頂板后，由于2者間水位差，造成其向周圍含水層入滲，進一步擴大水污染面積，甚至出現大范圍的串層污染，加劇了水資源的惡化。由于煤礦礦井水中含有大量的懸浮物及其他污染物顆粒，進入到地表水體，以物理性污染模式造成地表水體高度渾濁及懸浮物的含量增加，且一般水體中的煤粉顆粒和黏土顆粒直徑較小不易發生沉降，常懸浮于水體中破壞水體的自凈能力。在礦山關閉之后，井下水位逐漸抬升，除重金屬元素擴散外，煤與煤矸石中的硫酸鹽等水化學離子也會隨廢棄礦井水的外排向環境釋放，破壞礦區不同含水層間的地下水補、徑、排條件，導致地下水流場和水化學性質發生變化；當礦井水中一般含較多的氮、磷有機物時，在礦井水進入到地表及地下水體后，使水體產生富營養化并產生大量藻類。有機物質在水中通過生物氧化分解，消耗水中的氧氣造成水中多種生物大量死去。

(2)土壤重金屬元素積聚。關閉礦井停止抽排地下水，地下水位將逐漸回彈，使該地區先前地下水的貯蓄環境、循環條件和流動方式再次被破壞。煤炭生產時的開放系統變為封閉、半封閉系統，被遺棄的礦井逐漸變成此地區的潛在污染源。煤和煤矸石中含有鐵、錳、銅、鋅、汞、砷、鎘、鉻等多種重金屬元素，其溶出釋放后產生的重金屬將隨著廢棄礦井水的流動而排出。重金屬元素在水與土壤中不能被降解，通常以不同價態的離子成分隨著礦井水進入地表水或者地下水中，礦井水流經土壤后，使土壤中的有毒有害元素不斷地積累或者遷移。在受重金屬污染的土壤中生物酶的活性顯著降低，微生物群落結構發生改變，物種多樣性發生大規模的減少。

(3)誘發礦山事故與地質災害。長期以來，采空區積水突水事故在煤礦水害事故中占有很大比例。由于采空區積水改變了圍巖應力場的力學性質，原來處于應力平衡狀態的煤巖柱體經過地下水長期浸泡后，強度降低，穩定性下降，誘發礦區地表二次塌陷，甚至出現山體崩塌和滑坡地質災害。礦井關閉后，采空區內積水不斷積累，形成一個相對較大的儲水庫，其中積水壓力也不斷增加，當相鄰煤礦后期煤層開采靠近或擾動積水區時可能會引發突水事故的發生。采空區積水突水一般是在短時間內大量積水迅速地涌入工作面，具有極強的破壞性，直接對周圍環境、開采設備及作業人員造成巨大損害。

(4)水資源大量浪費，形成污染礦井水源。我國近年來全國煤礦礦井水資源量約71億m，噸煤平均排水量約2 m，水資源平均利用率不到25%，廢棄礦井水利用率不高使得我國每年浪費大量的自然水資源。大量礦井水的外排、滲漏造成采空區及廢棄巷道充滿水體，露天礦坑逐漸形成大面積積水坑，由于礦井水攜帶多類重金屬元素、有機污染物及大量污濁懸浮物，使得廢棄礦井(坑)水體水質變差，成為潛在的巨大污染性水源。

(5)影響植被生長。廢棄礦井周圍的土壤長期受到礦井水的危害，土壤酸堿度、重金屬含量也會受到礦井水的排放發生變化。土壤pH值為6～7時最有利于植物生長，若土壤酸性過強，使得植物原生質變質影響酶的吸收，另外也會造成土壤鉀、鈣、鎂、磷等營養元素短缺。土壤酸堿度還能通過改變其環境中細菌等微生物進而影響植物的生長。重金屬是植物生長的非必需元素，土壤中部分重金屬元素含量超過其自身處理能力時，將對植物生長發育及代謝產生破壞作用，重金屬元素使細胞膜過氧化并損壞細胞膜的完整性，使其通透性增加進而損害細胞內酶的動態平衡，導致植株生長不良，甚至死亡；使植物光合作用受阻及呼吸作用紊亂，致使植物無法正常生長；影響植物細胞的遺傳，使其基因發生改變。

3 廢棄礦井水污染防治

3.1 礦井閉坑前防治

廢棄礦井水污染防治不能完全依靠閉坑后的集中處理，應主要體現在前期的源頭控制，對補給礦井地下水形成最大化控制、最大限度減少礦井涌水量，提前采取措施降低礦井水對周邊影響。礦井閉坑前控制措施包括：① 改善工藝，減少廢棄礦井水排放量。提高采煤機械化、自動化、智能化水平，在井下采用邊開采邊治理的方式，減少礦井水的外排，促進礦井水的就地利用；② 酸性礦井水、高礦化度礦井水處理后外排，將其攜帶的各種污染物經處理后外排，會減少對水資源、植被、土壤等的不良影響；③ 構筑尾礦區域隔離墻或隔離措施，封堵污染源。煤礦開采會形成頂板導水裂隙帶和底板礦壓破壞帶，礦井污水將順著這些通道進入含水層或工作面，修筑隔離設施可有效控制污染源，阻止污染區域進一步擴大；④ 嚴格控制污水水質，禁止用滲坑、滲井方式排放廢水。滲坑、滲井排放污水將會直接污染深層或多層含水層中的地下水，廢水下滲后污水與含水層相互融合，嚴重污染地下水源，對人民健康造成巨大威脅；⑤ 回收井下殘留的施工設備，清理油污，清洗過水巷道，避免對地下環境造成再次污染；⑥ 處理地表堆積的廢棄物、矸石山等工業廢渣和生活垃圾。煤矸石及其他地表堆積物中含有較多的有毒因子，防止經長時間大量堆積后對地表水系、土壤等產生大量有毒有害物質破壞地表生態系統。

3.2 廢棄礦井采空區治理

隨著煤炭的產出后，地下礦井中會形成大面積的采空區。煤炭開采活動對地下巖層動態平衡產生破壞，當采煤工作形成的裂隙帶及不良鉆孔擾動甚至侵入上覆含水層時，導致含水層中水體沿導水通道流入采空區造成大量積水，經過長時間的積聚與生物、化學反應后，水質發生變化并形成具有污染性的廢棄礦井水，對地下水資源產生極大浪費與破壞。為對廢棄采空區進行有效控制，當煤層遇構造破碎帶和導水裂隙帶，無法采用疏水降壓方法或疏排水費用太高、浪費地下水資源且經濟上不合理時，可利用注漿系統將填充物注入采空區及其上覆巖體裂隙中，形成固結體，固實巖層裂隙帶并對上覆巖層產生支撐作用，防止巖層產生沉降變形并且避免產生大量的廢棄礦井水。注漿材料的選取應結合注入區域地質信息及實際工程需要采用綠色環保材料，最大限度降低對地下環境造成的影響；對采空區治理也可構筑擋水墻，隔斷不同含水層之間的水力聯系，實現對采空區積水的封閉隔離；當對采空區控制利用時，可通過在主要出水口構筑濾水墻對水體中懸浮物及其他污染物進行凈化處理，加快廢棄礦井水回采循環使用。

3.3 串層污染防治

礦井關閉或廢棄后停止排水，造成地下礦井水位快速回彈，并攜帶礦井中的大量污染物通過人工及天然導水通道與不同含水層水中的地下水發生串層污染，對我國的水資源及土壤資源造成嚴重的危害。不同的礦井水對地下水的污染模式具有一定的差異性，串層污染主要有：底板采動裂隙串層污染、頂板導水裂隙串層污染、斷層或陷落柱串層污染、封閉不良鉆孔串層污染。對串層污染的控制基本在以下3個方面：① 切斷串層污染途徑，主要對不良導水鉆孔、井筒和陷落柱等進行注漿封堵，一般為處于正常流場中局部異常分水嶺的污染井，從而切斷礦井水與含水層的水力聯系；② 人為干預地下水流場也可以有效解決礦井水與含水層產生水位差導致的串層污染，其主要包括：控制灰巖水位使其高于礦井水位或控制礦井水位使其低于灰巖水位；同時控制2個水位，使2者處于動態平衡；采煤前預控制，嚴格履行煤炭開采探放水準則，健全供、排水系統，合理布設水質水位監測點。

3.4 礦井水處理

受煤礦井田所屬地區的地質條件、環境氣候和開采方式等因素的影響，致使不同廢棄礦井水中所含污染物種類不同，據其所含污染物的差異性，將廢棄礦井水劃分為潔凈礦井水、含懸浮物礦井水、高礦化度礦井水、酸性礦井水和含毒害物礦井水5類。針對這5類廢棄礦井水各自的特性分別對其使用以下技術進行處理：

(1)潔凈礦井水處理。此類礦井水主要來源于石炭紀和奧陶紀石灰巖水、砂巖裂隙水和第四紀沖積層水等，常見于我國東北、華北等地的廢棄礦井中。清潔礦井水pH值一般呈中性，具有低渾濁度、低礦化度、不含或含有極少有毒有害元素等特點，基本符合CJ 3020—93《生活飲用水水源水質標準》。對清潔礦井水的處理與利用，多采用“潔污分流”的方法，在井下埋設單獨疏排管道，將清潔礦井水與其他被污染礦井水分開排出，經過簡單處理后可作為工業用水，或經過消毒處理，達到生活飲用水標準后用作城市生活用水。對于含有多種微量元素的清潔礦井水可進一步處理為礦泉水。

(2)含懸浮物礦井水處理。含懸浮物礦井水水質一般呈中性，外觀多為灰黑色，懸浮物含量較高，礦井水中的懸浮物主要由煤粉、巖粉及黏土等固體顆粒組成，并含有少量有機物、部分離子和大量細菌。對含懸浮物礦井水的處理一般采用混凝、沉淀、過濾、消毒等處理過程，最終處理后可滿足生產生活使用。近年來隨著工藝的不斷發展，超磁分離工藝得到了大范圍使用，超磁分離工藝通過投加微磁絮凝藥劑和磁種媒介，讓廢棄礦井水中的懸浮物與磁種膠著為一體，生成具有磁性的絮狀物后，借助永磁材料產生的高強磁場，在強磁場力的作用下，實現絮狀物的快速分離。該工藝流程如圖2所示。

圖2 超磁分離工藝流程

圖3 高礦化度礦井水處理流程

(4)酸性礦井水處理。含硫煤在開采及開采后，煤層、圍巖中的含硫礦物質與氧氣和水接觸后發生氧化反應，產生大量的酸性礦井水。酸性礦井水通常分布在我國南方礦區，具有較強的酸性特征且富含鐵、錳等高濃度重金屬離子。若酸性礦井水處理不達標直接排出不僅會造成嚴重的土地酸堿度失衡，而且還會威脅礦區生態環境。酸性礦井水的處理技術包括：中和法、吸附法、硫化法、高濃度泥漿法、人工濕地法、微生物法及膜分離技術等，上述方法在對酸性礦井水處理時各具利弊，選用前務必開展水質分析并具有針對性選擇，避免造成經濟損失和引發環境再次污染。

(5)含毒害物礦井水處理。該類礦井水主要指含微量有毒有害元素礦井水、含放射性元素礦井水、含氟礦井水或含油類礦井水。我國北方部分煤礦礦井水含氟超過1 mg/L，含氟礦井水主要來源于煤與圍巖中含氟礦物螢石(CaF)或氟磷灰石的地區，含氟礦井水的處理方法主要有膜法、電化學法、離子交換-吸附法、混凝沉淀法等。目前，活性氧化鋁法在煤礦礦井水處理中廣泛應用。對含有毒有害元素(Pb，Cd，Hg，As，Cr)礦井水處理利用，通常采用絮凝沉淀法和離子交換法。放射性元素礦井水中產生總α，β放射性的元素主要是鈾、釷、鐳等，對于煤礦大規模污水處理，化學沉淀法和吸附法具有相對優勢。

4 廢棄礦井水資源化利用

4.1 資源化利用途徑

(1)地下污水處理中心。廢棄礦井中的礦井水在礦井關閉停止排水后，礦井水位將快速回升，對礦區及周邊地下水環境造成顯著影響。地上式污水處理中心占地面積較大，不利于土地集約利用發展，并且在污水處理過程中會積聚大量含有毒物質的泥垢，對環境和居民產生巨大的潛在危害。建設地下污水處理中心將直接對廢棄礦山中的礦井水進行凈化處理，避免地上污水處理引發的一系列二次污染問題發生。地下污水處理主要包括預處理、生化池處理、二沉池處理、深度處理及污泥處理等五大中心環節。地下污水處理中心多采用膜生物反應器技術，它將生物處理與膜分離技術相結合，利用膜分離設備將生化池中的大分子有機物質和活性污泥保留，分別控制污泥停留時間和水力停留時間，最終實現系統的固液分離和污水中氨氮及難降解有機物的去除。經膜處理后的水質較好且穩定，經過后期消毒處理后，可作為水質和生物安全性較高的優質再生水，也可以直接作為新生水源。

(2)抽水蓄能發電站。由于我國早期大規模高強度的煤炭資源開采模式，使礦山關閉后遺留了大面積的采空區，煤炭采空后會造成地表塌陷并形成積水。充分利用礦井自身結構的高度差，將地表塌陷帶水體作為上水庫，地下巷道作為下水庫(圖4)，使用電力負荷低谷時的電能將水抽至上水庫，在電力負荷高峰期通過放水至下水庫中的發電站，將水的勢能轉化為電能。河北省豐寧抽水蓄能電站包括上下2個水庫，落差425 m，年發電量可達66.12億kW·h，可滿足260萬戶家庭1 a的用電。抽水蓄能電站是電網系統的重要調節器，隨著我國能源革命的推進，不僅實現了廢棄礦井水的資源化利用，還進一步推動了礦區的生態文明建設。

圖4 抽水蓄能發電示意

4.2 資源化利用體系

廢棄礦井水資源化綜合利用體系(圖5)遵循“潔污分流，水質處理、分級應用”的原則，根據需水質量要求，將處理后的廢棄礦井水用于工業、生活、農業及生態等方面。首先，在井下進行潔污水分流將凈潔水通過輸水管網運送到地上或地下潔凈水庫，直接或經過簡單處理后作為井下生產、農業灌溉、生活生產等用水；污水則通過排水通道引流至地上或地下污水處理中心，運用3.4節中的礦井水處理技術進行凈化處理使其達到工業用水、人畜飲用等相關標準，根據分質供水、梯級利用模式以滿足不同領域的用水需求。廢棄礦井水資源化利用要滿足社會、經濟和環境3方效益的最大化發展，在進行礦井水再利用時結合實際用水需求開展水質處理，一般遵循“先井下后井上，先工業后生活和農業”的使用原則，井下用于煤層注水、滅火、防塵和設備降溫等，井上作為礦區洗煤和降塵用水或經進一步處理后用于生活與農業。

圖5 廢棄礦井水資源化綜合利用體系

5 廢棄礦井水發展趨勢和研究展望

(1)摸清我國廢棄礦井水再利用限制性因素，完善廢棄礦井水資源化利用結構體系，補齊發展短板。我國廢棄礦井水高效資源化利用尚處于初級階段并存在缺乏扶持政策、技術驅動力不足、科研與市場脫節等方面的限制性因素。應加強政策引導和宏觀調控，完善財政、稅收、價格等方面的政策和扶持，拓寬投融資渠道；制定廢棄礦井水利用標準、監督管理體系，加強技術標準和管理規范機制；堅持以市場為導向、企業為主體原則，將廢棄礦井水利用納入礦區發展總體規劃；明確“產學研”一體化發展，建立科研成果集成化、規模化技術示范；推進廢棄礦井水處理、管理、利用智能發展，開展關鍵技術與設備創新發展。

(2)深化“煤-水”雙資源型礦井開采和礦井水控制、處理、利用、回灌與生態環保五位一體優化結合的研究開發戰略。在煤炭資源開發中統籌區域經濟發展和礦區生態文明建設，優化開采方法，創建煤水資源精確開發、科學閉坑、環境保護、廢棄資源再利用和生態建設等多位一體優化結合的可持續發展體系，達到煤炭和水“雙資源”共同開發與廢棄礦井水多場耦合綠色發展目的，實現煤礦區水資源保護利用、煤炭資源綠色精準開發、礦區生態環境保護和可持續發展的綜合目標。

6 結 論

(1)“十五”期間到“十三五”期間我國累計關閉煤礦32 000余處，產生了大量的廢棄礦井，其主要集中分布在我國賀蘭山—龍門山線以東地區，復雜的水文地球化學背景造成不同區域礦井水化學類型具有明顯的差異。

(2)廢棄礦井水的大量排放引發了地下水與地表水污染、土壤重金屬元素積聚、誘發礦山事故與地質災害、水資源浪費和影響植被生長等一系列礦山水環境問題。

(3)針對以上廢棄礦井水環境問題，因地制宜地采用礦井關閉前防治、廢棄礦井采空區控制、串層污染治理和5類廢棄礦井水處理等具有針對性的防治技術與措施，消除礦井水污染和引發的環境負效應。

(4)提出建立地下污水處理中心和抽水蓄能發電站資源化利用途徑，采用井下潔污水分流、層級治理、分級利用體系，實現廢棄礦井水污染防治，處理后的廢棄礦井水可供井下生產和井上生活、農業、工業、生態等方面綜合利用。

(5)圍繞我國關閉煤礦廢棄礦井水資源化利用限制性因素，提出了政策扶持、技術創新、科研成果集成化與規模化技術示范的保障措施及發展體系，同時進一步深化廢棄礦井水資源化利用和生態建設多位一體優化結合的可持續開發戰略，實現廢棄礦井水多場耦合資源化綠色發展目標。