煤礦開采對(duì)地下水資源的影響分析

陳 杰（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州510010）

煤礦開采對(duì)地下水資源的影響分析

陳 杰（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州510010）

為了解煤礦開采地下水資源的影響，并有效解決其不利方面，本文以貴州省白龍山片區(qū)的煤礦開采區(qū)為例，在充分認(rèn)識(shí)礦區(qū)影響范圍內(nèi)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，分析了煤礦開采對(duì)地下水資源水量和水質(zhì)的影響機(jī)理，并從水量和水質(zhì)兩個(gè)方面提出了減少煤礦開采對(duì)地下水資源影響的較為適宜的處理方案，對(duì)有效保護(hù)礦區(qū)地下水資源具有一定的參考價(jià)值。

煤礦開采；地下水；水文地質(zhì)；礦坑排水

1 引言

連片大型煤礦的集中開采，對(duì)周邊環(huán)境的影響是多方面的，尤以對(duì)淺層地下水的影響較為突出，如造成地下水嚴(yán)重滲漏以及水位持續(xù)下降等不利影響，從而引發(fā)周邊溝流的斷流、泉水干涸及周邊水源地的污染問(wèn)題[1]。在煤礦開采過(guò)程中礦區(qū)地下水資源保護(hù)一直是一個(gè)比較薄弱的環(huán)節(jié)。一方面是礦山生產(chǎn)項(xiàng)目設(shè)置對(duì)區(qū)域水源的影響問(wèn)題考慮不足，煤礦開采對(duì)區(qū)域地下水的水量影響研究不夠深入，未采取足夠的措施以減輕或避免水源被侵奪，導(dǎo)致片區(qū)內(nèi)地下水水源出現(xiàn)枯竭的趨勢(shì)，另一方面是水源地規(guī)范化管理存在盲區(qū)，缺乏對(duì)地下水水源地水質(zhì)、水量的有效監(jiān)測(cè)[2]。本文研究以白龍山片區(qū)的煤礦區(qū)開采為例，在了解區(qū)域的水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，從水量和水質(zhì)兩個(gè)方面分析了煤礦開采對(duì)地下水資源的影響，并提出了針對(duì)性的解決方案，從而為有效地解決當(dāng)?shù)孛癖姷娘嬎踩?、引?dǎo)合理地開采煤礦資源等問(wèn)題提供參考性意見。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)概況

白龍山片區(qū)地處云貴高原的貴州西南部，屬低中山地貌。片區(qū)地下水賦存條件受巖性、構(gòu)造、地貌及大氣降水控制，區(qū)內(nèi)主要以碳酸鹽巖為主，地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，主要地貌類型為溶蝕類型，主要巖性為碳酸鹽巖、碎屑巖及二疊系上統(tǒng)含煤地層。結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)分析，白龍山片區(qū)地下水補(bǔ)給主要可分為兩個(gè)區(qū)域，大致以北東向的白龍山山脈為界，分東南區(qū)和西北區(qū)。東南區(qū)地形總體呈單面坡向下壩力河方向傾斜降低，地形坡面傾向與巖層傾向一致，坡面起伏，峰叢、洼地發(fā)育，地表水系不發(fā)育，區(qū)內(nèi)主要以地下暗河系統(tǒng)發(fā)育為主，局部發(fā)育暗河天窗和短距離地表河流；西北部地區(qū)，地形自白龍山山脈向西北方向陡降，坡面傾向與巖層傾向相反，地表小型沖溝發(fā)育，均流入黃泥河，屬黃泥河流域，陡傾小型脊?fàn)钌桨l(fā)育，出露地層基本為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M含煤碎屑巖組成，地下水以基巖裂隙水為主，埋深淺，流量??；東北部地區(qū)，為峰叢、洼地地形，山間壩子較發(fā)育，出露地層以三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組、中統(tǒng)關(guān)嶺組地層為主，巖性以灰?guī)r為主，次為泥巖，斷層較發(fā)育，地下水以巖溶管道水為主，泉點(diǎn)分布仍然受三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組泥巖隔水巖組及構(gòu)造控制。

片區(qū)內(nèi)地下水均來(lái)源于大氣降水，大氣降水經(jīng)巖石溶隙、洼地、落水洞入滲進(jìn)入地下巖溶管道，并在巖溶管道中匯集、徑流，受巖溶管道下部相對(duì)隔水層的阻隔，在地勢(shì)低矮處自溶洞口流出地表形成巖溶泉或地表河流。在片區(qū)南部，大部分巖溶泉出露地位于洼地底部，在洼地中徑流一段距離后又入伏于巖溶管道中徑流，這些洼地均系巖溶塌陷發(fā)展的結(jié)果。各支巖溶管道水在徑流途中相互會(huì)合，水流量增大，最終在較低處流出地表排向地表河流[3]。

3 礦山分布及其對(duì)本區(qū)水源水量和水質(zhì)影響分析

片區(qū)內(nèi)共分布有11個(gè)煤礦，其中一個(gè)已停采，其余10個(gè)礦山正在生產(chǎn)過(guò)程中。其中：煤礦1#～10#等礦山坐落在白龍山北西側(cè)坡麓地帶，與白龍山山脈呈北東向分布，礦山自北西向南東由淺入深采掘，僅煤礦11#礦山位于白碗窯鎮(zhèn)簸米甲北部，位處北龍山山脈北部低一級(jí)臺(tái)地邊緣，具體分布見圖1。

圖1 白龍山片區(qū)煤礦分布圖

該片礦區(qū)主要是潛水型巖溶水，依靠降水補(bǔ)給，因而在水源地及其補(bǔ)給徑流區(qū)的煤礦開采必將對(duì)地下水水源水量造成不利影響[4]。受位于白龍山西北側(cè)煤礦采空區(qū)影響，地下水分水嶺可能向白龍山東南側(cè)偏移 （白龍山山脈成東北～西南走向），地下水局部流向可能發(fā)生改變，原來(lái)流向西南、東南及東北的地下水可能變?yōu)槲鞅绷飨?，可能減少東南側(cè)的地下水補(bǔ)給區(qū)面積，但其影響程度還需進(jìn)一步的專題研究確定。

3.1 水量影響分析

煤礦生產(chǎn)過(guò)程中影響地下水資源的主要因素包括采空塌陷和礦坑排水，采空塌陷改變了礦區(qū)周邊地下水系統(tǒng)的補(bǔ)給、徑流和排泄條件，破壞了地下水的動(dòng)態(tài)平衡和巖性特點(diǎn)，使淺層地下水與礦坑水發(fā)揮了水力聯(lián)系；礦坑排水削減了地下水的儲(chǔ)存量，使地下水資源受到破壞，同時(shí)會(huì)污染地表水，當(dāng)其下滲時(shí)又會(huì)使淺層地下水受到污染。

巖溶管道多沿構(gòu)造裂隙及巖層層間裂隙發(fā)育形成，大小不一的巖溶通道相互聯(lián)通，構(gòu)成了區(qū)域內(nèi)不規(guī)則的網(wǎng)狀地下水徑流系統(tǒng)，從而區(qū)內(nèi)煤礦井下開采，造成地下水流失的情況是存在的[4]。本文現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定及收集排泄水量和水位數(shù)據(jù)，結(jié)合相應(yīng)地形圖和原始水位數(shù)據(jù)計(jì)算確定水位下降情況及襲奪水量的面積，從而得到煤礦開采對(duì)地下水資源的影響，見表1。從表1中可以看出，各礦區(qū)內(nèi)地下水水位整體均出現(xiàn)下降趨勢(shì)，其主要原因是煤礦井下開采面積大，使地層巖石中的裂隙被揭穿，上部灰?guī)r中的巖溶水沿裂隙入滲，即巖溶（管道）水轉(zhuǎn)化為裂隙水下沉，流至采礦巷道內(nèi)，被排出區(qū)外，造成片區(qū)內(nèi)地下水部分流失。

表1 白龍山片區(qū)煤礦開采對(duì)地下水資源的影響

3.2 水質(zhì)影響分析

煤礦開采對(duì)地下水水質(zhì)的影響主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：煤礦開采過(guò)程中，受污染的礦坑水通過(guò)巖層罅隙直接下滲到地下，污染地下水；礦坑水排到地表后，隨地勢(shì)和巖性特點(diǎn)匯流至地表河流小溪等，污染地表水，其中在隨河流流動(dòng)或者流經(jīng)碳酸鹽巖層滲漏段時(shí)入滲地下污染地下水；礦山尾礦、煤矸石堆在降水淋滲作用下，淋濾水入滲地下，污染地下水[5]。

本研究區(qū)域經(jīng)礦井排泄水取樣分析，水中主要為硫酸鹽污染，經(jīng)取水樣按《GB5749-2006》標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目進(jìn)行分析試驗(yàn)，煤礦排出的地下水中硫酸鹽含量大部分在364.03～1270.28mg/ L，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)限值250mg/L，其含量最高值超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的5倍，其中以興義市雄武鄉(xiāng)煤礦5#為最高，均是煤系地層中的硫化礦物在氧化作用下溶解入水中而產(chǎn)生的硫酸鹽污染。同時(shí)受地層巖性的影響，各區(qū)域水質(zhì)有所差異，特別是上二疊統(tǒng)煤系地層中的地下水，硫酸鹽含量高，pH值低；下三疊統(tǒng)白云巖石膏夾層中的地下水，硫酸鹽、礦化度和硬度都顯著增大。特別是巖溶區(qū)表生金礦土法浸取金礦的氰化鉀物質(zhì)的排放，對(duì)這些地區(qū)的巖溶地下水已造成污染，這樣的水直接飲用均不利于人體健康。

4 解決方案

4.1 水量保障方案

礦區(qū)影響區(qū)域內(nèi)的飲用水水源基本以潛水型巖溶地下水為主，主要是自然出流的泉水，另有少量的機(jī)井和溪溝。近年來(lái)，片區(qū)內(nèi)逐漸出現(xiàn)了部分泉水水量減小乃至枯竭、地下水位下降等問(wèn)題，片區(qū)內(nèi)已經(jīng)枯竭的水源涉及到周邊雄武鄉(xiāng)、白碗窖鎮(zhèn)等多個(gè)村落的地下水源。由于白龍山片區(qū)是興義市地勢(shì)最高的區(qū)域，區(qū)域內(nèi)地下水水位下降將導(dǎo)致飲用水水源水量難以保障，也可能造成地下水資源無(wú)法恢復(fù)，已威脅到當(dāng)?shù)鼐用裆钣盟踩?/p>

為保障礦區(qū)內(nèi)地下水水源地的水量，在做好地下水補(bǔ)給徑流區(qū)水源涵養(yǎng)的同時(shí)，應(yīng)強(qiáng)加區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)單元完整的保護(hù)，避免煤礦開采對(duì)地下水源的侵奪。水量保障因地區(qū)特點(diǎn)不同而采取的方案也不盡相同，本文主要針對(duì)白龍山礦區(qū)特點(diǎn)選取適宜的方案。由于該礦區(qū)對(duì)片區(qū)內(nèi)水源地影響顯著，且該片地區(qū)缺水現(xiàn)象極為嚴(yán)重，極度依賴地下水源，鑒于此，可考慮對(duì)影響白龍山片區(qū)水資源的煤礦進(jìn)行關(guān)閉處理，并給與適當(dāng)補(bǔ)償。目前，煤礦對(duì)地下水水源水量的影響只有定性的結(jié)論，對(duì)于影響程度等定量指標(biāo)應(yīng)還需要委托水文地質(zhì)專業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)煤礦影響片區(qū)內(nèi)的地下水資源程度做進(jìn)一步的研究，依據(jù)調(diào)查研究結(jié)論確定處理方案。

4.2 水質(zhì)保障方案

白龍山片區(qū)現(xiàn)有3處礦坑水作為周邊居民的集中式供水水源地，即雄武鄉(xiāng)高峰村煤礦4#、5#、6#。礦坑水作為飲用水源水質(zhì)一般會(huì)出現(xiàn)錳、硫酸鹽、菌落數(shù)、總大腸菌群數(shù)超標(biāo)并伴有明顯異味。但經(jīng)處理后生成生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)的水，除供生活使用外、還可供礦區(qū)除塵、生活雜用及設(shè)備反沖洗（約有5%）等用水，是解決當(dāng)?shù)鼐用耧嬎畣?wèn)題的有效途徑。針對(duì)4.1水量保障方案，須在過(guò)渡期對(duì)水源水進(jìn)行處理，并進(jìn)行有效監(jiān)控和監(jiān)測(cè)，保障居民用水安全。

礦井水主要是由于煤礦開采破壞了煤系上覆含水層而形成的井下涌水，初始流入井筒和巷道的涌水未受到污染時(shí)為清潔水，在開拓及采煤過(guò)程中才受到污染。該片區(qū)礦井水為中性、無(wú)有毒重金屬物質(zhì)，但Mn較高，大腸桿菌數(shù)和細(xì)菌總數(shù)也比較高。由于原水中含鹽量、硫化物等不高，本處理中考慮用深度處理活性炭吸附工藝，見圖2。礦井水通過(guò)格柵后進(jìn)入調(diào)節(jié)池，通過(guò)向水中加混凝劑，在絮粒形成過(guò)程中，通過(guò)一體化處理設(shè)備沉淀過(guò)濾，最后經(jīng)過(guò)深度處理活性炭吸咐懸浮顆粒和溶解有機(jī)物質(zhì)，絮?？稍谝欢ǖ某恋?xiàng)l件下從水中分離、沉淀出來(lái)，使出水SS小于8mg/L。

圖2 煤礦水礦坑水凈水工藝

5 結(jié)語(yǔ)

煤礦開采引發(fā)地下水補(bǔ)、徑、排等條件的變化，影響地下水的水量和水質(zhì)情況，研究認(rèn)為主要影響因素包括采空塌陷和礦坑排水，而影響程度等定量指標(biāo)還需要進(jìn)一步的研究。目前可從水量和水質(zhì)兩個(gè)方面解決相應(yīng)的問(wèn)題，一方面探討關(guān)閉礦廠或移民的可能性，另一方面對(duì)礦坑水處理后進(jìn)行資源回收利用，在以上分析的基礎(chǔ)上，提出了在煤礦開發(fā)之前，應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃，摸清礦區(qū)影響范圍內(nèi)的水文地質(zhì)情況，探究煤礦開采引發(fā)的水文地質(zhì)變化與地下水資源保護(hù)之間的矛盾，從而選取適宜的處理方案，合理開發(fā)煤炭資源的同時(shí)有效保護(hù)地下水資源。

[1]狄效斌.山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院.煤礦開采對(duì)常村煤礦淺層地下水的影響分析[C].礦業(yè)安全與環(huán)保，2012（6）：87～89.

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[3]陳敏濤，羅 平，等.貴州省興義市白龍山片區(qū)水資源影響分析評(píng)價(jià)報(bào)告[D].貴州：貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2015.

[4]王 磊.西易杰旺露天煤礦開采對(duì)區(qū)域地下水資源影響分析[C].水資源管理，2014（1）：1～2.

[5]張宏民.煤礦開采對(duì)長(zhǎng)治市地下水影響的分析[A].華北國(guó)土資源，2007（1）：45～46.

所獲獎(jiǎng)勵(lì)及榮譽(yù)：獲得2015年全國(guó)優(yōu)秀工程勘察設(shè)計(jì)行業(yè)獎(jiǎng)工程勘察三等獎(jiǎng)（中國(guó)勘察設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)）、2015年廣東省優(yōu)秀工程勘察設(shè)計(jì)獎(jiǎng)工程勘察二等獎(jiǎng)（廣東省工程勘察設(shè)計(jì)行業(yè)協(xié)會(huì)）。

P641.8

A

2095-2066（2016）34-0077-02

2016-11-23

陳 杰（1986-），男，漢族，江蘇溧陽(yáng)人，巖土工程工程師、注冊(cè)土木工程師（巖土），碩士研究生，主要從事巖土工程勘察工作。