山西省煤炭開采對(duì)水資源的影響

秦潤嬙

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024;2.山西地質(zhì)博物館,太原 030024)

根據(jù)山西省2014統(tǒng)計(jì)年鑒,截止到2010年山西的水資源總量占國家總量的0.50%,約為120億m3,地下水占90億m3,地表水占其中的70億m3,山西省人均占有水資源量為全國人均占有量的21%,根據(jù)國際制定的通用標(biāo)準(zhǔn)來判斷山西省的缺水程度,山西處于極度缺水的等級(jí)[1]。在此情形下,大規(guī)模的煤炭開發(fā)以極大的觸動(dòng)力影響了水資源系統(tǒng)、水資源環(huán)境,尤其是對(duì)水文地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生了極為明顯的不可逆作用,破壞了地下水資源的自然賦存條件,影響了礦區(qū)水資源的質(zhì)量。

1 煤炭開采對(duì)地下水系統(tǒng)的影響

煤炭開采對(duì)地下水系統(tǒng)的正常循環(huán)破壞嚴(yán)重。煤炭開采后形成了大面積的采空區(qū),采空區(qū)上覆巖層的沉陷及裂縫破壞了地下水系統(tǒng),造成地下水的滲漏和水位下降, 而這種破壞所產(chǎn)生的影響更具有廣泛性和深遠(yuǎn)性。

1.1 地下水均衡遭破壞

煤炭資源和水資源原本處于平衡的生態(tài)系統(tǒng)中,在自然條件下各自有其固有的存在狀態(tài)和變化條件。煤礦開采打破了地下水本身的平衡狀態(tài),使采空區(qū)上覆的巖層形成較為明顯的冒落帶、裂隙帶、整體移動(dòng)帶，變了原有的補(bǔ)徑排條件,使地下水流加快,水位下降,貯存量減少,從而破壞了地下水均衡。

1.2 改變降水、地表水及地下水的轉(zhuǎn)換關(guān)系

在天然條件下,地表水、地下水及降水 (以下簡稱為“三水”) 存在著穩(wěn)定的補(bǔ)給關(guān)系。但是因?yàn)槊旱V開采后礦井排水在較淺的地段,導(dǎo)致三種狀態(tài)的水相互連通,地表水滲入地下成為地下水,之后倒灌進(jìn)礦坑再排出后變?yōu)榈乇硭?。這種相互轉(zhuǎn)化與相互補(bǔ)給的補(bǔ)排關(guān)系,改變了原有的“三水”轉(zhuǎn)化過程,使水資源得不到充分利用,同時(shí)造成大量水資源受到礦井污染。

1.3 帶來嚴(yán)重的突水事故

全國目前至少14個(gè)省(區(qū))出現(xiàn)過坑道(主要是煤礦)突水事故。山西省是坑道突水較為嚴(yán)重的省份,六大煤田有五個(gè)發(fā)生過突水事故。山西主要可采煤層是石炭系、二疊系及侏羅系煤層,采掘的煤層大多位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面和奧陶系巖溶水位之上,采掘容易造成嚴(yán)重的突水事件,其水源主要是煤系地層本身的碎屑巖裂隙水、石炭系層間石灰?guī)r巖溶水及上覆松散巖系的孔隙水,煤炭開采破壞了儲(chǔ)水構(gòu)造,改變了地下水徑流路線,造成了嚴(yán)重的坑下突水。

2 煤炭開采對(duì)地下水資源量的影響

根據(jù)山西的煤炭開采歷史,以及開采過程中影響排水量的因素和礦坑排水量的變化規(guī)律,參考煤層與含水層組合的特點(diǎn),從地下水靜儲(chǔ)量與動(dòng)儲(chǔ)量兩個(gè)角度進(jìn)行分析。

靜儲(chǔ)量是指本來賦存于含水層中的水,因?yàn)槊禾块_采后的頂板垮塌導(dǎo)致采空區(qū)上部覆蓋的含水層被破壞,該含水層中的水因此被迅速排空。靜儲(chǔ)量是固定量,與該含水層本身結(jié)構(gòu)有關(guān),由煤層開采帶來的破壞結(jié)果具有一次性的特點(diǎn)[2]。山西省內(nèi)的六大煤田除河?xùn)|煤田以單斜構(gòu)造產(chǎn)出外,其它五大煤田皆為向斜構(gòu)造。山西組的砂巖含水層和太原組的砂巖、灰?guī)r含水層與主要煤層間距都很小,目前一般礦井的開采深度都在300 m以淺。據(jù)此,目前開采破壞靜儲(chǔ)量應(yīng)是主采煤層埋藏在300 m以內(nèi)含水層中的水。根據(jù)含水層的厚度、分布面積、給水

度及靜儲(chǔ)量計(jì)算公式,在主采煤層300 m內(nèi),破壞地下水靜儲(chǔ)量為71 388萬m3。全省六大煤田及煤產(chǎn)地煤礦開采破壞的地下水靜儲(chǔ)量如表1所示。

表1 山西省各煤田采煤破壞地下水靜儲(chǔ)量計(jì)算結(jié)果表Table 1 Groundwater static reserves damaged by coal mining in Shanxi

需要特別指出的是:這種破壞對(duì)含水層的影響是永久性的、不可逆的。恰巧此層位又是山西省農(nóng)村飲水的主要含水層,這種破壞帶來的水位下降,導(dǎo)致水井枯竭,樹木枯死,土地荒蕪。

地下水動(dòng)儲(chǔ)量是指采煤造成上覆含水層被破壞,短時(shí)間內(nèi)礦井中涌水量突然增大,經(jīng)過一段時(shí)間的排水,水量趨于相對(duì)穩(wěn)定。這個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的量就是動(dòng)儲(chǔ)量。動(dòng)儲(chǔ)量受到煤層埋藏深度、開采方法、地質(zhì)構(gòu)造、降水量等因素的影響,對(duì)其破壞帶來的后果也是永久性不可逆的[3]。煤礦開采后的冒裂高度一般為150 m,也就是說最上層的首層厚煤層采后破壞高度為150 m,當(dāng)埋藏深度小于150 m,礦井排水量與降水及地表水體有關(guān),當(dāng)埋藏深度大于150 m時(shí),開采煤層僅破壞兩煤層間含水層內(nèi)的靜儲(chǔ)量,而與地表水體及降水無影響。據(jù)此,按照統(tǒng)計(jì)的埋藏深度為150 m以內(nèi)的采空區(qū)面積及各煤田開采破壞的地下水模數(shù),將計(jì)算的山西省各煤田破壞的動(dòng)儲(chǔ)量如表2所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出,煤炭開采對(duì)動(dòng)儲(chǔ)量的破壞量為68 370 m3/h(7.8億m3/a)。

3 煤炭開采對(duì)地表水的污染

煤炭開采不僅影響、破壞了水資源系統(tǒng)及水資源量,其礦坑排水更污染了礦區(qū)水資源質(zhì)量。通過對(duì)煤礦地表水樣的采集、分析,檢測(cè)結(jié)果表明,山西省煤礦區(qū)地表水主要污染因子有Mn、NH4+、Cl-、SO42-、NO2-、F-、酚、氰、P、Pb。按地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅴ類水進(jìn)行評(píng)價(jià):Mn超標(biāo)率25%, NH4+超標(biāo)率為85.7%, Cl-超標(biāo)率為19.1%, SO42-超標(biāo)率為66.7%, NO2-超標(biāo)率為25.0%, F-超標(biāo)率為5.9%, 酚超標(biāo)率為21.4%, P超標(biāo)率為80.0%, Pb超標(biāo)率為30.0%。

山西煤礦區(qū)地表水污染最為嚴(yán)重的是霍西礦區(qū)介休—靈石—霍州的汾河段,該段汾河Mn、NH4+、Cl-、SO42-、F-、酚、氰、P、Pb等污染因子均超標(biāo),且最大超標(biāo)倍數(shù)基本都出現(xiàn)在該段汾河,這與實(shí)地調(diào)查到的大量的礦山污水排入該段汾河的結(jié)果是一致的[4]。

4 煤炭開采對(duì)巖溶大泉的污染

在全省巖溶大泉中,被檢測(cè)出的主要污染有鐵、硫酸鹽、礦化度、總硬度、有機(jī)物、蓄積性毒物及氰化物、氟污染。

17個(gè)巖溶大泉的平均含鐵量除洪山、廣勝寺、下馬圈、古堆泉外,其余鐵含量超標(biāo)率達(dá)14.3%～100%,超標(biāo)倍數(shù)0.028倍～3.44倍;硫酸鹽超標(biāo)的有古堆泉、龍子祠泉、郭莊泉、娘子關(guān)泉,超標(biāo)率16.7%～100%;總硬度超標(biāo)的有三姑泉、龍子祠泉、郭莊泉、娘子關(guān)泉、晉祠泉、洪山泉,超標(biāo)率為9.09%～100%;礦化度超標(biāo)的有柳林泉、晉祠泉。有機(jī)物僅有坪上泉、辛安泉COD超標(biāo),晉祠泉DO超標(biāo),娘子關(guān)泉NO3-超標(biāo);神頭泉NO2-超標(biāo)。蓄積性毒物包括有Pb、Cd、Hg、As、Cr6+等,在19個(gè)大泉中Pb超標(biāo)的有晉祠泉、柳林泉、龍子祠泉和三姑泉,最大超標(biāo)0.11倍～1.16倍,平均超標(biāo)0.11倍～0.621倍,Hg含量大于0.2 ug/L的有蘭村、晉祠、郭莊和辛安泉四個(gè)泉域。As、Cr6+在各泉域的檢出含量中,絕大部分低于標(biāo)準(zhǔn)值的20%,檢出率也相當(dāng)?shù)?在天然條件下,巖溶水中不含氰化物,但17個(gè)大泉中檢出率為97.35%,檢出含量一般為0.002 mg/L～0.01 mg/L,大于0.01 mg/L的有娘子關(guān)、下馬圈、神頭、紅石楞、坪上泉,但超標(biāo)的只有娘子關(guān)泉,超標(biāo)率33.3%,污染范圍50 km2以上;在天然狀態(tài)下,氟含量也較低,一般在0.2 mg/L～0.6 mg/L之間,受污染最大泉的氟含量高達(dá)2.0 mg/L,超標(biāo)一倍。有超標(biāo)污染的泉域?yàn)闀x祠泉、古堆泉、郭莊泉、柳林泉,平均超標(biāo)在1倍以內(nèi)。

5 結(jié)束語

山西省煤炭開采對(duì)水資源造成的危害具有不可逆性,對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響具有代際延續(xù)性，其所造成的嚴(yán)重后果將在今后逐漸顯現(xiàn)出來,應(yīng)當(dāng)及時(shí)制定相應(yīng)的防治體系,合理布局煤炭工業(yè),促進(jìn)煤炭工業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。

[1] 王芳. 山西煤炭開采對(duì)水資源的影響研究[J].河南水利與南水北調(diào),2015(19):50-51.

[2] 曹金亮.山西省煤礦開采對(duì)水資源的影響分析[J].華北國土資源,2008(4):18-20.

[3] 時(shí)紅,張永波.論煤炭開采對(duì)地下水資源量的破壞影響[J].山西科技,2011,26(1):36-37. SHI Hong,ZHANG Yongbo.Destructive Effect of Coal Mining on Groundwater Resources[J].Shanxi Science and Technology,2011,26(1):36-37.

[4] 山西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心.山西省礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查與評(píng)估報(bào)告[R].太原:山西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,2003.