《Process Safety and Environmental Protection》：Insights into the interaction process between acid mine drainage and pyrite?bearing surrounding rocks with embedded anchor rod in abandoned coal mines
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摘要黄铁矿氧化被广泛认为是废弃煤矿酸性矿井排水（AMD）中铁和SO?2?的主要来源。然而，残余工程铁的贡献及其与黄铁矿的相互作用仍缺乏深入了解。本研究结合水化学模拟、电化学分析、PHREEQC建模和界面表征，系统探讨了黄铁矿-锚杆体系中的Fe-S释放机理。结果表明，酸性条件、
摘要
黄铁矿氧化被广泛认为是废弃煤矿酸性矿井排水（AMD）中铁和SO?2?的主要来源。然而，残余工程铁的贡献及其与黄铁矿的相互作用仍缺乏深入了解。本研究结合水化学模拟、电化学分析、PHREEQC建模和界面表征，系统探讨了黄铁矿-锚杆体系中的Fe-S释放机理。结果表明，酸性条件、高温和水力扰动增强了Fe2?/Fe3?循环和电化学耦合效应，而无氧条件则抑制了释放。在15天内，耦合体系中的Fe和SO?2?浓度分别达到75.16和138.46 mg/L，远高于单一来源体系。电化学分析确认了原电池的形成，其中锚杆作为阳极、黄铁矿作为阴极，从而加速了电子传递和腐蚀动力学。这种原电池耦合效应放大了Fe-S释放，超越了单纯黄铁矿氧化驱动的释放，揭示了残余工程铁在AMD演化中被忽视的作用。PHREEQC模拟预测Fe和SO?2?浓度将持续增加，表明污染来源具有持续性。界面表征进一步揭示了黄铁矿氧化增强以及锚杆腐蚀产物向氧化物-硫酸盐复合物的转化。这些发现为工程材料与天然矿物相互作用驱动的AMD演化提供了见解，并为废弃煤矿的环境风险评估和安全防护提供了支撑。
引言
废弃煤矿产生的酸性矿井排水（AMD）是一个全球性环境问题，其特征为pH值低以及铁和硫酸盐的持续释放（Ma等，2024，Makwinja等，2026）。铁和硫的地球化学演化，主要受黄铁矿氧化驱动，控制着水质化学（Li等，2023，Hong等，2024）。基于这一框架，研究集中在微生物介导的氧化作用、水-岩相互作用、铁相转变和污染物迁移等方面。这些研究建立了一个以天然矿物行为为中心的理论框架（Zhang等，2021，Zhang等，2025）。然而，现有的以矿物为中心的框架通常将黄铁矿视为独立的反应相，未能充分考虑采矿过程中引入的工程材料的潜在贡献。
已有研究证明，工程活动引入的含铁材料在地下水中并非保持惰性，而是积极参与地球化学反应，影响水质演化。例如，石油开采中使用的碳钢管在含盐且富含氯离子的地下水中容易发生腐蚀，导致泄漏、结构失效和环境风险（Acosta等，2026）。在控制因素中，pH值调节H?浓度和阴极析氢反应，酸性增强会加剧腐蚀（Thevakumar等，2025）。流体动力学条件也影响腐蚀：静水中Q235钢表面形成致密层，而流速增大则增加腐蚀电流密度和腐蚀速率。离子组成通过溶液电阻和腐蚀产物进一步调节腐蚀行为（Qiu等，2025）。高温高压水会在碳钢表面形成Fe?O?并增加局部Fe2?浓度（Xin等，2024）。这些铁氧化物促进电子传递并加速金属铁的腐蚀（Zhao等，2023a）。在废弃煤矿中，高温加速电荷传递、腐蚀动力学和Fe2?/Fe3?循环，放大了工程材料与天然矿物之间的原电池相互作用（Wang等，2023，Zhu等，2026）。这些过程为金属材料与矿物相互作用提供了基础，增强了废弃矿山中的元素活化（Lovley, Holmes 2022）。例如，输油管道与沉积物之间形成电化学偶合对，其中磁铁矿传导电子并加速管道腐蚀（Diaz-Mateus等，2024）。在废弃矿山抽水蓄能站中，黄铁矿氧化促进金属设备腐蚀（Struga?a-Wilczek等，2025）。硫化铁矿物与碳钢之间的原电池效应加速点蚀（Zhao等，2023b）。在黄铁矿-碳钢体系中，黄铁矿氧化产生的Fe2?转化为Fe3?，增强了氧化能力，协同驱动Fe和SO?2?的释放（Inaba等，2020，Li等，2024）。然而，现有研究将黄铁矿的氧化和产酸作用以及工程铁的腐蚀行为作为独立的研究主题进行探讨。目前，这两个体系之间的长期耦合效应存在关键的知识空白。具体而言，在废弃煤矿环境中，工程铁与黄铁矿共同驱动Fe和S释放的机理和环境意义尚不明确。这一局限制约了我们对矿井水中铁污染形成与演化的深入理解。
针对上述研究空白，本研究选取废弃煤矿中常见的碳素钢锚杆（ANC）和黄铁矿（PYR）作为模型材料，构建PYR、ANC、PYR-ANC对比体系，并整合电化学分析、水化学模拟、界面表征和PHREEQC建模，系统研究了AMD中由电化学耦合驱动的持续Fe释放的内在机理。本研究揭示了电化学耦合与Fe2?/Fe3?循环的协同放大效应，阐明了关键因素的影响，并从PYR-ANC相互作用的角度重构了Fe-S地球化学循环过程。这些发现为理解废弃煤矿中PYR-ANC相互作用驱动的Fe-S释放的长期演化与环境风险提供了理论基础。此外，还为地下支护结构的耐久性评价模型开发提供了参考，并为矿山安全监测和长期稳定性评估提供了技术指导。
章节片段
材料与样品制备
本研究使用的天然黄铁矿（PYR）和矿用锚杆（ANC，主要为碳钢）采集自江苏省徐州的一座煤矿。XRD分析证实了起始材料的高纯度和良好的结晶度。黄铁矿在2θ= 33.0°、37.1°、40.7°和46.2°处呈现出特征性的FeS?衍射峰，分别对应（200）、（210）、（211）和（311）晶面（图S1a）。锚杆在44.7°、65.1°和82.3°处显示出明显的金属Fe0峰，分别归属于（110）、（200）和（211）
静态与动态条件
矿井地下水涉及水力扰动和氧气传输。因此，开展了动态扰动实验，考察静态与动态、好氧与厌氧条件下Fe和SO?2?的释放情况。如图1a所示，动态条件下的Fe释放量高于静态条件。在静态好氧条件下，PYR、ANC和PYR-ANC体系的Fe释放量分别为5.33±0.04、60.50±3.61和67.29±5.23 mg/L，增加至6.31±0.32、67.30±1.87和75.16±6.19 mg/L
结论
本研究系统调查了PYR与ANC之间的电化学耦合效应及其在废弃煤矿AMD中持续Fe和SO?2?释放中的作用。结果表明，PYR和ANC形成了稳定的双源电化学偶合对，其中ANC作为阳极，PYR作为阴极。高温促进了界面电荷传递，使混合电位负移，并在阴极动力学控制下增强了ANC的阳极溶解。高温
作者贡献声明
宋宏竹：形式分析，数据整理。张承斌：论文写作——审阅与编辑，论文写作——初稿撰写，方法学，调查研究，形式分析，数据整理。肖冠宏：形式分析，数据整理。朱雪强：论文写作——审阅与编辑，方法学。李小寅：形式分析，数据整理。周来：论文写作——审阅与编辑，监督指导，资源提供，项目管理，方法学，经费获取。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本工作受煤炭重点项目（批准号：2026ZD1701801）和2024年中国煤炭地质总局第一中学（筹）集团"揭榜挂帅"科研项目（ZMYJJB-2024-01）资助。
张承斌|周来|李小寅|朱雪强|肖冠宏|宋宏竹
