2022年 2月上 世界有金属109
水文地质
H ydrogeology
刘 真
（四川省地质工程勘察院集团有限公司，四川 成都 ６１００００）
摘 要：
随着时代的快速进步，国内对电力及化石能源需求逐年增加，为了满足日益增长的能源需求，产矿大省需不断向深挖掘，寻地下潜在的矿山资源。如果在开采过程没有进行科学规划将会导致矿井涌水情况的出现。矿井大多处在地下水地质层以下部分，矿井瓦斯气体与地质重金属元素溶于水将带来水污染问题，同时渗透至土壤中，破坏土壤的酸碱性，而参与到自然界水循环的污染水甚至会造成酸雨，为人类生产生活带来恶性影响。本文从矿井涌水污染特性出发，深入剖析矿井涌水污染，同时对矿井涌水污染治理提出有效对策，为提高矿山绿可持续发展贡献必要理论支撑。
关键词：
矿井涌水；污染；治理中图分类号：ＴＤ１６７ 文献标识码：Ａ 文章编号：
１００２－５０６５（２０２２）０３－０１０９－３Talking about the environmental problems of mine water gushing and its treatment
LIU Zhen
（Ｓｉｃｈｕａｎ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｕｒｖｅｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００００，Ｃｈｉｎａ）
Abstract: Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｉｍｅｓ， ｔｈｅ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｄｅｍａｎｄ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ａｎｄ ｆｏｓｓｉｌ ｅｎｅｒｇｙ ｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｙｅａｒ ｂｙ
ｙｅａｒ． Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ ｄｅｍａｎｄ， ｍａｊｏｒ ｍｉｎｉｎｇ ｐｒｏｖｉｎｃｅｓ ｎｅｅｄ ｔｏ ｃｏｎｔｉｎｕｅ ｔｏ ｄｉｇ ｄｅｅｐｅｒ ｔｏ ｆｉｎｄ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｍｉｎｅ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ． Ｉｆ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｎｏ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉ
ｃ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｎｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ， ｉｔ ｗｉｌｌ ｌｅａｄ ｔｏ ｔｈｅ ｅｍｅｒｇｅｎｃｅ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｉｎｒｕｓｈ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｎｅ． Ｍｏｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｎｅｓ ａｒｅ ｌｏｃａｔｅｄ ｂｅｌｏｗ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｌａｙｅｒ． Ｔｈｅ ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｎｅ ｇａｓ ａｎｄ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｗｉｌｌ ｃａｕｓｅ ｗａｔｅｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍｓ． Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ， ｔｈｅｙ ｗｉｌｌ ｐｅｎｅｔｒａｔｅ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｄｅｓｔｒｏｙ ｔｈｅ ａｃｉｄｉｔｙ ａｎｄ ａｌｋａｌｉｎｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｉｌ． Ｔｈｅ ｐｏｌｌｕｔｅｄ ｗａｔｅｒ ｔｈａｔ ｐａｒｔｉｃｉｐａｔｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｎａｔｕｒａｌ ｗａｔｅｒ ｃｙｃｌｅ ｍａｙ ｅｖｅｎ ｃａｕｓｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ． Ｉｔ ｃａｕｓｅｓ ａｃｉｄ ｒａｉｎ ａｎｄ ｈａｓ ａ ｖｉｃｉｏｕｓ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｈｕｍａｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｉｆｅ． Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｓｔａｒｔｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｍｉｎｅ ｗａｔｅｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ， ｄｅｅｐｌｙ ａｎａｌｙｚｅｓ ｍｉｎｅ ｗａｔｅｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ， ａｎｄ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ ｆｏｒ ｍｉｎｅ ｗａｔｅｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ， ａｎｄ
ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅｓ ｔｈｅ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｓｕｐｐｏｒｔ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｇｒｅｅｎ ａｎｄ ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｍｉｎｅｓ．
Keywords: ｍｉｎｅ ｗａｔｅｒ ｇｕｓｈｉｎｇ； ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ； ｇｏｖｅｒｎａｎｃｅ
收稿日期：
２０２２－０２作者简介：
刘真，女，生于１９７８年，汉族，四川广安人，本科，高级工程师，研究方向：环境工程、环境监测。
现阶段国家加大对环境污染情况的监察，矿井开采过程和废弃矿井出现的水污染不但造成水资源的浪费，同时也改变了周边环境，对地下水、地表水、土壤等造成二次污染。对矿井涌水污染情况监察和治理不但是矿山企业的责任，同时也是政府任务。本文将从涌水带来的环境问题深入开展分析，对涌水治理进行系统论述，为矿井绿开采提供必要的方法借鉴，推动整个矿山行业绿可持续发展。避免矿井区域出现先污染后治理的情况，有效提升采矿企业的环保意识。
1 矿井涌水带来的环境问题
矿井涌水外排诱发地表水污染以及地下水污染。矿石淋滤及清洗会对浅表性地基类造成生态破坏，而淋滤后的洗矿水通过分层以及渗滤也会逐步向地表深层渗透，进而污染地下水。冲淋滤过程中，一些重金属会随着冲刷水流入地表表面，由于土壤表面具有亲水基，亲水基对水资源的吸附是无差别性及无选择性的，硫酸根、铁、锰等重金属会对土壤结构及土壤酸碱性进行超过自然修复能力的破坏，进而污染区域种植的植物。植物是食物链中较为低端的宿主，被食草性
动物食用后，重金属会在体内形成有效积累，这种积累也会
随着食物链最终积累在人体内，引起多种疾病。
由于矿资源大多都在水资源存留地质层方位以下，所以在开采中往往会对顶板含水层进行故意破坏，释放更多水源，形成较大范围的水位落差漏斗，影响周围地质水源的供给平衡。矿井涌水外排和开采过程形成的裂缝将会导致临近水源地和浅层农业水位的明显下降，农植物和经济作物为了汲取水分只能向深生长，但由于植物内部的生长素含量固定，根部距离越长，地表以上的生长高度就会缩短，造成营养不良的情况出现。开采也会导致地下水流量变小甚至停流，干扰了区域内水循环的正常途径，会让地表水的有效渗漏功能退化，间接导致水资源的衰弱和短缺。
2 矿井涌水治理难点
矿井涌水主要分为含特殊组分矿井涌水、酸性矿井涌水、高矿化度矿井涌水、含悬浮物矿井涌水、洁净矿井涌水等七大类。矿井污染水多数呈现灰黑，不溶于水的成分由矿粒以及地质中存在的微小沙粒组成，而溶于水的重金属元素往往有铁、锰等金属离子。有些矿山，如矿山产生原因与石油产生条件相类似，污染水中也存在烃类物质。与生活用水截然不同的是，矿井污染水组成种类多，为净化带来极大难题，同时多种化学元素和离子的共同作用会促进部分离子水解反应向正反应进行，改变了污染水的酸碱性，腐蚀地表基层，进一步增大矿井涌水污染物质复杂性。
矿井涌水水压较大，不易收集处理。矿井涌水中掺杂一系列矿粒，矿粒的分子间隙远大于水分子间隙，多数矿粒不
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溶于水，巨大的水压携杂矿粒的冲击不亚于高能激光，相关数据统计有达到十个大气压强的水压情况，内部含有矿粒的冲击足以穿透2mm厚的钢板。例如在华胜矿山井田7号井曾经出现由于断层破裂导致的污染水泄露情况，由于地下水与地壳之间形成相对固定的结构，裂缝起到一定泄压作用，大量的水在经过缝隙干涉作用增加了能量，附加水冲刷的矿石倾泻而下，导致透水事故发生。而在该类事故中，矿井涌水的收集处理往往很难开展。
由于裂缝导致涌水倾泻的情况往往很难到渗漏口。在部分矿井开采过程中，渗漏口多而密集，同时
比较隐蔽，在错综复杂的地下空间内不易寻，长时间渗漏会造成水滴石穿的后果。较为隐蔽的渗漏口在日积月累的渗漏过程中被撕裂，造成大面积渗水。由于污染水的组成成分与矿壁组成成分大体一致，专业的检测设备不能在地下污染水源头搜寻过程中发挥功效。矿壁举架较高，部分矿洞直抵地面，当通往地面地下竖井壁出现污染水渗漏情况时，由于工作人员乘坐的升降装置是密闭空间，往往不能透过运输设备进行裂缝的搜寻，即使在探测到裂缝的准确位置后也要进行移动设备的分拆，甚至要重新钻地下竖井。
矿井水资源由地下水提供，地下水经过自然界的水循环已经被不同地质层密封阻隔，在地壳变迁的同时，地下水也会上下翻转，翻转过程是水内空气排出过程，在地壳内部高压高温的环境让空气物理性质发生变化，相同体积水可以吸收更多空气。地壳翻转过程中，空气是以压缩的形式存在，分子间间隔被迫缩小，由于分子之间存在斥力，地壳内部空气要达成正常分子距离的状态就要挤压地下水，而地下渗漏将会加快空气挤压地下水进程，渗漏至矿井内，空气会随着水资源一同逃逸，缺少了水与空气支撑的地质层往往不能承受自身重量，造成塌方情况，所以经常听到矿井事故中渗水伴随塌方情况的报道。由于矿井较深，一旦出现渗水与塌方就会导致矿井内部一片汪洋。
行业内出现涌水的首要做法是抽排，但由于涌水成分相对复杂，一旦固体颗粒物含量较高，会对抽水设备造成二次冲击，不利于抽水工作的正常运行。长时间引流过程容易导致抽水管道腐蚀甚至出现抽水缺口，降低抽水效率，甚至造成二次污染情况的发生。涌水如果不能尽快排出就会导致积累，井内
水位甚至没过工程机械允许涉水高度，造成机械内部的短路。
3 矿井涌水治理现状
目前矿井涌水多用水泵抽出直接排放，资源浪费的同时又极易造成环境污染。而管理缺失，治理工艺单一，也使矿井涌水治理存在诸多问题。
由于环保意识淡薄，综合利用成本较高等原因，矿山开采存在开采期间管理混乱，废弃后无人管理的情况，导致矿井涌水治理滞后。开采期间，矿井管理人员对污染防范麻痹，削减对污染治理领域的投入，对专业人才的不重视都是造成采矿企业综合治理污染能力低下的主要原因。部分管理人员缺少忧患意识没有做到身先士卒，内部存在意识缺失，内耗增加，多数资源没有得到高效利用的情况。同时部分矿井涌水量较大，地方排放政策受限等原因导致治理成本较高，企业缺少主动作为的积极性。
选择开采区域时未有效避开重金属矿区。由于大型矿山的占地面积较大，如果在开采之前没有进行科学勘探，极易在开采时跨越重金属矿区，导致污染水和冷却水中的重金属元素含量增加，根据常见化学反应规律，活泼金属会将不活泼金属从离子状态置换为固体状态，反应过程往往会伴随水解反应和离子分解反应进行，成为固体的重金属元素增加了矿井涌水的复杂性。
常用的处理方式中采矿区域净水器运行效果往往较差。多数矿井采用高效旋流污水处理器进行污水预
处理，处理目的是滤除污染水内重金属离子，一旦采矿区净水器运行效果差，将会导致污染水中的重金属元素增加，不利于机械设备的运转。导致采矿区净水运行效果差的原因多种多样，最常见的原因是没有定期进行净水滤芯的更换，滤芯内部堵塞，大量金属离子堵塞的滤芯间隙加大，失去了净化与吸附能力。污水排放是连续性过程，由于机械设备不能有效承受污水堵塞带来的水压陡然增长，只能选择被动排出，不但造成资源浪费，同时也会导致滤水设备损坏。
调节池是污水泄压场地，特别在高峰期往往加大调节池的流量，确保污水循环速度，而长时间高转速的工作状态会对调节池中的电动调节装置增加负担，甚至造成设备罢工。调节池设计往往需要专业团队根据矿山面积以及总产矿量进行整体性和系统性设计和规划，而部分采矿单位自行修建，完工后缺失必要的检测过程，导致密封性低。调节池缺少池壁的强度校核也会削减调节池的使用寿命，一旦调节池出现渗漏，往往需要超过一个月的施工周期进行封堵，甚至重新修建。调节池是智能工作系统，使用前需进行智能检测元件校准，核验数据，确保实现检测的自动化，缺少必要的试验过程会导致调节池回传数据不准确，指令机构做出错误决定，增加了调节池的工作负荷，不利于污水处理的整体性工作。
4 治理矿井涌水污染的有效措施
矿井涌水污染治理方式多种多样，应根据涌水特点采用行之有效的治理方式。同时跨行业跨专业多类型复合治理模式也待进一步摸索。
4.1 利用科学方式进行污染物勘探和封堵
常见的勘探方法有物探法以及矿井试验法，试验法能提供较为准确的污染物信息，也能提供污染物的样本情况。而物探法是利用各种污染物的物理特性进行雷达定位以及激光探视方式对污染物大概了解，勘探的主要目的是了解地质结构，避免地质层中的有害污染物对土壤结构造成侵蚀以及干扰钻探工作的正常进行。矿井涌水过滤和处理的方法多种多样，但如何能保证净化后的矿井涌水不被污染，避免渗漏情况的出现也是对勘探污染物过程的科学考验。可采用专业人员进行专业勘探的模式，对钻井地区进行周期性和往复性勘探。对于矿井涌水也可采用注浆封堵技术，截断补给水源和加固地层。水泥浆通过管道压入井下岩层裂隙中后扩散、凝固硬化，形成较高强度、密度和不透水的阻隔层。注浆封堵技术已广泛用于填堵突水点，减少矿井涌水量等方面。4.2 洁净矿井涌水处理
生态环境部、国家发改委、国家能源局2021年联合印发的《关于进一步加强矿山资源开发环境影响评价管理的通
世界有金属 2022年 2月上110
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知》提出“矿井涌水应优先用于项目建设及生产，并鼓励多途径利用多余矿井涌水”，调整了矿井涌水管
理思路。洁净矿井涌水指部分矿区主要充水含水层供给条件较为良好，循环速度适中，矿化程度较低的矿井涌水。但其在纯净度方面远不能达到国内矿泉水标准，更不能充当饮用水。一些矿井涌水甚至富含放射性元素，对人身产生伤害。该类矿井涌水一般适合综合利用，可进行简单处理后用于补水、景观用水、冷却用水、生活用水等。同时，在矿井开采过程中开发的洁净水源，应合理管理。如阻断水流，建造封闭墙以及水闸墙，独立供排水系统。矿石开采与水源流动进行分层管理，避免与其他矿井涌水混合排放。
4.3 含悬浮物矿井涌水处理
含悬浮物的矿井涌水内的悬浮物主要来源与开采过程的扬尘以及岩石矿粉，其中含有部分重金属离子、有机物分子和细菌。富含悬浮物的矿井涌水占我国北方地区矿山的总排水量60%及以上，水质既不偏向于酸性也不偏向于碱性，矿化度则小于1克每升，矿井涌水内的悬浮物微粒的占比较高，密度较低，在正常流动中会由于离子运动模式和静电吸附原理吸附周围微粒，导致细菌和微粒的大量和集中性积累，最终导致整个水基层的下坠，涌水夹杂泥水共同污染地下水资源。含悬浮物的矿井涌水处理加工技术较为成熟，往往以混凝以及过滤、蒸馏一体化处理流程进行水质的有效治理，最终实现达标的排放标准。处理技术也在逐年迭代，目前已有效运用超磁分离技术。该技术针对悬浮物质可采用多元吸附以及脉冲原理进行沉降，使其成为絮凝团，便于过滤。利用超强磁场可将内部富含一定磁性的悬浮物进行回收处理，便于循环处理同时减少处理悬浮矿井涌水带来不必要的资源消耗，保证矿区能
源的自给自足，符合可持续发展的目标，增加了社会经济效益同时也兼顾了生态环境效益。
4.4 高矿化度矿井涌水处理
高矿化度水往往指含盐量大于1%的矿井涌水，也称为高盐矿井涌水。高矿化度矿井涌水并非清澈透明，盐多数以溶于水的形式存在，但由于不同弱酸性盐和弱碱性盐相遇后会形成水解和电离反应，多以胶体情况存留在水中，不便于离子去除。在我国较为干旱的陕西矿山、甘肃矿山以及内蒙古矿山都能到高矿化度矿井涌水的存在。以内蒙古矿山为例，部分矿井矿化度达到4万毫克每升以上，直接给土地带来盐碱化以及地表植物减少的情况。高矿化度矿井涌水的首要处理方法是去除水中盐分，往往利用蒸馏法、离子交换法、膜分离法和生物工程处理法。蒸馏法和离子交换法是较为成熟的技术，处理效率快，经济性好。蒸馏法需要矿提供大量热能。进行高矿化度矿井涌水蒸馏时，可采用多级闪蒸馏法，实现热能的高效和分级利用，避免机械构造结垢同时使水回收利用率高。离子交换法则运用离子渗透膜与电化学进行离子的氧化还原，成本较低，但是增加了反应步骤，需进行其他离子的排出引流，离子交换法需要经过多个工序过程以及重复性的渗析最终才能将无用粒子完全去除，而离子浓度也有一定设定要求，以不超过500mg/L为宜，离子交换法以其高效的可回收性和原料易得性被更为广泛的利用。4.5 生物化学处理法
酸性矿井涌水是我国部分矿山特别是南方矿山较为常见的一种矿井涌水。酸性矿井涌水主要为矿山中
含有的硫，在开采过程中与矿井水和空气接触后，经过一系列的氧化、水解等反应，生成硫酸和氢氧化铁，pH值与矿中含硫量高有密切关系。酸性矿井水的形成对地下水造成了严重的污染，进而污染地表水和土壤，同时腐蚀管道、水泵、钢轨等井下设备和混凝土井壁。
目前生物化学处理法主要是在酸性条件下投放噬铁菌，再利用湿地吸附过滤和离子交换对污水进行高效净化。噬铁菌以有机物为营养源，偏爱铁与锰的有机化合物，这类有机物被利用后，铁和锰被作为废物排出，附着于细菌的丝状体上，沉淀物聚集在细菌周围产生大量的棕黏泥。生态系统采用铺设石灰石释放装置的湿地，调节PH的同时起到富集沉淀和防治异味的作用。表1为南方某矿井涌水采用生物化学湿地处理法治理前后数据表。
由表1可以看出该矿井水为酸性矿井涌水，并含有一定的铁、锰、铝元素，投放一定比例噬铁菌后铁元素有一定比例的减少。进入铺设石灰石释放装置的湿地一段时间后，PH值升高。出口水酸碱度、金属元素都达到自然水体状况。
5 总结
矿井开采过程出现的污染问题不容小视，政府和社会正加快构建矿井涌水污染治理和循环利用方案，制定相关法律法规约束企业对矿井涌水进行有效处理。同时应重视矿井涌水检测和排放标准的制定，提升相关企业对矿井涌水污染处理的意识，充分做好预防矿井涌水污染的有效准备工作，对矿井涌水
科学认识采用行之有效的治理方式。
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表1 南方某矿井涌水治理前后数据表
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