Acid mine drainage at a coal mine in the eastern Transvaal, South Africa中文译文

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南非东部德兰瓦士省的一个酸性煤矿水的研究

摘要：在非洲南部的威特班克煤田，受到酸性矿井水的影响。这使得许多地面河流的水质状况恶化。Loubert矿就是其中之一。因此，对酸性矿井水排泄的污染源和相关的水文地质条件进行了初始的研究。这项研究显示了大多数的酸性矿井水都来自已经被回填的老的露天工程。大部分水从回填区流进蓄水池中，不幸的是蓄水池的容量有限，这就意味着有水从池子里溢出或者渗出来。这些水顺着低洼的地方流进相邻的河流里，造成河流的PH降低，硫酸成分的含量升高。控制这个现象的有效建议基本上包括两个方面：一是抑制已回填的漏天挖掘区域的渗水量，另一方面降低进入控制水池的水量。

关键词：酸性矿井水的排泄 漏填挖掘工程的回填 水文地质分析 污染控制

介绍

酸性矿井排出的水就是指从矿石或者废弃物中自然氧化的硫化矿中的水。它造成矿区周围地表水和地下水的污染。因此，在南非东部德兰瓦士省威特班克煤田的一些正在开采或者已经废弃的矿井中，酸性水的排水构成了一个值得关注的问题。因此，煤田北部的一些河流已经受到了影响，导致了河流中的水的水质恶化到很难接受的状况。事实上，在一些地方，污染物正在影响一些地表水体。这种关注导致了对北部煤矿的大量研究，这些研究是为了得到一个控制酸性矿井水的策略。这篇文章显示了为了获得一个可理解的现有的地表水和地下水系统最初研究的历史情况，在Loubert矿，在酸性煤矿排泄导致附近的水流受到污染的过程中，地表水和地下水系统相互作用。

威特班克煤田形成于Karoo地层层序中Ecca组Vryheid层构成，相关岩石是二叠纪的。由Vryheid层组成的沉积物被堆积在有沼泽和湿地存在的三角洲环境里，这里是泥炭积累的地方。然而，这种环境不像相关的北半球煤形成环境，那里的煤在寒冷的或者凉爽的环境下形成。页岩、泥岩、粉砂岩、砂岩形成了主体。相关的煤层也有很高的灰分。例如，干燥的煤灰组分达到19.5%。在后来的南非干旱台地高原时期，Vryheid层被粗粒玄武岩基岩侵入，同时也形成了许多小裂隙。许多被水充满的小断层隔断了煤层。与上下基岩相连的小的破碎带也常常被水冲满。在煤层中最常见的矿物是粘土矿物（主要是高岭石和伊利石），还有碳酸盐（方解石、白云石、铁白云石、菱铁矿），硫化物、石英和海绿石。尽管有白铁矿的出现，但黄铁矿石最丰富的硫化物。黄铁矿也出现在煤层顶底板的泥岩中。赤铁矿是铁的氧化物的代表。磷酸盐矿物像磷灰石可能以显微颗粒出现并且它的排列方位沿着其他的重矿物排列像电气石、金红石、锆石。事实上，这种矿物学类型在大多数南非煤中很常见。(Falcon and Snyman 1986)。所有的这些矿物都是同生矿物，都与煤质相关。另外，后生碳酸盐，黄铁矿以及针状的褐铁矿都是煤层夹矸的代表。

煤矿的历史背景

Loubert煤矿位于德兰士瓦东部的埃尔默洛东南部约10km,在瓦尔河的流域内。它被witbank262的相异部分开采。最初煤矿在1982年开放及开采Vryheid地层。

这里的煤含有特别高的硫化物组分，与之相关的主要是黄铁矿。分析显示硫份在1.01%~ 3.26%变化。结果，煤矿的粗粒的废弃颗粒和泥浆中含有高祖分的硫化物。因此对工作废气物的丢弃造成了水河附近河流的污染，那就是the Human Spruit。 煤矿最初的经营者对煤矿所在的农场的22,23以及88区具有控制矿产的权利。这三部分在1988年被售出，22和88区被合并到89区。事实上，新的老板从来没有在22和89区开采过。在两个公司的销售协议中涉及到：新的拥有者承担复原他们所接受的土地的责任。表明了他们拥有外观权和89区六分之五的矿产权。另外，他么拥有24区的矿产权，在24区他们可以实施目前的开采。与泥浆大坝和次品堆积相关的洗涤间在89区建立立起来。在责任方面，州政府负责那些在1943的水资源法之前停止运营的煤矿污染控制复原的花销。这适用于22和89区的井下巷道，这些巷道在1943年被遗弃。州将承担花销的部分最终将由井下作业对污染问题的贡献程度决定。本届煤矿所

属者将承担剩下的花销。

最初的拥有者的巷道位于地形学上的高压地

带这些高压地带在南部将水排向人工河渠。另

外，露天开采方式被实施，主要在分水岭的南

部。所有的露天开采在1978年之后实施。水从

开采的地方流向聚集到三个污染控制水库，坐落

在一个小的砂岩陡坡上沿着89区的西南边界。

朝着西方的蓄水池被用作回来的水储蓄车间。这

些相关的贡献从不同的资源到这些收集场所被展

示在Fig.3.储蓄水库的流域和地表水流动方向被展

示在Fig.4a，当地下流动路径和流域划分在Fig.4b

被展示出来。从水库溢出或者渗出的水流流向人工

河渠，在河流中周围的土壤以及水质有很明显的

影响。某点的地表和地下流水系统之间是互相联

系的，在有水位差的地方地表水通过渗流到达地

下有限数量的露天矿被划分到北方，没有将水排

入人工河渠的地方。该地区被修复了。这也是该

地区地下开采工程非常小的一部分，但是它不会

与其他地下工作联系起来。

Fig.1：Location of Loubert Mine: a Location of

Witbank Coalfield. b Location of the mine 图1： Loubert煤矿的位置：a德兰瓦士煤矿的位置 b煤矿的位置

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Fig.2 General surface plan of the mine

图2煤矿一般的表面计划

Fig. 3 Proportion of various inflows into collection reservoirs. 图3：各种比例流入水库集合

水文地质研究

在调查研究之前的书面研究中涉及到地质地图的细查，矿井图纸，一些有限的早先水质分析，有关的通 信附件以及所有的与煤矿地区有关的信息。这表明关于矿井地面和地下活动的信息并不好了解。一个地表水水文学信息并不好了解。集中于该地区的水文地质分析被实施，包括北部人工水渠的植物和漏天工作的恢复，大约187ha的地区被鉴定为对于Human水渠的一种主要的污染资源。水文学分析的目的是据对对现有的表面现象和地下水系统及交互作用的理解。结果，一个简单的经验水平衡模型被发展到模拟现在的矿井水系并且用来定量进入的Human河道的流出物和被用来计算的表面流和渗透量。从位于南方的两个水库（水坝1和2）溢出的水被看做进入Human河道的一个主要的污染水源。图5表明大多数溢水发生在夏季，这是预料的事，因为这是一个多雨的季节，并且冬天降雨稀少。

Fig. 5 Spillage from reservoirs (dams) 1 and 2

图5：水库1、2的溢水量

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因此水文学分析集中在发展一个模型模拟水库溢水量的各月变化。这个模型以用气候条件、地形、表面水流、地下径流方向为基础说明的各月水平衡。用经验的方法集水和矿井地下结构来确定水流，渗入，渗流和蒸发。图6是矿井位置的示意图，它举例说明了模型中的输入和输出量。

Fig. 6 Schematic section through backfilled opencast area showing water inputs and outputs

图6 已回填露天挖掘区域输入和输出水量的部分示意图

水文分析结果表明，储藏水库1和2并没有足够的储藏能力用作存储暴雨或污染水的建筑。因此流入这些储存水库的水量不得不被降低。流入水系的主要是草原水流，因此它的管理将对流入储藏水库有重大的影响。虽然如此，草原水流的水质对排泄到Human河渠是合适的。对系统最大的贡献是从修复的露天矿井的水。水被污染了，所以不得不采取措施试图降低它的水量。

被修复地区的水的减少，反之，减少流进储藏蓄水池中的水的溢出量。为了减少从储藏水池的溢出量，他们应该使水位保持最低点。这将包括来自草原的路过水流，使得进入已经恢复区域的降雨入渗减到最小，比如，在它们上边布置紧密的黏土层，把来自储存水库的水用作农作物种植。已经污染的地下水在地表附近，一电磁的（EM）调查时常证明的一个有效方法。换句话说，当它超过深度的20%时传导率压型能经常探测一个羽毛的位置的宽度。在这样的情况下，已经污染地下水传导率应该略微高于周围的地下水。因此，一个点磁测量能被用来绘制地表附近地下水污染可能位置和已回填的露天挖掘矿井区域到农作物东部

的渗流路径。绘图的为了对可能的自然提供附加信息，在已回填区域中地表附近的污染水流的深度和流向，同事也为了提供可能监测地上凿洞位置的目标地点。EM数据被用来帮助详细说明酸性矿井水排泄的水文地质模型，用这个结果合成一个恢复计划。EM调查承认露天挖掘的和地下采矿区域边界的确认，连同识别主要污染地下水流的方向（图7）。它也帮助确认老矿井计划的本质的正确性。

Fig7 Acid mine drainage systems 图7：酸性矿山排水系统

因为在已回填的露天挖掘区域露天挖掘的特征是很粗糙的，在回填区域出现了空间，使涉及到的不完全的石灰岩地区地形条件更明显。这些空间是相互连接的，它们形成了水流速度非常快的开放水渠。当体系被降雨或者暴雨袭击的时候，痛过这些管道水流就会发生。受污染的水会从回填区域慢慢渗出来，从而使得管道里现有的水质降低。因此，水源处或渗出点的水质在高渗透时有所上升，但是当水流减少时，水质就会恶化。这对这样体系复原关于可用到的选择有一点的影响。选择了四个站点来检测水质。他们是在human水渠上游的Loubert矿井、在Human水渠下游的Loubert矿井、中央水库的溢出水流（坝2）、从矿井回到水库的溢出水流（i.e.坝1 图7）。在下游的取样地点安装了一个水流测量坝，不幸的是几乎刚刚装完就被水流冲走了。堰重建了，但是完成后，这个特殊的研究有很少的数据是能用的。从获得的水流少数结果，表明一般刚刚少于1L/m，虽然在1991年的11月记录了3个5L/m的数据。表1-4给出了站点的一个水质数据的摘要。

Table 1：Analysis of water from Human Spruit upstream Table 2：Analysis of water from Human of mine

Spruit downstream of the Reservoir