孙亚军教授：煤矿区矿井水水质形成与演化的多场作用机制及研究进展

阐明矿井水的水质形成及演化机理是煤矿区地下水污染防控的理论基础。矿井水的水质形成及演化过程非常复杂，受水动力场、水化学场、微生物场和温度场等多场控制，具有高度非均质性和时空变异性。目前，国内外学者对矿井水的水动力场和水化学场研究较多，但是对于煤矿区场地的微生物场和温度场研究还不充分，尤其是微生物影响下多场耦合作用对水质的形成及演化研究更鲜有报道。

为此，中国矿业大学孙亚军教授在《煤炭学报》2022年第1期撰文《煤矿区矿井水水质形成与演化的多场作用机制及研究进展（扫描下方二维码下载原文），在深入研究我国煤矿区矿井水污染成因和运移规律的基础上，阐述了矿井水水质形成及演化的多场作用机制及研究进展，以期为煤炭安全绿色开采与水生态环境保护提供理论支撑。

1矿井水污染场地的界定

煤矿开采活动必然会影响自然条件下的水环境，与常规浅地表化工、金属冶炼、工业复合污染、废矿堆场等不同，煤矿开采的影响通常面积更广、深度更大、涵盖地层也更多样。煤矿区污染场地的界定是开展水质调查、环境评价、污染阻断、污染负荷减量和地下水保护的基础，因此，污染场地的界定至关重要。由于我国复杂的煤矿区水文地质结构，矿井水的形成及其对煤矿造成的安全影响伴随着煤矿的全生命周期，而矿井水的外排是保障煤矿安全生产的必要举措，在采动以及矿井水外排的影响下，煤矿区的地下水流场（补给、径流、排泄）、微生物群落结构和水化学组分等方面的原始状态发生改变，在物理－化学－生物等多场耦合影响下矿井水水质的特征发生复杂演化。由此可见，矿井水质的形成过程主要围绕采动空间产生作用，主要受到煤矿开采活动和水文地质结构2种因素的控制，煤矿区污染场地的范围应以这2种因素为基础进行界定。

采动影响下的煤矿区水质“三带”
开采活动是矿井水质演化最主要的驱动力。因此，在多数煤矿区（除露天矿区外），在不考虑构造及特殊水文地质结构的影响下，仅根据煤矿开采活动影响的大小，可以将矿井水质特征划分为“三带”。

煤矿区水质垂向“三带”分区

第一带：采动顶（底）板导水裂隙带以外的区域。其含水介质及围岩基本不参与矿井水水质形成，地下水动力场基本不受开采扰动影响，其中的地表水、地下水参与自然循环，但此带范围内的浅部地下水和地表水的水质易受矿井水外排的影响。
第二带：采煤工作面以上，顶（底）板导水裂隙带所波及到的所有区域。由于导水裂隙带的存在，受开采扰动的含水层地下水进入矿井工作面，地下水流场发生重要改变。地下水径流路径发生改变使得原生地下水的水动力场、水化学场、微生物场、温度场以及介质条件等逐渐改变。因此，在此过程中极大可能产生不同含水层间水－水混合作用以及部分水－岩作用，导致地下水水质特征发生不同程度的改变，进而影响矿井水的水质形成，但是这些作用进行的时间相对较短，使得此水质带有较为明显的原生含水层水质特征。

第三带：井下积水区域（含工作面后方、采空区、巷道及水仓等）。此水质带是人类活动影响最为频繁的区域，在矿井开采时期，由于矿井通风氧气充足，常呈现出氧化环境，而在矿井闭坑后，逐渐转变为缺氧环境。环境的变化控制着复杂的生物地球化学反应的类型及作用程度，从而影响采空区的地下水化学组分演化过程，因此，此水质带为矿井水质形成的关键区域。在此水质带内，生产工作面和排水巷道中的地下水受矿井长期排水影响，水动力条件较好，但在已封闭的采空区中矿井水径流缓慢。来自各充水含水层的地下水在经历长时间的混合作用、水－岩（煤）作用、微生物作用等耦合后形成感观较差、微生物群落较为丰富的矿井“污水”。即使在矿井闭坑以后，其水质形成和演化仍可继续长期进行。

（2）典型水文地质结构及水质形成模式
我国煤炭资源和煤炭产区主要分布在华北、西北和西南，占全国煤炭资源保有总量的95.5％以及原煤产量的88.3％（2020年）。根据我国主要的煤炭产区的分布特征，我国煤矿区主要有3种典型的水文地质结构，分别为：华北型、西北—东北型和南方型煤田水文地质结构。在此基础上，重点以矿井水的来源及形成方式为依据，将我国典型水文地质结构及水质形成模式初步划成３ 类，其各自的特征如下：

我国主要煤矿区矿井水形成模式结构
①华北型。我国华北型煤田以多含水层、受断层和陷落柱等影响为特征的复杂水文地质结构，且由于采动裂隙的存在含水层间普遍存在不同程度的水力和水质联系，顶、底板含水层均可能对矿井水质形成起重要作用。由于水文地质结构的差异，有些矿区的最大采深已经超过了1300m，在垂向上矿井水质形成的作用空间很大，不同矿区的矿井水质污染程度也有较大差异，闭坑后的矿井水质演化机理也相对复杂。
②西北—东北型。我国西北型煤田主采煤层为侏罗系煤层，水文地质结构总体简单，但不同地区差异大。对矿井水水质形成有影响的主要为顶板结构松散、多孔隙的弱胶结砂岩含水层。受干旱-半干旱的气候影响，地表常存在季节性河流，降雨量少，蒸发量大，蒸发浓缩作用强烈，常以高矿化度的地下水及矿井水为主要特征，有些矿区的矿井水TDS甚至超过了40g/L。我国东北型煤田主采煤层为北晚侏罗早白垩纪煤田，水文地质结构与西北型煤田类似，主要充水水源为地表水和煤层顶板裂隙水，受干旱－半干旱的气候及季节性降水的影响，其矿井水的TDS也较高。与西北型煤田不同的是，东北型煤田开采历史较早，大多数煤矿相继进入了老龄化阶段。因此，采空区积水（老空水）现象普遍存在，煤系地层的废弃采掘空间发生充分的水－煤作用，进而导致东北型煤田矿井水悬浮物大量超标，而形成“矿井黑水”；少数煤矿的矿井水中检出砷、酚、镉、铅等毒性组分。
③南方型。我国南方型煤田煤层顶（如长兴组）、底（如茅口组）板均为岩溶强烈发育的灰岩含水层，其矿井水水质形成同时受顶底板灰岩含水层及其中的多种伴生矿物的水岩作用控制。由于南方地区地形起伏大、沟谷深切、岩溶系统复杂、金属类伴生矿物（部分含有毒有害元素）背景值高，其矿井水质常具有强酸性（有些矿区pH＜3）、高铁锰的特征。特别是我国西南地区金属矿产资源丰富，其产生的矿井水常呈现镉、铅、汞、铬、砷、铜等有毒有害重金属含量高的特征，对当地的生态环境产生重要影响。且有些矿区的矿井水可自流出地表进入河流水系、浅层地下水等，对区域环境污染影响较大。矿井的水文地质结构反映了各类充水水源、导水通道和采动空间的相对位置关系，决定了区域内水赋存介质的渗流条件及主要成分，从而控制了采动空间内的地下水质特征的背景值及主要的水－岩作用类型。充水水源对矿井水水质形成的影响体现在其为采动空间提供了水量来源，是水污染是否发生的先决条件，其影响因素主要包括充水水源的水压、富水性、水温、水化学及微生物指标等。采动破坏带、断层、陷落柱、钻孔等导水通道连接了水源与采动空间，是导致水源与深部地下水以及井下复杂环境之间发生多场耦合作用的纽带，同时，导水通道也是各水化学组分扩散、运移、富集的重要途径。
2矿井水水质形成的水动力场演化及其作用

（1）地下水动力场的演化

煤矿开采过程中，一方面，顶、底板岩层破坏带的形成、断层活化和导水钻孔等影响，使矿区含水层间的水力通道发生重大变化；另一方面，为保证安全开采而实施的矿井长期排水、顶底板含水层人工疏降、含水层注浆改造和帷幕截流等工程，必然对矿区的地下水流场产生重大影响，进一步影响矿井水质的形成与演化。从矿井全生命周期的角度，可将矿区的地下水动力场的演化分为采前自然平衡、开采强烈扰动和闭坑后再平衡3个阶段。
①采前自然平衡阶段。煤层开采扰动前，区域地下水系统补、径、排条件处于动态平衡状态，地下水自然循环稳定。煤矿区水文地质单元往往处于天然的地下水平衡状态，含（隔）水层、弱透水层、断层、陷落柱等使地下水成为一个半封闭半开放的系统。因采前含水层水量、水压、渗流速度、介质条件等稳态因素的存在，使得同一含水层水化学、水生态环境相对稳定；但不同地层的岩性、矿物组成成分、赋存条件、地温梯度等因素导致不同含水层的自然水动力条件、水化学条件、微生物环境差异，进而导致各含水层的常量、微量甚至有害有益元素含量具有不同程度的差异。
②开采强烈扰动阶段。煤层开采扰动会诱发原生含（隔）水层结构损伤，煤层顶、底板隔水层的阻水完整性遭到破坏，增强含水层间的水力联系；主要表现为隔水断层活化、岩溶陷落柱突（涌）水、钻孔导水、顶底板采动破坏带、采空区等成为地下水的优势通道或储水空间。在开采扰动影响下，煤矿区的水文地质结构由原来相对稳态且含（隔）水层单向水力联系的系统转变为非稳态且复杂水力联系的系统，涉及含水层、导水通道、含水体/空间、钻孔、巷道、采空区等多个方面，使煤矿区水文地质结构、地下水动力条件、生化环境发生重大变化，煤炭开采扰动对区域地下水动力场的影响归纳为以下几点：
1）导水通道的改变。① 煤层开采扰动形成顶板导水裂隙带、底板采动破坏带，诱发隔水断层活化、陷落柱突（涌）水，以及一些封闭不良钻孔等都会成为新的导水通道。② 为了减少矿井涌水量的产生，减少工作面突水事故的发生，对已查明的原生导水断层、陷落柱的进行注浆封堵等措施，阻断了原生的导水通道。
2）边界条件的改变。对于一些富水性强、补给性好、水力联系复杂的含水层，煤矿为保证安全生产，有时采用帷幕注浆截流、含水层注浆改造等工程以减少矿井涌水量形成，实质上改变了煤矿区一个或多个水文地质单元的垂向或侧向边界条件。
3）含水介质的改变。① 煤层开采改变了地层应力场，顶板岩层破坏、下沉导致的裂隙、孔隙结构变化，新形成的裂隙、孔隙成为径流通道、储水空间，会导致煤矿区地下水在流入工作面前其水质与建井前的水质有所区别。② 为了增加煤层顶底板隔水层的阻隔水能力及完整性，对顶底板充水含水层进行注浆改造或区域治理，将含水层改造成隔水层，直接改变了含水层的介质条件、厚度、渗透系数等。③人工疏降作为一种常见的防治水措施，可将煤层直接充水含水层的承压水头疏降至安全水位以下，从源头上避免矿井水的形成。疏水降压会使含水层富水性降低、骨架压缩；其次，疏水降压形成明显的水力梯度增大，加速了含水层区域渗流速度，造成一些盐类胶结物溶出，间接导致含水层溶孔发育、空隙增大，进而使得含水层渗透性增强。特别是近年来我国煤炭开发重心向西部转移，西部矿区煤层顶板含水层多存在盐类弱胶结特征，受开采扰动及人工疏降叠加影响，含水层渗透系数经过长期演化有递增趋势。

4）水力坡度的改变。煤矿开采的过程中，无论是人工疏降还是矿井长期排水都会形成区域降落漏斗，促使水力坡度加大，加速了地下水的水循环条件，一定程度上改变了地下水水质形成及演化的背景条件。

③矿山闭坑后再平衡阶段。煤矿闭坑后地下水动力场经过长期演化会趋向新的平衡状态。开采扰动、人工疏降、底板注浆改造后含水层水动力场逐渐恢复至采前状态，而帷幕注浆截流完全改变了地下水渗流路径，往往难以恢复。当井下废弃采掘空间蓄满水后，其中一些封闭完整、水压较小的井下储水空间将变成滞留区域，矿井水主要在水交替频繁的活水区域形成。从区域地下水系统的宏观角度研究，闭坑后井下废弃采掘空间由于停止排水，矿井水逐渐积蓄，区域水动力条件逐渐弱化，使得地下水流速减缓、水位回弹；封闭采空区内趋于静止（死水），水化学平衡继续保持正反应，水质在短期内趋于劣化（以山东某矿为例）。随着地下水位恢复，当采空区填满后，会出现地下水自下而上经过采空区反补顶板含水层，类似岩溶陷落柱、导水断层破碎带能够沟通多层含水层。由于底板含水层往往具备承压性，在采空区水位恢复到承压水头高度之前，其不会反补底板含水层，也不会造成底板含水层污染；当采空区承压水位高于底板含水层时，在区域地下水动力场驱动下，矿井水与顶、底板含水层的水相互混合后沿着地下水渗流路径运移扩散，造成含水层间的串层污染，污染负荷将在含水层渗流途径上形成一定的水动力弥散范围。

（2）水动力场演化对矿井水质的影响

矿区地下水系统从采前平衡、开采扰动、矿井闭坑到采后平衡的全生命周期过程中，矿井水质形成过程所发生的物理－化学－生物作用主要受地下水动力场的驱动和影响。

①水化学平衡扰动作用。水动力场是控制矿井水形成的动力来源，地下水流速直接决定水－岩（煤）、水－气、水－水混合作用化学反应的时间，对物理－化学－生物反应的平衡状态影响不同；一般接触时间越长，反应越充分，所形成的矿井水水质越复杂。煤层开采前后，煤矿区的地下水动力条件会发生较大程度的改变，从而影响水化学平衡的反应方向。

②串层混合作用。煤矿区往往存在陷落柱、断层等天然地质构造。煤层开采前，部分导水断层、岩溶陷落柱会沟通含多个水层，使得不同含水层的水质相混合，形成天然的水化学平衡。煤层工作面首采时，原来各个含水层之间存在水质差异，但是由于开采扰动导致新的导水通道形成后，水动力条件发生了改变，使不同含水层中的水发生水－水混合反应，可在很短的时间形成新的水质，即矿井水的初期水质。例如，部分矿区浅层低矿化度地下水，在开采扰动后，串层并大量进入采掘空间形成矿井水，整体降低了矿井水的矿化度；煤层深度开采时，煤层顶底板采动破坏带、勘探/原位试验的钻孔也成为串层混合的导水通道；当开采扰动非常剧烈时，有些隔水断层可能活化成导水断层，使矿井水初期水质形成过程更加复杂。

③采空区自净作用。虽然封闭采空区水质在短期内有劣化的趋势，但根据笔者团队对徐州矿区、鲁西南矿区及鄂尔多斯盆地部分矿区采空区水水质特征的实测分析，发现采空区在适当条件下长期演化后对某些特征成分具备一定的自净能力，某些化学组分在经历劣化阶段和平衡阶段后，长时间尺度上呈现递减趋势。

矿井水特征污染物浓度变化示意
3矿井水水质形成的水化学场演化及主控因素

矿井水化学场的形成与地下水原生化学背景既有紧密联系，也有不同的特征：一方面，矿井水主要来源为地下水，继承了原生地下水的部分背景值；另一方面，地下水自原生含水层经导水通道进入矿井并在井下运移、汇聚的过程中，不同程度地接触非原生岩层及各种介质，并发生复杂的水－水混合作用、水－岩（煤）作用等，可能导致水中的特征组分含量发生重要变化。

地下水原生化学背景及特征

煤系地层以沉积地层为主，地下水主要起源于大气降水和地表水入渗，埋藏于不同类型水文地质结构中，在漫长地质历史时期与其周围环境持续地相互作用，演化出非均质层状分布的原生水化学场。地下水对含水层的持续溶滤作用是水化学成分形成的最主要因素，从补给区、径流区到排泄区，水化学成分在水动力场、微生物场、温度场、浓度差等影响下发生扩散，其间经历离子交替吸附、浓缩、水－水混合等作用，在不同阶段和区域，某一、两种作用可能居于主导地位。

（2）物源特征及主要化学作用

煤矿开采后剧烈变化的自然条件和各种人为因素导致原生地下水接触到不同的岩石矿物介质并相互作用，主要的化学作用有溶解/沉淀、氧化/还原、吸附/解吸和离子交替吸附等。参与化学作用的非原生介质主要划分为无机物源和有机物源。

矿井水水质形成及演化的多场耦合作用概念

（3）矿井水水质的总体特征及演化趋势

基于对全国14个国家亿吨级的大型煤炭基地中典型矿区的201座煤矿的现场调研、分析测试、文献检索等工作，将全国典型矿区矿井水水质总体特征概括为：多数矿区主要是常规组分超标，尤其是TDS，SO2-4和Cl-，未达标排放会对生态环境有一定程度的影响；部分矿区矿井水含有毒有害物质（如As，Pb，Cr，挥发酚类等），但含量少、占比小；少数矿井水中还含有有益元素。

我国典型矿区矿井水水质超GB/T 14848—2017中Ⅲ类水标准情况
4矿井水的微生物基本特征及其作用
地下水环境是微生物重要的栖息地之一，平均每毫升地下水中就存在102～106个微生物，其中主要是细菌和古细菌，还包括少量真菌。在地下水系统中，这些微生物群落是物质循环、能量转换和信息传递的重要承担者，是生物地球化学循环的主要驱动因子。微生物群落组成的特异性可反映和影响地下水环境化学特征。在煤矿开采过程中，地下水入矿井空间后，微生物的存在环境发生了巨大改变，其对矿井水水质形成的影响研究还较少，因此，研究煤矿区微生物群落的分布特征及其对矿井水水质演化和治理的作用机制对于矿井水污染防控至关重要。

5矿井水水质演化的温度场作用

煤矿区的温度场主要受地质背景控制，开采前状态相对稳定。开采过程中，温度变化将通过改变物理、化学和生物作用来影响矿井水水质的演化。首先，温度变化影响岩石的物理参数，如热导率、比热容等， 同时岩石的渗透率也与温度有关。其次，适当升温将会加速水化学作用中的部分化学反应，在一定程度上影响水化学场。并且，矿井水中微生物的生命活动也与温度变化密切相关。

作者简介

孙亚军，男，1963年生，安徽涡阳人，中国矿业大学二级教授，博士生导师，矿山水害防治研究团队学术带头人，中国地质学会矿山水防治与利用专业委员会副主任，国际矿井水协会（IMWA）中国国家委员会秘书长，煤炭工业技术委员会防治水专业委员会委员，国家科技进步奖获得者，国家重点研发项目负责人。获得省部级以上科技进步奖14项，其中国家科技进步二等奖1项、省部一等奖4项、二等奖2项、三等奖7项。出版专著3部，发表论文100余篇。

研究方向

矿井水害防治与污染防控

主要成果

长期从事矿井水文地质、煤矿水害防治和GIS应用等方面的研究和教学工作。在国内首次将GIS技术和多元信息方法引入矿井突水预报领域，提出矿井突水多元信息拟合预测方法。先后主持国家973计划项目课题2项“煤矿突水机理与防治基础理论研究（2007CB209401）”和“西部煤炭高强度开采下地质灾害防治与环境保护基础研究（2013CB227901）”，现为国家重点研发计划“煤矿区场地地下水污染防控材料与技术（2019YFC1805400）”项目负责人，参与并完成国家自然基金重点项目2项、其它纵向基金项目5项，负责企业委托项目50余项。在矿井突水预测、地表水体下安全采煤、超高承压含水层上采煤、西部缺水矿区保水采煤、矿井“绿色闭坑”等方面取得显著研究成果。

孙亚军，张莉，徐智敏，等. 煤矿区矿井水水质形成与演化的多场作用机制及研究进展［J］. 煤炭学报,2022,47(1):423-437.

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