综述：关闭煤矿酸性矿山废水的特定场景原位修复策略与多技术协同模型优化

《Process Safety and Environmental Protection》：Scenario-specific in situ remediation strategies and multi-technology collaborative model optimization for acid mine drainage in closed coal mines

　　

摘要
关闭煤矿后，地下水回升及地下水流动系统的重建会加剧酸性矿山排水（AMD）的持续产生和迁移，施加双重水力与污染物负荷。这一情况凸显了对长期且具成本效益的综合原位修复策略的迫切需求。本综述重点关注关闭煤矿中的 AMD，并批判性地综合了其形成与时间演化、场地表征方法、原位修复技术、特定情景的综合修复策略以及模型驱动优化方法。关闭煤矿中 AMD 的综合原位修复应建立在源区、迁移路径和反应过程的系统表征基础上。在此基础上，通过结合源头控制、注浆、渗透反应墙和生物修复，可根据特定的污染情景定制修复策略，以实现源负荷减少、路径控制和反应增强。本综述旨在推动关闭煤矿中的 AMD 管理从末端处理和孤立技术部署转向由场地表征、情景匹配和基于模型的优化支持的综合原位修复框架，从而为复杂采矿后环境中地下水污染的长期修复提供理论框架和决策支持。

引言
随着全球能源系统向低碳发展转型，许多国家的煤炭行业经历了持续重组，导致众多煤矿关闭或废弃 (Ruppert Bulmer 等，2021)。然而，矿山关闭并不会终止与采矿相关的环境风险 (Bharat 和 Gehendra，2020)。一旦停止主动排水作业，区域地下水流动系统逐渐恢复，矿坑水位回升 (Gee 等，2020)。采空区、废弃巷道和破碎围岩中以前暴露的硫化物矿物可能会与水、氧气和微生物相互作用，从而启动或加剧酸性矿山排水（AMD）的形成。产生的 AMD 可能会与相邻含水层中的地下水混合，并补给周围的含水层系统。当地下水位恢复到地表排放口的标高时，AMD 也可能溢出到地表水体中。由于 AMD 通常具有低 pH 值和升高的硫酸盐及金属浓度，其持续产生和迁移会对地下水、地表水和生态系统造成长期污染 (Moodley 等，2018)。与废弃或关闭煤矿相关的 AMD 污染已在主要产煤国家被报道，包括美国 (Liu 等，2025)、澳大利亚 (Wright 等，2018)、德国 (Stemke 和 Wieber，2022，Tran 等，2020)、中国 (Wu 等，2025)、巴西 (Silva 等，2011)、印度 (Shirin 等，2021)、南非 (Thisani 等，2021) 和韩国 (Chon 和 Hwang，2000)。尽管地质条件存在差异，关闭后的矿井水通常表现出不同程度的酸化、硫酸盐富集和金属污染（表 1）。因此，有效控制 AMD 的持续产生、迁移和长期风险已成为采矿区地下水保护和修复中的关键问题。

已开发出一系列用于 AMD 修复的技术。根据操作模式，这些技术通常分为主动处理，包括中和、电渗析、离子交换、吸附和膜过滤，以及被动处理，包括石灰石床、硫酸盐还原菌生物反应器、人工湿地和渗透反应墙（PRBs）(Chen 等，2024，Chen 等，2021，Jiao 等，2023)。还可以根据修复实施地点将其分为异位或原位处理。在当前的工程实践中，关闭煤矿的 AMD 仍主要通过末端或异位处理进行管理，即收集受污染的地下水并在地上设施中进行处理。虽然这些方法可以降低排放点的污染物浓度，但它们既不能减少源区内的 AMD 产生，也不能阻止其通过含水层的持续迁移。因此，它们在关闭矿山的长期应用通常受到高运营成本、长期处理周期和有限可持续性的限制 (Deng 等，2025)。随着地下水回升增加矿井排水量，同时污染物继续释放，末端系统面临双重水力与污染物负荷，这些限制在关闭煤矿的长期 AMD 管理中显得尤为突出，限制了其适用性。

相比之下，原位修复直接干预污染物的产生、迁移和转化，具有场地扰动小、成本相对较低和长期可持续性更高等优势。因此，它被认为是关闭煤矿中 AMD 长期控制的重要方法 (Wang 等，2024)。然而，在实践中，关闭煤矿中 AMD 的原位修复在很大程度上仍限于孤立的技术应用和特定场地的试点研究，尚未建立综合的技术框架。主要的障碍是关闭矿山地下系统的复杂性。矿山关闭后，采空区和废弃巷道逐渐被淹没，而硫化物氧化集中在地下水波动区和高度破碎区。这些反应区在空间上是隐蔽的，难以使用常规方法进行界定。采矿引起的断层活化、含水层破坏和断裂网络发育进一步将相对稳定的地下水系统转化为瞬态且高度非均质的流场。因此，AMD 迁移路径不确定，污染物羽流难以准确表征。无法可靠识别源区和迁移路径仍然是有效实施原位修复的主要约束。

关闭矿山地下系统的复杂性限制了任何单一原位修复技术的有效性。注浆依赖于对优势导水路径的准确识别，并可能在酸性条件下遭受材料溶解和结构退化。源头控制可以抑制硫化物氧化，但不能轻易解决已释放的污染物负荷。PRB 性能依赖于对污染物羽流的准确界定，并可能由于反应介质消耗、钝化和堵塞而在长期运行期间性能下降。原位生物修复进一步受到极低 pH 值、高金属浓度和碳源不足的制约。因此，关闭煤矿的 AMD 管理应从孤立的技术部署转向综合原位修复，联合控制污染物的产生、迁移和转化。这种方法减少了源区内的产酸和金属释放通量，调节地下水流动并限制羽流沿输送路径的迁移，并在反应区内增强中和、沉淀、吸附和微生物还原。通过在不同空间和时间尺度上整合互补的物理、化学和生物过程，可以为关闭煤矿中的 AMD 建立综合原位修复策略。

近年来，现有的综述系统总结了 AMD 形成机制、处理技术和功能材料，但大多数侧重于单一处理技术或异位修复系统，对关闭煤矿复杂条件下原位修复的讨论有限。特别是，以前的研究未能有效地将场地表征结果与原位修复技术的综合配置和基于模型的优化联系起来。在此背景下，本综述考察了关闭煤矿中 AMD 的阶段性演化，总结了源区识别、迁移路径界定和反应过程分析的场地表征方法，并回顾了主要的原位修复技术。随后，提出了代表性关闭矿山环境的情景特定综合原位修复策略，并讨论了反应运移模拟（RTM）和机器学习（ML）代理模型在修复设计、参数优化和性能预测方面的潜力。本综述旨在推动关闭煤矿中的 AMD 管理从末端处理和孤立技术部署转向由场地表征、情景匹配和基于模型的优化支持的综合原位修复，从而在复杂场地条件下为决策和工程实施提供概念基础和方法支持。

章节片段

关闭煤矿中 AMD 的形成机制及阶段性演化
AMD 通常指 pH 值低于 6 的矿井水，通常具有升高的 SO42–、Fe2+、Fe3+、Mn2+ 及其他金属离子浓度特征。当硫化物矿物暴露于水和氧气时即产生 AMD (Kefeni 等，2017，Sun 等，2022)。黄铁矿（FeS2）被广泛认为是 AMD 的主要来源，尽管其他含硫矿物，包括毒砂、白铁矿和铜矿，也可能导致酸的产生 (Hallberg，2010，Simate 和 Ndlovu)。

关闭煤矿中 AMD 综合原位修复的场地表征
系统的场地表征是关闭煤矿中 AMD 综合原位修复的前提。它应识别污染物源区的空间分布和释放特征，界定迁移路径和水力联系，并确定控制污染物运移和转化的主要生物地球化学反应。潜在的 AMD 源区包括采空区、废弃巷道、煤矸石堆和地表废石场。采空区和...

原位注浆技术
近年来，原位注浆已成为关闭煤矿中 AMD 防控的主要方法，因为它可以密封优势导水路径，减少污染物源区的水力补给，并限制污染物沿优势路径的快速迁移 (Sun 等，2025)。该技术涉及在压力下将预配制的浆液注入采空区、破碎围岩和弱含水层隔水层。通过渗透、扩散、压密和...

情景特定的综合原位修复策略
第 4 节回顾了关闭煤矿中 AMD 原位防控和修复的主要技术。然而，在复杂场地，单一技术往往受到污染物负荷过大、反应介质钝化、维护成本高、二次污染风险或水力停留时间不足的限制，使得稳定高效的修复变得困难。因此，AMD 管理应从孤立的技术部署转向综合...

反应运移模拟
RTM 通过将地下水流动、溶质运移和多组分生物地球化学反应耦合，定量描述地下介质中污染物的运移和转化。对于关闭煤矿中 AMD 的综合原位修复，RTM 提供了识别主要生物地球化学过程、模拟多尺度污染物运移、预测长期修复性能和优化修复策略的重要工具。

形成与

结论与展望
在“场地表征 – 情景匹配 – 基于模型的优化”整体框架指导下，关闭煤矿中的 AMD 管理应从孤立的技术部署转向由场地表征结果告知的情景特定综合原位修复。识别源区、界定迁移路径和解析反应过程可以揭示不同场地控制 AMD 产生、迁移和转化的关键过程，从而指导...

CRediT 作者贡献声明
张凯凯：监督。周来：写作 – 审阅与编辑，资金获取，概念化。肖冠宏：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿。张成兵：调查。朱学强：监督。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本论文报告的工作。

致谢
本工作得到了煤炭重大项目（批准号 2026ZD1701801）和国家重点研发计划（批准号 2022YFC3702203）的支持。

肖冠宏 | 周来 | 张凯凯 | 朱学强 | 张成兵