孫亞軍教授：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

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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複雜，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，但是對於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。

1礦井水污染場地的界定

煤礦開採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、工業複合污染、廢礦堆場等不同，煤礦開採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。由於我國複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徵發生複雜演化。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，主要受到煤礦開採活動和水文地質結構2種因素的控制，煤礦區污染場地的範圍應以這2種因素為基礎進行界定。

（1）采動影響下的煤礦區水質「三帶」

開採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，僅根據煤礦開採活動影響的大小，可以將礦井水質特徵劃分為「三帶」。

煤礦區水質垂向「三帶」分區

第一帶：采動頂（底）板導水裂隙帶以外的區域。其含水介質及圍岩基本不參與礦井水水質形成，地下水動力場基本不受開採擾動影響，其中的地表水、地下水參與自然循環，但此帶範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。

第二帶：採煤工作面以上，頂（底）板導水裂隙帶所波及到的所有區域。由於導水裂隙帶的存在，受開採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－岩作用，導致地下水水質特徵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徵。

第三帶：井下積水區域（含工作面後方、採空區、巷道及水倉等）。此水質帶是人類活動影響最為頻繁的區域，在礦井開採時期，由於礦井通風氧氣充足，常呈現出氧化環境，而在礦井閉坑後，逐漸轉變為缺氧環境。環境的變化控制著複雜的生物地球化學反應的類型及作用程度，從而影響採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，但在已封閉的採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－岩（煤）作用、微生物作用等耦合後形成感觀較差、微生物群落較為豐富的礦井「污水」。即使在礦井閉坑以後，其水質形成和演化仍可繼續長期進行。

（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，佔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徵，我國煤礦區主要有3種典型的水文地質結構，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，其各自的特徵如下：

我國主要煤礦區礦井水形成模式結構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徵的複雜水文地質結構，且由於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繫，頂、底板含水層均可能對礦井水質形成起重要作用。由於水文地質結構的差異，有些礦區的最大采深已經超過了1300m，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，閉坑後的礦井水質演化機理也相對複雜。②西北—東北型。我國西北型煤田主採煤層為侏羅系煤層，水文地質結構總體簡單，但不同地區差異大。對礦井水水質形成有影響的主要為頂板結構鬆散、多孔隙的弱膠結砂岩含水層。受乾旱-半乾旱的氣候影響，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徵，有些礦區的礦井水TDS甚至超過了40g/L。我國東北型煤田主採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，受乾旱－半乾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，東北型煤田開採歷史較早，大多數煤礦相繼進入了老齡化階段。因此，採空區積水（老空水）現象普遍存在，煤系地層的廢棄採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）板均為岩溶強烈發育的灰岩含水層，其礦井水水質形成同時受頂底板灰岩含水層及其中的多種伴生礦物的水岩作用控制。由於南方地區地形起伏大、溝谷深切、岩溶系統複雜、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）、高鐵錳的特徵。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徵，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係，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徵的背景值及主要的水－岩作用類型。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、鑽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複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。2礦井水水質形成的水動力場演化及其作用

（1）地下水動力場的演化

煤礦開採過程中，一方面，頂、底板岩層破壞帶的形成、斷層活化和導水鑽孔等影響，使礦區含水層間的水力通道發生重大變化；另一方面，為保證安全開採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、開採強烈擾動和閉坑後再平衡3個階段。

①采前自然平衡階段。煤層開採擾動前，區域地下水系統補、徑、排條件處於動態平衡狀態，地下水自然循環穩定。煤礦區水文地質單元往往處於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；但不同地層的岩性、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開採強烈擾動階段。煤層開採擾動會誘發原生含（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繫；主要表現為隔水斷層活化、岩溶陷落柱突（涌）水、鑽孔導水、頂底板采動破壞帶、採空區等成為地下水的優勢通道或儲水空間。在開採擾動影響下，煤礦區的水文地質結構由原來相對穩態且含（隔）水層單向水力聯繫的系統轉變為非穩態且複雜水力聯繫的系統，涉及含水層、導水通道、含水體/空間、鑽孔、巷道、採空區等多個方面，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，煤炭開採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 煤層開採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，以及一些封閉不良鑽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。對於一些富水性強、補給性好、水力聯繫複雜的含水層，煤礦為保證安全生產，有時採用帷幕注漿截流、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 煤層開採改變了地層應力場，頂板岩層破壞、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、滲透係數等。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徵，受開採擾動及人工疏降疊加影響，含水層滲透係數經過長期演化有遞增趨勢。

4）水力坡度的改變。煤礦開採的過程中，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礦山閉坑後再平衡階段。煤礦閉坑後地下水動力場經過長期演化會趨向新的平衡狀態。開採擾動、人工疏降、底板注漿改造後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。當井下廢棄採掘空間蓄滿水後，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，閉坑後井下廢棄採掘空間由於停止排水，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；封閉採空區內趨於靜止（死水），水化學平衡繼續保持正反應，水質在短期內趨於劣化（以山東某礦為例）。隨著地下水位恢復，當採空區填滿後，會出現地下水自下而上經過採空區反補頂板含水層，類似岩溶陷落柱、導水斷層破碎帶能夠溝通多層含水層。由於底板含水層往往具備承壓性，在採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；當採空區承壓水位高於底板含水層時，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後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範圍。

（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、開採擾動、礦井閉坑到采後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－岩（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複雜。煤層開採前後，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。

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。煤層開採前，部分導水斷層、岩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，但是由於開採擾動導致新的導水通道形成後，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，在開採擾動後，串層並大量進入採掘空間形成礦井水，整體降低了礦井水的礦化度；煤層深度開採時，煤層頂底板采動破壞帶、勘探/原位試驗的鑽孔也成為串層混合的導水通道；當開採擾動非常劇烈時，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複雜。

③採空區自凈作用。雖然封閉採空區水質在短期內有劣化的趨勢，但根據筆者團隊對徐州礦區、魯西南礦區及鄂爾多斯盆地部分礦區採空區水水質特徵的實測分析，發現採空區在適當條件下長期演化後對某些特徵成分具備一定的自凈能力，某些化學組分在經歷劣化階段和平衡階段後，長時間尺度上呈現遞減趨勢。

礦井水特徵污染物濃度變化示意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繫，也有不同的特徵：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並在井下運移、匯聚的過程中，不同程度地接觸非原生岩層及各種介質，並發生複雜的水－水混合作用、水－岩（煤）作用等，可能導致水中的特徵組分含量發生重要變化。

（1）地下水原生化學背景及特徵

煤系地層以沉積地層為主，地下水主要起源於大氣降水和地表水入滲，埋藏於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、兩種作用可能居於主導地位。

（2）物源特徵及主要化學作用

煤礦開採後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岩石礦物介質並相互作用，主要的化學作用有溶解/沉澱、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。

礦井水水質形成及演化的多場耦合作用概念

（3）礦井水水質的總體特徵及演化趨勢

基於對全國14個國家億噸級的大型煤炭基地中典型礦區的201座煤礦的現場調研、分析測試、文獻檢索等工作，將全國典型礦區礦井水水質總體特徵概括為：多數礦區主要是常規組分超標，尤其是TDS，SO^2-₄和Cl^-，未達標排放會對生態環境有一定程度的影響；部分礦區礦井水含有毒有害物質（如As，Pb，Cr，揮發酚類等），但含量少、佔比小；少數礦井水中還含有有益元素。

我國典型礦區礦井水水質超GB/T 14848—2017中Ⅲ類水標準情況4礦井水的微生物基本特徵及其作用²～10⁶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徵。在煤礦開採過程中，地下水入礦井空間後，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徵及其對礦井水水質演化和治理的作用機制對於礦井水污染防控至關重要。

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，開採前狀態相對穩定。開採過程中，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。首先，溫度變化影響岩石的物理參數，如熱導率、比熱容等， 同時岩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。並且，礦井水中微生物的生命活動也與溫度變化密切相關。

作者簡介

孫亞軍，男，1963年生，安徽渦陽人，中國礦業大學二級教授，博士生導師，礦山水害防治研究團隊學術帶頭人，中國地質學會礦山水防治與利用專業委員會副主任，國際礦井水協會（IMWA）中國國家委員會秘書長，煤炭工業技術委員會防治水專業委員會委員，國家科技進步獎獲得者，國家重點研發項目負責人。獲得省部級以上科技進步獎14項，其中國家科技進步二等獎1項、省部一等獎4項、二等獎2項、三等獎7項。出版專著3部，發表論文100餘篇。

研究方向

礦井水害防治與污染防控

主要成果

長期從事礦井水文地質、煤礦水害防治和GIS應用等方面的研究和教學工作。在國內首次將GIS技術和多元信息方法引入礦井突水預報領域，提出礦井突水多元信息擬合預測方法。先後主持國家973計劃項目課題2項「煤礦突水機理與防治基礎理論研究（2007CB209401）」和「西部煤炭高強度開採下地質災害防治與環境保護基礎研究（2013CB227901）」，現為國家重點研發計劃「煤礦區場地地下水污染防控材料與技術（2019YFC1805400）」項目負責人，參與並完成國家自然基金重點項目2項、其它縱向基金項目5項，負責企業委託項目50餘項。在礦井突水預測、地表水體下安全採煤、超高承壓含水層上採煤、西部缺水礦區保水採煤、礦井「綠色閉坑」等方面取得顯著研究成果。

來源：

孫亞軍，張莉，徐智敏，等. 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［J］. 煤炭學報,2022,47(1):423-437.

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