闭坑矿井地下水污染及其防治技术探讨.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除闭坑矿井地下水污染形成机制研究 精品文档摘要：近年来，随着我国闭坑矿井数量的逐渐增加，闭坑后的矿区地下水环境问题日益突出。通过研究矿井闭坑产生的一系列水文地质效应，如含水介质条件，储水结构，地下水动力场，地下水化学场等的变化，阐明了矿井闭坑带来的地下水污染问题。在此基础上，根据地下水的埋深不同，将污染划分为浅层和深层污染两大类，由于污染模式的成因不同，又进一步对每类污染做了亚分类，并重点分析了各类污染的形成机制。对于今后的矿区地下水污染防治有一定参考价值。关键词：矿井闭坑；水文地质效应；地下水污染机理中图分类号：请查阅中国图书馆分类法A study of groundwater pollution process caused by abandoned mines Abstract: Recently, as the increasing number of abandoned mines in China, closed mine groundwater environmental problems are becoming more and more prominent. Through the study of a series of hydrogeologic effects affected by mine closure, including the changing of water-bearing media condition, water storage structure, hydrodynamic field and groundwater chemical field. The groundwater pollution problems caused by mine closures have been presented. On this basis, according to different buried depth of groundwater, the pollution was divided into 2 categories including the shallow groundwater pollution and deep one. As the pollution mechanism differs, further classification was made for which each type was analysed. Thus this article will have certain reference value in the future for the groundwater pollution prevention and control measures caused by closed mines.Key words: mines closure; hydrogeologic effects; mechanism of groundwater pollution1概述据统计，在中国北方的整个地下水径流系统中，每年约有40%的（约2.7Gm3）水处于人类各种采矿活动的范围之内1。煤矿的开采活动使这些地区的地下水系统受到了一定程度的破坏，水资源的天然平衡和补径排条件发生了巨大的变化。随着大量矿井的闭坑，伴随而来的地区地下水的污染和破坏也越来越严重。矿井水的停止排放导致地下水位迅速回升，水动力条件遭到破坏，各含水层与采矿空间之间互相补给，再加上采动活动和井下突发的各种灾害（突水、瓦斯爆炸等）造成岩体的跨落和大幅度的位移，裂隙的张开，断层的活化等为地下水的污染提供了水力联系条件，水质不断恶化地下水受到严重污染2。因此，研究矿井闭坑对区域地下水的污染形成过程具有十分重要的意义。2矿井闭坑产生的水文地质效应通常情况下，水文地质效应是指煤炭开采对矿区的水文地质条件所产生的变化3。这个概念的时间范畴一般为矿井开采初期或者开采期间。但随着越来越多的矿井关闭，闭坑后的矿井同样也会产生水文地质效应。矿井关闭对于水文地质条件的变化所带来的作用大多是破坏性的。由于矿井人工作业活动的停止，采矿形成的矿井地下水系统，开始向混合的地下水系统演化。这种混合地下水系统，是既包括原生地下水系统又包括废弃矿井在内的复杂地下水系统。矿井原有的巷道、采掘空间、水仓、采动裂隙中的水等，以及矿区本身的地层、构造和含水层中的水都是它的组成部分。（1）含水介质的变化矿井开采形成的采掘空间、巷道、裂隙，以及活化断层，陷落柱等导水构造，变成了地下水汇集、排泄的中心。水文地质结构发生变化，含水结构从以前的地质空间逐渐演化为以人工活动区为主，采动扰动后的地层构造形成的统一体。周建军等4对废弃矿井的含水介质变化做了研究，将其概括为四种主要类型：井巷管道型集水疏水介质、似层状分布的采掘垮落岩体强渗透网络裂隙介质、非均匀不规则分布的扰动裂隙介质和离散分布的区域控水构造断裂介质。由于含水介质的改变，使得地下水的赋存状态也转变为多种人工活动混合影响下的组合形式。（2）地下水动力场的演化人类的采矿活动揭露和串通了许多个不同的含水层，随着矿井的闭坑和矿井水的停止排放，地下水水位迅速回升，形成以矿井为中心的降落漏斗，本身已经达到某种平衡状态的含水层系统受到破坏，地下水动力场变得非常复杂，地表水、潜水、各个承压含水层和矿井采掘空间之间的水头值产生差异，地下水流场出现交替变化。（3）地下水循环变化矿井报废后，采空区等采掘空间不仅接受高水位含水层的补给，同时作为一种补给源补给其他低水位的含水层。同时各个含水层也发生变化，随着矿井水的停抽停排，曾经被疏干的含水层重新接受四周水源的补给，采掘空间接受含水层的补给，人工遗留下的各种钻孔、巷道等通道成为地下水的排泄点，各个含水层还可能接受来自矿井水的补给，含水空间之间形成了复杂的补径排关系。（4）地下水化学场演化地下水动力场和循环的变化是产生水化学场变化的根本原因。矿井闭坑前，当人类进行采矿活动后，地下水化学环境由封闭变为开放，由还原状态变为氧化状态，形成大量酸性矿井水。闭坑后，老空区中的积水进一步聚集，矿化度不断增大。另外，采矿活动留下的各种金属、废弃物等和水发生反应，产生的矿井水含有大量的悬浮物或重金属元素。而水中溶质迁移过程也伴随补排关系的变化而变化，从而加强水文地球化学作用，加速地下水水质的恶化5。3闭坑矿井地下水污染形成机理矿井闭坑造成地下水污染模式有很多种，根据地下水的埋深，可将其分为两大类，浅层地下水污染和深层地下水污染。而每个类型又有不同的污染形式，各自的形成过程和特征也是不同的6-9。3.1浅层地下水污染（1）塌陷坑污染通常矿区的地表覆盖有巨厚的松散层，岩性大多以砂砾岩、黏土层为主，其中黏土层一般形成较为稳定的隔水层结构，而储存于这层隔水层之上的具有自由水面的含水层称为潜水含水层。正常情况下，含水层中的水不易受污染，但矿区煤层开采导致地表产生一定的地面沉陷，形成塌陷坑。随着矿井的闭坑，塌陷坑深度也逐渐增大到最大，此时潜水位高于坑底，含水层中的水就会进入坑内，形成积水。由于储水空间的变化，使得本身受保护的潜水直接接受地表污染源的污染，包括降雨面源的污染、生活污水、工业废水的排放等，而受到污染的塌陷坑积水，还可能反过来补给潜水含水层，乃至下部更深处的含水空间。过程如下图1所示（图中箭头代表污水流向）：图1 塌陷积水坑污染示意Fig.1 Groundwater pollution of collapse pit（2）地表废弃物淋滤污染矿井闭坑后，矿区的固体废弃物如矸石堆，垃圾堆等，长期堆放在地表。降水通过淋滤作用将易溶矿物和一些废弃物带入到地下，污水或污染溶液再经过包气带渗入到含水层中，这些矸石、粉煤灰以及废渣的淋滤液中的重金属含量都很高，极易造成地下水的污染。这类污染普遍存在于露天的闭坑矿井，主要污染对象是潜水和浅层的地下水。如图2所示：图2地表废弃固体淋滤污染示意Fig.2 Pollution caused by surface solid waste leaching3.2深层地下水污染闭坑对深层地下水的污染主要以串层污染的形式为主，按照其各自的形成方式不同，本文划分了两种类型来分析。（1）闭坑矿井开采层位污染矿井废弃后，地下水位会不断上升，矿井内部巷道、采空区等，成为了地下水重新补给排泄的中心，同时也是储存水的空间，开采期间遗留的各种废弃物对地下水造成污染，闭坑前的工作面附近或煤系含水层基本上已经被疏干，而由于矿井内的水位迅速回升，被污染的水与周围各天然含水层之间产生一定的水头差异，水动力条件变得十分复杂，污水通过采动形成的裂隙以及废弃钻孔等与周围的含水层发生互相补给，造成天然含水空间和废弃矿井的同时污染。（2）矿井串层污染按污水的径流方向又可分为两种：一种是，闭坑后矿井水位上升，当水位高出底板承压水头时，位于浅层的被污染的矿井内部和含水层水，通过隔水层的“天窗”或者闭坑时留下的一些通道，如采动裂隙、废弃钻孔、巷道、井筒等，越流向下污染底板灰岩含水层，形成垂向（从浅向深）的串层地下水污染。与之相反的另一种情形是，当矿井关闭后，位于矿井底部的高承压灰岩含水层（如太灰、奥灰等）的水先被矿井污染，然后由于其水压高于上覆浅部含水层的水头值，从各种人为以及天然通道顶托污染煤系或第四系含水层，形成矿区内地下水从底部到浅部的污染。地下水的污染原因是多方面的，涉及到化学污染、生物污染和物理污染。特定的地下水动力场和地下水循环是造成大面积地下水污染的根本原因。而人类的采矿活动则是造成地下水循环和动力场改变的直接起源。结合上述分析，总结闭坑对地下水污染的特点有：污染层位广泛，各深浅含水层都可能遭受矿井闭坑的污染；水动力条件复杂，废弃矿井的地下水循环改变，难于搞清楚被污染的地下水在复杂的系统中的径流状况；污染程度严重，多以酸性水为主，在天然和人工活动的混合作用下，地下水的水质不断恶化，反复受到污染；防治和治理困难，闭坑后水位上升导致矿井被淹，治理措施难以入手。4结论矿井闭坑致使矿区的地下水系统发生了复杂的变化，通过分析和研究闭坑所产生的水文地质效应，提出了几类地下水污染的形成模式，每一种模式都有各自的特点，而人类活动产生的地下水动力场和循环方式的改变是污染形成的最主要原因，上述研究为今后闭坑矿井地下水污染的防治提供了参考。参考文献 (References)1. 虎维岳，闫兰英.废弃矿井地下水污染特征及防治技术J.煤矿环境保护，2000（4）：37-382. 冯美生，废弃煤矿对地下水污染研究博士学位论文D.阜新：辽宁工程技术大学：20063. 韩宝平，郑世书.煤矿开采诱发的水文地质效应研究J.中国矿业大学学报，1994(9):70-774. 周建军，虎维岳，刘英锋.废弃矿井含水介质场特征和水流运动特征分析J.煤炭科学技术，2011（1）：107-1105. 徐军祥，徐品.淄博煤矿闭坑对地下水的污染及控制J.煤炭科学技术，2003（10）：28-306. 赫英臣，龚斌，郝爱民等. 矿区浅层地下水污染机理探讨J.中国安全科学