中國西南煤炭資源開發(fā)及水資源水環(huán)境相關(guān)問題研究

胡君春，郭純青

(1.云南省煤炭地質(zhì)勘查院，云南 昆明 650218;2.桂林理工大學(xué) 資源科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

中國西南四省(貴州、云南、四川和西藏)查明煤炭資源量達(dá)888.11億 t，預(yù)測煤炭資源量達(dá) 2 646.65億 t，探采面積達(dá) 57 571.16 km2，占中國煤炭資源量的 5.82%(表 1)［1］;較中國北方地區(qū)為稀少，在中國西南地區(qū)至關(guān)重要，尤其西部大開發(fā)的進(jìn)程中，煤炭資源能源效應(yīng)舉足輕重。當(dāng)煤炭資源取得巨大經(jīng)濟(jì)效益時，煤礦區(qū)水資源水環(huán)境問題也日趨嚴(yán)峻，并制約區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。西南四省煤炭資源的蘊藏經(jīng)濟(jì)巨大，未來將長期探、采，對水資源水環(huán)境影響與破壞嚴(yán)重。本文根據(jù)四省水資源匱乏和水環(huán)境惡化的特征，分析研究過去煤炭資源開采對水資源水環(huán)境的影響特征，為煤礦區(qū)水資源開發(fā)、水環(huán)境保護(hù)和水生態(tài)恢復(fù)重建提供參考，尤其為亟待開發(fā)的煤礦區(qū)水資源規(guī)劃、水環(huán)境保護(hù)、數(shù)字煤礦和綠色礦山建設(shè)等提供技術(shù)支撐。

中國西南四省地處邊陲，其共有的特征為:(1)地貌類型復(fù)雜多樣、地形起伏大、地形坡度大;(2)河網(wǎng)和巖溶發(fā)育;(3)土地資源匱乏、土壤覆蓋薄、耕地零星分散;(4)降水充沛、水土侵蝕和流失嚴(yán)重;(5)交通網(wǎng)欠發(fā)達(dá)、經(jīng)濟(jì)條件相對落后等區(qū)域分異明顯。水資源、水生態(tài)環(huán)境與地質(zhì)環(huán)境呈現(xiàn)脆弱性、多變性與復(fù)雜性，加之煤炭資源大規(guī)模探采的劇烈工程活動誘發(fā)地質(zhì)環(huán)境問題多，演化為多災(zāi)種群發(fā)、突發(fā)和漸變的復(fù)式地質(zhì)災(zāi)害。這些問題是西南四省煤炭資源開發(fā)不可回避的問題，不能走較發(fā)達(dá)地區(qū)的重復(fù)路線，是未來煤炭資源開發(fā)必須關(guān)注和解決的水資源水環(huán)境問題。

1 煤炭資源開發(fā)利用不同階段水資源與水環(huán)境破壞程度對比

煤礦床是一種沉積礦床、礦產(chǎn)儲量、開采規(guī)模、開采強(qiáng)度及產(chǎn)量均居中國各種礦床首位。開采深度和開采面積越大，礦床水文地質(zhì)條件具有許多特殊性和復(fù)雜性［2］。中國西南四省在未來探采深度和面積加大，在采前、采中和采后的不同階段中均對礦區(qū)水資源、水環(huán)境和礦山環(huán)境地質(zhì)有不同程度的影響(表2)。采前為探明煤炭資源儲量，密集的鉆孔揭露或貫穿不同含、隔水層，對水資源水環(huán)境影響的主要原因為封孔不良的鉆孔，溝通不同含水層的水體，并加強(qiáng)不同水體之間的水力聯(lián)系;鉆孔沖洗液的排放污染地表、地下水體，其影響程度低。采中為煤炭采掘過程，煤炭巷道、豎井等設(shè)施揭露、溝通不同地層，尤其煤系地層中的水，含氟、硫、磷和砷等有害元素，在不同水體之間產(chǎn)生水力聯(lián)系的同時，煤礦區(qū)整個地下水系統(tǒng)遭受不同程度的污染，隨開采面積擴(kuò)大和開采深度的逐漸加深，則污染進(jìn)一步加劇。采后為煤炭資源開發(fā)利用過程中所誘發(fā)的各類災(zāi)害的集中體現(xiàn)。地下水系統(tǒng)和地下含水系統(tǒng)的污染、水環(huán)境的破壞和礦山地質(zhì)環(huán)境的破壞呈梯次出現(xiàn)，并受時間、空間的限制，具有潛伏性、危害性、突發(fā)性、群發(fā)性和漸變性等特征。

表1 中國西南煤炭資源統(tǒng)計［1］

表2 煤炭資源開發(fā)利用各階段對比

2 煤炭資源開采條件下水資源水環(huán)境影響趨勢

煤炭開采需強(qiáng)排地下水，對煤礦區(qū)地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄加于干擾和控制，同時加速地下水循環(huán)速度和縮短地下水循環(huán)周期，強(qiáng)烈控制煤礦區(qū)地下水流動系統(tǒng)和地下水含水系統(tǒng)，打破地下水天然徑流場模式。煤系地層中賦水含氟、硫、磷和砷等有害元素，呈酸性特征。煤礦井長期大量排水、老窯積水、固體廢棄物長期淋漓和浸泡過程中的有害元素長期參與地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄等水文循環(huán)的每個過程。隨著時間和空間上推移，大量煤礦排水和老窯積水進(jìn)入煤礦區(qū)地下水流動系統(tǒng)和地下水含水系統(tǒng)中，滲入不同含水層，造成地下水污染，致使有限的地下淡水資源造污染。其污染程度受開采面積、開采深度和開采強(qiáng)度控制，加大恢復(fù)治理難度，增高治理費用，加劇各類供水矛盾，致使煤礦區(qū)下游流域的水生態(tài)、水安全、水管理和水權(quán)均受到不同程度的破壞。

煤礦排水呈酸性，含氟、硫、磷和砷等有害元素;老窯積水呈酸性，富含大量有害元素和懸浮廢棄物質(zhì);大量尾礦、煤矸石和其其它固體廢棄物在長期淋漓和浸泡過程中富含有害元素。上述三類水體在煤炭資源開采過程中滲入不同含水層，流入礦區(qū)不同的地表水體，與煤礦區(qū)不同水體參與水文循環(huán)，進(jìn)入地表水系和地下水系統(tǒng)，污染地表水系統(tǒng)和地下水系統(tǒng)，對煤礦水環(huán)境造成不同程度的破壞。

煤礦區(qū)長期呈現(xiàn):一邊是水資源匱乏、水土侵蝕流失;一邊是煤礦長期集中強(qiáng)排地下水和礦坑突水，水“利”和水“害”共存。如何實現(xiàn)“水－煤”共采，合理交叉開發(fā)、集成集中開采利用是21世紀(jì)面臨的焦點問題?如何達(dá)到防治煤礦涌水和水環(huán)境保護(hù)?如何將排水變?yōu)樗Y源，做到以采煤為中心，水資源和煤炭資源共采，注重水利水害，邊采邊測邊規(guī)劃。如何充分認(rèn)識到煤是戰(zhàn)略性基礎(chǔ)性資源，水資源也是戰(zhàn)略性基礎(chǔ)性資源?這些問題日益突出，是西部煤炭資源在將來大規(guī)模開采過程中不可不解決的問題。

3 煤炭資源開采條件下地下水的運動特征

煤炭資源開采需要劃分區(qū)塊，以煤田、礦區(qū)、礦井(井田)為單元，每天個單元的組合形成煤炭基地。其煤炭基地面積大(0.2～500 km2)，甚至上千平方公里。不同煤炭基地的礦井單位在連續(xù)開采過程中，形成煤炭基地區(qū)域內(nèi)地下水不同補(bǔ)給、徑流和排泄模式，多形成以礦井為地下水降落漏斗中心，致使煤炭基地內(nèi)地下水降落漏斗數(shù)與礦井?dāng)?shù)相同。隨開采面積擴(kuò)大、開采煤層數(shù)增加、開采深度加深和開采厚度控制，加之自然因素。各礦井的地下水流動系統(tǒng)和地下水含水系統(tǒng)變異，以地下水的“源”、“流”、“場”、“蓄”、“排”均發(fā)生突變或變異(表3和圖1)為特性，隨開采規(guī)模擴(kuò)大與開采年限加長，最終導(dǎo)致煤炭基地地下水流場變異，并擴(kuò)大至一個水文地質(zhì)單元或幾個水文地質(zhì)單元，形成受人工控制地下水流場和巨大地下水降落漏斗的特征。

煤田區(qū)群礦采煤在開發(fā)利用煤炭資源的不同階段地下水流特征不同(圖1)。在采前階段，煤田區(qū)地下水補(bǔ)給、徑流和排泄屬于天然水文循環(huán)狀態(tài);在采中階段，煤田區(qū)不同礦井同時開采，隨時間的推移、開采深度加深、開采面積逐年擴(kuò)大、礦井?dāng)?shù)的增加，形成以礦井中心為地下水降落漏斗中心的地下水徑流模式，并逐漸演化為以礦區(qū)為地下水降落漏斗中心的地下水徑流模式，即煤田區(qū)地下水降落漏斗數(shù)與煤田區(qū)礦井?dāng)?shù)相當(dāng);在采后階段，煤炭區(qū)所有煤層采空，則形成以煤層埋深最大的點為地下水降落漏斗中心的匯流模式，整個煤炭區(qū)形成一個巨大的地下水降落漏斗，煤田區(qū)小型水文地質(zhì)單元即將被疏干，煤田區(qū)水文地質(zhì)單元結(jié)構(gòu)被徹底改變。

煤田區(qū)采空煤層后:地下水流方向改為向煤層埋深最深的地方匯流;因形成巨大的地下水降落漏斗，地下水水力坡度陡增，徑流強(qiáng)度加大;徑流條件和徑流量也隨之改變。含水系統(tǒng)中水頭重新分布，形成心的徑流系統(tǒng)，采前的補(bǔ)給區(qū)和排泄區(qū)相互易位(圖1)。

4 煤炭資源開采過程中對“四圈”破壞或重組及水資源水環(huán)境的影響

煤炭資源開采屬劇烈人類工程活動，尤其煤田區(qū)群礦采煤對煤田區(qū)巖石圈、生物圈、大氣圈和水圈(簡稱“四圈”)的影響和破壞嚴(yán)重(圖2)，也對“四圈”進(jìn)行人為重組，對水資源與水環(huán)境的承載體和傳輸介質(zhì)進(jìn)行干擾和破壞。首先煤礦區(qū)煤系地層遭受采空或破壞，致使巖石力學(xué)性質(zhì)變化和應(yīng)力場不穩(wěn)定，接著巖石裂隙數(shù)增加和縫寬擴(kuò)大;地下含水系統(tǒng)和地下水流動系統(tǒng)發(fā)生變異(圖1)，致使淺層地下水被疏干，地表植被水份不足而枯萎，地表向荒漠方向發(fā)展;煤田區(qū)煤層自燃，測定在自燃區(qū)附近地空(離地面高1.6 m)有害氣體超標(biāo)70多倍［3］，煤矸石山長期露天堆放，會發(fā)生氧化、風(fēng)化和自燃，產(chǎn)生大量的楊塵和有毒氣體，對礦區(qū)大氣造成嚴(yán)重污染［4］，即對大氣圈的破壞嚴(yán)重;廢棄礦山所誘發(fā)區(qū)域性大面積地下水、地表水于嚴(yán)重污染;礦區(qū)低洼處遭污水淹沒或沼澤化;災(zāi)害的影響面積達(dá)，隱蔽性強(qiáng)，潛伏期長等［5］，水圈遭受破壞與重組。因此，煤炭資源開采對煤田區(qū)巖石圈、生物圈、大氣圈和水圈破壞和影響深遠(yuǎn)，其誘發(fā)一連串的各類災(zāi)害，次生災(zāi)害頻發(fā)，隨時間的推移，不同災(zāi)害頻發(fā)，并長期不斷的累積、持續(xù)性強(qiáng)，具有群發(fā)性和潛伏性。

煤炭資源開發(fā)利用對煤礦區(qū)“四圈”進(jìn)行干擾、破壞和重組，尤其煤系水、煤矸石淋漓(或浸泡)水與不同巖體、不同水體和不同土體之間將發(fā)生化學(xué)的(沉淀、水化、溶解、脫硫酸等)、物理的(巖土體壓實、巖土摩擦力降低等)及動力的(水分、鹽分與能量的傳輸與交換)相互作用，而這些作用隨煤開采深度加深、面積加大和時間推移逐漸惡化，并加劇，煤礦區(qū)水資源和水環(huán)境將惡性循環(huán)。

圖1 煤田區(qū)群礦采煤條件下水文循環(huán)示意圖

表3 煤炭資源開采不同階段的地下水流的特征

圖2 煤炭資源開采對“四圈”的破壞與重組循環(huán)圖

5 結(jié)語

煤礦床是一種沉積礦床、礦產(chǎn)儲量、開采規(guī)模、開采強(qiáng)度及產(chǎn)量均各種礦床首位，隨開采面積逐年擴(kuò)大、開采深度逐年加深、開采強(qiáng)度和開采速度加大，其誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害類型多，并演化為多災(zāi)種復(fù)合頻發(fā)，其破壞強(qiáng)度加大。尤其在上萬平方公里的煤田區(qū)，呈現(xiàn)多層采空區(qū)，水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)遭不同程度的破壞和重組，地下水流動系統(tǒng)和地下水含水系統(tǒng)在區(qū)域上發(fā)生變異，對煤礦區(qū)及周邊地區(qū)水資源和水環(huán)境影響深遠(yuǎn)，水資源水環(huán)境問題嚴(yán)峻，煤田區(qū)含水層疏干和含水層修復(fù)，是未來地下水環(huán)境修復(fù)的重要領(lǐng)域。

(1)中國西南尚未開發(fā)的煤炭資源量大，地形地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，生態(tài)環(huán)境與地質(zhì)環(huán)境脆弱，應(yīng)總結(jié)已閉坑煤礦經(jīng)驗，重新審視煤炭開采所誘發(fā)的一系列水資源水環(huán)境問題，認(rèn)識到煤是資源、水是資源、氣(煤層氣)也是資源，在水、煤與氣(煤層氣)等資源互耗基礎(chǔ)上，提出水、煤和氣(煤層氣)三種基礎(chǔ)戰(zhàn)略性資源同步利用的理念，合理開發(fā)利用水資源，遏制水環(huán)境惡化是今后西南地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展亟待解決的問題。

(2)中國西南煤炭資源在未來大開發(fā)中應(yīng)做到采前勘察詳細(xì)、預(yù)測準(zhǔn)確和規(guī)劃保護(hù)合理，準(zhǔn)確定位水資源水環(huán)境問題的可防性、可控性、可治性;采中治理和防治措施(或方案)到位;采后做到水資源效益、水環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益可觀。

(3)煤炭開采對煤田區(qū)的“四圈”進(jìn)行大規(guī)模、長期持續(xù)的干擾、破壞與重組，嚴(yán)重破壞人居環(huán)境，人地關(guān)系在煤炭采掘中逐漸惡化，對子孫后代造成重大災(zāi)難。長期、高強(qiáng)度、大面積開采地下煤炭資源，直接或間接誘發(fā)的水資源水環(huán)境問題愈演愈烈。開采所帶來的一系列問題也在中國各種礦床的前列，政府應(yīng)加大對水文地質(zhì)的工作力度，建立健全煤礦水資源合理開發(fā)和水環(huán)境保護(hù)的示范性區(qū)，探索煤炭資源采前、采中和采后不同階段的影響，尤其是采后長期監(jiān)測、恢復(fù)治理和保護(hù)的方案及其效果，為即將采煤礦區(qū)提供技術(shù)支撐。

(4)煤炭資源開采致使煤礦礦井水污染的地表水灌溉入滲中發(fā)生可溶鹽作用、離子交換作用和水巖作用等［6］、煤矸石周圍土壤中微量元素的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于土壤背景值［7］，含水層被污染，也是未來煤田區(qū)含水層修復(fù)和地下水環(huán)境修復(fù)的重要領(lǐng)域。

(5)煤炭資源巨大的經(jīng)濟(jì)效益促使煤炭探采相關(guān)工作的不重視，尤其水文地質(zhì)、工程地質(zhì) 和環(huán)境地質(zhì)工作。甚至在采前階段無相關(guān)技術(shù)員的條件下進(jìn)行探煤，在開采過程中對水資源水環(huán)境也沒有足夠重視，增加煤礦礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)和恢復(fù)治理工作難度。尤其采煤過程中誘發(fā)的系列災(zāi)害具有潛伏性、長期性、突發(fā)性、群發(fā)性和次生災(zāi)害多等特征，而這些特征多數(shù)在閉坑后長期潛伏，其政府追究責(zé)任困難。為緩解人地關(guān)系，營造良好的人居環(huán)境，應(yīng)在煤炭資源開采的各個環(huán)節(jié)增強(qiáng)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)的工作深度，實現(xiàn)水資源開發(fā)和水環(huán)境保護(hù)的科學(xué)化、定量化和規(guī)范化。

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