煤炭是保障我国国家能源安全的压舱石，采煤活动会产生大量矿井水。煤矿矿井水呈现出高悬浮物、高矿化度、高硫酸盐和酸性即“三高一酸”的特征，成为区域环境的潜在污染源，尤其是金属污染风险更为突出。矿井水溶解有机质（DOM）含有羧基、羟基、氨基和芳香环等反应性官能团，具有高迁移性和化学活性，会显著影响区域生态系统生物地球化学循环。《煤矿矿井水溶解有机质特征》调研了全国典型矿井水溶解有机质的组成，针对某矿井阐明DOM来源、煤质对DOM组成的影响、微生物对碳代谢的影响、DOM协控铁的环境行为、矿井水胶体有机质的组成，以及矿井排水对河流胶体有机质的影响，为煤矿矿井水的处理与资源化利用提供重要参考。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 国内外研究进展 3
1.2.1 煤矿矿井水研究热点与趋势 3
1.2.2 我国煤矿矿井水水质特征 15
1.2.3 煤矿矿井水痕量元素来源 16
1.2.4 溶解有机质的组成与来源 17
1.2.5 溶解有机质的环境行为 19
第2章 我国煤矿矿井水中DOM和痕量元素的组成特征 22
2.1 样品采集与测试分析方法 23
2.1.1 采样点布设及水文地质条件 23
2.1.2 矿井水化学测试分析方法 24
2.1.3 矿井水DOM测试分析方法 25
2.2 不同类型煤矿矿井水化学特征 26
2.2.1 矿井水理化性质差异 26
2.2.2 矿井水痕量元素组成特征 27
2.3 不同类型煤矿矿井水DOM的紫外光谱特征 29
2.4 不同类型煤矿矿井水DOM的三维荧光特征 30
2.5 煤矿环境对矿井水DOM组成的影响 34
2.6 本章结论 35
第3章 某煤矿矿井水DOM组成的空间异质特征 37
3.1 工作面采样分布与样品测试分析 37
3.2 某煤矿区样品理化特征 38
3.2.1 煤和岩石组分分析 38
3.2.2 矿井水化学特征 39
3.3 不同工作面矿井水DOM紫外光谱特征 40
3.4 不同工作面矿井水DOM三维荧光特征 43
iv 煤矿矿井水溶解有机质特征
3.4.1 DOM荧光组分特征 43
3.4.2 DOM荧光参数特征 45
3.5 本章结论 46
第4章 动态淋滤下水-煤作用强度对DOM组成影响特征 47
4.1 动态淋滤试验设置 47
4.2 样品测试与分析 48
4.2.1 分析测试方法 48
4.2.2 傅里叶变换离子回旋共振质谱 49
4.3 不同粒径煤淋滤液的水化学特征 49
4.4 不同粒径煤淋滤液DOM光谱组成特征 50
4.4.1 DOM紫外光谱特征 50
4.4.2 DOM三维荧光特征 51
4.5 不同粒径煤淋滤液DOM分子组成特征 53
4.5.1 DOM分子类型特征 53
4.5.2 DOM杂原子分子特征 55
4.5.3 DOM化合物组成特征 57
4.6 本章结论 60
第5章 不同成熟度煤提取液中DOM组成差异特征 61
5.1 煤样采集与预处理 61
5.2 索氏抽提试验设置 62
5.3 煤提取液测试与分析方法 63
5.4 不同成熟度煤提取液的水化学特征 63
5.4.1 煤提取液理化特征 63
5.4.2 煤中痕量元素溶出特征 64
5.5 不同成熟度煤提取液DOM光谱组成特征 67
5.5.1 DOM紫外光谱特征 67
5.5.2 DOM荧光光谱特征 68
5.5.3 DOM荧光组分特征 69
5.6 不同成熟度煤提取液DOM分子组成特征 71
5.6.1 DOM分子类型特征 71
5.6.2 DOM杂原子分子特征 72
5.6.3 DOM化合物组成特征 75
5.7 本章结论 78
第6章 煤矿不同来源DOM与Fe（Ⅲ）的结合特征 80
6.1 样品测试与分析方法 80
6.2 不同类型煤矿矿井水DOM与Fe（Ⅲ）的结合特征 81
6.2.1 不同类型煤矿矿井水DOM-Fe（Ⅲ）结合序列 81
6.2.2 Fe（Ⅲ）添加对不同类型煤矿矿井水DOM荧光的影响 82
6.3 不同粒径煤淋滤液DOM与Fe（Ⅲ）的结合特征 84
6.3.1 不同粒径煤淋滤液DOM-Fe（Ⅲ）结合序列 84
6.3.2 Fe（Ⅲ）添加对不同粒径煤淋滤液DOM荧光的影响 85
6.3.3 不同粒径煤淋滤液DOM作用下Fe（Ⅲ）的转化特征 86
6.4 不同煤质提取液DOM与Fe（Ⅲ）的结合特征 87
6.4.1 不同煤质提取液DOM-Fe（Ⅲ）结合序列 87
6.4.2 Fe（Ⅲ）添加对不同煤质提取液DOM荧光的影响 88
6.4.3 不同煤质提取液DOM作用下Fe（Ⅲ）的转化特征 90
6.5 DOM-Fe（Ⅲ）结合能力的影响因素 92
6.6 本章结论 93
第7章 高硫酸盐矿井水中DOM与微生物群落组成特征 95
7.1 高硫酸盐矿井采样点布设 95
7.2 样品测试与分析方法 96
7.2.1 水化学和DOM测试分析方法 96
7.2.2 DNA 提取、PCR 扩增和16S rRNA 基因测序 96
7.2.3 序列处理和分类单元功能注释 97
7.2.4 数据统计与分析 97
7.3 高硫酸盐矿井水水体理化特征 97
7.4 高硫酸盐矿井水DOM光谱组成特征 100
7.4.1 DOM紫外光谱特征 100
7.4.2 DOM三维荧光特征 100
7.5 高硫酸盐矿井水微生物的组成特征 102
7.5.1 矿井水微生物群落特征 102
7.5.2 理化性质对微生物群落的影响 106
7.6 不同硫酸盐浓度对微生物群落分布的影响 108
7.7 不同硫酸盐浓度对DOM荧光组成的影响 110
7.8 不同硫酸盐浓度矿井水DOM和微生物的相互作用 111
7.9 本章结论 113
第8章 氧化还原条件对矿井水DOM与微生物演化的驱动机制 114
8.1 试验设置与预处理 114
8.2 样品测试与分析方法 115
8.3 氧化还原条件对水体理化性质与DOM组成的影响 115
8.3.1 水体理化性质变化特征 115
8.3.2 SO24？浓度变化特征 117
8.3.3 DOC 浓度变化特征 117
8.3.4 DOM紫外光谱特征 118
8.3.5 DOM三维荧光特征 119
8.4 氧化还原条件对矿井水微生物组成的影响 122
8.4.1 细菌群落多样性变化 122
8.4.2 细菌群落组成特征 123
8.4.3 细菌群落功能预测 126
8.4.4 细菌群落对水中硫酸盐的影响 127
8.4.5 氧化还原环境下的微生物活动差异 127
8.5 本章结论 128
第9章 不同煤田矿井水胶体有机质组成特征 130
9.1 样品采集与测试分析方法 130
9.1.1 样品采集与预处理 130
9.1.2 胶体有机质的提取 130
9.1.3 水化学和COM测试分析方法 132
9.2 不同煤田矿井水水化学特征 132
9.2.1 矿井水理化性质 132
9.2.2 矿井水化学类型 133
9.2.3 矿井水痕量元素组成特征 136
9.3 矿井水COM组成特征 137
9.3.1 COM紫外光谱特征 138
9.3.2 COM三维荧光特征 140
9.3.3 COM荧光强度分布 142
9.4 COM与环境因子的相互关系 144
9.5 本章结论 145
第10章 矿井排水对河流胶体有机质与痕量元素迁移转化的影响 147
10.1 样品采集与预处理 147
10.2 测试与分析方法 148
10.2.1 COM的分离和提取 148
10.2.2 荧光猝灭滴定实验 148
10.3 矿井排水对河流理化特征的影响 148
10.3.1 矿井排水对河水化学特征的影响 148
10.3.2 矿井排水对河流常规离子与痕量元素的影响 149
10.4 矿井排水对河流COM组成的影响 150
10.4.1 河流COM组成特征 150
10.4.2 矿井排水对COM组成的影响 152
10.5 河流COM与Cu的结合特征 154
10.6 矿井排水对COM与Cu结合行为的影响 157
10.7 本章结论 159
参考文献 160

第1章绪论
　　1.1研究背景与意义
　　煤炭在我国能源结构中持续发挥主导作用，是保障国家能源安全的基石。*新能源统计数据显示，煤炭占我国一次能源消费比重虽然逐年下降，但在相当长时期内仍将保持在50%以上（袁亮，2023）。这种能源结构的特殊性决定了煤炭开采在我国经济发展中的关键地位。我国煤炭资源以井工开采为主，其产量占煤炭总产量的85%以上（孙亚军等，2024）。在开采过程中，采掘活动破坏了岩体原始的应力平衡，导致岩层变形和移动，形成导水裂缝带，破坏底板隔水层，活化地质构造，并引发地表塌陷等一系列地质环境问题（孙亚军等，2021）。采矿工程扰动为地下水、地表水及大气降水提供了进入开采空间的优势通道，成为煤矿矿井水的主要来源。煤矿开采产生大量矿井水，2020年我国煤炭开采和生产造成的废水排放量约14.21亿t，占全国工业废水排放量的8.02%（宁凯亮，2021）。据统计，我国吨煤开采产生的矿井水为1.87？m3，按照目前煤炭生产规模，每年产生矿井水约68.8亿？m3（顾大钊等，2021），因此矿井水资源再利用具有巨大潜力。
　　煤矿矿井水的形成是一个多因素共同作用的复杂水文地球化学过程，其物质组成受氧化还原条件、水？岩相互作用、微生物活动和采动效应等多因素的显著影响。在这些因素的共同作用下，矿井水常表现出高悬浮物、高矿化度、高硫酸盐和酸性“三高一酸”的特征（孙亚军等，2025），导致矿井水利用率低，2018年全国平均利用率仅为35%（顾大钊等，2021）。尤其是高矿化度矿井水的处理成本较高，技术上存在一定难度，这进一步制约了其资源化利用效率的提高。为推进矿井水资源化利用进程，国家能源局等部门于2013年联合印发《矿井水利用发展规划》，提出2015年煤矿矿井水利用率达75%；《煤炭工业“十四五”高质量发展指导意见》进一步要求2025年实现矿井水完全利用与达标排放。政策导向充分体现国家对矿井水资源化利用的高度重视。我国煤炭资源主产区与水资源分布存在显著的空间异质性，主要煤炭基地分布在西北和华北等缺水区域，而水资源则相对集中在南方地区，其中黄河流域*具典型性（武强等，2025），矿井水的高效再利用对缓解缺水危机有特别重要的意义。
　　长期的煤炭开采引发的区域水环境及水生态问题日益突出（Morrison et al.，2019；武强和李松营，2018），其中金属污染比较普遍。我国煤矿矿井水中常见的痕量元素有铁（Fe）、锰（Mn）、砷（As）、镉（Cd）、铬（Cr）、铅（Pb）、铜（Cu）、锌（Zn）和汞（Hg），其中Fe、Mn和Zn的检出率和浓度普遍较高（王甜甜，2020）。区域分布特征研究表明，我国云贵、宁东和晋北矿区的Fe和Mn超标率高达75%，淮南地区煤矿的Fe和Mn超标率分别为16.95%和27.12%（Zhang et al.，2019），贵州东南部和内蒙古东部部分矿区存在Zn污染（王甜甜，2020），特别是在酸性矿井水中，多种痕量元素共存的复合污染问题尤为突出（张瑞雪等，2021）。含有大量痕量元素的矿井水，可通过导水通道形成串层污染，或者通过排放泄漏至地表，造成地表土壤和水体的污染，进而破坏矿区的生态环境（孙亚军等，2020；王慧和吕英英，2019）。
　　溶解有机质（dissolved organic matter，DOM）是水体中溶解态有机化合物的总称，具有重要的生态和地球化学特性，并可与无机和有机污染物结合（Ming et al.，2014;？Wang et al.，？2014）。DOM含有羧基、羟基、氨基和芳香环等反应性官能团，具有高迁移性和化学活性（Chen et al.，？2022）。矿井水DOM主要源于采动过程中有机质的水解释放、微生物代谢产物及地表有机质的输入（Nakajima et al.，？2005）。这些有机质可通过络合、还原和吸附等作用显著影响痕量元素的迁移转化、生物有效性和毒性（Hirose，？2007;？Nguyen et al.，？2004），是控制矿区痕量元素环境行为的关键因子（Impellitteri et al.，2002;Li and Gong，？2021），其在矿区污染治理中占有特殊地位。因此，深入研究煤矿区DOM与痕量元素的相互作用机制，对于煤矿矿井水的处理与资源化利用具有重要指导意义。
　　综上所述，系统研究我国煤矿矿井水DOM的组成特征与来源，对阐释矿区“水？岩？煤？微生物”复合系统中的生物地球化学循环具有关键意义，可为矿井水污染治理与资源化利用提供理论支撑，并对推动煤炭绿色开采与矿区生态修复有重要的学术价值与现实意义。特别是在当前推进煤炭工业绿色发展的背景下，开展矿井水DOM特性及其环境行为研究，不仅有助于解决煤矿区的环境污染问题，还能为矿井水污染修复提供科学依据，对煤炭绿色高效开发和生态环境修复具有重要的理论与现实意义，对实现煤炭工业的可持续发展也具有重大战略价值。
　　1.2国内外研究进展
　　1.2.1煤矿矿井水研究热点与趋势
　　文献计量学方法是基于大量文献的统计分析，以定量和统计方法刻画某一学科或领域所发表文章的特点，进而解析某一学科或领域的研究进展、研究热点及未来发展趋势的方法（郭忠录和蔡崇法，2019）。本章采用HistCite？Pro（芦晓和刘国庆，2021）和CiteSpace（陈悦等，2015）两种科学计量软件，以Web？of？Science核心？合集中的SCI？Expanded数据库为数据源，以“mine？water”、“coal？mine？water”、“coal？drainage？water”和“coal？mine”为主题，将出版时间跨度设置为2003年1月1日到2022年12月31日，*终得到44945篇文献，构成研究样本。利用Web？of？Science数据库检索煤矿矿井水领域的文献，针对检索结果进行数据分析及可视化研究，构建文献共被引网络，解译该领域文献的发文量、被引用次数、研究前沿、研究热点及突现词等5个方面的情况，剖析过去二十年煤矿矿井水研究领域的热点，探究煤矿矿井水研究领域的发展趋势，为煤矿区水环境研究提供思路或潜在指导。
　　1.文献出版物的特点
　　分析一个领域的文献年产出量，能发现该领域的发展规律。在Web？of？Science数据库中，2003～2022年煤矿矿井水相关研究领域共计发表科研论文44945篇。
　　近二十年，文献的年度发表数量和累计发表数量均稳步增长，年均发文量为2247篇，年度发表数量从2003年的689篇增加到2022年的5953篇。统计的文章主要发表在3497种期刊上。表1？1列出了发表文章*多的20种期刊，占发表文献总数的24%。其中，Science？ of ？the ？Total ？Environment发表文章*多（1135篇；占2.5%），其次是Environmental ？Earth？ Sciences（818篇；占1.8%）和Environmental ？Science ？and？ Polluti on？ Research（781篇；占1.7%）。
　　注：Recs为发文量（records）；TPN为总发表数量（total publication number）；TGCS为全球总被引频次（total global citation score）。
　　本地总被引频次（total local citation score，？TLCS）指当前数据集中文献的被引频次之和，全球总被引频次（TGCS）指在整个Web？of？Science数据库中所有文献被引频次之和。TLCS和TGCS的变化趋势，可以分为两个阶段：2003～2017年为高速发展阶段，2018～2022年为衰退阶段。TLCS和TGCS*高的年份分别为2018年和2019年。在政策与市场的双重引导下，煤矿矿井水处理和再利用等问题受到政府和学者的高度关注，发文数量稳步增加，被引频次也随之增加，但在衰退阶段被引频次逐年下降。表1？1列出了发表文章数量排在前20种期刊的5年影响因子以及总被引频次，其中文章发表数量*多的期刊是Science？ of ？the？ Total？ Environment，它的5年影响因子为9.6（排名第四），TGCS为45479（排名**）。
　　2003～2022年发表文章数量*多的20个机构见表1？2，其中13个机构位于中国，其余分别位于波兰（2个）、俄罗斯（1个）、美国（1个）、澳大利亚（1个）、西班牙（1个）。在中国的研究机构中，中国矿业大学发表相关论文数量高居**，占总发表文献的9.3%；其次是中国科学院，占总发表文献的3.1%。而每篇文章总引用数（global citation score，？GCS）*高的是中国科学院大学，为42.85次；其次是西班牙高等科研理事会（38.49次），中国矿业大学仅排在第8位。国内机构发文量（Recs）较高，但GCS排名不够靠前。从发表文献的国家和研究机构统计数据可知，中国重视煤矿矿井水研究，发表论文数量*多，但文章被引率有待提升。
　　2.研究的热点
　　关键词是在文章中起着关键作用的词语，是文章的高度凝练和总结，反映文章的核心内容。高频次和高中介中心性的关键词代表着该领域内研究者共同关注的热点问题。本书选择关键词为节点类型（node types），阈值为50，绘制关键词共现图谱。图中节点颜色和大小分别代表关键词出现的时间和频次，节点之间连线的颜色表示两个关键词*早的共现时间，连线的粗细表示关键词共现次数的高低（陈超美和陈悦，2014）。在煤矿矿井水关键词共现图谱中，共有节点1386个，连线18316条，网络整体密度为0.0191，关键词共现网络结构紧密，密度较高。煤矿矿井水研究出现频次*高的20个关键词有water、coal？mine、mine、model、heavy？metal、acid？mine？ drainage和impact等，出现频次分别为4145次、3882次、2489次、2174次、2025次、1997次和1600次等。关键词water