采煤排水對晉祠泉域水資源的影響分析

高 靜 遠(yuǎn)

(山西省煤炭地質(zhì)水文勘查研究院,山西 太原　030006)

晉祠泉是“三晉第一名泉”，分布于太原西山一帶，具有豐厚的人文歷史積淀和旅游觀賞價值。泉域巖溶水是滿足太原市居民生活用水和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水的主要供水水源，對太原市經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展具有重要作用。自20世紀(jì)50年代以來，由于太原市工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對地下巖溶水的大量開采，泉域內(nèi)地下水水位開始逐年下降；到80年代后，泉域內(nèi)煤礦開采規(guī)模逐年擴(kuò)大，采煤排水量持續(xù)增大，地下水水位下降速度隨之加快。1994年4月30日，晉祠泉首次出現(xiàn)斷流，之后泉口地下水水位持續(xù)下降，直至2008年，泉口地下水水位已下降至泉口以下27.76 m處。為修復(fù)和保護(hù)晉祠泉域，山西省委省政府先后采取了引黃入晉、汾河復(fù)流、煤礦兼并重組、地下水關(guān)井壓采、高耗水企業(yè)搬遷等一系列措施[1]，扭轉(zhuǎn)了泉域水環(huán)境繼續(xù)惡化的趨勢，2008年晉祠泉地下水位首次出現(xiàn)回升，2014年水位回升至泉口以下7.71 m處[2]。采煤排水是影響晉祠泉域水資源水環(huán)境變化的重要因素，因此有必要對其進(jìn)行深入分析，為晉祠泉域修復(fù)治理工作提供幫助。本文以晉祠泉域水資源為研究對象，分析了采煤排水對泉域地表水、地下水和泉域水質(zhì)的影響，以期為晉祠泉域修復(fù)保護(hù)工作提供有價值的參考。

1　采煤排水對地表水的影響

采煤對地表水的影響主要體現(xiàn)在對地表基流的影響，當(dāng)采空區(qū)形成后，其冒落帶或裂縫帶會到達(dá)地表，使地表水與礦坑形成水力聯(lián)系，致使礦坑附近用于補(bǔ)給地表基流的基巖裂隙水沿裂縫流入礦坑，從而減少了地表基流補(bǔ)給量。此外，隨著采空區(qū)裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)展，地表水向地下水的轉(zhuǎn)化速度也會隨之加快，造成地表基流快速減少甚至斷流。

晉祠泉域?qū)冱S河流域汾河水系，區(qū)內(nèi)河流水系較為發(fā)育，汾河為區(qū)內(nèi)最大河流，此外還有屯蘭川、獅子河、原平川、天池河等11條汾河一級支流。20世紀(jì)70年代以前，晉祠泉域范圍內(nèi)采煤規(guī)模較小，因此，泉域內(nèi)河流受人為因素影響相對較小。但80年代后，隨著采煤規(guī)模的擴(kuò)大，礦坑排水量快速增大，泉域地下水水位呈現(xiàn)快速下降趨勢，直接導(dǎo)致泉域內(nèi)部分泉眼斷流，地表徑流量減少，極大地削弱了流域水資源的調(diào)蓄作用。以太原西山礦區(qū)南部的風(fēng)峪溝店頭為例，20世紀(jì)80年代以前，該地區(qū)流域環(huán)境和水文下墊面條件處于天然狀態(tài)。1976年—1984年的降水量與徑流深呈現(xiàn)為良好的線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.968 6，完全符合自然狀態(tài)下流域水文下墊面的產(chǎn)流特征。但隨著1986年—1999年，煤炭開采規(guī)模的擴(kuò)大，降水產(chǎn)流量與原有產(chǎn)流規(guī)律不再相符，反映出地下水調(diào)蓄作用失調(diào)。另外，以冶峪溝中游的官地、西峪煤礦為例，20世紀(jì)60年代初，該地區(qū)煤礦開采初具規(guī)模，到80年代后，煤礦開采逐漸達(dá)到高峰。據(jù)當(dāng)?shù)厮谋O(jiān)測資料顯示：1958年該地區(qū)降水量為532.8 mm，地表徑流深為31.7 mm，1983年降水量為564.5 mm，地表徑流深減少為5.8 mm，上述變化表明采煤排水對地表水水量變化具有顯著影響。

2　采煤排水對地下水的影響

2.1　對上覆含水層的影響

在自然狀態(tài)下，煤系含水層與其上覆含水層之間存在有隔水層，上下含水層之間并無水力聯(lián)系。但隨著采煤活動的進(jìn)行，地下含水層和隔水層逐漸遭到破壞，特別是井筒開挖要穿越多個含水層和隔水層，對各含水層的原有賦水狀態(tài)產(chǎn)生了較大破壞。此外，隨著采空區(qū)面積的擴(kuò)大，煤層頂板會發(fā)生垮落，在多個上覆含水層之間形成導(dǎo)水裂隙帶，使各含水層之間產(chǎn)生水力聯(lián)系。導(dǎo)水裂隙帶一旦形成，上覆松散巖類孔隙水將沿裂隙向礦井快速滲透，并轉(zhuǎn)化為礦井水排出礦坑，最終導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降，形成以開采點(diǎn)為中心的降落漏斗。

晉祠泉域采煤排水對上覆含水層的影響主要表現(xiàn)在對礦區(qū)上覆河谷孔隙水的影響。受采煤活動影響，晉祠泉域上覆河谷孔隙含水層與煤系地層的原有隔水層遭到破壞，造成了采空區(qū)上游河谷地區(qū)孔隙水嚴(yán)重下漏，最終導(dǎo)致泉域內(nèi)多條汾河支流漏失。此外，由于泉域內(nèi)部分煤礦礦井建在河谷地帶，在建井時，大量孔隙水進(jìn)入井筒，造成了礦井周圍孔隙水水位出現(xiàn)大范圍下降，以至于周圍農(nóng)業(yè)和農(nóng)村水井全部報(bào)廢。

2.2　對煤系含水層的影響

自然條件下，煤系含水層中的水和煤共處于同一地質(zhì)體中，各有自身的賦存條件和變化規(guī)律。但隨著采煤排水的進(jìn)行，地下水原有自然平衡狀態(tài)被打破，礦井周圍地下水開始向礦坑匯流，形成以礦井為中心的降落漏斗，導(dǎo)致其半徑內(nèi)的地下水流速加快、水位下降、貯存量減少、局部承壓水轉(zhuǎn)為無壓水，并對煤系地層裂隙水和煤系頂部裂隙水產(chǎn)生顯著影響。

采煤排水對晉祠泉域內(nèi)煤系含水層的影響，主要體現(xiàn)為煤礦開采和礦井排水疏干了煤系地層裂隙水，破壞了原有的含水層和隔水層賦水狀態(tài)，使地下水直接涌入礦坑，形成以礦井為中心的降落漏斗，最終改變了地下水的補(bǔ)、徑、排關(guān)系。

2.3　對下伏含水層的影響

采煤排水對下伏含水層的影響主要體現(xiàn)在開采下組煤層排放深層裂隙水對深部巖溶水產(chǎn)生的影響，開采上組煤對其產(chǎn)生的影響相對較小。當(dāng)開采煤層標(biāo)高低于深部巖溶水位標(biāo)高時，通常地層中的斷裂構(gòu)造和裂隙普遍較為發(fā)育，隨著采空區(qū)的持續(xù)擴(kuò)大，煤層周圍應(yīng)力分布必然發(fā)生改變，加之煤層裂隙水逐漸疏干，將導(dǎo)致裂隙水和巖溶水之間的天然水動力平衡狀態(tài)被打破，從而造成局部有利地段發(fā)生巖溶水向上越流現(xiàn)象[3]。此外，煤系含水層及其上覆含水層的疏干，會削弱深部巖溶水的滲漏補(bǔ)給量，從而對下伏含水層產(chǎn)生顯著影響。

晉祠泉域古交煤層普遍低于奧陶系水位，尤其在汾河沿線的西曲、鎮(zhèn)城底、馬蘭礦等采煤區(qū)的煤層以下賦存有豐富的巖溶地下水，隨著采空區(qū)的擴(kuò)大，大量巖溶水向上越流進(jìn)入礦井，然后被疏排，造成了巖溶地下水資源的大量流失。

3　采煤排水對水質(zhì)的影響

4　結(jié)語

晉祠泉域大部分區(qū)域被煤田覆蓋，采煤排水是影響晉祠泉域水資源變化的重要因素。首先，采煤過程大量疏排礦坑水會導(dǎo)致地下水水位下降。其次，受采煤活動影響會導(dǎo)致隔水層失去作用，各含水層之間發(fā)生水力聯(lián)系，地下水的補(bǔ)、徑、排關(guān)系發(fā)生變化，地下水水資源量減少。最后，礦坑水的下滲和直排以及煤矸石、尾礦的淋濾入滲會造成區(qū)域水資源的污染。