煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染防控技術(shù)研究進(jìn)展及發(fā)展方向

杜明澤 李宏杰 李 文 邱 浩 姜 鵬 王東昊1

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100013；3.遼寧工程技術(shù)大學(xué)博士后科研流動(dòng)站，遼寧阜新123000）

地下水是人類賴以生存的最寶貴資源之一。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)地下水的影響與破壞日趨嚴(yán)重。大規(guī)模高強(qiáng)度的煤炭開采，強(qiáng)烈破壞了地下巖體，顯著擾動(dòng)了地下水流場(chǎng)，造成了礦區(qū)地下水水位下降以及地下水酸化、鐵錳離子超標(biāo)等一系列嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題［1-3］。同時(shí)，隨著大量礦井逐漸關(guān)閉（截至2019年底，由20世紀(jì)80年代8萬(wàn)多座縮減至5 700座左右）以及中小型礦井的整合，使閉坑、整合礦井也成為煤礦區(qū)地下水污染源，給礦區(qū)地下水污染防控帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。

我國(guó)地下水污染防控技術(shù)研究起步較晚，煤礦區(qū)地下水污染問(wèn)題更是近數(shù)十年才引起較大關(guān)注。隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高以及國(guó)家的大力倡導(dǎo)，礦山企事業(yè)單位逐步樹立、踐行“綠水青山就是金山銀山”的理念，使得煤礦區(qū)的重心逐漸由生產(chǎn)安全向生態(tài)安全轉(zhuǎn)變，煤礦區(qū)地下水污染問(wèn)題也成為礦山生態(tài)安全亟待解決的問(wèn)題。針對(duì)煤礦區(qū)地下水污染防控問(wèn)題，國(guó)外學(xué)者多從礦井閉坑階段地下水污染機(jī)理和防控技術(shù)方面展開研究。MIAO等［4］、JOHNSON等［5］研究發(fā)現(xiàn)，礦山開采引發(fā)礦井水酸化，且會(huì)產(chǎn)生大量的硫酸鹽，給礦區(qū)當(dāng)?shù)鼐用裆钣盟畮?lái)了安全隱患；MARUYAMA［6］、MCDONOUGH 等［7］、MURRELL等［8］、POREDA等［9］分別對(duì)閉坑后礦坑水污染進(jìn)行了研究，分析了污染水體的水化學(xué)特征；ROYCHOWDHURY等［10］研究了閉坑礦井酸性水中鐵離子、硫酸根離子的氧化還原過(guò)程，提出了閉坑礦井主動(dòng)和被動(dòng)防控技術(shù)。國(guó)內(nèi)學(xué)者從開采過(guò)程和開采后兩個(gè)方面對(duì)煤礦區(qū)水污染防控進(jìn)行了相關(guān)研究。武強(qiáng)等［11］闡述了“煤—水”雙資源型礦井開采概念與內(nèi)涵，提出了多位一體優(yōu)化結(jié)合、井下潔污水分流分排、充填開采等“煤—水”雙資源型礦井開采的技術(shù)和方法，并進(jìn)行了實(shí)例分析；張東升等［12］構(gòu)建了我國(guó)西北礦區(qū)不同環(huán)境類型的生態(tài)—水—煤系地層結(jié)構(gòu)模型，提出了采充并行充填開采等保水采煤技術(shù)；范立民等［13］研究了我國(guó)西部生態(tài)脆弱區(qū)保水采煤方法，開展了基于含水層結(jié)構(gòu)保護(hù)的充填開采、限高（分層）開采等保水采煤工程實(shí)踐；李文平等［14］以國(guó)內(nèi)西北關(guān)鍵隔水層N2紅土為研究對(duì)象，探索了關(guān)鍵隔水層的自我修復(fù)能力及其工程屬性，為保水采煤實(shí)踐提供了參考；虎維岳等［15］研究了閉坑礦井地下水回彈機(jī)理，探討了閉坑后可能引發(fā)的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害，并提出了防控的關(guān)鍵問(wèn)題；李庭［16］研究了我國(guó)閉坑礦井地下水污染特點(diǎn)，開發(fā)了閉坑礦井地下水污染評(píng)價(jià)軟件，并提出了閉坑礦井地下水污染風(fēng)險(xiǎn)管控流程；劉埔等［17］研究了礦井閉坑后產(chǎn)生的水文地質(zhì)效應(yīng)，分析了閉坑礦井地下水污染模式，并提出了有效的防治技術(shù)手段。

綜上所述，現(xiàn)有防控技術(shù)多從保水開采、閉坑礦井角度進(jìn)行研究，且多偏重于生產(chǎn)安全，生態(tài)安全關(guān)注程度稍顯不足。并且，現(xiàn)有的防控技術(shù)未能從礦井全生命周期考慮，在很大程度上缺乏系統(tǒng)性和實(shí)踐性。為此，本研究立足于煤礦區(qū)地下水污染模式和特點(diǎn)，闡明煤礦區(qū)場(chǎng)地的科學(xué)內(nèi)涵以及地下水污染特征，從煤礦區(qū)地下水污染源頭控制、過(guò)程阻斷和末端修復(fù)等方面，結(jié)合調(diào)查、監(jiān)測(cè)、評(píng)估和防控手段，構(gòu)建煤礦區(qū)地下水污染防控技術(shù)體系，并探討了煤礦區(qū)地下水污染防控技術(shù)的發(fā)展方向。

1 煤礦區(qū)污染場(chǎng)地界定

污染場(chǎng)地的確定是后續(xù)開展調(diào)查、評(píng)估和防控的基礎(chǔ)，因此，污染場(chǎng)地的確定至關(guān)重要。目前，國(guó)際上對(duì)污染場(chǎng)地的定義尚未統(tǒng)一，相關(guān)定義如表1所示。

總體來(lái)說(shuō)，污染場(chǎng)地具備3個(gè)特點(diǎn)：①以堆積或處置等方式承載有害物質(zhì)；②有害物質(zhì)對(duì)人體健康和環(huán)境產(chǎn)生危害或構(gòu)成潛在威脅；③場(chǎng)地具有一定的空間范圍。煤礦區(qū)污染場(chǎng)地界定的難點(diǎn)在于污染場(chǎng)地范圍的確定。場(chǎng)地調(diào)查通常是針對(duì)具體的研究對(duì)象，顯然，以水文地質(zhì)邊界為單元定義煤礦區(qū)地下水污染場(chǎng)地范圍太大，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行污染場(chǎng)地調(diào)查是不合適的，煤礦區(qū)污染場(chǎng)地的劃分應(yīng)該為具體的污染對(duì)象（場(chǎng)地）。由于煤礦區(qū)地下水流場(chǎng)演變是以水文地質(zhì)邊界為單元，因此，對(duì)于煤礦區(qū)地下水污染的監(jiān)測(cè)預(yù)警或風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)應(yīng)該以水文地質(zhì)邊界為單元。

鑒于此，為合理界定煤礦區(qū)污染場(chǎng)地的概念和范圍，借鑒固體廢物場(chǎng)地概念，煤礦區(qū)地下水污染場(chǎng)地應(yīng)以礦井以及礦山開采形成的矸石山、洗煤廠等堆積物或處理廠為單元進(jìn)行定義，煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染的監(jiān)測(cè)預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估則以水文地質(zhì)邊界為單元。

2 煤礦區(qū)場(chǎng)地污染特征

煤層開采過(guò)程中，頂?shù)装鍑鷰r產(chǎn)生裂隙，煤巖介質(zhì)中的有害元素遇到空氣、水會(huì)發(fā)生一系列的氧化還原反應(yīng)，從而產(chǎn)生有害物質(zhì)，進(jìn)而對(duì)地下含水層或地表水產(chǎn)生威脅。同時(shí)，采煤機(jī)等機(jī)械設(shè)備使用的潤(rùn)滑油、乳化液以及人類活動(dòng)遺留物等也給煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染防控帶來(lái)了挑戰(zhàn)。無(wú)論是露天開采還是井工開采，煤巖介質(zhì)與空氣、水發(fā)生的氧化還原反應(yīng)是引起地下水污染的主要原因。某礦井閉坑后積水外流情況如圖1所示。

2.1 煤礦區(qū)場(chǎng)地礦井水污染類型

煤礦開采、閉坑以及煤炭在氣化過(guò)程中都會(huì)引起地下水污染［20］。煤巖介質(zhì)、采煤機(jī)等機(jī)械設(shè)備使用的乳化液中的有害元素與空氣、水接觸會(huì)產(chǎn)生污染物，在生化作用下水質(zhì)將會(huì)進(jìn)一步惡化。同時(shí)，通過(guò)污染通道（孔隙、裂隙、構(gòu)造、不良鉆孔、采掘空間等）向鄰近含水層進(jìn)行擴(kuò)散，進(jìn)而引發(fā)一系列的地下水污染災(zāi)害。礦井水的主要污染類型為高懸濁物礦井水、酸性礦井水、高礦化度礦井水、高硫酸鹽礦井水、高氟礦井水以及特殊組分礦井水（鐵錳離子為主）六大類型，各類型具有交叉性［16］。目前，對(duì)于6種類型礦井水污染防控的研究主要集中在礦井水外排處理利用上，本研究關(guān)注點(diǎn)主要集中在礦井水污染防控和水資源保護(hù)方面。

明晰煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染的形成機(jī)理，對(duì)于有效防控污染具有重要意義。就礦井生產(chǎn)和閉坑階段而言，煤礦開采過(guò)程中地下水污染的6種類型都有，由于各區(qū)域煤系地層中黃鐵礦、硫化物含量不同，礦井水化學(xué)類型差別較大，如魯西、山西、寧東和新疆礦區(qū)高礦化度水占比較高，云貴礦區(qū)酸性水、鐵錳礦井水常見。國(guó)內(nèi)部分典型礦區(qū)水質(zhì)情況見表2。

高礦化度水的形成環(huán)境較為復(fù)雜，開采過(guò)程中遇水后硫酸鹽、碳酸鹽等可溶性礦物的溶解；降雨量少，蒸發(fā)量大，蒸發(fā)濃縮作用使地下水以及礦井水的礦化度高；地下咸水入侵以及黃鐵礦（FeS2）的氧化反應(yīng)等都可促進(jìn)高礦化度水的形成［16，21］。以黃鐵礦（FeS2）為例，水與煤層中的硫化物反應(yīng)產(chǎn)生的游離酸有關(guān)，游離酸與白云巖、灰?guī)r等發(fā)生中和反應(yīng)，使鈣、鎂、硫酸根等離子增多，高礦化度水發(fā)生的系列反應(yīng)方程式為

同時(shí)，由于采煤機(jī)等機(jī)械設(shè)備使用的機(jī)油、潤(rùn)滑油等，使得礦井水中出現(xiàn)了有機(jī)污染物，但總體含量較低。閉坑礦井由于排水系統(tǒng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，地下水位出現(xiàn)回彈，引起酸化，酸性水中通常含有較高的鐵錳以及硫酸鹽離子。酸性水的形成主要與黃鐵礦（FeS2）有關(guān)，黃鐵礦與氧氣、水發(fā)生的系列反應(yīng)方程式為

總體來(lái)看，煤礦區(qū)地下水污染的特征因子以鐵錳、硫酸鹽、礦化度和pH為主，不同區(qū)域的生產(chǎn)礦井水污染的主控特征因子有所差異，閉坑礦井以高鐵錳及硫酸鹽離子的酸性水為主。

2.2 煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染模式

2.2.1 淺層地下水污染模式

煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染主要是通過(guò)地表淋濾、塌陷坑積水以及地下各含水層的水壓差進(jìn)行補(bǔ)給。淺層地下水主要是由于降雨、積水等使淺層地下水水位升高，原本在包氣帶內(nèi)的污染物進(jìn)入地下含水層所致（圖2（a））。此外，隨著煤炭開采或者閉坑，塌陷坑積水增多，水位升高反補(bǔ)污染潛水，甚至污染更深的地下含水層（圖2（b））。

2.2.2 深層地下水污染模式

深層地下水污染主要是含水層本身破壞污染以及各含水層相互補(bǔ)給串層造成的。煤層開采后，煤巖體的有害元素與空氣、水發(fā)生氧化還原反應(yīng)，在滲流場(chǎng)和裂隙場(chǎng)的作用下污染了含水層。同時(shí)，由于開采活動(dòng)的影響，采動(dòng)裂隙、構(gòu)造（斷層、陷落柱等）、不良鉆孔或者廢棄井筒等溝通含水層，改變了各含水層的水化學(xué)場(chǎng)、滲流場(chǎng)和水動(dòng)力場(chǎng)。由于受采動(dòng)影響，含水層較初始水頭下降，鄰近高水壓含水層進(jìn)行補(bǔ)給，改變了原有的補(bǔ)給途徑，進(jìn)而影響了水化學(xué)場(chǎng)，造成水體污染。串層污染可在煤層頂板各含水層間、頂板與底板含水層間、底板與底板含水層間發(fā)生，深層地下水串層污染模式如圖3所示。

閉坑礦井深部串層污染有兩種形式：淺部含水層先污染，閉坑后礦井水位回彈，當(dāng)受污染的含水層水位高出底板承壓水頭時(shí)，位于淺層的被污染的礦井內(nèi)部和含水層通過(guò)隔水層的“天窗”補(bǔ)給底板承壓水；另一種情況為，當(dāng)?shù)装宄袎核任廴竞?，承壓水水位高于淺部含水層，通過(guò)導(dǎo)水通道污染淺部含水層。特別是礦井閉坑后，由于礦井水無(wú)法排出，礦井水在廢棄井筒或者采空區(qū)、巷道等積聚回彈，受污染水體通過(guò)廢棄井筒、采動(dòng)裂隙、構(gòu)造等通道補(bǔ)給含水層，甚至溢出地表，造成更大范圍的污染（圖1）。

3 煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染監(jiān)測(cè)預(yù)警與防控技術(shù)

煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染防控體系的構(gòu)建包括調(diào)查、監(jiān)測(cè)、評(píng)估和防控幾個(gè)環(huán)節(jié)。本研究分別從地下水污染監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)和防控技術(shù)兩方面對(duì)目前我國(guó)煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染監(jiān)測(cè)預(yù)警與防控技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行分析。

3.1 煤礦區(qū)地下水污染監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)

國(guó)內(nèi)外對(duì)于地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法、監(jiān)測(cè)預(yù)警裝備較多，為煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)與裝備研發(fā)提供了有效參考［16，22-25］。在國(guó)內(nèi)，由于人們環(huán)保意識(shí)淡薄，煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)較少，雖然在礦井建設(shè)和開采過(guò)程中，大多數(shù)礦井基本實(shí)現(xiàn)了水文長(zhǎng)觀孔水位、水溫、水壓長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)以及各含水層的水質(zhì)化驗(yàn)分析，但水污染長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)較少，總體上對(duì)于地下水污染的關(guān)注較少。2006年，雖然國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局發(fā)布了《廢棄礦井地下水污染監(jiān)測(cè)布網(wǎng)技術(shù)規(guī)范》，但對(duì)于閉坑礦井引發(fā)的地下水污染、生態(tài)環(huán)境等問(wèn)題的重視程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。本研究分別從水文水情監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)與裝備、煤礦區(qū)地下水污染監(jiān)測(cè)技術(shù)、煤礦區(qū)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)預(yù)警技術(shù)等方面，對(duì)現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)與裝備方面的研究進(jìn)展進(jìn)行分析。

3.1.1 水文水情監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)與裝備

國(guó)內(nèi)科研院所和企業(yè)對(duì)礦井水文水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了長(zhǎng)期研究，開發(fā)了一系列的水文水情監(jiān)測(cè)裝備，例如，KJ117礦井水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、KJ402礦井水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、KJ628礦井水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（圖4（a））以及筆者團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的KJ1165智慧水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（圖4（b））等，基本實(shí)現(xiàn)了煤礦地面水文長(zhǎng)觀孔水位、溫度，井下水文長(zhǎng)觀孔水壓、礦井水水溫、明渠流量、管道流量、底板應(yīng)力的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，并基于水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合灰色聚類、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)學(xué)模型，初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦井水害的報(bào)警或預(yù)警。常規(guī)的水文水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)注點(diǎn)在于礦井水害，大部分技術(shù)的研究思路是通過(guò)將各類傳感器投放到鉆孔中，傳感器將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒终荆终就ㄟ^(guò)無(wú)線網(wǎng)傳輸?shù)降孛嬗?jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，進(jìn)而判斷水害危險(xiǎn)程度。常規(guī)水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)缺少地下水污染監(jiān)測(cè)預(yù)警方面的模塊，缺乏地下水污染相關(guān)參數(shù)（水質(zhì)、懸浮物、濁度等）的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)功能，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水污染進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)、報(bào)警，更談不上預(yù)警。

3.1.2 煤礦區(qū)地下水污染監(jiān)測(cè)技術(shù)

煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染監(jiān)測(cè)多是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣后，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行水質(zhì)分析或者特征污染因子鑒定，然后與初始水質(zhì)進(jìn)行對(duì)比分析，為礦山突水水源判定提供參考，也為分析地下水質(zhì)演變規(guī)律提供依據(jù)。例如，采用試管滴定法、離子色譜儀測(cè)試或者離子電極等方法對(duì)所取含水層的水質(zhì)樣品進(jìn)行分析；采用可見分光光度計(jì)、原子熒光光度計(jì)、三維熒光光譜技術(shù)等檢測(cè)礦井水樣中的有機(jī)物、重金屬等；采用pH、濁度儀等測(cè)試礦井水樣的酸堿性和渾濁度等［27］。現(xiàn)階段，盡管地下水水質(zhì)、特征污染因子檢測(cè)手段逐漸增多，但基本上集中在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。目前雖然已有類似便攜式水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀問(wèn)世，但監(jiān)測(cè)精度較低、監(jiān)測(cè)離子數(shù)量較少、水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不全，導(dǎo)致其在煤礦區(qū)地下水污染監(jiān)測(cè)應(yīng)用中存在很多問(wèn)題。在煤礦場(chǎng)地現(xiàn)場(chǎng)取水樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)，測(cè)試時(shí)間間隔長(zhǎng)、工作效率低，無(wú)法滿足對(duì)地下水污染長(zhǎng)期持續(xù)監(jiān)測(cè)的要求，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)煤礦區(qū)地下水污染特征因子智能識(shí)別。

國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局公布了《廢棄礦井地下水污染監(jiān)測(cè)布網(wǎng)技術(shù)規(guī)范》（MT/T 1022—2006），針對(duì)閉坑礦井或廢棄礦井地下水污染監(jiān)測(cè)布網(wǎng)方法、布設(shè)要求等方面給出了明確要求，但總體來(lái)說(shuō)，閉坑礦井誘發(fā)的水環(huán)境問(wèn)題仍處于初級(jí)階段，水污染的智能監(jiān)測(cè)還缺乏深入系統(tǒng)的研究。就技術(shù)層面而言，煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染井（點(diǎn)）的在線監(jiān)測(cè)仍然是個(gè)瓶頸問(wèn)題，目前多數(shù)仍然采用井（點(diǎn)）取樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)檢測(cè)。因此，煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染在線智能監(jiān)測(cè)體系還不完善，地下水污染在線智能識(shí)別、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍然需要加大研發(fā)力度。

3.1.3 煤礦區(qū)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)預(yù)警技術(shù)

現(xiàn)有的煤礦區(qū)預(yù)警技術(shù)是基于地下水污染監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)理論，采用迭置指數(shù)法、過(guò)程數(shù)學(xué)模擬法、統(tǒng)計(jì)方法和模糊數(shù)學(xué)等風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，對(duì)煤礦區(qū)地下水污染程度進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。同時(shí)，采用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言（VB.NET、C++等）+ArcGIS等多元信息融合技術(shù)開發(fā)地下水污染評(píng)價(jià)軟件，實(shí)現(xiàn)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、預(yù)警、決策等功能。但現(xiàn)有的煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染監(jiān)測(cè)與預(yù)警并非在線一體化完成，而是通過(guò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)輸入預(yù)警軟件后實(shí)現(xiàn)預(yù)警。目前，針對(duì)閉坑礦井或廢棄礦井已經(jīng)有地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)問(wèn)世，例如，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)馮啟言教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了廢棄礦井地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)［16］，其基本思路為：首先建立閉坑礦井地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，即分析地下水污染影響因素，并進(jìn)行賦權(quán)值；然后基于數(shù)學(xué)方法，采用加權(quán)求和法建立閉坑礦井地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)綜合模型；最后對(duì)閉坑礦井地下水污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警或危險(xiǎn)等級(jí)劃分?，F(xiàn)有的煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染預(yù)警技術(shù)框架大體上如圖5所示。評(píng)價(jià)系統(tǒng)的研發(fā)對(duì)于煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染防控有重要意義，但評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)仍然是建立在實(shí)驗(yàn)室水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，而非礦區(qū)水污染現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)。如何實(shí)現(xiàn)煤礦區(qū)地下水污染因子智能識(shí)別、在線監(jiān)測(cè)和預(yù)警功能，仍然是現(xiàn)階段煤礦區(qū)地下水污染監(jiān)測(cè)預(yù)警裝備發(fā)展需要探索的核心問(wèn)題。

3.2 煤礦區(qū)地下水污染防控技術(shù)

目前，煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染防控多集中在開采階段和閉坑階段，地下污染防控的重點(diǎn)是污染源頭控制、過(guò)程阻斷方面，對(duì)于已經(jīng)污染的場(chǎng)地，尤其是已經(jīng)污染的閉坑礦井，多采取末端修復(fù)（治理）的方式。對(duì)于末端修復(fù)來(lái)說(shuō)，采用原位修復(fù)（治理）方式的修復(fù)效果通常難以掌控，而采用異位治理方式通常要結(jié)合礦井水利用進(jìn)行分類分級(jí)處理，且成本較高［27］。因此，在礦井建設(shè)前，要立足礦井全生命周期，考慮采前、采中和采后地下水污染問(wèn)題，從污染源頭控制、過(guò)程阻斷和末端修復(fù)的角度進(jìn)行防控，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)開采與水資源保護(hù)統(tǒng)籌兼顧。以閉坑礦井為例，煤礦區(qū)地下水污染過(guò)程如圖6所示。

3.2.1 保水開采技術(shù)

在煤炭開采過(guò)程中，保水開采的目的是既要防止水害發(fā)生、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，又要保證含水層的供水價(jià)值和生態(tài)價(jià)值。傳統(tǒng)的保水開采技術(shù)通?；趲r層控制理論，對(duì)采煤區(qū)域進(jìn)行富水性和保水開采等級(jí)劃分，通過(guò)采用合適的采煤方法或隔水層再造技術(shù)，抑制導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育或阻斷導(dǎo)水通道，進(jìn)而維持含水層穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)低損害高效煤—水共采的目的［11-13］。近10 a來(lái)，眾多學(xué)者又發(fā)展了地下水庫(kù)儲(chǔ)水等新技術(shù)、新方法，延伸了保水開采的內(nèi)涵。現(xiàn)有的保水開采技術(shù)根據(jù)礦井保水分區(qū)特征，通?？煞譃橐韵聨最?，部分技術(shù)存在交叉。

3.2.1.1 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度調(diào)控技術(shù)

基于巖層控制理論，改變采煤方法或工藝，使采動(dòng)影響下的上覆含水層擾動(dòng)在可控范圍內(nèi)，防止含水層結(jié)構(gòu)變異，從而造成含水層大范圍失水或污染。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，通過(guò)控制采煤方法或工藝，降低巖層擾動(dòng)程度或?qū)严稁Оl(fā)育程度，可有效控制覆巖含水層破壞。例如：①限厚開采［28-29］，降低覆巖運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，使得導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度減?。ǘ鄠悈f(xié)鑫煤礦1708-1工作面限厚開采，實(shí)現(xiàn)了水體下安全開采）；②充填開采，弱化“三帶”結(jié)構(gòu)，人為減少垮落帶，控制擾動(dòng)強(qiáng)度，控制含水層失水及地表沉陷（邢臺(tái)煤礦7606、7608工作面煤矸石固體充填開采，田莊煤礦1611工作面高水充填開采，岱莊煤礦2351工作面膏體充填開采［30］）；③將長(zhǎng)壁高強(qiáng)度開采調(diào)整為條帶、短壁或房柱開采等，合理控制條帶和煤柱寬度，減小覆巖擾動(dòng)強(qiáng)度，合理控制地表及水體變形；④合理留設(shè)防隔水煤（巖）柱，使導(dǎo)水裂隙帶不波及到上覆水體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)安全開采，保護(hù)水資源（江蘇大屯微山湖下采煤實(shí)踐［31］）。圖7為水壓作用下保水開采防砂安全煤（巖）柱留設(shè)方法，其中，Hs為高水壓作用下防砂安全煤（巖）柱留設(shè)高度，Hm為垮落帶高度，Hb為保護(hù)層厚度，Hp為水壓作用下煤柱損傷厚度。

3.2.1.2 隔（含）水層再造技術(shù)

基于阻斷材料以及含（隔）水層再造技術(shù)，利用隔水層的自我修復(fù)能力或開發(fā)一系列阻斷材料，對(duì)采動(dòng)裂隙、廢棄采掘空間或構(gòu)造進(jìn)行充填或者封堵。例如，廢棄井筒、采掘空間注漿封堵；采動(dòng)裂隙注漿、不良鉆孔封堵等。雖然條帶開采、房柱式開采可控制含水層結(jié)構(gòu)變異，有效保護(hù)上覆水體，但對(duì)于我國(guó)西部富煤區(qū)來(lái)講，水資源保護(hù)與高效開采的矛盾難以調(diào)和，因此，在高強(qiáng)度開采模式下采取人工修復(fù)或促進(jìn)含（隔）自修復(fù)的方式盡可能實(shí)現(xiàn)保水功能是緩解開采與水資源保護(hù)矛盾的重要技術(shù)手段［14］。例如，補(bǔ)連塔煤礦12401工作面利用采動(dòng)裂隙的自愈合作用，可促使含水層水位修復(fù)［33］；南桐煤礦采用封閉不良鉆孔重新啟封段注漿和離層裂隙帶壓力注漿兩種方法修復(fù)含水層，可有效預(yù)防地下水污染［34］。

另外，污染通道封堵效果的好壞與阻斷材料性能密不可分，雖然目前礦山注漿封堵材料種類較多，充填材料、注漿材料、修復(fù)材料等多種材料不斷涌現(xiàn)，但阻斷材料的成本和環(huán)保性仍然是長(zhǎng)期需要關(guān)注的問(wèn)題。成本太高，開采價(jià)值不大；材料毒性大，容易造成地下水二次污染。雖然水泥漿液、水玻璃類等無(wú)機(jī)材料，脲醛樹脂、聚氨酯、環(huán)氧樹脂等有機(jī)材料，粉煤灰基材料、高水或超高水材料，煤矸石等固廢材料在礦山采動(dòng)裂隙、構(gòu)造、不良鉆孔或采掘空間等污染通道封堵方面發(fā)揮了重要作用，但阻斷材料的毒性、材料與地層的互饋反應(yīng)效果還需要進(jìn)一步展開研究和工業(yè)試驗(yàn)論證。

3.2.1.3 地下水庫(kù)儲(chǔ)水技術(shù)

在我國(guó)西部生態(tài)脆弱區(qū)，通過(guò)人工建造壩體或者利用井下防水煤（巖）柱等，可在采空區(qū)內(nèi)進(jìn)行儲(chǔ)水，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水的初步凈化［35-36］。例如大柳塔煤礦利用采空區(qū)空間儲(chǔ)水，采空區(qū)矸石對(duì)水體過(guò)濾凈化，自然壓差輸水的“循環(huán)型、環(huán)保型、節(jié)能型、效益型”的煤礦分布式地下水庫(kù)（圖8）［37］，開發(fā)了入庫(kù)前沉淀池過(guò)濾→庫(kù)內(nèi)矸石自然凈化→井下模塊化礦井水處理的三位一體技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了庫(kù)內(nèi)水體自然凈化與庫(kù)外污染較重礦井水的井下處理，保障了礦井水高效資源化利用。煤礦地下水庫(kù)儲(chǔ)水技術(shù)與傳統(tǒng)保水開采不同，作為傳統(tǒng)保水開采內(nèi)涵的補(bǔ)充，為煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染防控提供了新思路。

我國(guó)西部生態(tài)脆弱區(qū)由于地表蒸發(fā)量大，礦井水外排會(huì)造成大量蒸發(fā)損失，同時(shí)高礦化度礦井水容易造成地表土壤鹽堿化，因此，煤礦地下水庫(kù)的應(yīng)用和推廣不僅有助于實(shí)現(xiàn)井下礦井水的初步凈化，對(duì)于我國(guó)西部礦區(qū)保水、用水也具有重要意義。目前，煤礦地下水庫(kù)在神東礦區(qū)應(yīng)用較多，但西部礦區(qū)地質(zhì)條件也有一定的差異性，煤礦地下水庫(kù)的適用性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性仍然需要進(jìn)一步探索。

3.2.2 閉坑礦井地下水污染修復(fù)技術(shù)

針對(duì)不同場(chǎng)所的地下水污染防治，常用技術(shù)有監(jiān)測(cè)自然衰減技術(shù)、阻隔技術(shù)、抽出處理技術(shù)、循環(huán)井修復(fù)技術(shù)、原位微生物修復(fù)技術(shù)、植物修復(fù)技術(shù)、自由產(chǎn)品回收技術(shù)、原位化學(xué)還原技術(shù)、原位化學(xué)氧化技術(shù)、地下水曝氣技術(shù)、滲透反應(yīng)墻技術(shù)、雙相抽提技術(shù)、原位熱處理技術(shù)等［38］。但在煤礦領(lǐng)域，特別是國(guó)內(nèi)閉坑礦井的地下水污染防控方面，技術(shù)水平還較為薄弱，地下水污染修復(fù)成功案例較少，典型成果多集中在礦井閉坑后對(duì)鄰近煤礦防隔水煤（巖）柱穩(wěn)定（生產(chǎn)安全）、露天開采或井工開采造成的塌陷坑積水污染防治等方面［39-41］。礦井閉坑后，礦井面臨無(wú)人管理或管理投入不足的狀態(tài)，給閉坑礦井地下水污染防控帶來(lái)了較大困難。目前，國(guó)外學(xué)者對(duì)閉坑礦井水污染防控進(jìn)行了較為深入的研究，主要集中在閉坑礦井水環(huán)境演變規(guī)律以及水質(zhì)處理上，通過(guò)水質(zhì)演變和預(yù)測(cè)模型，提出了礦井水污染的防控措施，取得了一定的效果［42-44］。在國(guó)內(nèi)，關(guān)于閉坑礦井地下水污染防控的研究成果較少。目前，閉坑礦井地下水污染防控技術(shù)主要分為閉坑過(guò)程的主動(dòng)防控以及閉坑后的被動(dòng)防控兩大類。

3.2.2.1 主動(dòng)防控技術(shù)

主動(dòng)防控技術(shù)多針對(duì)礦井閉坑前或閉坑過(guò)程中進(jìn)行的原位控制手段，主要是從源頭控制和過(guò)程阻斷兩個(gè)方面入手，即在礦井閉坑過(guò)程中為防止地下水酸化，進(jìn)行各種酸性中和劑和金屬沉淀劑投放、封堵源頭或在含水層下游設(shè)置氧化還原屏障，逐級(jí)進(jìn)行污染離子或污染物絮凝或中和，以達(dá)到原位防控和過(guò)程阻斷的目的。

（1）投放物化材料或藥劑。閉坑過(guò)程中向潛在酸性、重金屬污染礦井中投放堿石灰、碳酸鈣、粉煤灰、高爐渣和白云石等堿性中和劑以及助凝劑等，促使礦井水在酸化過(guò)程中進(jìn)行中和、絮凝沉淀，降低礦井水pH值以及鈣離子、硫酸鹽含量，該類方法在Beth Energy's 105W號(hào)地下礦井中進(jìn)行應(yīng)用，取得了預(yù)期效果［45］；投放無(wú)煙煤、鋼渣、石英砂、沸石等材料組合去除含有機(jī)物、氮、磷和重金屬離子污染物［46］；投放陰離子表面活性劑等殺菌劑，抑制硫氧化細(xì)菌進(jìn)而控制礦井酸性水的形成。閉坑過(guò)程中投放物化材料或藥劑屬于源頭控制的有效手段，但此類方法多在短期內(nèi)有效，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，防控效果有所減弱甚至逐漸失效。

（2）帷幕注漿、隔離封堵等密封污染源以及阻斷污染通道。礦井在閉坑過(guò)程中對(duì)采掘廢棄巷道、井筒以及不良鉆孔進(jìn)行充填封堵，對(duì)潛在危險(xiǎn)的積水區(qū)進(jìn)行帷幕注漿封存或隔離；對(duì)地面矸石堆、露天塌陷坑等底部土壤或包氣帶進(jìn)行防滲處理，防止淋濾入滲等；提前在淺部污染含水層下游設(shè)置氧化還原反應(yīng)屏障、泥漿墻等（圖6），促使礦井中的硫酸根離子、重金屬離子等進(jìn)行反應(yīng)中和、吸附或沉淀。帷幕注漿等技術(shù)在礦井水害防治中應(yīng)用較多［47］，在礦井水污染防控方面仍然有一定的應(yīng)用空間。

3.2.2.2 被動(dòng)治理技術(shù)

被動(dòng)治理技術(shù)多屬于末端治理技術(shù)的范疇。與主動(dòng)防控相比，被動(dòng)治理在閉坑礦井地下水污染中最為常見。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于閉坑酸性水的處理主要有中和法、硫化物沉淀法、人工濕地法和微生物修復(fù)法［48-51］，其中，植物修復(fù)技術(shù)、人工濕地和微生物修復(fù)方法多用于露天塌陷坑、井工開采沉陷區(qū)塌陷坑積水以及淺部含水層污染治理方面。例如，潘安湖由于權(quán)臺(tái)礦、旗山礦采煤沉陷影響，水質(zhì)、生態(tài)環(huán)境惡化，采用人工濕地修復(fù)方式，改善了潘安湖的水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境，達(dá)到了修復(fù)的目的［2］。此外，在露天礦坑或井工開采塌陷坑積水中投放適量硫酸鹽還原菌及其所需要的基質(zhì)碳源來(lái)修復(fù)酸性礦井水，可有效去除硫酸根離子和降低酸性，但現(xiàn)有研究多集中在物理模擬試驗(yàn)方面［52-56］。

礦井閉坑后通過(guò)投放藥劑來(lái)治理礦井酸性水和重金屬污染，在國(guó)外也有應(yīng)用案例，并對(duì)投放藥劑進(jìn)行了示蹤試驗(yàn)［45］。從閉坑后投放效果來(lái)看，藥劑的投放位置和投放量是制約閉坑礦井地下水污染修復(fù)效果的關(guān)鍵因素。例如，Keystone State Park的Salem 2號(hào)廢棄礦井多次投放NaOH進(jìn)行礦井水污染防治，但鐵錳離子含量變化并不明顯，酸性礦井水并未得到明顯改善甚至無(wú)變化。因此，閉坑后藥劑投放原位治理效果仍然難以保證，投放藥劑的治理方法還需要進(jìn)一步研究和論證。中和法、硫化物沉淀法多用于礦井水抽出處理，即將閉坑礦井內(nèi)污染的含水體抽取到地面，根據(jù)礦井水污染類型進(jìn)行分類分級(jí)處理。例如：潔凈礦井水采用物理法處理，酸性礦井水可采用物理吸附法、化學(xué)中和法、微生物法、濕地生態(tài)工程法處理，含懸浮物礦井水可采用混凝和超磁分離法處理，高礦化度礦井水可采用蒸餾、離子交換和膜分離法處理，特殊組分礦井水可采用絮凝沉淀和離子交換法處理［28］。

4 煤礦區(qū)地下水污染防控技術(shù)發(fā)展方向

近年來(lái)，煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染得到了業(yè)內(nèi)較大關(guān)注，保水開采、閉坑礦井地下水修復(fù)以及采煤塌陷區(qū)積水防控等技術(shù)研究越來(lái)越得到國(guó)家的重視。本研究針對(duì)煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染監(jiān)測(cè)技術(shù)不足、防控技術(shù)缺乏體系的問(wèn)題，立足于礦井全生命周期不同階段的特征，以煤礦區(qū)地下水污染源、通道精準(zhǔn)探測(cè)為前提，提出以煤礦區(qū)地下水污染防控技術(shù)體系為核心，研發(fā)地下水污染智能監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)與裝備，研究煤礦區(qū)地下水源頭控制、過(guò)程阻斷和末端修復(fù)技術(shù)與工藝，形成煤礦區(qū)地下水污染防控技術(shù)體系與規(guī)范。筆者分別從煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染精準(zhǔn)探測(cè)技術(shù)、監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)、保水開采技術(shù)和閉坑礦井地下水防控技術(shù)等方面進(jìn)行分析，對(duì)煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染防控技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行討論。

4.1 煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染精準(zhǔn)探測(cè)技術(shù)

煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染范圍可采用鉆探、物探和化探方法確定。在污染場(chǎng)地附近施工鉆孔，并對(duì)目標(biāo)及相鄰的含水層水樣進(jìn)行化驗(yàn)，進(jìn)而分析含水層水樣的污染程度，但鉆孔施工成本高、所需時(shí)間長(zhǎng)，且“一點(diǎn)”之見無(wú)法有效確定污染范圍。地球物理方法可以進(jìn)行大范圍的測(cè)試，且測(cè)試較為快捷。圖9為本研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的YCS625型瞬變電磁儀。目前，采用地球物理方法對(duì)煤礦區(qū)地層構(gòu)造、富水區(qū)域進(jìn)行探測(cè)比較成熟，但在污染特征因子與地球物理的響應(yīng)關(guān)系方面的研究有所欠缺，地下水特征污染因子與電磁場(chǎng)的定量關(guān)系還不明確。因此，煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染精準(zhǔn)探測(cè)技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)方向?yàn)椋簶?gòu)建地下水特征污染因子與電磁響應(yīng)的計(jì)算模型，分析污染源及污染通道與電磁響應(yīng)的關(guān)系，同時(shí)結(jié)合鉆探和化探手段，開展污染區(qū)域水化學(xué)示蹤試驗(yàn)，構(gòu)建水化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)等。

（1）煤礦區(qū)地下水污染物性響應(yīng)計(jì)算?；诿旱V區(qū)地下水污染因子提取分析，建立地下水污染特征因子量化物性模型，研究地下水特征污染因子地球物理全時(shí)域響應(yīng)數(shù)值計(jì)算方法，探索水污染特征因子與地球物理響應(yīng)的半定量、定量關(guān)系，為煤礦區(qū)地下水污染源、污染通道的精準(zhǔn)探測(cè)提供理論基礎(chǔ)。

（2）煤礦區(qū)地下水污染源精準(zhǔn)探測(cè)技術(shù)?；诿旱V區(qū)地下水污染源的種類特征，建立地下水系統(tǒng)層狀電性模型，研究污染水源系統(tǒng)性電性特征，開展瞬變電磁法、探地雷達(dá)等物探技術(shù)的適用性試驗(yàn)，獲取地下水污染源探測(cè)的最優(yōu)響應(yīng)方法組合；建立水化學(xué)分析數(shù)據(jù)庫(kù)，分析各含水層污染特征因子的關(guān)聯(lián)性，不斷發(fā)展和完善煤礦區(qū)地下水污染源精準(zhǔn)探測(cè)技術(shù)體系。

（3）煤礦區(qū)地下水污染通道精準(zhǔn)探測(cè)技術(shù)?；诿旱V區(qū)水文地質(zhì)條件及地下水動(dòng)力學(xué)特征，建立典型地下水污染傳輸通道的系統(tǒng)物性模型，研究污染物集、聚遷移擴(kuò)散的響應(yīng)特征，通過(guò)瞬變電磁法、探地雷達(dá)等物探技術(shù)試驗(yàn)，研究污染通道探測(cè)的最佳響應(yīng)組合；開展污染區(qū)域水化學(xué)示蹤試驗(yàn)，分析特征污染因子遷移軌跡，不斷發(fā)展和完善煤礦區(qū)地下水污染通道精準(zhǔn)探測(cè)技術(shù)體系。

4.2 煤礦區(qū)地下水污染智能監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)與裝備

現(xiàn)階段，煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染監(jiān)測(cè)多停留在監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)方面，地下水污染在線智能監(jiān)測(cè)、預(yù)警技術(shù)與裝備發(fā)展水平不高。目前，常規(guī)監(jiān)測(cè)多為一個(gè)鉆孔監(jiān)測(cè)一個(gè)含水層，若要全面監(jiān)測(cè)多個(gè)含水層所需的鉆孔數(shù)量巨大，成本較高，快速實(shí)現(xiàn)單孔分層連續(xù)采樣監(jiān)測(cè)，是礦井水監(jiān)測(cè)亟需解決的問(wèn)題。煤礦區(qū)地下水污染在線智能監(jiān)測(cè)、預(yù)警技術(shù)與裝備的發(fā)展方向主要有如下3個(gè)方面。

（1）煤礦區(qū)地下水特征污染監(jiān)測(cè)技術(shù)。開展煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染在線識(shí)別與監(jiān)測(cè)方法研究，研究地下水單孔分層連續(xù)采樣及特征因子快速智能識(shí)別技術(shù)與監(jiān)測(cè)裝備，建立煤礦區(qū)地下水污染智能監(jiān)測(cè)網(wǎng)，在線監(jiān)測(cè)地下水文、水質(zhì)、污染特征因子濃度的動(dòng)態(tài)變化，并實(shí)現(xiàn)特征污染因子濃度的超限報(bào)警。

（2）煤礦區(qū)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)?；诘叵滤h(huán)境的承載能力和地下水污染風(fēng)險(xiǎn)理論，建立污染物風(fēng)險(xiǎn)、污染通道風(fēng)險(xiǎn)和目標(biāo)含水層風(fēng)險(xiǎn)3個(gè)主控因素的多級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，研究地下水污染風(fēng)險(xiǎn)及污染程度風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，構(gòu)建地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)煤礦區(qū)地下水污染智能預(yù)警奠定基礎(chǔ)。

（3）煤礦區(qū)地下水污染“監(jiān)測(cè)—評(píng)價(jià)—預(yù)警”一體化平臺(tái)。在地下水污染在線監(jiān)測(cè)技術(shù)與裝備的基礎(chǔ)上，結(jié)合地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，開發(fā)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦區(qū)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)及污染程度的實(shí)時(shí)預(yù)警，形成集智能識(shí)別、監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與預(yù)警等功能于一體的地下水污染綜合平臺(tái)。

4.3 保水開采技術(shù)

保水開采技術(shù)在我國(guó)西部生態(tài)脆弱區(qū)應(yīng)用較廣，隨著采礦技術(shù)的發(fā)展，保水開采的內(nèi)涵和技術(shù)手段也不斷豐富。保水開采技術(shù)的發(fā)展既要滿足生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求，又要兼顧礦井高效開采，新型阻斷材料研發(fā)和技術(shù)工藝創(chuàng)新必不可少。阻斷材料的使用要實(shí)現(xiàn)低成本、環(huán)保的目的，技術(shù)工藝和工程參數(shù)要考慮材料擴(kuò)散與地層耦合的互饋反應(yīng)，低成本、低污染材料和“煤—水”雙資源開采技術(shù)是煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染防控的重要研究方向。

（1）阻斷系列材料研制。研制低成本、低污染的采動(dòng)裂隙、構(gòu)造和開采空間的“封—注—充—填—堵”以及修復(fù)等綠色系列復(fù)合材料，探索巖體裂隙與漿液擴(kuò)散耦合關(guān)系，研究不同尺度孔隙、裂隙等與阻斷材料封堵的互饋機(jī)制；開展不同尺度阻斷材料注漿工藝以及銜接時(shí)序關(guān)系研究，優(yōu)化注漿工程參數(shù)，進(jìn)行阻斷系列材料現(xiàn)場(chǎng)適用性研究。

（2）低損害、零（低）污染高效煤水共采技術(shù)。開展煤層頂?shù)装逋凰ｋU(xiǎn)性及保水開采分區(qū)方法研究，精準(zhǔn)劃分保水開采等級(jí)，在此基礎(chǔ)上，提出合理的采煤方法與工藝；以巖層控制理論為基礎(chǔ)，以導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育為重點(diǎn)防控對(duì)象，優(yōu)化含（隔）水再造技術(shù)施工工藝和參數(shù)，開發(fā)含（隔）水層結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)再造方法與工藝，降低含水層損害程度，形成煤—水雙資源共采技術(shù)。

4.4 閉坑礦井地下水污染防控技術(shù)

隨著中東部閉坑礦井?dāng)?shù)量增多，閉坑礦井地下水污染問(wèn)題日益突出。在后閉坑階段（開采前并未考慮閉坑階段生態(tài)環(huán)境問(wèn)題），煤炭開采前和開采中均未采取地下水污染針對(duì)性的防控措施，閉坑階段勢(shì)必會(huì)面臨地下水污染問(wèn)題。因此，必須掌握礦井閉坑過(guò)程中地下水污染演變規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，形成閉坑礦井地下水污染關(guān)鍵技術(shù)。

（1）閉坑礦井地下水污染演變規(guī)律。研究礦井閉坑過(guò)程水位回彈、水質(zhì)酸化演變規(guī)律，探索閉坑礦井污染過(guò)程與煤巖介質(zhì)的屬性關(guān)系；研究污染通道煤巖介質(zhì)孔隙—裂隙結(jié)構(gòu)特征，概化閉坑礦井地下水污染通道裂隙尺度與傳輸通量的關(guān)系；探索閉坑礦井地下水污染過(guò)程“水—巖—微生物”的共生關(guān)系，為閉坑礦井地下水污染控源阻徑防控提供理論指導(dǎo)與參數(shù)依據(jù)。

（2）礦井閉坑過(guò)程地下水污染防控關(guān)鍵技術(shù)?；趬A性材料的研制，研究閉坑礦井地下水酸性、高礦化度等污染源頭控制方法，探索源頭物性轉(zhuǎn)化、封堵及分源氧氣隔絕技術(shù)途徑與工藝；基于硫酸根、鐵錳離子等污染特征離子絡(luò)合、氧化還原作用材料，結(jié)合地下水污染模式，研究地下水污染反應(yīng)屏障工序及位置關(guān)系，探索可滲透反應(yīng)屏障阻滯技術(shù)與工藝參數(shù)。

（3）礦井閉坑后地下水污染修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)。研究閉坑礦井酸性水、鐵錳與植物吸附、有氧/無(wú)氧生物菌群共生關(guān)系，探索煤礦區(qū)地表及地下水污染濕地生態(tài)工程、硫酸鹽細(xì)菌等微生物注氣投菌原位修復(fù)方法與工藝；研究閉坑礦井地下水污染堿性材料調(diào)控時(shí)間和摻量，探索鉆孔精準(zhǔn)定位與原位消污減災(zāi)技術(shù)；研究地下水污染抽取分類分級(jí)處理技術(shù)，形成閉坑礦井地下水污染原位—異位末端修復(fù)技術(shù)。

4.5 煤礦區(qū)全生命周期地下水污染防控技術(shù)體系與規(guī)范

國(guó)外對(duì)地下水資源及礦區(qū)環(huán)境保護(hù)的重視程度較高，對(duì)于礦井生產(chǎn)的各階段出臺(tái)了相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和管理體系［56］。我國(guó)起步較晚，除了發(fā)布《廢棄礦井地下水污染監(jiān)測(cè)布網(wǎng)技術(shù)規(guī)范》（2016年）外，在煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染防控技術(shù)方面還沒(méi)有較為具體的技術(shù)規(guī)范，尤其是缺少立足于礦井全生命周期的技術(shù)體系以及相關(guān)的技術(shù)規(guī)范。

（1）煤礦區(qū)地下水污染防控技術(shù)體系。基于煤礦區(qū)全生命周期地下水污染的階段特征，從煤礦區(qū)地下水污染調(diào)查、監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、防控的角度出發(fā)，結(jié)合礦井設(shè)計(jì)理念［2］，提出礦井設(shè)計(jì)、礦井生產(chǎn)、礦井閉坑等不同階段的防控技術(shù)與工藝，構(gòu)建煤礦區(qū)全生命周期地下水污染防控技術(shù)體系。

（2）煤礦區(qū)地下水污染防控技術(shù)規(guī)范研究。針對(duì)煤礦開采和閉坑期地下水環(huán)境影響特征，提出不同階段的地下水污染防控技術(shù)要求，包括：開采準(zhǔn)備期的地下水環(huán)境背景調(diào)查評(píng)估要求；開采過(guò)程中不同開采方式條件下的地下水環(huán)境跟蹤監(jiān)測(cè)、環(huán)境保護(hù)措施與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管控要求；閉坑后針對(duì)不同水文地質(zhì)條件的地下水污染防控要點(diǎn)等，制訂煤礦區(qū)地下水污染防控技術(shù)系列規(guī)范。

煤礦區(qū)地下水污染防控技術(shù)路線如圖10所示。

5 結(jié)論

（1）基于污染場(chǎng)地定義，對(duì)煤礦區(qū)地下水污染場(chǎng)地和地下水污染流場(chǎng)單元進(jìn)行了科學(xué)界定，明確了煤礦區(qū)場(chǎng)地和地下水污染流場(chǎng)邊界，即煤礦區(qū)場(chǎng)地是以礦井以及礦山開采形成的矸石山、洗煤廠等堆積物或處理廠為單元，煤礦區(qū)場(chǎng)地地下水污染流場(chǎng)的監(jiān)測(cè)、評(píng)估則是以水文地質(zhì)邊界為單元。

（2）總結(jié)分析了煤礦區(qū)場(chǎng)地礦井水污染類型和模式，剖析了現(xiàn)有煤礦區(qū)地下水污染監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)思路，闡述了基于巖層控制、阻斷材料以及地下儲(chǔ)水等現(xiàn)有保水開采技術(shù)途徑，概述了礦井閉坑過(guò)程和閉坑后地下水污染的主動(dòng)、被動(dòng)防控技術(shù)手段。

（3）立足于礦井全生命周期不同階段的特征，提出未來(lái)發(fā)展方向，主要包括：煤礦區(qū)地下水污染精準(zhǔn)探測(cè)，地下水特征污染物智能識(shí)別、監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)與裝備研發(fā)，煤礦區(qū)地下水污染源頭控制、過(guò)程阻斷、末端修復(fù)等關(guān)鍵技術(shù)與工藝，力促形成煤礦區(qū)全生命周期地下水污染防控技術(shù)體系與規(guī)范。