太原市煤礦開采對(duì)地下水的影響研究

師幸生

（太原市水利科學(xué)研究所 太原 030002）

太原市地處山西省中部，煤炭資源豐富，煤質(zhì)優(yōu)良，品種齊全，1990年煤炭總產(chǎn)量2 840萬t，到2009年煤炭總產(chǎn)量達(dá)到 3 502.7萬t。

煤炭和水共存于地下巖層中，由于大規(guī)模的煤炭開采，對(duì)水資源造成了嚴(yán)重的影響和破壞。形成地面沉降，水位下降，泉水、河水?dāng)嗔?，水污染加重等一系列環(huán)境地質(zhì)問題，直接影響著生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。太原市是我國(guó)最大的焦煤生產(chǎn)基地，也是我省采煤工業(yè)相對(duì)集中，對(duì)水資源破壞較為嚴(yán)重的地區(qū)，在全省及北方地區(qū)具有一定的代表性。

1 礦坑排水現(xiàn)狀

衡量礦坑排水對(duì)水資源破壞程度的主要指標(biāo)之一是平均排水系數(shù)，平均排水系數(shù)是指每生產(chǎn)一噸原煤所排的水量，即煤礦年排水總量/煤礦年原煤產(chǎn)量。

據(jù)對(duì)太原市煤礦礦坑排水的調(diào)查，1988年平均排水系數(shù)0.984 m3/t，2000年平均排水系數(shù)1.14 m3/t，2006年平均排水系數(shù)為0.756 m3/t，2009年平均排水系數(shù)為0.79 m3/t。

值得注意的是東山礦區(qū)，2009年平均排水系數(shù)高達(dá)2.09 m3/t。

2 煤礦開采對(duì)地下水的影響特點(diǎn)

2.1 國(guó)統(tǒng)及鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦開采對(duì)地下水的影響特點(diǎn)

國(guó)家統(tǒng)配煤礦及地方國(guó)營(yíng)煤礦對(duì)地下水的破壞時(shí)間長(zhǎng)，破壞面積、影響深度和破壞強(qiáng)度大；而鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦及村辦煤礦對(duì)地下水的破壞時(shí)間較短，破壞面積較小，影響深度和破壞強(qiáng)度相對(duì)較小。但按煤炭開采量換算的含水系數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦卻大于國(guó)統(tǒng)煤礦。

鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦一般分布在煤田的邊緣地區(qū)，這些地區(qū)早期就形成老采空區(qū)300多個(gè)，面積達(dá)100 km2，是老窯突水事故多發(fā)區(qū)。老窯突水，嚴(yán)重破壞了原先的水動(dòng)力平衡；且老窯積水的水質(zhì)很差，pH值達(dá)到2，呈酸性，普通水泵、管道排水設(shè)備，只能工作3～4h，就被腐蝕報(bào)廢，同時(shí)排水對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重污染破壞。

鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦礦井廢水處理設(shè)施配套嚴(yán)重滯后，未經(jīng)處理的礦坑廢水大量排放、入滲，使地表水和地下水均受到不同程度的污染［1］。

2.2 煤層開采對(duì)地下水的影響特點(diǎn)

開采高程在當(dāng)?shù)貖W陶系巖溶水位之下的煤礦，礦坑排水量較大，對(duì)巖溶水的影響也大。

開采上組煤和中組煤的礦，多數(shù)為頂板漏水，排水量相對(duì)比較小，對(duì)地下水的影響也比較小，而開采下組煤的礦，其礦井充水多具承壓性，則排水量比較大，對(duì)地下水的影響也大。

2.3 煤礦開采對(duì)地表及地表水的影響特點(diǎn)

由于煤礦開采及礦坑排水，致使地表水、土壤、植被及地下水系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞，使礦區(qū)生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化，加重了水土流失，造成小泉小水漏失。出現(xiàn)38個(gè)村莊、1.32萬人、2 379頭大牲畜的吃水困難。農(nóng)村紛紛要求打深井，更加重了地下水的開采負(fù)荷，給地下水的保護(hù)造成更大的困難。

煤礦井田范圍內(nèi)有較大河流通過的礦井，排水量相對(duì)比較大，且受大氣降水和河道水情的影響非常明顯，或者說煤礦開采對(duì)地表水的影響十分明顯，在礦區(qū)外的河道上游地區(qū)，河道一般有基流，進(jìn)入礦區(qū)，河道基流和河谷孔隙地下水全部漏失，有些礦在地表就能聽到大量漏水的聲音。

2.4 煤礦疏干性排水對(duì)地下水的影響特點(diǎn)

煤礦礦坑排水屬于疏干性排水，致使區(qū)域裂隙水位普遍下降100 m以上，個(gè)別地區(qū)下降達(dá)200 m以上。而排水的結(jié)果最終使裂隙水位下降到最底開采標(biāo)高。礦坑疏干性排水，使得區(qū)域地下水的水文地質(zhì)條件受到不可逆轉(zhuǎn)的嚴(yán)重破壞。

總之，煤礦開采對(duì)地下水的影響集中表現(xiàn)為：一是直接疏干了開采層位的裂隙地下水和煤田上覆的裂隙水或孔隙水；二是直接或間接排放下伏巖溶水，造成巖溶泉水衰減或斷流；三是破壞了地下水含水層的儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致地下水含水層系統(tǒng)的永久破壞；四是礦坑廢水沿程滲漏污染水資源和水環(huán)境。

3 煤礦開采對(duì)地下水的影響分析

3.1 煤礦開采對(duì)裂隙水的影響

采煤區(qū)多位于低山丘陵地帶，裂隙地下水多數(shù)以小泉小水的形式出露。煤炭大規(guī)模開采前，由于有裂隙泉水，小溪常流，河清山綠。煤炭大規(guī)模開采以來，隨著礦坑排水量的增大，裂隙含水層被疏干，造成礦區(qū)地下水位下降，小泉小水?dāng)嗔鳎煌瑫r(shí)礦坑排水也導(dǎo)致地表徑流量減少，流域水資源調(diào)蓄作用減弱，含酚、硫化物、懸浮物的酸性礦坑水的排放，使地表水受到不同程度的污染，導(dǎo)致河流的自凈能力下降，環(huán)境容量減小，加大了河流的污染負(fù)荷［2］。

3.2 煤礦開采對(duì)孔隙水的影響

采煤排水對(duì)孔隙水的影響主要是在礦區(qū)上覆河谷孔隙水分布區(qū)，由于采煤導(dǎo)致地面沉降或裂縫，上覆現(xiàn)代河谷孔隙水含水層與下伏煤系地層之間穩(wěn)定連續(xù)的隔水層被破壞，致使孔隙水下漏。對(duì)汾河及多條支流的調(diào)查顯示，在煤礦采空區(qū)的上游河谷，孔隙水幾乎全部漏失，有些地段在地面就能聽到孔隙水下漏進(jìn)入礦井的流水聲。另一種情況是，煤礦主副井建在河谷地帶，主副井筒本身就是一眼大水井，大量孔隙水進(jìn)入井筒，導(dǎo)致孔隙水位大范圍下降，農(nóng)業(yè)和農(nóng)村的水井報(bào)廢。

3.3 煤礦開采對(duì)巖溶水的影響

太原市煤炭開采對(duì)巖溶水的影響，主要是對(duì)晉祠泉流量的影響。采煤對(duì)晉祠泉流量的削減主要有兩方面：一是礦坑排水減少了巖溶水的補(bǔ)給量；二是礦坑突水增大了巖溶水的排泄量。

采煤排水對(duì)巖溶水的影響主要表現(xiàn)在：（1）巖溶水位高出開采煤層的帶壓開采區(qū)，巖溶水的頂托作用使部分巖溶水通過上部裂隙系統(tǒng)滲入采區(qū)，加大了礦坑排水量，間接消耗了部分巖溶水資源。（2）大規(guī)模的采煤活動(dòng)，疏干了開采區(qū)及其影響帶上覆巖層的地下水，減少了上部地下水滲漏補(bǔ)給巖溶水量，同時(shí)，采煤排水明顯減少了該區(qū)地表水及基流量，從而減少了對(duì)巖溶水的補(bǔ)給。

蘭村泉、晉祠泉是太原周邊出露的著名巖溶大泉，受降水減少、地表植被破壞、地下水大量開采、煤礦排水等多種因素影響，蘭村泉、晉祠泉分別于1995年和1994年斷流。盡管泉流量衰減的原因很多，但泉域內(nèi)采煤排水無疑是導(dǎo)致泉水流量削減的主要因素之一。

煤礦排水量是影響泉域地下水量的一個(gè)重要因素，在采取各種壓采措施的同時(shí)，必須嚴(yán)格控制煤礦排水量的增加，否則巖溶泉復(fù)流困難。此外，排出的礦坑水在流經(jīng)碳酸鹽巖分布區(qū)時(shí)，會(huì)滲漏補(bǔ)給巖溶水，對(duì)巖溶水形成污染，從監(jiān)測(cè)分析看，這方面的影響是比較明顯的。

3.4 煤礦開采對(duì)地下水含水系統(tǒng)的影響

煤礦開采使其上部含水巖層發(fā)生形變，形成沉陷或裂縫等，加劇了巖層間的水力聯(lián)系，改變了降水與地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系及地下水徑流特征。天然狀態(tài)下，煤與水共存于同一地層中，各自有其賦存條件及演變規(guī)律。但在煤礦開采等活動(dòng)中，由于布設(shè)地質(zhì)勘探孔、采煤豎井、斜井、巷道等及因采煤形成的采空區(qū)，破壞了淺部地下水隔水層和儲(chǔ)水構(gòu)造，使礦區(qū)煤系地層裂隙巖溶水、上覆松散巖類孔隙水和下伏碳酸鹽巖巖溶水相互貫通，破壞了原有的地下水補(bǔ)、徑、排條件，加速了區(qū)域地下水水位下降，減少了地下水儲(chǔ)水空間[3]，造成河流枯竭、泉水?dāng)嗔?、土壤沙化等?zāi)害。

3.5 煤礦開采對(duì)地下水水質(zhì)的影響

對(duì)太原西山礦區(qū)采集的巖溶水、裂隙水和孔隙地下水水質(zhì)分析結(jié)果，按照地下水環(huán)境質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：巖溶水超標(biāo)項(xiàng)目主要是總硬度和SO42-，其中，總硬度含量642.1～735.5 mg/L；西山礦區(qū)裂隙水超標(biāo)項(xiàng)目主要是總硬度、SO42-和揮發(fā)酚，其中，總硬度的含量為401.2～1 580 mg/L；SO42-含量為 365～1 349 mg/L，揮發(fā)酚的含量為 0.014 mg/L；孔隙水超標(biāo)項(xiàng)目主要是總硬度和礦化度，其中，總硬度含量為939.2 mg/L，礦化度為1 529 mg/L。太原西山礦區(qū)礦坑水水質(zhì)全分析和污染分析結(jié)果表明：礦坑水的pH值為6.4，呈酸性，礦化度3 850 mg/L，總硬度1 376 mg/L，SO42-含量2 446 mg/L，COD 平均 1.74～3.36 mg/L，揮發(fā)酚 0.01 mg/L，最高為 0.015 mg/L。其主要超標(biāo)項(xiàng)目是總硬度和SO42-，與地下水超標(biāo)項(xiàng)目一致，表明礦坑水是地下水污染的污染源之一。

采煤對(duì)地下水水質(zhì)的影響主要反映在三方面：一是采煤過程中，污染的礦坑水通過巖層裂隙直接下滲到下伏地層，使其中的地下水遭受污染；二是礦坑水排出地表后，首先使地表水污染，繼而在流經(jīng)碳酸鹽巖滲漏段時(shí)，或隨河溝流動(dòng)時(shí)，入滲地下污染地下水；三是礦山尾礦、矸石堆在降水淋滲作用下，淋濾水入滲地下，使地下水遭受污染。

4 煤礦開采對(duì)地下水的影響保護(hù)對(duì)策

4.1 實(shí)行煤礦開采分區(qū)保護(hù)管理

根據(jù)煤炭開采對(duì)水資源的影響與破壞程度，將煤田分為禁采區(qū)、限采區(qū)和一般控制區(qū)。

禁采區(qū)是水資源保護(hù)的重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域。主要是指泉域重點(diǎn)保護(hù)區(qū)、河源保護(hù)區(qū)、自然保護(hù)區(qū)、城市集中飲用水水源地、水功能區(qū)劃的保護(hù)區(qū)和飲用水源開發(fā)區(qū)、地下水涵養(yǎng)保護(hù)區(qū)、帶壓開采危險(xiǎn)區(qū)等。

限采區(qū)是指水資源的次級(jí)保護(hù)區(qū)域。主要是指城市集中飲用水水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)、水功能區(qū)劃工業(yè)用水開發(fā)區(qū)、帶壓開采相對(duì)危險(xiǎn)區(qū)等。

一般控制區(qū)，按照相關(guān)法律規(guī)定進(jìn)行煤炭開采[4]。

4.2 實(shí)行礦坑水綜合利用

（1）井下分層開采，分區(qū)集中，清污分流，按質(zhì)利用，努力提高復(fù)用率。

（2）提前開發(fā)利用煤系水。這樣既可防止水質(zhì)污染，提高利用率，又可減少礦坑排水，實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)。

（3）保護(hù)優(yōu)先，排供結(jié)合。在泉域重點(diǎn)保護(hù)區(qū)和集中供水水源地，若煤田處于突水危險(xiǎn)區(qū)則應(yīng)嚴(yán)禁開采。在對(duì)重點(diǎn)巖溶大泉和巖溶水供水水源地不產(chǎn)生較大影響的情況下，根據(jù)水文地質(zhì)條件，提前打井降壓排水，充分開發(fā)利用優(yōu)質(zhì)水源，解決當(dāng)?shù)厣?、生產(chǎn)用水問題，同時(shí)保證煤礦安全生產(chǎn)，防止突水事故發(fā)生［5］。

4.3 煤礦水環(huán)境治理措施

（1）對(duì)新建、改建、擴(kuò)建煤炭建設(shè)項(xiàng)目，加強(qiáng)水資源論證和水環(huán)境影響評(píng)價(jià)管理。

（2）對(duì)煤礦開采及加工企業(yè)加征煤炭生產(chǎn)水資源補(bǔ)償費(fèi)。

（3）對(duì)煤礦開采對(duì)水資源的影響進(jìn)行監(jiān)測(cè)，應(yīng)由大到小逐步開展，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：開采量、開采深度、采礦區(qū)面積、用水量、礦坑排水量、回用水量、排水量、排水水質(zhì)、影響范圍、面積等。

4.4 煤礦開采區(qū)地下水資源保護(hù)政策

（1）建立煤炭生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水資源準(zhǔn)入制度。根據(jù)煤田所處區(qū)域及生產(chǎn)建設(shè)情況，對(duì)可能造成的水資源破壞、水文下墊面破壞、水利設(shè)施破壞、水土流失、人畜飲水、防洪安全、水質(zhì)污染等進(jìn)行綜合全面評(píng)估，提出準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)。

（2）建立礦坑排水許可制度。將礦坑排水視同特殊形式的取水，從申請(qǐng)受理——審批建設(shè)——驗(yàn)收發(fā)證——計(jì)量收費(fèi)——監(jiān)督管理等方面進(jìn)行嚴(yán)格管理。礦坑排水許可制度的管理主體為水行政主管部門。

（3）有償使用、總量控制與定額管理。礦坑排水是一種特殊形式的地下水開采行為，根據(jù)相關(guān)法律法規(guī)，對(duì)礦坑排水收取水資源費(fèi)。

［1］王 雪,束龍倉(cāng),劉瑞國(guó).工程措施對(duì)河流與地下水補(bǔ)給關(guān)系的影響分析［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電.2007,（5）:16-17.

［2］陶希東,石培基,李鳴驥.西北干旱區(qū)水資源利用與生態(tài)環(huán)境重建研究［J］.干旱區(qū)研究.2001,（1）:20-21.

［3］賀秋芳,楊平恒,袁文昊,等.微生物與化學(xué)示蹤巖溶地下水補(bǔ)給源和途徑［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì).2009,36（3）:33-38.

［4］孫雪濤.加強(qiáng)水資源管理落實(shí)最嚴(yán)格的水資源管理制度［J］.中國(guó)水利.2009（24）:6-7.

［5］李硯閣,雷志棟.地下水系統(tǒng)保護(hù)研究［M］.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社.2008.