新登禹礦區(qū)礦井水資源化利用研究

張一博，趙繼先

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450045）

0 引言

近年來，河南省存在巖溶地下水嚴(yán)重超采現(xiàn)象，尤其是長期開采煤礦的礦區(qū)。 煤礦礦區(qū)所在的基巖山區(qū)及山前丘陵區(qū)一般是水資源嚴(yán)重短缺的區(qū)域，由于礦井水消耗了大量的地下水資源， 因而進(jìn)一步加劇了該區(qū)水資源緊張的局面［1］。 礦井水無論在數(shù)量上還是在水質(zhì)上均具備再利用的可能， 因此將礦井水加以資源化利用， 是解決該區(qū)水資源問題的主要措施之一［2］。

新登禹礦區(qū)作為河南省較大的煤礦開采礦區(qū)，煤礦資源豐富，礦井水排放量亦較大。分析礦區(qū)所在縣市用水現(xiàn)狀可知， 地下水是該區(qū)域最主要的供水水源，多年平均供水量約占總供水量的90%。 地下水的開采對保障經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展發(fā)揮了不可替代的作用。20 世紀(jì)80 年代以來，由于用水需求日益增加，出現(xiàn)了大規(guī)模開采地下水現(xiàn)象，造成區(qū)域地下水位持續(xù)下降、地面沉陷、房屋出現(xiàn)裂縫、山泉斷流、機(jī)井報(bào)廢、水澆地面積大幅減少等現(xiàn)象，引發(fā)了一系列生態(tài)與環(huán)境地質(zhì)問題，危及供水安全、生態(tài)安全和社會安全， 也嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。 因此，加快地下水超采區(qū)治理已刻不容緩。

1 新登禹礦區(qū)概況

1.1 自然概況

新登禹礦區(qū)包括新密礦區(qū)、 登封礦區(qū)、 禹州礦區(qū)，三礦區(qū)彼此相連。

新密礦區(qū)位于鄭州礦區(qū)東南部， 含煤面積約780 km2，地跨新密、新鄭、登封、尉氏等市縣。 新密煤田北起煤層露頭和王口斷層，南到新莊斷層，西以王莊礦、小河礦西界連線為界，東到二1 煤層-1 500 m等深線、大隗斷層、李糧店斷層。 礦區(qū)內(nèi)的大型生產(chǎn)礦井有鄭煤集團(tuán)的裴溝礦、米村礦、蘆溝礦、大平礦、超化礦和趙家寨礦，國投河南公司的王行莊礦。

登封礦區(qū)位于河南省西南部， 自西向東橫跨伊川、汝陽、汝州、登封和新密等縣市，以登封和伊川為主。 該礦區(qū)西鄰宜洛礦區(qū)，東與新密礦區(qū)相接，西起紙房斷層，東至東瓦店斷層，北以月灣斷層和二1 煤層-1 500 m 等深線為界，南止于二1 煤層露頭，東西長70 km，南北寬12 km，面積760 km2。 登封礦區(qū)位于嵩山背斜和箕山背斜之間的潁陽—蘆店向斜之南翼，自西向東有寶雨山井田、馬嶺山井田、郭溝井田、新新井田、箕山井田、告成井田和蘆店勘查區(qū)。目前，生產(chǎn)礦井主要有寶雨山礦、何莊礦、新新礦、鄧槽礦、新登礦和告成礦。

禹州礦區(qū)位于河南省中部的禹州境內(nèi)， 北鄰新密和登封，南接平頂山，西鄰臨汝煤田，東至京廣鐵路線，煤田東西長約105 km，南北寬約43 km，含煤面積1 560 km2，含煤地層是石炭系太原組、二疊系山西組和石盒子組，可采煤層有六層，其中二1 煤和七2 煤普遍可采，二1 煤厚3～6 m，是各礦主采煤層。由于煤層埋藏淺，開采便利，該礦區(qū)大小煤礦星羅棋布，最多時曾有600 多個小煤窯，2004 年后，關(guān)閉了大部分不符合安全生產(chǎn)條件的小煤礦， 剩余小煤礦相繼被省內(nèi)大型煤企整合兼并。當(dāng)前，生產(chǎn)規(guī)模較大的煤礦有：平禹一礦、神火梁北礦、神火泉店礦、平禹二礦、平禹四礦、平禹鳳翅山礦、方山礦新井等。

1.2 地下水開采概況

巖溶水超采量主要為山丘區(qū)煤礦疏干排水和泉水溢出量。 2014 年11 月，河南省水利廳下發(fā)的《關(guān)于河南省地下水超采區(qū)范圍的通知》（豫水政資〔2014〕76 號）指出，2001～2010 年，河南省巖溶水超采區(qū)地下水可開采量為5.10 億m3，區(qū)內(nèi)年平均實(shí)際開采量為7.07 億m3，年均超采量為1.97 億m3；巖溶水超采區(qū)共有4 個，其中，安陽小南海泉為一般超采區(qū)，輝縣百泉泉域、滎鞏采礦區(qū)、新登禹采礦區(qū)均屬嚴(yán)重超采區(qū)［3］。

根據(jù)2020 年河南省水利廳組織開展的河南省巖溶水超采區(qū)復(fù)核工作成果（評價期為2011～2018年），復(fù)核后河南省巖溶水超采區(qū)面積、分布區(qū)域、超采程度與上次評價結(jié)果均未發(fā)生變化。 2011～2018 年， 河南省巖溶水超采區(qū)地下水可開采量為4.89 億m3， 區(qū)內(nèi)年平均實(shí)際開采量為6.72 億m3，年均超采量為1.83 億m3，其中新登禹礦區(qū)仍屬于巖溶水嚴(yán)重超采區(qū)。 2 個評價期的超采情況如表1所示。

表1 新登禹礦區(qū)地下水超采情況一覽表Tab.1 List of groundwater overexploitation in mining area of Xinmi， Dengyu and Yuzhou

從表1 可以看出， 盡管新登禹礦區(qū)在2011～2018 年評價期內(nèi)較2001～2010 年評價期內(nèi)年均實(shí)際開采量減少了2 400 萬m3，年均超采量減少1 000萬m3，但仍屬于巖溶地下水嚴(yán)重超采區(qū)。

2 礦井水資源評價

2.1 礦井水水量分析

2.1.1 新密礦區(qū)

新密礦區(qū)內(nèi)大中型生產(chǎn)礦井有鄭煤集團(tuán)的超化礦、裴溝礦、米村礦、大平礦、蘆溝礦和趙家寨礦（新鄭煤電），國投河南公司的王行莊礦，總產(chǎn)能幾乎占整個礦區(qū)現(xiàn)有煤礦總產(chǎn)能的50%。 六家煤礦2010年后總排水量在4 000～5 000 m3／h 之間波動， 其他兼并重組煤礦除振興二礦、宋樓煤礦、中原乾通、鄭宏恒泰礦正常生產(chǎn)時排水量大于100 m3／h 外，其余均小于80 m3／h。 2016 年，新密-鄭州礦區(qū)6 對主力礦井排水量為4 385 m3／h， 整合重組的中小煤礦總排水量為2 224 m3／h，整個礦區(qū)礦井水總量為6 609 m3／h。

2.1.2 登封礦區(qū)

2016 年，告成礦、白坪礦和寶雨山礦平均排水量為1 708 m3／h， 登封礦區(qū)其他46 對中小煤礦中，在按產(chǎn)能正常生產(chǎn)的條件下，總排水量為2 309 m3／h。由于不少兼并重組煤礦處在瀕臨停產(chǎn)狀態(tài)，甚至有的已經(jīng)被關(guān)停，所以實(shí)際排水總量較統(tǒng)計(jì)數(shù)較小。 參照全省統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，中小煤礦的原煤產(chǎn)量僅能達(dá)到產(chǎn)能的30%～40%，故這些煤礦的總排水量按60%估算，其值為1 385 m3／h。 登封礦區(qū)排水量為3 093 m3／h。

2.1.3 禹州礦區(qū)

禹州礦區(qū)排水量大的礦井主要有平禹一礦、方山新井、 梁北礦和泉店礦，2016 年合計(jì)排水量為2 964 m3／h，占礦區(qū)總排水量的71.5%［4］。 禹州礦區(qū)總礦井排水量為4 147 m3／h。

2.2 礦井水質(zhì)量

2.2.1 新密礦區(qū)

新密礦區(qū)（含新鄭）對礦井有充水作用的含水層有第四系松散沉積物孔隙水含水層、 基巖風(fēng)化帶沙巖裂隙水含水層、二1 煤頂板沙巖裂隙水含水層、太原組L7～L8巖溶水含水層、太原組L1～L4巖溶水含水層、奧陶系馬家溝組灰?guī)r巖溶水含水層。

經(jīng)對區(qū)內(nèi)水量較大的盧溝礦、裴溝礦、超化礦、王行莊礦和趙家寨礦的礦井排水進(jìn)行檢測分析及評價，新密礦區(qū)礦井水屬于懸浮物超標(biāo)的一般礦井水，超生活飲用水指標(biāo)的項(xiàng)目集中在氟化物和總鐵。 盧溝礦井水屬Ⅲ類地下水，裴溝礦、趙家寨礦井水屬Ⅳ類地下水，超化礦、王行莊礦井水屬Ⅴ類地下水，超標(biāo)項(xiàng)目集中在總鐵。 礦區(qū)的礦井水均適宜用作農(nóng)田灌溉用水。

2.2.2 登封礦區(qū)

寒武系灰?guī)r巖溶水和太原組灰?guī)r巖溶水是登封礦區(qū)各礦開采二1 煤（尤其是開采一7 煤）時最主要的充水水源。對區(qū)內(nèi)水量較大的登封白坪礦、登封告成礦礦井排水進(jìn)行檢測分析， 兩礦礦井水總鐵均超出生活飲用水指標(biāo)，白坪礦礦井水另有氟化物、鋁超出生活飲用水指標(biāo)，兩礦礦井水均屬Ⅳ類地下水，可作為農(nóng)田灌溉用水。

2.2.3 禹州礦區(qū)

禹州礦區(qū)充水水源主要是二1 煤底板石炭系薄層灰?guī)r巖溶水和寒武系灰?guī)r巖溶水， 礦井水化學(xué)類型主要是HCO3-Ca·Mg 型，少量為HCO3·SO4-Ca·Mg型，巖溶水水質(zhì)良好，沒有污染或輕微污染，可用于居民生活用水和工農(nóng)業(yè)用水。 經(jīng)對區(qū)內(nèi)水量較大的禹州梁北礦、平禹一礦礦井排水進(jìn)行檢測分析，平禹一礦礦井水各項(xiàng)指標(biāo)均符合生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)， 禹州梁北礦礦水井僅有NO3-超出生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)；平禹一礦礦井水屬Ⅲ類地下水，禹州梁北礦僅有NO3-超出地下水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，屬Ⅳ類地下水。

3 礦井水資源化利用

3.1 礦井水開發(fā)利用現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，新登禹礦區(qū)礦井水開發(fā)利用率在70%上下，以農(nóng)田灌溉為主，扣除農(nóng)田灌溉后的直接利用率僅為50%（詳見表2），開發(fā)利用潛力很大。 同時，各礦區(qū)礦井水利用方向有待于優(yōu)化，尤其是新登禹礦區(qū)，絕大部分煤礦礦井水質(zhì)量較好，應(yīng)充分發(fā)掘其使用潛力，將其用作城市或周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)、企業(yè)供水水源［5］。

新登禹礦區(qū)內(nèi)， 有部分煤礦建立了礦井水凈化處理設(shè)施，凈化后的水質(zhì)可達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)，但是規(guī)模較小， 比如新密礦區(qū)超化礦作為礦井水資源化利用的示范礦井， 建成了礦井水深度凈化處理系統(tǒng)及小型純凈水廠。

表2 各礦區(qū)及所在地利用礦井水情況統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistics of local mine water utilization in each mining area

3.2 礦井水資源化利用方向及可利用量

未來應(yīng)將礦井水作為一種水資源， 納入縣市的水資源配置規(guī)劃中。本著“優(yōu)質(zhì)水優(yōu)用，劣質(zhì)水劣用”“先井下后井上， 先生產(chǎn)后生活”“先礦區(qū)后城市，最后是農(nóng)業(yè)”的原則，對水資源進(jìn)行合理利用。 新登禹礦區(qū)內(nèi)礦井水水質(zhì)較好， 經(jīng)過簡單處理即可作為生活供水水源及工業(yè)供水水源。 電廠或熱電聯(lián)產(chǎn)工程冷卻用水和脫硫除塵用水量大，礦井水經(jīng)過處理后，能夠滿足電力生產(chǎn)企業(yè)工業(yè)用水的水質(zhì)要求［6］。 國家針對電力企業(yè)的用水，提出了“優(yōu)先選擇城市再生水和礦井排水、鼓勵利用地表水和限制使用地下水”的政策。 因此，具備使用礦井水條件的電力企業(yè)，應(yīng)優(yōu)先選擇礦井水作為生產(chǎn)用水的水源。 含一般懸浮物的礦井水經(jīng)過簡單處理后， 可以作為城市供水的水源［7］。 但是隨著南水北調(diào)水的引入，礦井水作為城市飲用供水的利用量將會有所下降。

根據(jù)新登禹礦區(qū)內(nèi)各礦區(qū)礦井水使用現(xiàn)狀及排水量、礦井水水質(zhì)，礦區(qū)內(nèi)每年尚有3 431 萬m3礦井水未得到有效利用。 新密礦區(qū)內(nèi)礦井水可替代部分地下水，作為新密市、新鄭市的生態(tài)用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水的水源；登封礦區(qū)內(nèi)礦井水除鐵后，可作為礦區(qū)周邊山區(qū)人民的飲用水源； 禹州礦區(qū)內(nèi)礦井水經(jīng)簡單處理后， 可作為周邊縣市、 企業(yè)飲用水源。當(dāng)前礦井水使用量最大的是農(nóng)田灌溉，新登禹礦區(qū)內(nèi)礦井水水質(zhì)較優(yōu)，若將其用作生活用水、工業(yè)用水，則可利用量可增加4 700 萬m3／a；若將灌溉用水置換為其他水源（例如地表水），則礦區(qū)內(nèi)礦井水可利用總量將達(dá)8 131 萬m3／a［8］。 新登禹礦區(qū)內(nèi)各礦井水可利用量統(tǒng)計(jì)情況如表3 所示。

表3 登禹礦區(qū)內(nèi)各礦井水可利用量統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Statistics of amount of available water of each mine in mining area of Dengyu and Yuzhou

3.3 礦井水資源化利用效益

通過提高礦井水利用程度，優(yōu)化其利用途徑，不僅新登禹礦區(qū)的地下水超采問題、 地面沉降等多方面的生態(tài)與環(huán)境問題將得到緩解， 還能促進(jìn)所在地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展， 對生態(tài)環(huán)境的改善也能起到積極作用。

4 結(jié)語

新登禹礦區(qū)包括河南省新密礦區(qū)、登封礦區(qū)、禹州礦區(qū)，地下水長期處于嚴(yán)重超采狀態(tài)。礦區(qū)內(nèi)煤礦礦井水水量較大，水質(zhì)較好，且目前開發(fā)利用程度不高，開發(fā)利用方向有待優(yōu)化。將礦井水經(jīng)過簡單處理后，可作為周邊縣市的生態(tài)用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水。 礦井水的資源化利用可以緩解該區(qū)地下水超采問題。