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在煤炭开采过程中，覆岩结构的破坏无法避免，导致地表及地下水资源漏失进入矿井中形成矿井水[1]。其作为一种多元混合体系早期与瓦斯、粉尘、火灾等一同被视为矿井四大灾害之一，往往采用预疏放、超前区域治理等方式消除隐患，随着环保形势日益严峻，越来越多的专家学者也意识到了矿井水的资源属性，《煤炭工业发展“十三五”规划》提出到2020年矿井水综合利用率达到77%～80%。从途径而言矿井水保护主要分为源头治理和终端处理[2]，源头治理是指保护隔水层的方式避免水资源漏失，而终端处理是指在地面构建大型水处理设施对井下矿井水进行统一处理，存在着、处理成本高、处理周期较长的弊端。地下水库[3]作为矿井水洁净利用的一项关键技术已受到行业广泛关注，其不仅可以有效解决水资源的季节性矛盾，真正意义上实现水资源的“冬储夏用”，矿井水与垮落岩体发生水岩作用，对水中部分污染外物有一定的去除效果，可以省去冗杂的处理工艺，研究发现：经地下水库自净化作用，矿井水中Fe3+去除率达到68%～100%，Mn2+去除率达到75%～99%，其主要通过附着在悬浮物表面被去除[4]；采空区垮落及充填的煤矸石，其中的高岭土与石英石对矿井水中硝酸根、氨氮等污染物具有一定的吸附作用[5]；在地下水库储水过程中，如何合理有效地引导地下水库实现自净化目前尚未有这方面研究，且对地下水库入水浊度无明确标定。矿井水含有大量的悬浮物，主要由煤粉、岩粉和黏土组成[6]，悬浮物的去除是矿井水处理的首要亦是最关键的一步，其去除效率对后续工艺的处理效果将产生直接影响，进而影响最终的出水水质与复用途径[7]。当高浊度矿井水不经预处理直接回灌进入地下水库中，由于水中悬浮物的累积形成淤泥层，造成回灌系统堵塞，当系统堵塞后，轻者耗费大量人财物力对其进行清淤，重则直接导致回灌系统瘫痪报废，所以在人工回灌地下水库前进行矿井水预处理至关重要。
基于此，本研究将悬浮物充填介质空隙的堵塞问题与人工回灌过程中水质净化问题进行结合，分析人工回灌过程中堵塞成因，在此基础上针对不同堵塞类型利用介质堵塞特性去除水中污染物质，同时保证矿井水回灌进程中堵塞与水质净化的协调控制。
研究区位于我国内蒙古自治区呼伦贝尔市宝日希勒矿，该地区年平均降水量315.0 mm，蒸发量1 344.8 mm，属于干旱地区，矿区周围的植被受降雨量影响较大，在丰水期，植被具有较好的涨势，而到了枯水期常会由于缺水出现植被大量干枯死亡的现象。该矿开采模式为露天开采，矿区每年用于灌溉绿化用水总量高达250万t[8]。基于这一现状，将丰水期多余的矿井水储存于地下水库中，到了枯水期重新回用，具有良好的经济价值及生态意义。
矿井水悬浮物含量过高会对其回用造成较大影响，损耗检修设备，导致排泥困难，增加运营成本[9]；亚硝酸盐超标会干扰肌肉组织对维生素A的吸收并引发维生素A缺失；此外亚硝酸盐可以与酰胺和胺反应生成致癌的亚硝酸胺和亚硝酸酰胺[10]；饮用水中，缺氟会引起龋齿，氟过量则会引发氟斑齿[11]。宝日希勒矿井水主要污染因子见表1。
表1 宝日希勒矿井水水质指标
Table 1 Water quality index of Baorixile Mine
污染因子浊度/NTU质量浓度/(mg·L-1)TDSF-NO-3NO-2露天矿坑水3909240.092.503.76地下水3类标准31 0000.50～1201
由表1可以看出，宝日希勒矿井水主要呈现高浊度水质特性，由于矿井水中悬浮物质粒径分布小于100 nm，采用自然沉降的方式无法对其进行去除，需通过投加混凝剂破坏水中悬浮物质原有的双电子层稳定结构，由吸附架桥作用聚集而成较大的絮体，从而达到去除的目的[12]。
笔者对矿井水人工回灌过程中水质演变及介质堵塞两大科学问题，通过人工模拟露天煤矿地下水库储水过程，采用混凝法对矿坑水进行预处理后回灌至地下水库中，并通过压力传感器监测人工回灌过程中水头压力变化，表示不同位置渗透性演化规律，并在地下水库进出水设取样口，通过研究不同预处理情况下地下水库出水水质变化情况，揭示露天煤矿地下水库自净化过程的机制，并在此基础上提出了人工引导地下水库实现自净化功能的方法，为工程实践提供技术指导。
水样：采集国家能源集团宝日希勒露天矿矿坑水，其中一部分使用混凝法预处理将浊度处理至50 NTU，另一部分用去离子水对矿坑水按照一定比例稀释至50 NTU，开展对照试验。
土样：取自宝日希勒露天矿排土场，其主要来源于露天矿剥采过程中的煤层顶板，主要成分有：黑黏土、粉细沙、砂砾石等，将其过2 mm筛网筛分后，用去离子水浸泡24 h，并置于80 ℃烘箱烘干以备使用。
首先选取一个5 L的烧杯作为供液瓶，并以一个内径100 mm，高度500 mm的有机玻璃柱作为回灌柱，在西安市有机玻璃厂自行订制生产，试验开始前，以湿法加样的方式向玻璃柱中加入提前筛分好的粒径2 mm土样，在柱身的顶部设置有进样孔，在柱体侧面设有8个测样孔，互相间隔50 mm，在开孔处连接有压力传感器，用于实时监测柱体内部各个位置水头压力的变化情况，并与2台HOBO 4通道数据采集器相连接，距离柱体顶部100 mm处，开设环形凹槽，凹槽内放置布液板，确保上部液体能够均一流下。柱体下部开有接样孔及样品采集系统，以法兰相连接。
图1 试验装置示意
Fig.1 Schematic of experimental setup
试验开始后，配置5 L不同浊度的悬浮液，放置于磁力搅拌器上部，创造紊流条件，以实现不同位置的悬浮液浓度均一化，用蠕动泵进行传输，其中蠕动泵的进水端放置于配置好的悬浮液底1/3处，在瓶体上部连接有智能加药系统，加入混凝剂使水中悬浮物质沉降，出水端连接在模拟回灌玻璃柱的进水端，通过流量计精准控制回灌流量18 mL/min，打开磁力搅拌器，并设置转速为50 r/min，以保证矿井水的悬浮状态，而后打开蠕动泵，以18 mL/min的流量定流量、定水头条件下输送至玻璃柱中，每隔5 min记录一组数据，根据达西定律
式中，Δx为渗透路径，即为相邻测压孔的距离；r为断面的半径；πr2为断面圆的面积。在流量Q一定的情况下，流体在介质中的渗透性变化情况可用水头压力h表示，当某处水头压力增大，表示该处渗透性下降，反之，则表示该处渗透性增加。并对进水和出水水质进行测试分析，考察不同预处理条件下矿井水水质区别以及矿井水中污染物在地下水库的运移状况，以此判断地下水库自净化的机制。
采用英国马尔文公司生产的马尔文NANO激光粒度仪测定水体当中悬浮物的粒径分布情况，对每组样品分析3次，取其均值。试验完成后采用美国FEI QUANTA 650扫描电子显微镜测定悬浮物在回灌介质中的赋存状况。
试验前后，分别对水质进行检测分析，以此考量水中不同污染物随试验进行的变化情况，其中浊度的测定采用美国哈希便携式浊度仪，TDS采用称量法进行测定[13]。
由图2可以看出，在矿井水人工回灌地下水库过程中，不同预处理方法的回灌后水质差异较大，在进水浊度同为50 NTU的条件下，采用混凝法处理的矿井水在回灌后浊度降至4.14 NTU，相较于预处理阶段去除率达到91.7%，出水水质澄清且无肉眼可见物。而采用稀释法处理的矿井水在回灌后浊度仅降至25 NTU，相较于预处理阶段去除率达到50%。
图2 不同预处理方法出水浊度
Fig.2 Turbidity of effluent from different pretreatment methods
由图3可以看出，2种预处理方式对水中TDS皆有一定的去除效果，通过人工回灌地下水库后，经稀释法预处理后的矿井水中TDS无明显变化，而混凝法预处理后的矿井水TDS有一定去除效果，去除率达到47.3%。
图3 矿井水中TDS的变化情况
Fig.3 Changes of TDS in mine water
为研究连续储存条件矿井水水质风险，开展了矿井水储存试验，在连续1个月条件下，每隔5 d取样，观察其水质变化情况，如图4所示。
图4 地下水库储水过程中水质变化
Fig.4 Water quality changes during groundwater storage
可以看出，在地下水库储水过程中，浊度会呈现一定程度的下降，当达到0.7 NTU后基本维持不变，随着时间增加，悬浮颗粒不断地累积，当连续储水2 d后，浊度略微增加；在地下水库连续储水过程中，水中TDS呈现缓慢下降的趋势，这与传统概念下TDS变化趋势有一定出入，分析是由于环境温度降低，导致水中部分离子溶解度降低而析出，并附着在悬浮物上被去除[14]。
针对不同预处理方式的矿井水在进入地下水库后呈现出的水体浊度有较大差异，分析是由于混凝法预处理时在水中添加了混凝剂，其与矿井水中悬浮颗粒由于电性中和、吸附架桥等作用生成大分子的絮团，导致微粒粒径有了较大的变化[15]，为证实这个猜想，对不同预处理条件下矿井水的粒径进行测试分析，分析结果见表2。
表2 地下水库进出水粒径分布
Table 2 Particle size distribution of inflow and outflow of underground reservoir
预处理方法粒径/nm地下水库进水地下水库出水混凝41 530～71 6301 773～2 751稀释255.01～458.66255.01～458.66
可以看出，矿井水原水粒径均值主要分布在398.3～427.0 nm，因其粒径较小，采用自然方法较难沉降[17]，通过对比分析，采用稀释法预处理过后矿井水中悬浮颗粒的粒径无明显变化，基本分布在365.3～389.0 nm，而采用混凝法预处理过后的矿井水中悬浮颗粒粒径有大幅度增高，基本分布在41 530～71 630 nm，经人工回灌地下水库过后，采用稀释法预处理的矿井水悬浮颗粒粒径无明显变化，基本分布在344.7～361.4 nm，而采用混凝法预处理后的矿井水悬浮颗粒有了一定降低，基本分布在1 773～2 751 nm。这一结果证实了此前关于不同预处理方式水质变化的猜想：是由于经过混凝法预处理后的矿井水，水中悬浮颗粒相互凝聚形成大颗粒悬浮物，进而在人工回灌地下水库过程中粒径大于2 800 nm的微粒被回灌介质拦截，实现了水质的自净化[16]。
为探查混凝法预处理条件下，矿井水中悬浮颗粒在回灌介质中的空间分布规律，进一步研究地下水库自净化机理，在试验进行结束后，分别在0～5,5～10,10～15,15～20 cm不同层位对回灌介质进行分层取样，并将其从上至下定义为第1层至第4层，并置于80 ℃干燥箱中去除水分，通过SEM扫描电镜观察回灌介质剖面形态，如图5所示。
图5 人工回灌介质剖面形态
Fig.5 Profile of artificial recharge medium profile
通过混凝法预处理后的矿井水经过人工回灌地下水库，会有一定的悬浮微粒附着在回灌介质表面，并且随位置变化，赋存状态有较大差异。在表层0～5 cm处，有大量的悬浮物附着在回灌介质表面，随着入渗深度的增加，附着量逐渐减小[17-19]，基于此，提出了矿井水人工回灌过程中的自净化机理，如图6所示。
图6 不同预处理方法回灌示意
Fig.6 Schematic diagram of groundwater storage
地下水库自净化机理遵循“滤饼过滤”模型，介质堵塞发生的位置取决于介质粒径与矿井水中微粒粒径的大小有关，当回灌介质粒径一定时，可通过改变矿井水中微粒粒径的方法控制系统间自净化与介质渗透性变化的关系。
为研究不同浊度矿井水人工回灌下介质渗透性的变化规律，选取不同浊度矿井水进行人工回灌，采用压力传感器测定回灌过程中不同位置的水头压力，进而判断系统堵塞情况，当水头压力增大代表该位置介质渗透性降低，并用数据采集器每隔30 s读取1次数据，如图7所示。
图7 人工回灌过程中水头压力变化
Fig.7 Change of head pressure of artificial recharge ground reservoir
当地下水库进水浊度为10 NTU，在回灌介质不同空间位置渗透性变化规律一致，皆呈现先下降后上升的趋势，在表层0～5 cm处，介质渗透性下降最为明显，且介质渗透性变化具有周期性，当某处水头压力持续性增加至峰值后，会迅速减小；当进水浊度达到20 NTU，试验进行20 h之前，不同位置水头压力皆无明显变化，当试验达到20～30 h，在0～5 cm表层位置水头压力有了较低程度的增加，当试验达到30 h之后，0～5 cm表层位置水头压力出现大幅度增加，介质渗透性严重下降，这是由于随着回灌过程的进行，越来越多的悬浮物质淤积在介质表层，发生了物理堵塞，进而导致水体无法顺利流动至系统内部，在实际工程中需采用清淤或反向回扬的方法清除堵塞；当进水浊度达到50 NTU时，主要堵塞位置集中在表层0～5 cm处，且渗透性变化呈现周期性趋势，这是由于随着浊度增加，水体中悬浮物浓度增大，系统达到堵塞的时间变短，当试验进行至10 h，表层水头压力呈现迅速增加，介质渗透性下降，而当试验进行至28 h，水头压力呈现急剧性下降，推测是随着表层介质渗透性下降，水体在介质顶部不断积累，水体总质量逐渐增大，由于重力作用再次冲破淤泥层，从而导致表层位置水头压力的急剧下降。
综上所述：当回灌过程进行至30 h，回灌介质表层0～5 cm处渗透性开始逐渐降低，所以可采用30 h周期性回扬的措施，此时只需要周期性对0～5 cm表层进行清淤就可以保证回灌系统稳定的运行。对比图4中浊度的变化规律可以发现，地下水库的自净化作用与回灌介质渗透性下降存在矛盾关系，当进水浊度小于20 NTU，水中悬浮粒子会迁移至介质内部，随着水体的冲刷进入地下水库中，此时自净化作用减弱，而当浊度大于50 NTU，水中大量悬浮粒子在表层被拦截，其在表层形成的淤泥层作为滤饼对矿井水中的悬浮微粒起到了过滤的作用，因此控制进水浊度在20～50 NTU，既能保证回灌系统长期稳定运行，又能合理控制预处理成本，避免过度处理的现象。
1)发现地下水库自净化与介质渗透性变化存在矛盾关系，需控制进水水体浊度位于20～50 NTU之间，过高的浊度会加快系统渗透性的降低的速度，而过低的浊度会增加处理成本，造成过度处理。
2)露天煤矿地下水库连续储水过程中，水中浊度呈现先下降后趋于平稳的趋势，TDS呈现缓慢下降的趋势，其自净化的机制以物理过滤为主，粒径大于2 800 nm的微粒被拦截在所填介质当中，可通过添加絮凝剂的方法增大水中微粒粒径，引导地下水库实现自净化。
3)地下水库系统介质渗透性变化存在间歇性的规律，当局部堵塞，随着顶部积累水量的增加，由于重力作用会重新冲破堵塞，根据这一规律，提出了30 h周期性回扬的技术措施，以保证地下水库连续稳定储水。
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