酸性礦井水的治理思路及工程實例分析

林光鑫，許 昶，沈 飛，楊在文，程 科

(1.四川省天晟源環保股份有限公司，成都 610037；2.四川省地質工程勘察院集團有限公司，成都 610072)

引 言

礦井封堵法屬于AMD的源頭控制技術之一，兼具過程阻斷功能，屬于標本兼治的一種處理方式。在充分掌握礦井情況及周邊水文地質、工程地質條件后，礦井封堵法所需工程量一般不高，且為一次性投入，后期基本無運行費用，工程整體治理費用較低。目前我國還沒有利用礦井封堵法治理AMD的案例。本文將礦井封堵法用于關口煤礦4#礦井AMD的治理，以實際工程案例為礦井封堵法的工程應用提供技術和數據參考。

1 材料與方法

針對通過源頭控制與過程阻斷方式治理酸性礦井水的問題，以廣元市關口煤礦4#礦井為例，采用礦井封堵法治理酸性礦井水，不但降低了礦井水pH值改善了水質，同時解決了酸性礦井水排放帶來的環境問題。

1.1 工程概況

關口煤礦所在黃家溝最早開采煤礦歷史可追溯到20世紀90年代，主要開采二疊系吳家坪組(P2w)煤層。4#礦井平水期涌水量400～500 m3/d，豐水期涌水量約2000 m3/d，在實施治理前2019年10月(平水期)其水質如表1，主要表現為pH值低，鐵、硫酸鹽含量較高。西北河受關口煤礦礦井涌水的影響較為直觀，黃家溝匯入之后，西北河水質明顯變差。

表1 關口煤礦4#礦井水水質分析結果Tab.1 Analysis results of water quality of Guankou coal mine 4# mine (mg/L)

1.2 工程區地質條件

關口煤礦地處四川盆地北部邊緣，屬于構造溶蝕侵蝕中山地區，區內海拔高程600～1300 m。關口煤礦所在的黃家溝溝谷狹長，兩側山脊呈北東-南西向條形嶺脊近于平行展布。關口煤礦西南及西北側的西北河河谷深切，兩岸多呈直立峭壁。關口煤礦4#礦井從外到內依次穿越三疊系下統飛仙關組(T1f)、二疊系上統大隆組(P2d)、長興組(P2c)、吳家坪組(P2w)，揭露二疊系下統茅口組(P1m)頂板(圖1)。關口煤礦區處于龍門山邊緣坳陷褶皺的東部邊緣，位于關口背斜南東翼。關口背斜軸部延伸方向為北東-南西向，南東翼地層急轉較陡，傾角50°～72°，發育斷層F1，傾向北西，傾角71°，北西翼地層較緩，傾角14°～27°。

圖1 關口煤礦4#礦井剖面圖Fig.1 Section of Guankou coal mine 4# mine

區內地下水主要接受大氣降雨補給。在未進行煤礦開采時，區內以碳酸鹽巖裂隙溶洞水為主的地下水，主要在關口背斜所在的山脊等巖溶發育部位接受大氣降雨補給，向西北河傾伏端排泄。在關口煤礦開采后，礦井成為地下水排泄的優勢通道，區內地下水沿礦洞主要向黃家溝排泄。根據水文地質勘察資料，三疊系下統飛仙關組(T1f)含水巖組泉流量0.01～0.1 L/s，單井涌水量小于10 m3/d，屬于相對隔水層；二疊系上統大隆組和長興組(P2c+d)含水巖組泉發育較少，泉流量0.1～2 L/s，未見暗河發育；碳酸鹽巖裂隙溶洞水埋藏較深，含水巖組泉流量5～50 L/s，暗河流量200～500 L/s，地下水徑流模數10～14 L/s·km2[8]。因此，關口煤礦4#礦井水的主要來源是區內地下水補給資源量，也就是二疊系地層賦存的碳酸鹽巖裂隙溶洞水。

關口煤礦4#礦井洞口圍巖為三疊系下統飛仙關組(T1f)中風化泥灰巖，其物理力學試驗成果見表2，飽和抗壓強度為13.8 MPa，屬軟巖，巖體較完整，圍巖巖體質量等級為Ⅳ類[9]。

表2 中風化泥灰巖巖石物理力學試驗成果統計表Tab.2 Statistics of physical and mechanical test results of weathered marl rock

良好的水文地質工程地質條件為關口煤礦4#礦井進行封堵治理創造了條件，同時封堵實施后礦井水水位將抬升，沿原有二疊系下統巖溶裂隙通道徑流，于已有溶洞暗河排泄。

1.3 礦井封堵原理

AMD是在空氣、水與微生物的共同作用下產生的。由于微生物在土壤與礦山環境中廣泛存在，導致微生物的作用難以控制和阻斷。因此，只有通過控制空氣中氧的擴散速度，減少水中的溶解氧含量才能有效地控制硫鐵礦的氧化，從而阻斷AMD的產生[9～13]。相關反應方程式如下：

(1)

(2)

(3)

2H++CaCO3→Ca2++CO2++2H2O

(4)

2H++MgCO3→Mg2++CO2++2H2O

(5)

對于露天開采的礦山，如果地下水對硫鐵礦的影響小，則可以在其表面用粉煤灰、土壤層覆蓋，減少硫鐵礦與氧氣接觸的范圍。對于地下開采的礦山，主要是采用礦坑封閉法和水封法。礦井封堵法可以直接控制酸性礦井水不從礦井洞口涌出，在抬升水位的同時，一定程度上隔絕了硫鐵礦層與空氣的接觸，從而逐漸從源頭上減緩氧化過程，因此其兼具了源頭控制與過程阻斷兩種治理方式。但礦井封堵需要對礦井開采情況及周邊的水文地質條件有充分的掌握，同時對硐室穩定性等工程地質條件有一定要求。

1.4 礦井封堵方法

關口煤礦4#礦井采取源頭控制+跟蹤監測的治理方案，從源頭上抑制AMD形成，其中礦井封隔可以隔絕氧氣，并進一步形成水封。其施工工藝主要為“磚砌體+黏土隔水+磚砌體+混凝土+磚砌體+黏土隔水+磚砌體+混凝土封堵井口”等，其施工工藝流程如圖2。

圖2 礦井封堵施工工藝流程圖Fig.2 Process flow chart of mine plugging construction

1.5 主要設計參數

礦井封堵長度40.9 m；礦井封堵位置5.0～45.9 m；洞口周圍5.0 m內注漿孔間距為1.0 m，5.0～20.0 m范圍內注漿孔間距為2.0 m，20.0～30.0 m范圍內注漿孔間距為4.0 m，注漿深度15.0 m；設置了地質災害、水質、水壓跟蹤監測點共計7個。

2 結果與討論

2.1 礦井水位變化

2020年4月關口煤礦4#礦井封堵治理后，經過近兩個水文年的跟蹤監測，井口及周邊無水滲出，4#礦井水水位抬升至47.0 m后趨于穩定(圖3)，水位在43.4 m～48.6 m之間呈周期性波動，水位變幅5.27 m。證明關口煤礦4#礦井封堵治理后，礦井水恢復至地下水系統平衡狀態，地下水已沿開采前原有地下水通道徑流排泄。

圖3 4#礦井水位抬升高度變化圖Fig.3 Height variation diagram of 4# mine drainage level elevation

2.2 礦井水質變化

表3 關口煤礦4#礦井水治理前后主要水質污染指標對比分析Tab.3 Comparative analysis of main water pollution indexes before and after treatment of 4# mine water in Guankou Coal Mine

圖4 4#礦井水pH值變化圖Fig.4 pH variation diagram of 4# mine drainage

圖5 4#礦井水硫酸鹽濃度變化圖Fig.5 Sulfate concentration variation diagram of 4# mine drainage

圖6 4#礦井水鐵含量變化圖Fig.6 Iron content variation diagram of 4# mine drainage

4#礦洞封堵治理前酸性礦井水直接排入黃家溝，治理前(2019年10月21日)黃家溝水質為pH值6.37、硫酸鹽371 mg/L、鐵49.3 mg/L、三價鐵3.50 mg/L、二價鐵45.8 mg/L、錳1.39 mg/L。治理后(2021年9月30日)黃家溝水質為pH值7.14、硫酸鹽224 mg/L、鐵<0.05 mg/L、三價鐵<0.05 mg/L、二價鐵<0.05 mg/L、錳<0.0005 mg/L。通過4#礦洞治理前后對黃家溝上下游水質監測數據可知，黃家溝水質得到了極大改善。

2.3 應用實例對比分析

通過對本工程與浙江長廣集團公司六礦礦井[10]、敘永興發二隊主井酸性礦井水治理實例分析(表4)，封堵治理與直接處理法(兩級綜合法、一體化中和沉淀水處理系統)對比可知，封堵治理建設費用高于直接處理法約50 %，但封堵治理后無酸性礦井水涌出，無需運維，節約了運維費用及管理成本。

表4 酸性礦井水治理應用實例對比分析Tab.4 Comparative analysis of application cases of acid mine drainage treatment

續表4

3 結 論

(2)礦井封堵法治理具有減少AMD排放、改善地表水環境、保護地下水資源、減少運維費用等優點，在經濟效益和環境效益方面相比修建污水處理廠具有明顯優勢。

(3)礦井封堵法適用于具有良好的地下水隔水層、圍巖工程地質條件較好的礦洞，且需要礦山開采相關資料齊全，需在清楚了解礦區水文地質、工程地質條件的基礎上因地制宜設計封堵位置、長度、結構等。礦井封堵后礦井水水質有所改善，但是否能通過自然凈化達到地下水質量Ⅲ類標準還需后期持續監測和研究。