煤矸石充填体对地下水污染风险的评估

孔国强 王 军

(中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221116)



煤矸石充填体对地下水污染风险的评估

孔国强 王 军

(中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221116)

随着固体充填采煤技术的日益推广，煤矸石充填矿井对地下水环境污染日益严重。为了及时了解并掌握煤矸石充填对矿井地下水的污染风险，在对地下水污染风险理论研究的基础上，运用迭置指数法和层次分析法，构建了煤矸石充填矿井对地下水污染风险的指标体系及模型，并对其风险等级进行划分，为充填矿井的地下水保护及污染的防控与应急处理提供可靠指导。

煤矸石充填矿井 迭置指数法 层次分析法 风险指标体系

随着国家对环境保护工作力度的加大，矿区环境污染预防和治理是未来煤企转型发展的重要方向。近年来，矸石充填开采是煤矸石综合利用和改善矿区环境的一种新技术，成为矿区生态环境恢复和矿业城市持续发展的一个重要途径。

目前，固体充填开采理论与实践研究、“三下”压煤技术的发展和地面生态恢复速度较快，但却忽略了井下采空区的生态和环境效应，主要研究大多集中在地面矸石山堆积产生的环境问题及土壤复垦领域，对矸石充填体有害物质对井下采空区地下水的污染研究是国内外大多数研究者所忽视的一个重要方向，并且随着煤矸石成为煤矿充填采煤的主要填料，其引发地下水污染的风险正在变得越来越大。因此，有必要及时了解掌握煤矸石充填矿井对地下水的污染风险，为科学有效地预防、控制和治理煤矸石充填体对地下水的污染提供一定的科学理论依据。

1 煤矸石充填体对地下水污染风险评价基础研究

1.1 煤矸石充填体对地下水污染风险的概念

地下水污染风险主要考虑3个方面，分别是污染源、地下水和危害性，即反映污染源污染地下水的可能性和地下水受到污染的可能性及后果。所以可以将煤矸石充填体对地下水污染风险定义为：污染源煤矸石充填体对地下含水层污染的可能性与严重性，其中地下含水层受到煤矸石充填体污染的风险主要由煤矸石充填体的风险性、煤矸石中重金属离子溶解-释放的风险性及煤矸石中重金属离子迁移的风险性这3个影响因素决定，其风险表达式见式(1)：

R=α1R1+α2R2+α3R3

(1)

式中：R——地下水污染风险水平；

R1、R2、R3——分别表示煤矸石充填体、煤矸石中重金属离子溶解-释放、煤矸石中重金属离子迁移的风险性；

α1、α2、α3.——分别代表各对应风险因子的权重值。

1.2 煤矸石充填体对地下水污染风险评价方法

目前，有关煤矸石充填体对地下水污染风险的评价还处于萌芽阶段，资料文献较少，而且进行地下水污染评价时，需要收集充填采煤工作面下的含水层样品，采集起来较为困难，这直接导致了煤矸石充填体地下水污染风险评价不宜使用复杂的评价方法。因此，本文将选用基于迭置指数法的定性简单评价方法，以煤矸石充填体为污染源，以采空区底板范围内的含水层为风险受体，初步对煤矸石充填体地下水污染风险做出评价。

2 煤矸石充填体对地下水污染风险评价指标体系

2.1 评价指标体系构建步骤

煤矸石充填体对地下水污染风险评价指标体系需考虑污染源煤矸石充填体的属性特征、上覆含水层的裂隙渗流特征、煤矸石中重金属离子溶解-释放-迁移特征等，在构建指标体系时，要遵循科学、全面、可行的原则，准确地对地下水污染风险做出评价。煤矸石充填体对地下水污染风险评价指标体系构建步骤如图1所示。

2.2 评价指标筛选

2.2.1 煤矸石充填体风险识别

煤矸石充填体作为污染源，其风险主要来自于煤矸石的充填量、煤矸石中重金属离子含量和煤矸石充实率。煤矸石的充填量用矿井开采面积表示，即开采范围内全部进行密实充填，充填范围越大，重金属离子扩散范围越大；煤矸石中重金属离子含量取决于煤矸石来源，包括掘进矸石、洗选矸石和矸石山矸石，不同来源的煤矸石成分不一，重金属含量亦不同；煤矸石充实率越大，渗透系数越小，煤矸石中的重金属离子析出越困难。

图1 煤矸石充填体对地下水污染风险评价指标体系构建步骤

2.2.2 煤矸石中重金属离子溶解-释放风险识别

煤矸石中重金属离子溶解-释放的风险性主要指重金属离子经过时间累积析出的可能性，用3个指标来表示，分别是充填体粒径级配、裂隙渗透水量(固液比)和矿井水酸碱度。重金属离子浓度与固液比成正比，与煤矸石粒径成反比，pH值对煤矸石中重金属离子的溶解-释放起到了一定的催化或抑制作用。

2.2.3 煤矸石中重金属离子迁移风险识别

煤矸石中重金属离子迁移的风险性主要指重金属离子迁移至地下含水层，使含水层存在遭受污染的可能性，采用3个指标来表示，分别是底板赋存条件、底板破坏程度、下伏含水层特性。底板赋存条件包括岩性、厚度和隔水性等，底板破坏程度指底板导水破坏带发育程度，二者都决定了重金属离子扩散的难易程度及扩散范围；下伏含水层特性主要指含水层的渗透性，决定重金属离子在迁移过程中衰减和浓度稀释的能力。

基于上述煤矸石充填体对地下水污染风险因素的分析与总结，共筛选出3个一级指标及9个二级指标，煤矸石充填体地下水污染风险评价指标如图2所示。

2.3 评价指标分级标准

2.3.1 煤矸石充填量

一般情况下，开采面积越大煤矸石充填面积越大，导致煤矸石充填体受到矿井水淋溶浸泡产生的重金属离子含量越高，随着时间的推移逐渐累积，对地下水的污染可能性及范围也随之加大。通过对全国30个主要煤矸石充填矿井开采面积的数据调查与分析总结，划分出开采面积的风险等级，矿井充填工作面开采面积风险等级划分见表1。

图2 煤矸石充填体地下水污染风险评价指标

矿井开采面积/km2分级对应风险等级>0.4大高0.2～0.4中中<0.2小低

2.3.2 煤矸石中重金属离子含量

充填矸石主要包括掘进矸石和洗选矸石，还有一部分来自矸石山的风化所造成的堆积矸石。新鲜煤矸石中重金属离子含量丰富，析出量较高，对地下水的污染可能性较大。根据《危险废物鉴别标准-毒性物质含量鉴别》(GB5085.6-2007)，煤矸石中重金属离子含量风险等级划分见表2。

表2 煤矸石中重金属含量风险等级划分

2.3.3 煤矸石充实率

充填体一开始充入采空区时并没有被完全压实，会随着上覆岩层的沉降运动而压缩变形，两者之间的相互作用可以用充实率表示。充实率越高，充填体孔隙率越小，渗透系数越小，隔水性能越好。通过对全国30个煤矸石充填矿井充实率的数据调查与总结，参考专家意见进行聚类分析后，煤矸石充实率风险等级划分见表3。

表3 煤矸石充实率风险等级划分

2.3.4 充填体粒径级配

密实充填体因颗粒级配不同，其重金属离子释放速率及总量也不同。粒径级配越小，固液接触面积越大，重金属离子溶解释放速率越快，溶解释放总量越大。通过对全国15个煤矸石充填矿井矸石粒径级配的数据调查与总结，进行聚类分析后，充填体粒径级配风险等级划分见表4。

表4 充填体粒径级配风险等级划分

2.3.5 裂隙渗透水量

矿井涌水量指流入矿井巷道内的地表水和裂隙水等的总量，裂隙渗透水量主要来源于上覆含水层的储水量。一般来讲，在析出未达到饱和之前，水量与重金属离子析出量成正比关系。根据《煤矿防治水规定》(国家安监总局令第28号)，裂隙渗透水量分为3个等级，分别是大、中、小，裂隙渗透水量风险等级划分表见5。

表5 裂隙渗透水量风险等级划分

2.3.6 矿井水酸碱度

在井下煤矸石充填区域，矿井水呈现酸性时，会加速煤矸石中Cu、Mn、Zn等离子的溶解和释放；矿井水呈碱性时，会加速煤矸石中硫酸盐及硝酸盐等无机盐类污染物的溶解与释放。根据《地下水质量标准》(GB-T14848-93)划分标准，矿井水酸碱度风险等级划分见表6。

表6 矿井水酸碱度风险等级划分

2.3.7 底板赋存条件

底板赋存条件包括岩性、厚度和隔水性等，决定了重金属离子扩散的难易程度及扩散范围。通过对全国10个煤矸石充填矿井底板赋存条件数据的调查，进行聚类分析后，其风险等级划分见表7。

2.3.8 底板破坏程度

底板的破坏程度取决于底板裂隙发育的程度，决定了重金属离子扩散的难易程度及扩散范围，根据全国10个煤矸石充填矿井底板破坏程度调查数据，进行聚类分析后，底板裂隙发育程度风险等级划分见表8。

表7 底板赋存条件风险等级划分

表8 底板裂隙发育程度风险等级划分

2.3.9 下伏含水层特性

下伏含水层特性包括渗透性、岩性、厚度,其中渗透性决定了含水介质受到污染的难易程度，岩性是决定矿井经煤矸石充填后对地下水造成污染及后期治理可能性的重要影响因素之一，厚度决定重金属离子迁移和扩散的范围尺度是否超过本层含水介质。通过对全国10个煤矸石充填矿井下伏含水层特性数据的调查，进行聚类分析后，其风险等级划分如表9所示。

表9 下伏含水层特性风险等级划分

2.4 评价指标权重赋值

评价指标的权重反映各个指标对地下水污染的风险大小，权重越大表明该指标对地下水污染的风险越大。本文选用层次分析法来确定煤矸石充填体地下水污染风险评价指标的权重，这是目前权重计算最常用的方法之一，被国内外学者在不同领域广泛应用。

2.4.1 层次结构模型的建立

层次结构模型主要包括3个方面，即目标层、准则层、指标层。其中，目标层表示需要解决的问题，准则层表示为实现目标层应满足的条件，指标层表示为实现目标层应选取的指标。根据上述建立煤矸石充填体对地下水污染风险评价指标层次结构见表10。

2.4.2 判断矩阵构造

按照两两比较法和10分制专家打分法确定目标层与准则层及准则层之间的判断矩阵，共咨询并综合了徐矿集团、阳煤集团、中国矿业大学以及兖矿集团等单位的10位水文地质或矿区环境保护方面的专家意见。各判断矩阵见表11～表14。

表10 评价指标层次结构

表11 A～B判断矩阵

表12 B1～C判断矩阵

表13 B2～C判断矩阵

表14 B3～C判断矩阵

运用和积法计算上述各判断矩阵的最大特征值和特征向量：

B1～C判断矩阵的最大特征值：λmax=3.0253；特征向量：∂=(0.2783,0.2406,0.4814)T。

B2～C判断矩阵的最大特征值：λmax=3.0850；特征向量：∂=(0.4279,0.2469,0.3253)T。

B3～C判断矩阵的最大特征值：λmax=3；特征向量：∂=(0.4286,0.2857,0.2857)T。

2.4.3 层次一致性检验

层次一致性检验是评价指标权重赋值的关键步骤，通过检验判断矩阵的层次一致性来判别其是否合理。

首先，计算一致性指标CI的值见式(2)：

(2)

式中：CI——一致性指标；

λmax——判断矩阵的最大特征值；

n——矩阵的阶数。

其次，根据判断矩阵的阶数确定随机一致性指标RI的值见表15。

表15 随机一致性指标RI

最后，计算判断矩阵的一致性比率CR的值见式(3)：

(3)

式中：CR——一致性比率；

RI——随机一致性指标。

当且仅当CR<0.10时，构造的判断矩阵层次一致性才是可以接受的，否则应重新构造判断矩阵，直到该矩阵层次一致性可以接受为止。

由式(2)和式(3)可以看出，A～B判断矩阵的一致性比率为CR=0.0187<0.1；B1～C判断矩阵的一致性比率为CR=0.0218<0.1；B2～C判断矩阵的一致性比率为CR=0.0733<0.1；B3～C判断矩阵的一致性比率为CR=0<0.1，说明各判断矩阵的层次一致性都是可以接受的。

2.4.4 评价指标权重计算

各指标权重计算结果见表16。

表16 各指标权重计算结果

2.5 评价模型及风险等级划分

基于迭置指数法的地下水污染风险评价方法，建立煤矸石充填体地下水污染风险评价综合指数模型，由式(1)可得式(4)：

(4)

式中：R——煤矸石充填体地下水污染风险评价综合指数；

αi——该评价指标对应的权重；

C1i——第i个煤矸石充填体风险评价指标的评分值；

βj——该评价指标对应的权重；

C2j——第j个煤矸石中重金属离子溶解-释放风险评价指标的评分值；

γk——该评价指标对应的权重;

C3k——第k个煤矸石中重金属离子迁移风险评价指标的评分值。

利用上述模型对地下水污染风险进行评价时，指标的评分值按照评价指标分级标准，设定高风险等级指标的分值范围为90～100分，中等风险等级的分值范围为60～90分，低风险等级的分值范围为0～60分。

通过计算可得，煤矸石充填体地下水污染风险评价综合指数R随机分布在55～100之间，采用等间距法，将其污染风险水平划分为“高、中、低”3个等级，煤矸石充填体地下水污染风险等级见表17。

表17 煤矸石充填体地下水污染风险等级

3 结语

针对固体充填采煤技术对井下采空区地下水环境的影响，基于对煤矸石充填矿井地下水污染风险因素的调查与分析，综合考虑影响充填矿井地下水污染的所有可能因素，筛选出包括煤矸石充填体风险、煤矸石中重金属离子溶解-释放风险、煤矸石中重金属离子迁移风险3个一级指标及9个二级指标；参考地下水污染风险评价相关标准和规范，通过对全国多个煤矸石充填矿井地下水污染相关影响因子的数据调查与统计分析，利用层次分析法构建了煤矸石充填矿井地下水污染风险评价指标体系；基于迭置指数法的地下水污染风险评价方法，采用加权求和法建立了煤矸石充填矿井地下水污染风险评价综合指数模型，这对井下地下水污染的预防和治理能提供一定的理论依据和方法，同时对充填开采造成的地下水污染及时进行研究，对于改善矿区生态环境、恢复矿区地下水资源利用价值以及推动煤炭经济的转型发展具有重要的意义。

[1] 张吉雄,周跃进,黄艳利.综合机械化固体充填采煤一体化技术[J].煤炭科学技术,2012(11)

[2] 刘东燕,董倩.煤矿采区矸石山的环境岩土问题综述[J].地下空间与工程学报,2007(3)

[3] 滕彦国,苏洁,翟远征等.地下水污染风险评价的迭置指数法研究综述[J].地球科学进展，2012(10)[4] 周跃进,陈勇,张吉雄,何琪.充填开采充实率控制原理及技术研究[J].采矿与安全工程学报,2012(3)

[5] 肖利萍,梁冰,金显廷. 煤矸石淋溶液在地下水系统中的多组分运移规律——试验研究[J]. 自然灾害学报,2008(3)

[6] 张燕青,黄满红,戚芳方等.煤矸石中金属和酸根离子的淋溶特性[J].环境化学,2014(3)

[7] 江海浩,周书葵,陈朝猛等.基于改进DRASTIC模型、GIS和层次分析法(AHP)的地下水U(VI)污染风险评价[J].环境工程,2015(3)

[8] 高晓云,陈萍.淮南塌陷区煤矸石充填复垦的碳减排效益[J].中国煤炭，2012 (9)

(责任编辑 王雅琴)

Risk assessment for groundwater pollution of coal gangue filling body

Kong Guoqiang, Wang Jun

(School of Mines, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China)

With the increasing popularization of solid stoping-and-filling technology, the groundwater environmental pollution of coal gangue filled mine was becoming increasingly serious. In order to grasp the groundwater pollution risk of coal gangue filled mine, based on theoretical research of the groundwater pollution risk, the indicator system and model of groundwater pollution risk of coal gangue filled mine were built by adopting overlap index method and analytic hierarchy process, and its risk level was divided, which provided reliable guidance for the prevention, control and emergency treatment of groundwater pollution and protection of filling mine.

coal gangue filled mine, overlap index method, analytic hierarchy process, risk index system

孔国强，王军. 煤矸石充填体对地下水污染风险的评估[J].中国煤炭，2017，43(7)：153-158. Kong Guoqiang，Wang Jun. Risk assessment for groundwater pollution of coal gangue filling body [J].China Coal，2017，43(7)：153-158.

TD745

A

孔国强(1994-)，山东曲阜人，中国矿业大学矿业工程学院在读研究生，主要从事岩层控制与固体充填采煤方面的研究。