浅析酸性矿井水研究现状及防治措施

浅析酸性矿井水研究现状及防治措施

摘要：酸性矿井水主要是矿井中硫铁矿与空气、水接触, 在微生物作用下经过一系列较为复杂的地球化学反应产生的一种危害矿井生产、破坏生态环境的有害水体。本文由酸性矿井水成因出发,阐述了国内外对酸性矿井水研究现状及一系列针对性防治措施。

关键词：酸性矿井水；酸性矿井水成因；研究现状；防治措施

1引言

矿井酸性水是指pH小于6.5的矿井水，一般pH在3.0～6.5之间，酸度较高。世界上主要及几个产煤国都存在着酸性矿井水问题。美国东北部的宾夕法尼亚、俄亥俄、西弗吉尼亚、肯塔基以及西部的科罗拉多、内华达州、英国的达拉默盆地、德国的鲁尔、劳济茨矿区、西班牙的加力西亚地区、南非的MPumalanga省、加拿大的不列颠哥伦比亚省、魁北克省等,酸性矿井水问题尤为突出[1]。我国矿井水酸性水主要分布在南方矿区，如广东梅田、福建永定、龙岩、浙江长广、江苏川埠、湖北黄石、松宜、湖南涟邵、资兴等，北方分布较少，但在一些海陆交相沉积或浅海相沉积的石炭二叠统太原统煤层的煤矿，酸性矿井水的灾害仍相对较为严重，比如陕西铜川、宁夏石嘴山等矿区[2]

2酸性矿井水的成因

酸性矿井水的形成主要是人类采掘的造成的。人来采矿过程促使原本深埋地下的还原性的矿石（如黄铁矿FeS2 ）长期暴露在空气中，并在采掘过程中大量无规划的使用水，使得矿石与氧气和水接触。首先随着采掘工作的进行该矿石不断被氧化生成三价铁离子、硫酸根离子和大量的氢离子。而三价铁离子进一步水解生成氢氧化铁，使酸性增强。并使水体呈现黄褐色；其次硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌、氧化铁硫杆菌、氧化铁的金属菌、嗜热嗜酸硫球菌及硫磺细菌等, 对硫酸和高价铁离子的形成有促进作用, 它们在一定的pH和温度范围内有较强的催化氧化活力, 在常温下能使硫铁矿的氧化速率提高几十倍,进而使矿井酸性水害加

剧；另外在采空区出水和巷道墙壁渗水中存在着饱和或超饱和形式的CO2，这些游离的气体形成的酸度也不能够忽略，随着水的流动CO2将不断逸出,酸度降低,pH值升高，导致一些如Al3+、Fe3+等金属离子发生水解，研究表明，由这些金属硫酸盐水解形成的酸性水酸度相当大。

3酸性矿井水的危害

3.1腐蚀金属

当矿井酸性水酸度值较低时，对金属产生较为强烈的腐蚀作用，进而降低矿井的重金属设备的使用寿命，对煤矿安全生产构成很大威胁。

3.2危害井下工人的健康

矿工长期接触酸性矿井水会导致手脚皮肤开裂、眼睛疼痒。酸性矿井水在向深部排泄过程中，一般会放生脱硫酸作用，生成毒性很强的H2S气体，其含量达万分之一时，就能闻到难闻的气味；达万分之二时，人的眼睛、喉头就会受到严重刺激;达千分之一时,就会导致死亡。

3.3对水资源造成污染

随着酸度增高,矿井水中的某些重金属离子由不溶性化合物变为可溶性离子状态,毒性增大。当这些未经处理的酸性矿井水排至地面水体后, 由于酸性矿井水中通常含有Fe2+离子,Fe2+离子氧化时消耗水中的溶解氧, 导致鱼类、藻类、浮游生物等绝大多数水生生物死亡,从而降低了水体的自净能力和利用价值。3.4污染矿区周围环境

硫铁矿氧化生成的Fe(OH)3红褐色沉淀，使周围水土变成红褐色，破坏了当地的自然景观。同时若利用该水体灌溉，则会使土壤板结，破坏土壤团粒结构，农作物枯黄，最后死亡。

4矿井酸性水研究及治理措施

4.1国外研究现状

酸性矿井水的产生是由硫化物矿物氧化引起的，据此国外的学者对硫化矿物，特别是黄铁矿氧化机制进行了研究，具有代表性的如Singer 等人于1970年

在《科学》杂志上发表的题为《酸性矿井水：决定速度的因素》论文，一些专著《宾夕法尼亚煤矿排水的预测和污染防治》[4]他们详细探讨了脱硫微生物、碳酸盐类矿物、氧气扩散速率等影响黄铁矿氧化的因素。酸性水形成和转移过程与周围环境发生水-岩相互作用，通过对此研究能够确定酸性水来源，从而预防酸性水形成和发展。目前有学者利用稀土元素（REE）及放射性同位素Sr的元素示踪法[5]，来预测定和量化围岩对酸性矿井水组分的影响[6]等。

4.2国内研究现状

我国煤矿区水体的检测大多限于常规水文地球化学指标，部分学者对淄博矿区酸性水体问题进行了初步分析，主要成果包括:(l)张建立[7]等对淄博夏庄煤矿矿井排水进行了水质分析,同时利用PHREEQC软件计算了水中主要矿物的饱和指数,揭示了在酸性水的流动过程中,Fe、Al等离子的变化趋势。(2)吴耀国、沈照理、钟佐棠等[8]针对淄博矿区的酸性矿井水问题通过数值模拟,认为该矿区酸性矿井水的硫酸根源于黄铁矿氧化,钙、镁离子不是来自通常认为的方解石和白云石,而是方解石和绿泥石"(3)钟佐矣、汤鸣皋等[9]在研究淄博矿区排水时,为揭

2-离

示地下水污染的原理,进行了现场土柱模拟,认为由于直接排放酸性!高SO

4

子、高硬度和较高矿化度(TDS)的矿坑水导致地表水体及地下水污染。

我国尚不能对酸性矿井水的产生进行有效的预测和预防，而根据国外经验，在酸性矿井水产生后再进行被动处理，必然会造成一定的负面影响，而且需要花费更大的费用。

5防范措施

我国针对矿井酸性水防治的方法，主要采用“预防为主、防治结合、综合治理”的方法，其中预防方法有矿坑封闭法、矿坑水补给源的控制法、地下水疏干系统、检选和利用酸性造岩矿物以及减少矿井水在井下的停留时间添加抑菌剂[10]等

5.1矿坑封闭法

矿坑封闭法是通过构筑封闭墙来防止硫化矿与空气接触，抑制硫的氧化反应形成，哈利伯尔顿将速凝硅酸钠和膨胀水泥结合起来使用将矿井巷道完全封闭[11]，具体做法：前后隔壁墙采用速凝水泥砂浆灌成，中间隔以膨胀水泥填料，

在集水压力下封闭了平巷。关键问题是怎样能够保证封闭严密，控制和防止泄露。所以实施相对比较困难。

5.2矿坑补给源控制法

矿坑补给源控制法是通过采取必要措施，减少地下水、地表水及大气降水对矿井水的补给，进而能够从源头上减少酸性矿井水的产生量，达到治理矿井酸性水的目的。爱达华大学的研究人员与矿山公司合作，曾对爱达华北部的邦克-希尔矿山地下巷道的酸性废水进行研究[12]。主要针对性的采取灌浆、抽吸等方法，使矿坑的补给量接近于零，这样降低每年流入矿坑的绝大部分水流，从而减少了矿井水中重金属含量，降低了治理费用。该方法需建立在对地下水进行非常详细的调查的基础上，能否广泛应用有待进一步检验，在新矿井中很有发展前景。5.3地下水疏干系统

地下水疏干系统是在地下水流入矿坑之前，就将这些地下水排至地表，从而减少和避免了酸性矿井水的形成。该方法在采中和采后，均可以实施，是一种相对成熟和经济的矿井酸性水防治方法，该方法适用条件：煤层上覆或下伏很薄的透水岩层，在蓄水层和需开采层的矿层之间有较高的水位差，并且渗透和补给率很有限，抽水之后，必须将含水层疏干，或者抽水量大于或等于含水层的补给量。

5.4其他方法

从水源出处预防矿井酸性水还包括：检选和利用酸性造岩矿物、及时排出多余矿井水以及添加抑菌剂等[13]选用时要结合矿井实际情况，本着科学经济合理的原则综合考虑，合理选择。

6治理方法

当只从源头预防无法解决酸性水问题时，我们应当考虑其他治理方法，目前矿井酸性水治理方法主要包括：中和法、微生物法、湿地生态工程处理法、酸性水综合利用法等

6.1中和法

中和法利用酸碱中和原理，在酸性水中投放碱性的中和剂，使酸性水pH值达到可排放标准，并利用碱性中和剂使重金属离子生成难溶于水的氢氧化物沉淀，进而达到消除重金属离子的目的，邵坤等[14]人使用两段中和法处理来改进中和