后溝煤礦巖溶水取水條件研究

張力鵬

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院 山西太原030024）

0 引言

地下水是我國水資源的重要組成部分，對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。在我國缺水的北方地區(qū)，多年來開采地下水引發(fā)了一系列環(huán)境地質(zhì)問題，造成水資源供需矛盾日益突出，引起學(xué)者們的高度重視。劉金峰等研究認(rèn)為過量開采奧灰水是天津?qū)氎婵h隱伏巖溶區(qū)產(chǎn)生地裂縫的主導(dǎo)因素[1]；李志明等認(rèn)為河北邢臺(tái)柏鄉(xiāng)地裂縫主要是過量開采地下水引起[2]；張文華指出太原市地面沉降是由于過量開采中深層孔隙地下水引起地下水位急劇下降造成的[3]；楊麗芝等指出華北平原長期超量開采和不合理的開采布局，致使地下水的資源功能不斷衰退，并產(chǎn)生地面沉降、地面塌陷、咸水入侵等環(huán)境地質(zhì)問題[4]；楊楠等研究認(rèn)為北京懷柔應(yīng)急水源地地下水由于長期大量開采，導(dǎo)致地下水位下降并引起水質(zhì)變化[5]。在我國北方許多煤礦區(qū)，由于無地表水及受到遠(yuǎn)距離供水條件的限制，生產(chǎn)補(bǔ)充水源和生活水源主要依賴開采煤礦區(qū)的地下水，而地下水取水條件是否可行直接影響到煤礦生產(chǎn)生活的順利進(jìn)行，因此必須加強(qiáng)對煤礦區(qū)地下水取水條件的分析研究。山西是我國的煤炭大省，同時(shí)也是我國北方巖溶分布較多的省份，擁有19個(gè)大泉及其巖溶泉域，大部分煤礦都位于巖溶泉域范圍內(nèi)，并有自備巖溶供水井來滿足生產(chǎn)生活的需求，巖溶地下水的開發(fā)利用對山西煤炭資源的開采做出了貢獻(xiàn)。后溝煤礦位于山西省和順縣城西北約2.5km的義興鎮(zhèn)后溝村以北，為資源整合單獨(dú)保留的擴(kuò)區(qū)煤礦，井田面積6.5322km2，設(shè)計(jì)開采8號(hào)、15號(hào)煤層，生產(chǎn)能力300 kt/a。該煤礦在娘子關(guān)泉域內(nèi)，為滿足生產(chǎn)補(bǔ)充和生活取水的需要，擬打一眼供水井，設(shè)計(jì)取水地點(diǎn)在井田工業(yè)場區(qū)，取水水源為當(dāng)?shù)貛r溶地下水，設(shè)計(jì)生活取水7萬m3/a，生產(chǎn)補(bǔ)充取水3.2萬m3/a。為確保后溝煤礦煤炭資源的可持續(xù)開發(fā)利用，進(jìn)行巖溶水取水條件研究是非常必要的，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義?；诖?，在分析后溝煤礦地質(zhì)、水文地質(zhì)等資料的基礎(chǔ)上，對巖溶水取水條件進(jìn)行了分析，并提出了煤礦區(qū)水資源保護(hù)措施，以期為后溝煤礦巖溶水資源開發(fā)利用及管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 礦井概況

后溝井田位于太行山中段西側(cè)，屬中低山侵蝕區(qū)，溝谷縱橫發(fā)育。區(qū)內(nèi)地勢總體為北西高、南東低，最大相對高差為210.8m。本區(qū)位于沁水煤田的東北邊緣，和順普查勘探區(qū)中段。井田內(nèi)無常年性河流，發(fā)育的沖溝均為季節(jié)性溝谷，平時(shí)干涸無水，僅雨季有短暫洪水通過。井田賦存的地層由老至新有奧陶系、石炭系、二疊系及第四系。井田主要含水層為奧陶系中統(tǒng)巖溶含水層組、石炭系上統(tǒng)太原組灰?guī)r巖溶含水層組、石炭系上統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水層組、二疊系下統(tǒng)石盒子組砂巖裂隙含水層組、第四系沖積—洪積孔隙含水層組。本井田屬娘子關(guān)泉域南部深埋藏補(bǔ)給徑流區(qū)，奧陶系灰?guī)r在區(qū)內(nèi)東外圍大面積出露，為裸型巖溶區(qū)，巖溶發(fā)育，接受大氣降水補(bǔ)給，富水性強(qiáng)。太原組、山西組、石盒子組基巖裂隙富水性弱，第四系松散層沉積厚度偏小，富水條件差。

2 巖溶水取水條件分析

2.1 含水層埋藏條件

后溝井田屬娘子關(guān)泉域南部深埋補(bǔ)給徑流區(qū)，奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r含水層在區(qū)域以東大面積出露，為一套淺海相碳酸鹽巖沉積，巖性以石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及角礫狀泥灰?guī)r為主，其次為泥灰?guī)r、白云巖及石膏等，區(qū)域總厚約585m，劃分為上、下馬家溝組，峰峰組。根據(jù)后溝煤礦補(bǔ)充勘探地質(zhì)報(bào)告，井田南部C15、C16和C13鉆孔揭露奧陶系灰?guī)r頂面埋深分別為495.35m、444.90 m、485.16m。因此，井田范圍內(nèi)奧灰頂面一般埋深小于500 m，適合開采巖溶水，鑿井難度不大。

2.2 含水層巖溶發(fā)育特征

根據(jù)井田周邊鉆孔資料，蔡家莊6號(hào)孔揭露峰峰組86.07m，巖性以角礫狀泥灰?guī)r占優(yōu)勢，溶洞普遍發(fā)育，大者可達(dá)1.5m；105號(hào)孔鉆進(jìn)奧灰?guī)r深度為215.32m，其中下部石膏層厚34m，為灰?guī)r、泥灰?guī)r及白云巖互層，在285～290.50 m處，裂隙較發(fā)育，巖芯破碎，有鐵質(zhì)侵染，并有溶孔發(fā)育。上馬家溝組厚235.78m，石灰?guī)r占78%，白云質(zhì)灰?guī)r占13%，石灰?guī)r裂隙溶孔均很發(fā)育，溶孔直徑3～6mm，裂隙寬20 mm。揭露下馬家溝組121.70 m，巖性為石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及白云質(zhì)泥灰?guī)r，其裂隙及巖溶均不很發(fā)育?？梢?，本區(qū)奧陶系灰?guī)r含水層巖溶較為發(fā)育，富水性較好，可為后溝煤礦提供一定數(shù)量的巖溶水。

2.3 巖溶水水位埋深

根據(jù)收集的資料，距離本井田南約5km的鳳臺(tái)煤礦的一眼供水井，2004年成井，井深801.33m，靜止水位標(biāo)高728.48m，埋深571.52m，單井出水量50 m3/h。在井田西南4km處的和順縣城東窯溝口巖溶供水井，1995年成井，井深720 m，水位埋深480 m，靜水位標(biāo)高770 m。在井田北部25km處的大寨巖溶井，1996年成井，井深672.91m，水位埋深483.8m，靜水位標(biāo)高428m，單井出水量50 m3/h。

分析上述資料，最南部的鳳臺(tái)煤礦巖溶供水井2004年水位標(biāo)高728.48m；中部東窯溝口巖溶供水井1995年水位標(biāo)高770m；北部大寨巖溶供水井1996年水位標(biāo)高428m。根據(jù)娘子關(guān)泉域巖溶水水文地質(zhì)條件和地下水流場，本井田所在區(qū)域巖溶水流向由南向北，理論上講，中部東窯溝口巖溶井水位標(biāo)高應(yīng)低于鳳臺(tái)煤礦巖溶井水位標(biāo)高，但考慮兩井成井時(shí)間，大約相差10年，其水位過程應(yīng)有變化。根據(jù)和順縣歷年巖溶水開采量情況分析以及區(qū)域巖溶水位趨勢情況分析，推斷東窯溝口巖溶井水位應(yīng)有下降，其標(biāo)高應(yīng)低于成井時(shí)間所測水位值，同時(shí)低于鳳臺(tái)煤礦巖溶井水位值，即水位標(biāo)高小于728.48m。由于本井田奧灰水處于鳳臺(tái)煤礦和東窯溝奧灰水下游、大寨奧灰水的上游，因此，推斷后溝井田內(nèi)巖溶水位標(biāo)高約673m左右，水位埋深大于427m。

2.4 巖溶水開采條件分析

2.5 生活飲用水水質(zhì)評價(jià)

2.6 工業(yè)鍋爐用水水質(zhì)評價(jià)

后溝煤礦工業(yè)鍋爐用水為井田巖溶水，本次分析仍以前述鳳臺(tái)煤礦巖溶水樣為參證水樣進(jìn)行評價(jià)。對工業(yè)鍋爐用水的水質(zhì)評價(jià)主要采用成垢作用、起泡作用、腐蝕作用三方面進(jìn)行，經(jīng)評價(jià)后認(rèn)為該區(qū)巖溶水屬鍋垢很多的、具有硬沉積物的、不起泡的、半腐蝕性水，經(jīng)一定的軟化及防腐處理后適宜于工業(yè)鍋爐用水。

綜上所述，后溝煤礦巖溶水能滿足煤礦生產(chǎn)和生活取水要求，取水條件是可行的。

3 水資源保護(hù)措施

3.1 工程措施

為了有效保護(hù)煤礦區(qū)巖溶地下水，后溝煤礦應(yīng)對廢水處理回收利用，達(dá)到零排放目標(biāo)：礦井工業(yè)場地的排水主要是浴室、食堂、宿舍等建筑物所排放的生活污水，經(jīng)排水管網(wǎng)匯集至生活污水處理站，采用地埋式污水處理裝置進(jìn)行處理，經(jīng)處理后水質(zhì)達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB8978-1996）中一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，可用于井下灑水以及廠區(qū)除塵、綠化等。生活垃圾運(yùn)往指定的垃圾堆放場地，進(jìn)行衛(wèi)生填埋處置。

3.2 非工程措施

3.2.1 綜合利用礦井水

回用礦井水時(shí)應(yīng)根據(jù)利用方向按因地制宜、經(jīng)濟(jì)方便的原則，適當(dāng)處理后優(yōu)先保證礦區(qū)內(nèi)用水，尤其要優(yōu)先考慮井下用水，做到先井下后井上，先礦內(nèi)后礦外，先生產(chǎn)后生活，充分發(fā)揮礦區(qū)內(nèi)現(xiàn)有水利設(shè)施的潛能，避免重復(fù)建設(shè)。

3.2.2 嚴(yán)格控制娘子關(guān)泉域巖溶水的開采

根據(jù)《山西省泉域管理辦法》，娘子關(guān)泉域?yàn)橐患?jí)泉域保護(hù)區(qū)，本辦法第五條規(guī)定：“任何部門，在泉域范圍內(nèi)進(jìn)行水文地質(zhì)勘探，興建地下工程，開發(fā)利用泉水或地下水，都必須按管理等級(jí)，向水資源主管部門提出申請。經(jīng)批準(zhǔn)發(fā)給證書后，方可動(dòng)工。”第七條規(guī)定：“嚴(yán)禁在泉域范圍內(nèi)擅自挖泉、截流、打井和任意排放污水、廢液?！备鶕?jù)《山西省泉域水資源保護(hù)條例》第十三條規(guī)定：“泉域水資源的開發(fā)利用，須優(yōu)先滿足城鄉(xiāng)居民生活用水，統(tǒng)籌兼顧農(nóng)業(yè)、工業(yè)用水和其他用水需要，兼顧地區(qū)之間的利益，保護(hù)泉域生態(tài)環(huán)境，發(fā)揮水資源的綜合效益，不得損害公共利益和他人的合法權(quán)益”。因此，從保護(hù)娘子關(guān)泉域巖溶水的角度出發(fā)，后溝煤礦巖溶水取水量必須控制在批復(fù)水量之內(nèi)，不應(yīng)加大對泉域巖溶水的開采。

4 結(jié)論

（1）后溝煤礦巖溶水能滿足煤礦生產(chǎn)和生活取水要求，取水條件是可行的。（2）提出的水資源保護(hù)措施可有效保護(hù)當(dāng)?shù)貛r溶地下水資源。（3）研究成果為后溝煤礦巖溶水資源開發(fā)利用及管理提供科學(xué)依據(jù)。

[1]劉金峰，謝 健，邢 罡.天津?qū)氎婵h隱伏巖溶區(qū)地下水開發(fā)與地裂縫成生關(guān)系研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2005，32（6）:38-41.

[2]李志明，楊旭東，蘭劍梅，等.河北邢臺(tái)柏鄉(xiāng)地裂縫成因分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2010，37（2）:135-138.

[3]張文華.太原市地面沉降的現(xiàn)狀及發(fā)展變化趨勢 [J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2010，21（4）:38-40.

[4]楊麗芝，張 勇，劉春華.華北平原地下水資源功能衰退與可持續(xù)利用研究[J].工程勘察，2013（6）:48-55.

[5]楊 楠，周 俊，李世君，等.地下水開采引起水質(zhì)變化的機(jī)理——以北京懷柔應(yīng)急水源地為例[J].水資源保護(hù)，2013，29（3）:15-19.