永城市煤炭开采与加工对地下水的污染及其防治措施

□许 猛 □周 洋 □许青松 □刘 恒

（河南省商丘水文水资源勘测局）

1.概述

永城市位于河南省最东部，距离商丘市区98km。总面积为2000km2，人口150万。处于河南、山东、江苏、安徽四省交汇处，素有“豫东门户”之称。永城大力发展“黑色经济”，即以丰富的煤炭资源为基础，把其建设成为我国中西部地区重要的煤炭能源生产基地、煤化工基地、铝制品加工基地。永城地下含煤面积621km2，远景储量100亿t，现拥有两家中国500强企业——永城煤电控股集团和神火集团，是河南省最大的煤化工基地也是全国六大无烟煤基地之一。

2.采煤与煤加工对地下水的污染

煤炭开采对地下水会产生较大的影响，其影响主要受水文地质条件、地质构造特征、煤矿开采阶段、降水量、开采面积、开采深度、开采沉陷等影响。当煤炭开采时，在地面以下形成纵横交错的垂向竖井、水平向巷道、不同角度的斜井及斜巷道以及不同开采面、不同采掘深度的采空区等等，这些井、巷道、采空区相互贯通，穿越了各类含水层和隔水层，改变原先煤系地层及上覆松散岩地层中地下水运移状态，对地下水造成污染。

煤是含有矿物杂质的复杂有机物，其矿物杂质含量约5%～50%。地球上的一百多种元素，几乎都能在煤中找到。采煤不仅改变了矿区天然地下水储水构造、导致矿区地下水枯竭，而且还通过以下途径引发地下水的污染。

2.1 采煤

煤的采掘生产活动需排放各类废弃物，如矿坑水、废石和尾矿等。这些废弃物的不合理排放和堆存，对矿区及其周围地下水环境构成了以下危害：一是矿坑充水。矿坑充水使处于封闭状态的煤系地下含水层与空气接触，由于煤层中含有大量的黄铁矿及其他金属硫化物，矿坑充水可在较短时间内使地下水形成酸水。二是废石、尾矿。废石对水环境的污染主要表现在废石经雨水或各种水源渗滤、浸泡后形成的渗滤液对矿区地下水环境形成的危害。废石性质及所含微量元素不同，其渗滤液对水环境的影响程度各异。煤矸石和粉煤灰渗滤污染地下水。在煤矿区，煤矸石山星罗棋布，粉煤灰在灰场区内排放堆存，在雨水和洒水作用下，煤矸石和粉煤灰中有毒有害元素可渗滤进入土壤，并向浅层地下水迁移，污染浅层地下水。

2.2 煤燃烧

煤在燃烧时会释放出重金属。在高温燃烧时难以气化的重金属元素在燃烧过程中被飞灰和底渣所吸附，存留于飞灰和底渣中，再经冲灰渣水排至贮灰场。灰渣中的部分可溶的微量重金属元素会因雨水冲洗、渗透等原因渗入地下水中，对地下水体造成污染。

2.3 煤气化

煤的地下气化。是通过直接对地下蕴藏的煤炭进行可控制性的燃烧产生煤气后，输出地面的一种能源采集方式。煤的地下气化对地下水产生的有机污染物是酚类化合物且主要是石炭酸。在煤的地下气化带附近：一是煤层高温分解的有机污染物向周围岩层的扩散和渗透；二是有机污染物通过地下水的渗透向含水层四周迁移；③逸出的气体如氨气、硫化物在溶解后会改变地下水的pH、Eh值，进而影响地下水的BOD和COD。

2.4 煤堆沥水

一是改变地下水的pH值。永城煤炭全硫含量为0.3%～5%。其中包括含量较多的无机硫化物硫、硫酸盐硫、微量元素硫和含量较少的硫醇、硫醌、硫醚等有机硫化物硫。有机和无机硫通过氧水、水解及微生物作用可形成硫酸。泥炭、褐煤中含有大量腐植酸等天然酸性物。当然煤中也含有碳酸钙、氢氧化物等碱性物质。上述碱性物质进入沥水可使煤堆淋滤水的pH值升高。大量酸性淋滤水渗入地下，长年累积，可使周围地下水酸化，降低甚至丧失其开发利用价值。二是重金属和其他有害元素。一般煤中铜、铅、砷、铬、镉、钼、镍等有害重金属及氟、硒等有害元素的含量通常很低，但含矿物质较多的无烟煤、石煤中有可能大量含有上述某些元素。这些伴生的有害元素随着沥水渗入地下，可能造成地下水的污染。另外，煤堆沥水中的重金属有害元素绝对含量不高，但由于长期大量沥水渗入地下，重金属的累积作用也可导致地下水污染。三是地下水硬度和盐度增加。钙、镁、铁均为煤炭中的常量元素。其可溶性的钙盐、镁盐和铁盐随煤堆沥水渗入地下，可使地下水的硬度升高。煤堆沥水含有较多盐分，长期影响地下水可使地下水变咸。地下水的自净能力甚低，一旦被污染，很难恢复到洁净状态。

3.防治措施

3.1 煤开采措施

在富含水层下采矿，须留设足够有效的防水煤岩柱。

井巷掘进工作在接近含水层、导水断层时，必须超前钻孔探水，在井下有突水危险的地区附近设置水闸门或闸墙，在掘进工作面或其它地点发生明显突水征兆或大量涌水时，应立即停止工作，采取相应的保护措施，确保含水层不受破坏。

采用矸石或水砂充填采空区或改变采矿工艺、降低导水裂隙带高度，减轻对地下含水层的影响。

加强矿区水文地质勘察工作，深入研究矿区水文地质条件，针对矿井边界不同水文地质条件，分别利用地面防渗、帷幕注浆等工程，截断进入井田的地下水通道，以减少矿井涌排水量和突水发生的机率，减少地下水污染途径。

3.2 充分利用矸石山

要消除矸石山灾害，最好的办法是使其变废为宝进行综合利用。煤矸石的利用途径，分为以下三类：一是煤矸石的热能利用。利用煤矸石中含有一定数量煤炭的性质进行回收；二是煤矸石的建材利用，煤矸石作为建筑材料，是当前煤矸石综合利用的主要途径，技术相对比较成熟；三是煤矸石的其它方面利用。如经风化的煤矸石可充填采空区，减小地表沉陷带来的灾害；煤矸石还可用于土壤改良，可加工成吸附剂、分子筛，生产硅铝炭黑，回收硫化铁及铺设路基、地基等。

3.3 地下含水层保护措施

消除地下水污染源和切除污染物渗入地下含水层的途径。如禁止用渗坑、渗井方式排放废水；严格控制污水灌溉水质；采矿过程中注意矸石及尾矿堆放点的选择；酸性矿井水、高矿化度矿井水经处理后方可外排；建立地下水动态监测网，及时发现水量、水质变化，找出影响因素。

3.4 煤燃烧前净化技术

一是清洁的加工技术。指在减少污染和提高利用效率的煤炭洗选加工、燃烧转化、烟气净化和污染控制等一系列新技术的总称，是使煤炭释放的污染控制在最低水平，达到煤炭的高效清洁利用的技术。

二是洗选煤技术。煤炭洗选是洁净煤的源头技术，煤炭通过先进的物理选煤技术可降低原煤灰分50%～80%，脱除黄铁矿硫60%～80%。洗选煤是降低燃煤烟尘和SO2，直接有效的洁净技术。采用先进的洗选技术可使煤中重金属元素含量明显降低。

三是型煤技术。是利用一定比例的粘结剂或固硫剂将一种或数种煤粉，在一定压力下加工成具有一定形状和一定理化性能的煤加工技术。使用型煤的环境效益和节能效果非常明显。

3.5 煤燃烧后净化技术

采用高效除尘器脱除亚微米颗粒，使重金属与煤灰尘一同减少；如湿式烟气脱硫技术能有效地控制易挥发重金属元素；烟道后处理系统，采取能同时净化多种污染物的多段净化装置。

3.6 矿区废水的控制技术

在矿区采取各种措施，严格控制废水的排放量，减少废水对地下水的污染。包括：

3.6.1 改革生产工艺，尽量减少废水排放量。如选矿厂可采用无毒药剂代替有毒药剂，选择污染程度小的选矿工艺，减少选矿废水中的污染物质。

3.6.2 循环用水，一水多用。开展水采矿井煤泥水处理技术的研究，使水采煤泥和洗煤厂洗煤煤泥经浮选后全部厂内回收。

3.6.3 污水井下的处理技术。目前推广的经济型水泵工艺或区域化水泵工艺所采用的煤泥水处理系统都是按闭路循环设计的。该系统在井下中央硐室采用斜管沉淀仓对采区分级脱水后的煤泥水进行净化处理，大部分煤泥水净化在井下供采掘循环使用。

4.结论与建议

随着世界能源的日益紧张，国家煤炭资源的开采和利用也将逐步加大，而煤在开采、加工及燃烧过程中都伴随着对地下水的污染。而永城又以地下水作为主要的生活和工农业供水水源，这就要求在煤的开采和加工过程中的各个环节要注意保持地下水的洁净。因此通过对煤炭开采及加工对地下水影响进行分析，并采取一定的预防和治理措施，可减少对地下水的污染。