煤礦開采對(duì)區(qū)域地下水水質(zhì)影響特征研究

劉祥凱

（山西煤炭環(huán)境監(jiān)測中心站，山西 太原 030006）

引 言

山西煤炭資源查明儲(chǔ)量2 664億t，居全國第2位，占全國資源儲(chǔ)量的22.6%。山西含煤面積6.5萬km2，占其國土面積的40%。山西省是全國的煤炭輸出大省，在促進(jìn)全省經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)也給環(huán)境帶來諸多問題，特別是對(duì)地下水水質(zhì)水量造成了破壞。目前，山西省水環(huán)境質(zhì)量處于全國較低水平，這與大量煤炭開采活動(dòng)有著莫大關(guān)系。因此，煤炭行業(yè)污染物排放特征的研究對(duì)我省地下水質(zhì)水平的提升尤為重要。

煤炭開采對(duì)地下水水質(zhì)污染影響為，Ⅰ類區(qū)污廢水的產(chǎn)生與排放下滲進(jìn)入地下水造成污染。本項(xiàng)目Ⅰ類區(qū)包括煤礦工業(yè)場地和矸石場。據(jù)分析，本項(xiàng)目主工業(yè)場地正常情況下生活污水和礦井水經(jīng)處理后全部回用，不外排；矸石場堆矸后，由于場地積存水對(duì)矸石的浸泡下滲，可能對(duì)地下水造成污染影響。

1 水文地質(zhì)試驗(yàn)

為測試煤礦工業(yè)場地和矸石溝包氣帶的滲透系數(shù)，在工業(yè)場地做一組滲水試驗(yàn)，矸石溝做一組滲水試驗(yàn)。進(jìn)行滲水試驗(yàn)的地層主要為第四系素填土和二疊系上統(tǒng)上石盒子組砂土。滲水試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算成果見表1。

表1 滲水試驗(yàn)結(jié)果一覽表

1.1 工業(yè)場地污染源分析

1.1.1 工業(yè)場地污染因子分析

工業(yè)場地污水主要來自于礦井水和生活污水，處理后的生活污水和礦井水全部回用。正常情況下，來自工業(yè)場地的污水經(jīng)過處理不會(huì)對(duì)地下水水質(zhì)造成污染。但在事故狀態(tài)下或者處理過程中，由于跑、冒、滴、漏的原因有部分漏失到地下，可能會(huì)對(duì)局部淺層地下水造成一定的污染。

本次預(yù)測分析主要考慮在非正常工況下，工業(yè)場地生活污水和礦井水處理站在事故狀態(tài)下污水泄漏對(duì)淺水層地下水的影響。工業(yè)場地污廢水主要來自以下2個(gè)方面：1）礦井水處理站的礦井水污染因子為石油類；2）生活污水處理站的生活污水污染因子為NH3-N和石油類。工業(yè)場地污水的污染因子產(chǎn)生量和質(zhì)量濃度見第93頁表2。

表2 工業(yè)場地污水的污染因子產(chǎn)生量和質(zhì)量濃度

1.1.2 工業(yè)場地污染源源強(qiáng)分析

工業(yè)場地污水包括礦井水和生活污水。本次關(guān)于源強(qiáng)的計(jì)算過程不考慮吸附作用和化學(xué)反應(yīng)等因素，源強(qiáng)參數(shù)是基于先前研究的測試數(shù)據(jù)。礦井水主要污染物是石油類，初始質(zhì)量濃度為0.07mg/L，礦井水產(chǎn)生量為424.55m3/d。假設(shè)調(diào)節(jié)池面積的10%發(fā)生泄露，則礦井水石油類的泄漏量為2.97g/d。生活污水的主要污染物是NH3-N、石油類，初始質(zhì)量濃度NH3-N為20mg/L、石油類為0.25mg/L，產(chǎn)生量為87.33m3/d。假設(shè)調(diào)節(jié)池面積的10%發(fā)生泄露，則生活污水NH3-N的泄漏量為108.29g/d，石油類的泄漏量為2.18g/d。

1.2 矸石場污染源分析

1.2.1 矸石場概況

矸石場位于工業(yè)場地西南約100m處，土地類型為荒溝，該溝長約500m、寬20m～25m、深約10m，容積約10萬m3，可存放矸石9萬t，預(yù)計(jì)服務(wù)年限約3年。矸石堆置時(shí)，必須嚴(yán)格按照《一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》的要求進(jìn)行。矸石場露出的地層為風(fēng)化程度較高的二疊系及石炭系砂巖，易接受大氣降水的補(bǔ)給。矸石溝為山間荒溝，呈東南-西北走向，地形東南高、西北低，兩側(cè)為山坡。溝中局部有淺層第四系黃土覆蓋，下面為二疊系石盒子組及石炭系太原組砂質(zhì)泥巖，厚度約為50m，水位埋深較大。

1.2.2 矸石淋溶浸液試驗(yàn)分析

為分析礦井煤矸石對(duì)地下水環(huán)境的影響，根據(jù)礦井煤矸石淋溶試驗(yàn)結(jié)果對(duì)本礦矸石進(jìn)行分析，檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 煤層矸石淋溶浸液試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，矸石屬于《一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB18599-2001）中規(guī)定的第Ⅰ類——一般工業(yè)固體廢物，可送入所選矸石場中堆放。

1.2.3 矸石場污染源分析

矸石場在無降水的情況下，不會(huì)產(chǎn)生重力水對(duì)地下水滲入補(bǔ)給。但在持續(xù)降水條件下，雨水入滲將使煤矸石的含水量超過持水度，形成重力水，產(chǎn)生一定量的淋溶灰水，通過矸石場底層滲入地下，造成對(duì)區(qū)域地下水的污染。據(jù)有關(guān)部門測試，矸石場雖經(jīng)過碾壓，但仍具有一定的孔隙。因此，在降水條件下，矸石場將接受一定量的降水入滲量，當(dāng)其持水度超過最大持水度之后，則形成重力水（即，浸溶灰水），并向下運(yùn)移補(bǔ)給地下水。平均降水入滲水量可達(dá)到1 938m3/a，長時(shí)間的浸溶后形成矸石淋溶水，在重力作用下越流下滲到地下水體。

2 結(jié)果與討論

2.1 工業(yè)場地污水對(duì)區(qū)域地下水水質(zhì)的影響

2.1.1 工業(yè)場地溶質(zhì)遷移解析

工業(yè)場地中的礦井水處理站和生活污水處理站污水泄漏視為連續(xù)注入，忽略吸附作用和化學(xué)反應(yīng)等因素，采用一維穩(wěn)定流二維水動(dòng)力彌散—平面連續(xù)點(diǎn)源公式預(yù)測。本次預(yù)測了非正常工況下，礦井水處理站和生活污水處理站泄露整個(gè)礦井服務(wù)年限16.5a后，污染物進(jìn)入潛水層地下水后的遷移情況。礦井水中的石油類污染物在特定遷移距離處的預(yù)測結(jié)果見第94頁表4，生活污水中的氨氮和石油類污染物在特定遷移距離處的預(yù)測結(jié)果見表5和表6。

表4 礦井水泄漏16.5 a石油類在特定遷移距離處的質(zhì)量濃度 mg/L

表5 生活污水泄漏16.5 a氨氮遷移距離及濃度 mg/L

表6 生活污水泄漏16.5 a石油類遷移距離及濃度 mg/L

2.1.2 預(yù)測結(jié)果評(píng)價(jià)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，工業(yè)場地非正常工況下礦井水處理站、生活污水處理站污水發(fā)生泄露，煤礦服務(wù)年限16.5a后，礦井污水中的污染物沿淺水層地下水水流方向向下游的最大遷移距離為600m，往上游彌散最大距離為450m，往左側(cè)彌散最大距離為300m，往右側(cè)彌散最大距離為300m。生活污水中的污染物向下游的最大遷移距離為700m，往上游彌散最大距離為550m，往左側(cè)彌散最大距離為350m，往右側(cè)彌散最大距離為350m。

由此可見，如果工業(yè)場地礦井水處理站、生活污水處理站污水發(fā)生泄露，卻未及時(shí)采取相應(yīng)有效的補(bǔ)救措施，服務(wù)期16.5a后，污染物往下游遷移到不了下游的王家疙塔村，對(duì)下游村鎮(zhèn)的影響較小。

2.2 矸石場對(duì)地下水水質(zhì)的影響

2.2.1 矸石場溶質(zhì)遷移解析

矸石場矸石淋溶水視為瞬時(shí)注入，忽略吸附作用和化學(xué)反應(yīng)等因素，采用一維穩(wěn)定流二維水動(dòng)力彌散—平面瞬時(shí)點(diǎn)源公式預(yù)測。根據(jù)降雨入滲淋溶水計(jì)算，其量為1 938m3/a。根據(jù)煤礦煤矸石淋溶試驗(yàn)，淋溶液中Hg離子遠(yuǎn)超過地下水3類標(biāo)準(zhǔn)，其值為0.005 7mg/L，則汞的產(chǎn)生量為0.011kg/a。

本次預(yù)測了矸石淋溶水進(jìn)入淺水層地下水后運(yùn)移矸石場服務(wù)年限5a后的情況。計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 矸石場矸石淋溶水中Hg 5 a在特定遷移距離處的質(zhì)量濃度 mg/L

2.2.2 預(yù)測評(píng)價(jià)

計(jì)算結(jié)果表明，矸石淋溶水中Hg沿淺水層地下水水流方向向下游的最大遷移距離為700m，往上游彌散最大距離為40m，往左側(cè)彌散最大距離為100m，往右側(cè)彌散最大距離為100m。由此可見，污染物往下游遷移到不了下游的村莊水井，對(duì)下游村鎮(zhèn)的影響較小。

3 結(jié)論

本研究選擇典型煤礦為對(duì)象，系統(tǒng)分析了各排放源排放水污染物對(duì)區(qū)域地下水水質(zhì)的影響。礦井水排放的石油類預(yù)測最大質(zhì)量濃度為0.689 6mg/L；生活污水處理站排放的生活污水的主要污染物是NH3-N、石油類，預(yù)測最大質(zhì)量濃度 NH3-N為25.144 7mg/L、石油類為0.506 2mg/L；矸石淋溶液的Hg的最大排放質(zhì)量濃度為0.000 8mg/L。

［1］ 環(huán)境保護(hù)部.環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則·地下水環(huán)境：HJ610-2011［S］.北京：中國科學(xué)出版社，2011.