榆神礦區(qū)小壕兔區(qū)采煤對(duì)地下水環(huán)境影響分析

王 楨，高 雪，高伯賢

(陜西省煤田地質(zhì)局一三一隊(duì)，陜西 韓城715400)

1991年范立民提出了保水采煤?jiǎn)栴}并進(jìn)行了長(zhǎng)期的系統(tǒng)研究，取得了一系列成果，提出了合理選擇開(kāi)采區(qū)域(科學(xué)規(guī)劃)和選擇合適的采煤方法(科學(xué)開(kāi)采)實(shí)現(xiàn)保水采煤的兩個(gè)有效途徑(范立民，2005，2011)，近年來(lái)，在榆神礦區(qū)一期開(kāi)采區(qū)、神北礦區(qū)開(kāi)展了工程實(shí)踐，取得重要進(jìn)展，促進(jìn)了陜北乃至我國(guó)西部地區(qū)豐富煤炭資源的科學(xué)開(kāi)采。然而，榆神礦區(qū)西部地區(qū)，由于處于勘查階段，保水采煤實(shí)踐還沒(méi)有展開(kāi)，此時(shí)進(jìn)行保水采煤技術(shù)研究，提出科學(xué)的開(kāi)采方法，對(duì)于促進(jìn)該區(qū)域采煤(經(jīng)濟(jì)發(fā)展)與保水(環(huán)境保護(hù))的協(xié)調(diào)發(fā)展，具有重大實(shí)際意義。

榆神礦區(qū)小壕兔一號(hào)井田(以下簡(jiǎn)稱(chēng)"井田")，位于陜北侏羅紀(jì)煤田深部中段，井田內(nèi)地下水含水層劃分為7層，它們的含水性能不一，富水性不同，水質(zhì)亦有差異。開(kāi)展井田地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)與分析，提出防治對(duì)策，預(yù)防與控制環(huán)境惡化，有利于保護(hù)地下水資源，為井田的建設(shè)提供地下水環(huán)境方面的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

小壕兔一號(hào)井田，面積 127.918 km2。東與小保當(dāng)二號(hào)井田相鄰，南與小壕兔二號(hào)井田為鄰，西與(小壕兔)西部勘查區(qū)相鄰，北為爾林兔勘查區(qū)(見(jiàn)圖1)。

圖1 井田與勘查區(qū)關(guān)

分析區(qū)內(nèi)地表被風(fēng)積砂所覆蓋，砂丘綿延起伏。依據(jù)地表形態(tài)，可分為砂梁、砂壟崗、砂丘鏈、窩狀砂丘、新月型砂丘和平砂地;依據(jù)地表植被覆蓋及發(fā)育特點(diǎn)，可分為固定砂、半固定砂和流動(dòng)砂。在地勢(shì)平坦的低洼地帶和砂丘洼地間，分布著大小不等的海子及為數(shù)有限的人工池塘(海子)。2004～2005年小壕兔勘查區(qū)普查時(shí)，可見(jiàn)大小不等的海子34個(gè)、水庫(kù)2座、泉點(diǎn)3個(gè)。與上世紀(jì)七十年代測(cè)繪的地形圖相比較，原有的湖泊、海子已逐漸縮小、退化或干涸，進(jìn)而被農(nóng)耕地和荒草地所替代。

考慮到礦井建成投產(chǎn)后，對(duì)井田內(nèi)地下水水質(zhì)可能產(chǎn)生影響的范圍(包含環(huán)境保護(hù)目標(biāo))作為析范圍較為合理?；谶@個(gè)原則，邊界選定以井田范圍作為地下水環(huán)境影響分析的范圍，控制面積 127.918 km2。

2 地下水環(huán)境及受保護(hù)的含水層

井田內(nèi)地表水有海子和池塘，水質(zhì)為 HCO3·Cl-Ca·K+Na型、HCO3·SO4-Ca型 HCO3-Ca型或 HCO3-Ca·Mg型，礦化度 0.431 ～0.852 g/L，總硬度(以 CaCO3計(jì))220.21 ～517.66 mg/L，pH 值 7.32 ～8.12，屬弱堿性淡水。NH4+含量 0.32 ～1.60 mg/L，NO3-含量 1.00 mg/L，化學(xué)耗氧量 CODMn2.85～38.83 mg/L。大腸菌群未檢出，菌落總數(shù)5.8×102cfu/mL，符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB3838-2002中的Ⅲ～Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，表明地表海子受到了有機(jī)物污染。

井田內(nèi)風(fēng)成砂及薩拉烏蘇組砂層水水位埋藏淺，水量大;水化學(xué)類(lèi)型以 HCO3-Ca型、HCO3-Ca·Mg型為主，礦化度一般小于0.221～0.357 g/L，水質(zhì)好。均符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)之規(guī)定。是良好的生活用水和鍋爐用水。然而，該層潛水埋藏淺，易受到人類(lèi)活動(dòng)和生活垃圾的污染，應(yīng)在保護(hù)的基礎(chǔ)上選擇利用。

白堊系下統(tǒng)洛河砂巖含水層厚度大，分布范圍廣，水位埋藏較淺，水量豐富;水化學(xué)類(lèi)型為 HCO3-K+Na型或HCO3-K+Na·Ca型，礦化度 0.447g～0.408 2 g/L。水質(zhì)較好，不易受到人類(lèi)活動(dòng)和生活垃圾的污染，是工業(yè)用水和生活用水的供水水源。

保護(hù)的含水層主要是第四系松散巖類(lèi)孔隙潛水含水層、白堊系下統(tǒng)洛河組中等富水含水層。

3 地下水環(huán)境影響分析

根據(jù)建設(shè)項(xiàng)目場(chǎng)地的飽氣帶防污性能、含水層污染特征、地下水環(huán)境敏感程度、污水排放量與污水水質(zhì)復(fù)雜程度等指標(biāo)確定地下水環(huán)境影響分析工作等級(jí)。

井田場(chǎng)地包氣帶巖性主要為巖性主要為中砂、細(xì)砂及粉砂，局部夾亞粘土或淤泥透鏡體，分布連續(xù)且穩(wěn)定，防污性能弱。

據(jù)擬建井田工程地質(zhì)資料，在勘探700 m深度范圍內(nèi)見(jiàn)到含水層七層，其中具有代表性的主要含水層三層。據(jù)井田水文地質(zhì)資料顯示，頂部的第四系松散巖類(lèi)孔隙潛水含水層巖性主要中砂、細(xì)砂及粉砂，水位埋藏較淺，一般1～8 m;上部的白堊系下統(tǒng)洛河組(K1l)中等富水含水層承壓水頭埋深4～5 m;下部的侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)3-1～5-2煤弱富水含水層地下水承壓水頭埋深78～83 m。井田地處毛烏素砂漠區(qū)，區(qū)內(nèi)正負(fù)地形高差一般不超過(guò)20 m，無(wú)地表水系、溝流和明顯而集中的出水點(diǎn)。松散砂層透水性強(qiáng)，降雨多直接滲入地下，就地就近補(bǔ)充地下水，很少形成地表徑流。三者聯(lián)系不密切。因此場(chǎng)地含水層污染特征分級(jí)屬不易。

井田及周邊地區(qū)，無(wú)集中生活供水水源地，也無(wú)生活水源地以外的國(guó)家或地方政府設(shè)定的與地下水環(huán)境相關(guān)的其它保護(hù)區(qū)，如熱水、礦泉水、溫泉等特殊地下水資源保護(hù)區(qū)。井田地表水平，分布零散的居民供水水源井，地下巖層處于傾斜地下水的補(bǔ)給地區(qū)，周邊地下水環(huán)境敏感程度屬于較敏感等級(jí)。

井田含煤地層侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)含水層，富水性弱，含水量較低，為防止井下排水、井上生產(chǎn)生活污水，對(duì)環(huán)境和地下水造成影響，對(duì)地面排水場(chǎng)地(底及岸坡)進(jìn)行全面防滲，污水零排放，污水排放強(qiáng)度級(jí)別為小。

成煤環(huán)境屬還原環(huán)境，在煤系中伴生的黃鐵礦，煤礦開(kāi)采后變化為氧化環(huán)境，在有水有氧條件下，煤系中黃鐵礦被氧化和分解產(chǎn)生酸性礦井水。酸性礦井水、煤矸石、棄渣、生活垃圾等構(gòu)成的固廢物，煤塵、粉塵土等，以及地表塌陷等，均會(huì)對(duì)周?chē)沫h(huán)境產(chǎn)生不良影響。按照污水水質(zhì)，需要預(yù)測(cè)的水質(zhì)指標(biāo)，進(jìn)行污水復(fù)雜程度分析。

4 煤礦建設(shè)對(duì)地下水環(huán)境的影響

4.1 污染源、污染物及防治措施分析

4.1.1 水污染源及污染物

煤礦在建設(shè)、生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中有棄渣、礦井水、煤矸石外排，有煤及矸石中的磷、砷、氟、氯有害物質(zhì)。影響水環(huán)境的主要是礦井水、棄渣、煤及矸石中有害物質(zhì)，在雨季被雨水淋濾后溶于雨水中，成為污染源。

煤礦有害物質(zhì)主要指井田內(nèi)煤及矸石中的磷、砷、氟、氯有害物質(zhì)。據(jù)化驗(yàn)資料，井田內(nèi)各煤層中磷(P)含量最大值為0.138%;砷(As)含量最大值為 51 ppm，氟(F)含量最大值為240 ppm，平均值79 ppm。在采礦過(guò)程中，砷、氟等可能造成環(huán)境污染(表1)。礦井生產(chǎn)期間所排廢水若處理不當(dāng)，可造成地表水及淺層地下水的污染。

表1 原煤(矸石)中有害元素含量綜合成果表

4.1.2 防治措施分析

為減少或避免礦井水造成水環(huán)境污染影響，在井下用作灑水除塵，富余部分外排，項(xiàng)目建設(shè)排水泵站、排水渠和排水池，不隨意排放?？刹捎萌斯竦氐确椒▽?duì)生活污水和礦井廢水進(jìn)行二級(jí)生化處理后用于灑水降塵、綠化及農(nóng)田灌溉，井下排水宜進(jìn)行必要的處理后加以利用，盡可能少量進(jìn)入地下水及地表水循環(huán)水量，達(dá)到礦坑排水綜合利用，避免水環(huán)境污染。污水排放應(yīng)符合 GB8978-1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》。此外，為防止?jié)B水滲入地下對(duì)地下水產(chǎn)生影響，工業(yè)廣場(chǎng)采用全場(chǎng)防滲。

4.1.3 煤塵、粉塵防治

當(dāng)固體廢棄物堆積高度達(dá)到設(shè)定標(biāo)高時(shí)，部分未經(jīng)覆蓋的固體廢棄物，在大風(fēng)天氣下，將產(chǎn)生揚(yáng)塵現(xiàn)象，可使井田周?chē)h(huán)境中顆粒物濃度增高。

因此，對(duì)采礦中形成的固體廢棄物，對(duì)達(dá)到堆積設(shè)定標(biāo)高的固體廢棄物及時(shí)采用當(dāng)?shù)氐乇硗辆植扛采w，封存時(shí)應(yīng)該置粘土墊層，以防止降水淋濾對(duì)地下水的污染，通過(guò)人工種植植被和定期澆水綠化，美化環(huán)境，防止遇風(fēng)起塵，預(yù)防污染大氣環(huán)境。

4.2 對(duì)地下水環(huán)境的影響

煤礦建設(shè)階段和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)期，由于產(chǎn)生含有有害物質(zhì)棄渣，雨季淋濾棄渣中的有害成分，通過(guò)防滲薄弱部位，進(jìn)入包氣帶，長(zhǎng)期入滲，對(duì)地下水造成一定得影響。服務(wù)期滿(mǎn)后，受到降水淋濾作用，棄渣中有害成分持續(xù)浸出，對(duì)地下水水質(zhì)造成長(zhǎng)期的影響。

4.3 分析因子選擇

根據(jù)各項(xiàng)危害成分的組成及當(dāng)?shù)氐叵滤δ軈^(qū)劃，確定地下水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀分析因子:監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括:pH、總硬度、溶解性總固體、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、硫酸鹽、氯化物、氟化物、氰化物、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、硫化物、Hg、Cd、Cr6+、As、Pb、Ni、Ag、Mn、Fe、Cu、Zn、細(xì)菌總數(shù)、總大腸菌群共計(jì) 25 項(xiàng)。

5 地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)與分析

煤礦位于毛烏素沙漠區(qū)，區(qū)內(nèi)沒(méi)有地表水流。煤炭經(jīng)提升設(shè)備運(yùn)至工業(yè)廣場(chǎng)堆存，煤炭含水量小于10%，不會(huì)形成地表徑流。

井田淺層地下水埋深較淺，地下水位埋深在5 m以?xún)?nèi)。非正常情況下，產(chǎn)生的礦井水，水量小，不會(huì)引起地下水位變化。因此地下水環(huán)境影響分析主要從水質(zhì)方面考慮。

井田是地下水水質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)污染源，煤礦所排煤矸石礦中含有磷、砷、氟、氯有害物質(zhì)。為預(yù)防井田有害物質(zhì)礦水滲漏污染地下水水質(zhì)，對(duì)礦區(qū)及農(nóng)村分散式供水井造成影響，對(duì)井田滲漏進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，為風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生后的應(yīng)急預(yù)案提供依據(jù)。井田對(duì)地下水環(huán)境的影響，主要來(lái)自于煤矸石淋溶及浸出水中的污染物質(zhì)隨廢水下滲對(duì)附近淺層地下水水質(zhì)的影響。

根據(jù)煤礦水文地質(zhì)條件，沙漠區(qū)砂土滲透能力強(qiáng)，淺層第四系松散巖類(lèi)孔隙潛水地下水埋深較淺，容易受到污染。深層白堊系下統(tǒng)洛河組含水層，由于上伏有新近系紅土隔水層的保護(hù)，很難入滲到其中。

煤礦所排煤矸石礦中含有磷、砷、氟、氯有害物質(zhì)，雖然進(jìn)行了嚴(yán)格防滲保護(hù)，但是一旦出現(xiàn)防滲層破損事故，含有害物質(zhì)廢水將滲漏進(jìn)入地下水環(huán)境，可能造成一定時(shí)期一定范圍內(nèi)地下水環(huán)境的污染。根據(jù)實(shí)際情況，井田防滲層的破損可能發(fā)生在各個(gè)不同部位。從環(huán)境安全的角度考慮，假設(shè)污染物持續(xù)發(fā)生滲漏，預(yù)測(cè)井田下游含水層10年、20年、50年、100年污染影響范圍。

井田未開(kāi)采，考慮在工業(yè)化生產(chǎn)中，雖然含有磷、砷、氟、氯有害物質(zhì)可能存在輕微超標(biāo)的現(xiàn)象，隨雨水淋溶進(jìn)入地下水的可能性很小，且其對(duì)地下水的污染是隨淋溶水在地下水中運(yùn)移、擴(kuò)撒，煤矸石內(nèi)有害物質(zhì)中砷、氟含量較高。將砷、氟作為預(yù)測(cè)分析對(duì)象。

水是溶質(zhì)運(yùn)移的載體，地下水流場(chǎng)是溶質(zhì)運(yùn)移模擬的基礎(chǔ)，在溶質(zhì)運(yùn)移模擬前，需先建立模擬區(qū)地下水流場(chǎng)模型。建立地下水系統(tǒng)的概念模型，是根據(jù)建模的要求和具體的水文地質(zhì)條件，對(duì)系統(tǒng)的主要因素和狀態(tài)進(jìn)行刻畫(huà)，簡(jiǎn)化或忽略與系統(tǒng)目的無(wú)關(guān)的某些系統(tǒng)的要素和狀態(tài)，以便于數(shù)學(xué)描述。根據(jù)水文地質(zhì)條件分析，將模擬區(qū)的含水層概化為單一潛水含水層。根據(jù)地下水流場(chǎng)圖，模擬區(qū)上邊界設(shè)計(jì)為開(kāi)放邊界，主要接受大氣降水通過(guò)上伏的松散層的入滲補(bǔ)給。模擬區(qū)地下水系統(tǒng)的概念模型可概化成非均質(zhì)各向同性，空間三維結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)。地下水流場(chǎng)擬合，根據(jù)區(qū)域地下水流場(chǎng)圖，進(jìn)行粗略擬合，進(jìn)行模擬計(jì)算。

地下水污染模擬按極端情況考慮，煤矸石及礦井水滲水不斷下滲，逐漸飽和，形成一個(gè)固定污染源強(qiáng)，直接進(jìn)入淺層地下水中。對(duì)污染質(zhì)與水體、固體介質(zhì)等的化學(xué)反應(yīng)(如酸堿反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、吸附、交換、揮發(fā)及生物化學(xué)反應(yīng))等可能存在的環(huán)境消減因素等不做考慮。

6 地下水環(huán)境保護(hù)措施

為了確保礦井建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展和對(duì)自然環(huán)境的最大保護(hù)，根據(jù)井田的實(shí)際情況，從控制可能產(chǎn)生污染的全過(guò)程、地下水監(jiān)測(cè)和地下水污染應(yīng)急措施等方面提出了地下水污染防治措施。

(1)合理選擇水源地與工業(yè)廣場(chǎng)的相對(duì)位置，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)與資源循環(huán)利用?？茖W(xué)地選擇采煤方法與工藝，盡可能地保護(hù)地下含水層的完整性。

(2)對(duì)劃定的地表水水源地應(yīng)留有足夠的保護(hù)煤柱，以防受采空裂隙的影響而使地表水漏失，既失去了寶貴的地下水資源又給井下煤層開(kāi)采帶來(lái)水患災(zāi)害。

(3)針對(duì)地表水及薩拉烏蘇組潛水容易受到污染的實(shí)際情況，可采用人工濕地等方法對(duì)生活污水和礦井廢水進(jìn)行二級(jí)生化處理后用于灑水降塵、綠化及農(nóng)田灌溉，未來(lái)井下排水宜進(jìn)行必要的處理后加以利用，盡可能少量進(jìn)入地下水及地表水循環(huán)水量，達(dá)到礦坑排水綜合利用，避免水環(huán)境污染。污水排放應(yīng)符合GB8978-1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》。

(4)對(duì)未來(lái)采礦中形成的固體廢棄物，應(yīng)選擇合理場(chǎng)地封閉存放，封存時(shí)應(yīng)該置粘土墊層，以防止降水淋濾對(duì)地下水的污染，并覆土種草，防止遇風(fēng)起塵。

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