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朱艺娜，王沙沙，宋宝来，张 玥，余小林
（龙岩学院 资源工程学院，福建 龙岩 364012）
煤矿开采过程中会造成地下水污染，并在停采后进一步扩散演化。当前我国矿井导致的地下水污染的防控还处于初步阶段，很多地区缺乏重视污染防控的意识及防控污染体系的建设，造成很多地下水污染的相关问题。本文在煤矿区污染场地和地下水污染场地单元基础上，叙述了目前煤矿区地下水污染的原因与影响。
在开采煤矿的过程中，都会遇到的一个比较严重的问题，就是酸性矿井水的产生。在我国北方的部分相关数据报道中，地下水受到的污染是较为严重的。在开采煤矿的作业过程中产生的一系列垃圾堆积在矿井中产生了很多有害的微生物。这个问题已经引起了国家的关注，希望在开采资源的过程中，一定要保护好地下水资源，不然饮用水将会面临严重的短缺问题。相对全国各地而言，北方是污染较为严重的地区，并不是其他地方就没有受到污染，其他地方也是受到了一定程度的污染。除此之外，矿井水长期与地下矿井水接触的仪器，比如排水管道，阀门等，日积月累下容易使仪器发生腐蚀，如果没有及时得到维护和修理，极有可能发生水灾事故。所以在进行采矿的时候，一定要处理好排水的问题[1-2]。
另外，一些地质专家和环境专家同样开展了相关污染问题研究工作，在有关报道中，可以看到有些地质学家已经在努力地研究更好的方案来改善酸性矿井水的污染问题。
2.1 地下水污染诱因
从古至今，在开采煤矿的时候，很少有人会重视煤矿地下环境问题，尤其是煤矿开采过程中对水资源的污染。目前从一些监控的地下水资源来看，许多城市的地下水已经受到了严重的污染。在地下水资源减少的情况下，人类还需要更多的地下水，所以一定要解决这个严重问题。
在全国各地，地下水污染的情况还是比较严重的。尤其是北方地区尤为突出。污染严重的地区大多也是水资源匮乏的地区。在一些经济落后、自然环境恶劣的地区，人们喝的水大多为地表水，并且没有通过检测，就这样一直恶性地循环，若不制止的话，污染就会变得越来越严重，污染范围也会越来越大[2]。
基于这样的情况，必须要做点什么来改变这样的现状，首先需要有一个研究团队，然后再从各个方面突破防治地下水污染的问题，让更多的人可以喝到健康的饮用水，让矿井工人在一个舒适的环境下工作，对他们的健康是很重要的。
2.2 具有腐蚀性的酸性矿井水产生机理
当地下水pH小于6时是酸性水，这种酸性水会腐蚀金属，损坏设备。如果pH小于4则为强酸性地下水，腐蚀程度进一步加大，会损坏像钢丝一类的材料，这类金属材料设备一旦断裂，就有可能造成严重的事故。黄铁矿被氧化形成的产物会和地下水结合，形成酸性的地下水。黄铁矿的氧化包含2个过程，一个是化学氧化，另一个是生物氧化。这2个过程中，比较起作用的生物氧化过程是一个极为重要的过程[3]。
化学氧化过程是硫铁矿在水和氧气的条件下被氧化。它的氧化过程包含3个，分别是：O2和FeS氧化成Fe2+和SO42-；
O2和Fe氧化成Fe2+；
Fe2+和黄铁矿被氧化成Fe2+和SO42-[4]。
经过一系列的实验可以发现，对于这些反应，只要改变一下温度，其反应速度就会发生改变，当温度增加到一定程度，反应速度将会比原来的速度更加地快。
在生物氧化的过程中，起着关键作用的是氧化亚铁硫杆菌，其发生氧化的过程主要是将低价的亚铁氧化，获得自身生存和繁殖所需要的能量。经过很多次的实验，发现这个氧化亚铁硫杆菌在氧化反应中，起着一个关键的作用，可以促进氧化反应，加快氧化反应的速度，就像高锰酸钾一样，氧化性非常强。虽然通过提高高锰酸钾的环境温度，也可以加快氧化的速度，但是比起氧化亚铁硫杆菌，还是没有其作用强。在很多的氧化反应中，一般都需要加入氧化剂，使化学反应更加地迅速，以便进行观察和研究[5]。
2.3 酸性矿井水带来的影响
2.3.1 对煤矿安全的影响
煤矿中的矿井水开始是原始的地下水，当开采煤矿时候，煤矿中的一些化学物质会与地下水产生化学和生物化学反应，从而形成矿井水。矿井水与成煤地质环境和煤系地层矿物的化学成分中的含硫量有关:在普遍条件下，煤中含硫量大于3%时就会产生酸性水，只要含碱量大于5%时就不产生酸性水。
通过氧化产生的酸和碱，两者发生中和反应产生的含酸量直接决定了矿井水的化学含量成分。矿井水的水质还与矿区水文地质条件、地质构造、矿井涌水量及环境因素有关。环境因素主要包括矿井的密封状态、空气流通的状况，温度和微生物的种类与数量有关等。
酸性矿井水对金属设备产生一定腐蚀，使金属设备的使用寿命很大程度降低，造成严重的安全生产隐患，影响矿井建设和正常的生产。
2.3.2 增加煤矿的生产成本
酸性矿井水会与金属设备、支架等一系列金属产品发生化学反应，直接腐蚀损坏本身。在影响矿井安全生产的同时，还减少了生产设备使用寿命，生产成本大幅度增加，给矿井管理方面也带来了很大的资金问题。
2.3.3 加大对环境的污染
在酸性的矿井水下，顶板会被腐蚀，导致工作的环境极差。长期在这样的环境下工作，会影响工人们的身体健康和在矿井里的工作效率。如果将这些酸性的矿井水外排，可能会对环境造成更大范围的污染，所以在处理矿井水时，一定要注意用合理的方法去处理。
对于酸性矿井水的研究，希望得到更多的成果，然后设计出合理的方案，从而达到科学处理好矿井水的排放问题。其实可以设计出一款利用化学反应的酸碱中和反应减去或综合掉矿井水中的酸。当然，具体的实施环节还有待去研究和发现。
2.4 地下水污染对生物及人体健康造成危害
矿井产生的地下废水会以泄流的形式流进江河中，污染水会直接导致江河生物大量死亡，与江河相靠近的土壤酸碱性也会被破坏，影响植物生长，人们要是食用了污染过的食物将会出现皮肤过敏等症状，甚至死亡，危害人体健康。
首先，矿物废水对于人体的危害是比较严重的，在人们饮用这些带有毒素的水后，可能会出现一系列的身体反应，例如，呕吐、头晕目眩、食欲不振等症状，影响人们的身体健康。如果这个问题不解决，将会产生可怕的后果，这些有害的水在进入人体后严重的可导致死亡，所以地下水污染是一个非常严重的、必须要改善的问题。
其次，饮用了有毒的污染水，人们可能会出现失明等情况。刚开始人体并没有察觉到有什么不一样的地方，但当到达一定浓度后，就可能会表现出某些症状，例如出现呕吐的情况，严重的会导致眼睛失明。虽然在正常的环境中水的污染浓度很低，但是在长期污染的情况下，污染水还会导致人类抵抗力下降之类的问题。
最后，在地下水中也生活着许多生物。在地下水没有受到污染时，这些生物都是生存在适宜的环境里。但在煤矿开采的过程中，这种适宜的环境受到破坏，生物出现成批死亡的现象；
毒素堆积在生物体内，之后人类又去食用这些带有毒素的生物，毒素就会进入到人体中，对人体伤害很大，影响人的身体健康。可见矿井水的污染后果还是比较严重的，对于这个问题需要进一步的研究解决。
随着科技的不断发展，治理矿井地下水的方法也逐渐增多，但是无论是传统方法还是新型技术，都存在着一定的缺陷，所以在处理地下矿井水问题时，需要结合当地的技术及经济条件，地理环境等来处理。
3.1 污染源识别技术
要进行污染物的防治，前提是找到污染源位置，并确定污染物的种类。目前识别污染源的方法有同位素追踪等地球化学方法、数学模型统计计算机模拟等。硝酸盐、硫酸盐同位素应用广泛，配合其他方法可以提高污染源的识别精度。
地下水动力学方法也可以用来识别污染源，同时也可以确定地下水污染物的扩散途径和方向。例如，污染物在地下水中受弥散和对流的共同作用会呈现污染羽的形态。实际工作中可以根据污染羽的形态，即污染羽尖端和椭圆端的分布判定污染源的位置和迁移方向，如图1所示。
图1 地下水污染羽形成示意图
另外，污水污染源识别过程中，理想状态下可以用一种代表性的因子指示污染物的特征和来源，其中同位素也常被用来作为特征因子。但是实际操作中因子和特征组分应选择多个，才能提高预测分析的精度。筛选出特征因子，剔除重复影响并分析这些因子之间的耦合关系，以及确定对污染作用和污染水体污染特征的贡献率是分析的关键。各种因子之间的联合使用是目前最常用的做法，如主成分分析、模糊聚类、矩阵分析等，可通过spss、matlab、GIS等软件来实现，同时各种方法的合理联合使用也可以进一步筛选特征因子的重复信息，并且一定程度上保留有用信息，实现定性甚至半定量分析识别的目的。
3.2 传统处理矿井水技术
化学混凝技术和气浮技术都是传统处理矿井水的主要方式。另外，膜分离技术与人工湿地处理技术都为新型处理技术，特别是膜分离技术，已经在处理矿井水等方面广泛应用。
化学混凝技术要针对当地矿井水的化学成分和组成来选择相应的混凝剂，同时需要满足保证不会影响水质，价格低廉，而且要产生大量、相对重且强的矾花，货源要充足的条件。目前，在处理矿井水中主要采用的是无机高分子絮凝剂聚合氯化铝与有机高分子絮凝剂聚丙烯酰胺同时结合使用的方法。
气浮法是指将气泡通入地下矿井水，与悬浮的物质粘附形成气浮体，因为密度小于水，在浮力作用下，浮出液面。通常气浮处理技术用于处理污水中密度较小的悬浮物质，但气浮技术的缺点是需要精密仪器，基础条件与操作技术要求较高，处理工艺技术较多，能源消耗较大等。
3.3 新型处理矿井水技术
膜分离技术是通过选择性透过的膜，在外力作用条件下进行分离。当下在矿井水的处理中采用最多的是电渗析和反渗透技术，电渗析设备操作简单且不需要添加其他药剂，但回收率大约只有50%，耗能大。而反渗透技术则相反，原水回收率能达到80%，但是需要较高的操作技术，同时设备也比较复杂，投资大。
人工湿地处理技术通过天然环境的自我净化能力，加上现有技术来处理污水，在构建人工湿地会选择相应植物来增加净化能力，且湿地的黏土、砾石等也可以对悬浮物等进行一定程度的净化，这种处理技术操作简单，费用低，但占地面积大，持续时间长，而且受自然环境影响较大[5]。
渗透性反应墙也是目前应用比较成熟的前沿技术。在确定污染源的位置和污染水体径流方向的基础上，利用特殊材料在污染水体扩散方向上埋设反应介质。此技术将生物降解、化学分解和物理吸附功能集中于一体，将上游来的污染水体净化达标后，再向下游排放。这种被动的原位处理技术的核心是特殊材料，例如之所以能实现物理吸附，是因为墙体中含有黏土等细粒物质，颗粒细小，比表面积大，再加上黏土表面带电荷，吸附能力强[6]。而墙体中的有机材料除了能物理吸附，还能发生化学反应，从而实现化学分解成无毒无害物质的目的，如图2所示。
图2 渗透性反应墙作用原理示意图
不同的地区地下水成分不同，地质环境不同，经济条件也不同，虽然处理矿井地下水的方法都存在一定的缺点，但是结合实际，以及科技不断进步，相信技术也会不断更新，在未来会获得更好的环境效益和经济效益。
生物圈都是息息相关的，一旦淡水资源被污染，那么被污染的水将会通过生物链进入人类的生活环境，这样既破坏环境又影响自身健康。探讨研究煤矿地下问题和形成水污染的原因，从污染机理到污染防治技术研究进展的总结，为开采煤矿的过程中能够发现更多有效治理矿井地下水污染的方法，对于减少对地下水及环境的污染，有一定借鉴参考的意义。
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