山西省煤炭開采對水資源影響及礦井水利用現(xiàn)狀分析

陳郭靜

(陽泉煤業(yè)集團有限公司 二礦,山西 陽泉 045000)

1 山西水資源特點分析

山西省水資源的特點是總體短缺、分布不均且地下水超采嚴重。

1)水資源總體短缺。根據(jù)2005年進行的山西省第二次水資源評價結(jié)果顯示,全省平均水資源總量為123.8億m3,比1982年的第一次評價結(jié)果142億m3減少約18億m3,減少的幅度為12.9%。按照目前全省約3 245萬穩(wěn)定居住人口計算,每人對水資源的平均占有量只有382 m3,是全國淡水資源人均占有量的1/6,比全世界人均嚴重缺水界限低118 m3。每畝耕地平均占有的水資源量僅為190 m3,是全國耕地畝均水資源占有量的的1/11,水資源指數(shù)位列全國第29位[1]。

2)地下水超采嚴重。各地市縣的統(tǒng)計資料顯示,山西省抽采地下水約7億m3/a,因超采嚴重而引發(fā)超采區(qū)面積不斷擴大,巖溶泉水流量逐年減少,甚至出現(xiàn)斷流現(xiàn)象。煤炭開采破壞地層結(jié)構(gòu)及地下水超采嚴重不僅疏干含水層導致地下水位下降,而且造成地面沉降出現(xiàn)裂縫和水質(zhì)惡化等其他生態(tài)環(huán)境問題。

3)水資源分布不均。山西省地處我國北方,屬于溫帶季風氣候,各地區(qū)因水文地質(zhì)條件不同及存在降水量區(qū)域差異而導致水資源分布不均勻?？傮w表現(xiàn)為東部、東南部地區(qū)水資源豐富,西北部地區(qū)極度貧乏[2]。東部、東南部地區(qū)約占省境湖河流量的42%,忻州、太原、臨汾等腹部地區(qū)約占37%,西部地區(qū)僅占12%。

2 煤炭開采對水資源影響

2.1 煤炭開采對水資源影響造成經(jīng)濟損失

水資源受煤炭開采影響的某些直觀損失可用經(jīng)濟價值量化說明,更多無形損失無法用經(jīng)濟價值量化表現(xiàn),有些損失破壞甚至需要數(shù)年才能體現(xiàn)[3]。水資源受煤炭開采影響遭受的經(jīng)濟損失主要表現(xiàn)為:

1)煤炭開采造成人畜飲用水困難。據(jù)初步統(tǒng)計,山西省由于大規(guī)模煤炭開采破壞地下水資源已造成近1700個村莊約80萬人、10萬頭牲畜最基本的飲用水困難。為了解決村民吃水和牲畜飲用水困難,每年開鑿新水井或加深原有水井投資預算超過3億元。

2)煤炭開采造成土地質(zhì)量下降。煤炭開采最直接的就是破壞億萬年形成的穩(wěn)定地層結(jié)構(gòu),含水層與采動裂隙溝通而引發(fā)地下水流失,地表河流湖泊水量減少,甚至干涸。受此影響,土地因缺水而導致質(zhì)量下降,水澆地減少,旱地增多,糧食產(chǎn)量降低,直接影響農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展和國家糧食安全。本世紀初的調(diào)查結(jié)果顯示,山西省由于多年大量煤炭開采造成地下水流失而導致近10萬畝高產(chǎn)量水澆良地退化為旱地,糧食減產(chǎn)超過50%,經(jīng)濟損失巨大。

3)煤炭開采造成水利設(shè)施破壞。全山西省有400多處水利工程不同程度地受到煤炭開采影響,其中40座小型水庫,190處小型簡易提升泵站,80萬m輸水管道,44萬m水渠等水利工程遭受破壞嚴重,修復這些設(shè)施帶來的直接經(jīng)濟損失每年超過7 000萬元。

2.2 煤炭開采對水資源影響引發(fā)生態(tài)環(huán)境問題

我國北方的地下水資源原本就緊缺,經(jīng)過近年山西省煤炭資源整合,礦井產(chǎn)量都很大,礦區(qū)常住職工及家屬多,生產(chǎn)生活需要消耗大量的淡水資源,因供需失衡而導致礦區(qū)周圍地下水位急劇下降。煤炭企業(yè)排放的生產(chǎn)生活污水不僅數(shù)量多,而且一般都含有重金屬等有害物質(zhì),直接污染周圍土地和地表河流,使得土壤性質(zhì)惡化,農(nóng)作物生長及人畜健康受到影響,地面出現(xiàn)裂隙、沉降等嚴重的生態(tài)環(huán)境破壞問題[4]。煤炭開采對水資源影響引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題可概況為以下幾點。

1)擾亂地下水自然流場。煤層及地下含水層都是地層結(jié)構(gòu)的組成部分,在億萬年地質(zhì)構(gòu)造運動形成的平衡狀態(tài)下,各自的賦存條件不同。煤炭開采就是將埋藏于地下的煤層搬運至地面,在采動影響及重力作用下,采場周圍巖層的自然平衡狀態(tài)被破壞,地下含水層被采動裂隙導通而形成以采空區(qū)為中心的降落漏斗,地下水原有的補給、排泄條件被改變而流向采空區(qū)。在采場降落漏斗的影響范圍內(nèi),地下水位下降,儲量減少,原本的承壓水轉(zhuǎn)變?yōu)闊o壓水,含水層轉(zhuǎn)變?yōu)橥杆畬?地表水井因失去補給來源而干涸。

2)影響“三水”轉(zhuǎn)化關(guān)系。自然狀態(tài)下,大氣降水、地表河流湖泊水與地下巖溶水(簡稱“三水”)保持平衡的補給排泄關(guān)系。當煤層埋藏較淺時,采場“三帶”(冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶)一般可連通地表,礦區(qū)地表排水通過采場裂隙進入淺部地層或采空區(qū),由地表水轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵滤?在下游轉(zhuǎn)化為地表水而排出。

3)污染地下水環(huán)境。地下水環(huán)境受煤炭開采而引發(fā)的污染主要表現(xiàn)為采場裂隙將被污染的地表水導通到地下而污染地下水系、污染物在排污過程中向下滲漏而污染下部地層巖溶水、井筒等人工通道向井下導入污水。

4)造成地表水徑流減少。當開采埋藏較深的煤炭資源時,采場裂隙一般不會延伸到地表,井下采掘空間與地表水不會產(chǎn)生直接的水力聯(lián)系,煤炭開采活動不會對地表水產(chǎn)生直接影響。當煤層厚度大或采空區(qū)范圍增大到一定程度時,地層開采沉陷面積和采場裂隙延伸至地表,地表水通過裂隙進入井下采掘空間而與地下采場發(fā)生水力聯(lián)系,直接導致地表河流湖泊水減少、水庫等水利設(shè)施的儲水量下降。

5)形成漏斗區(qū)。當煤層被回采后,采空區(qū)上方巖層在采動影響及重力作用下垮落直至充滿采掘空間,沿采場豎向形成冒落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶,三帶范圍內(nèi)垂向裂縫發(fā)育多且寬度大,使得采空區(qū)上方煤巖系地層中的水向下滲漏而進入采掘空間或外排,以采場為中心形成水位下降漏斗區(qū),導致淺部地層水枯竭。

6)造成植被破壞。煤炭開采造成地表植被賴以生存的淺部地層水資源枯竭和土地質(zhì)量下降,一方面加大了地表水土流失,環(huán)境進一步惡化，另一方面地表沒有植被覆蓋而減少了大氣降水滲漏,降雨時地表河流的洪水流量增大,淺部地層的儲蓄能力降低。

3 礦井水利用途徑及存在問題

根據(jù)山西省現(xiàn)有國有重點煤炭集團煤炭生產(chǎn)過程總排水量排序顯示,大同煤礦集團公司居首,陽泉煤礦集團公司居末[5],兩大集團每年的排水量分別為1 440萬m3和345萬m3。本世紀初山西省各大國有重點煤炭集團礦井水排放與利用統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 礦井水排放與利用統(tǒng)計表Table 1 Water drainage and utilization in coal mines

3.1 利用途徑介紹

在現(xiàn)有的生產(chǎn)技術(shù)條件下,礦井水最直接普遍的利用途徑是經(jīng)水倉簡單沉淀過濾后,被用作井下噴淋降塵、地面洗煤補水等生產(chǎn)環(huán)節(jié)[6]。設(shè)備條件較好的煤炭企業(yè),礦井水經(jīng)過反滲透或電滲析深度處理后,用于如沖洗車輛及廁所、道路綠化灑水等地面生產(chǎn)生活公用事業(yè)用水。針對用水極度短缺的礦區(qū),增加設(shè)備投入對礦井水進行深度處理后用于職工家屬洗澡及生活直接飲用水。如大同煤礦集團公司青磁窯礦引進先進的水處理設(shè)備,礦井水經(jīng)過超濾+反滲透處理后,水質(zhì)可達到《我國城鎮(zhèn)居民生活飲用水標準》的規(guī)定,緩解了礦區(qū)居民飲用水短缺的問題。

礦井水經(jīng)處理達標后還可以用于農(nóng)業(yè)灌溉、農(nóng)村居民生活及林牧漁業(yè)生產(chǎn)水源。如晉城地區(qū)高平市永錄鄉(xiāng)在礦井排水口周圍修筑攔水壩,礦井水被收集引流到報廢的礦井存儲而作為附近村莊生產(chǎn)生活水源。據(jù)統(tǒng)計,高平市充分發(fā)揮報廢礦井存在大量地下空間的作用,已修建了30多處地下儲水庫,估算儲水量超過了120萬m3,4 200多畝旱地因此而轉(zhuǎn)變?yōu)樗疂驳?2 100多畝原有的水澆地供水水源進一步得到改善。晉城市北石店鄉(xiāng)的鄉(xiāng)村辦廢舊礦井經(jīng)過改造配套后成為儲集周圍礦井排水的地下水庫,估算儲水量超過150萬m3,6 400多畝土地得到灌溉;北石店村農(nóng)業(yè)園區(qū)的供水源基本為報廢封閉礦井,園區(qū)的1 000多畝土地得到充足水源灌溉,礦井水能夠保證養(yǎng)殖、綠化、旅游等用水需求,被評為全國農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)礦區(qū)土地復墾示范區(qū)。

礦井水經(jīng)處理達標后還可被用于市政建設(shè)和城市綠化。如晉城市陽城縣南溝煤礦的礦井廢棄水不僅用于農(nóng)業(yè)灌溉等生產(chǎn)活動,還大量用于市政建設(shè)和城市綠化,改善了當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境,促進了旅游業(yè)發(fā)展。

3.2 存在問題

1)山西作為全國產(chǎn)煤大省,各地市遍布有1 000多座煤礦企業(yè)。雖然煤礦數(shù)量多,但排水分散,礦井水不適合集中處理,只能通過煤炭生產(chǎn)企業(yè)增加設(shè)施設(shè)備進行處理。此外,礦井水的處理利用率普遍比較低,許多企業(yè)由于在礦井水處理設(shè)施設(shè)備方面投入資金較少而使得大部分礦井水未經(jīng)任何處理直接排放,不僅污染環(huán)境,而且浪費水資源,加劇了礦區(qū)生產(chǎn)生活用水緊張的現(xiàn)狀。

2)地下采空區(qū)大多被礦井水充滿且無法利用,地下水的自然徑流路線被改變,原有的地層儲水構(gòu)造因煤炭開采而被破壞,井下采掘工程中極易導通采空區(qū)水而引發(fā)涌突水事故,給礦井安全生產(chǎn)帶來巨大安全隱患。

3)礦井水處理工藝不完善,具體表現(xiàn)為設(shè)計參數(shù)不科學、凈水藥劑選擇或使用不當。礦井水一般都含有大量的懸浮物質(zhì),設(shè)計處理礦井水的設(shè)施設(shè)備時,未考慮其特殊的處理要求,簡單借鑒江河湖泊水處理工藝參數(shù),造成經(jīng)過處理后的水質(zhì)達不到使用要求。

4)礦井水處理設(shè)施設(shè)備建設(shè)及運營需要大量資金保障,近年由于煤炭行業(yè)整體低迷,企業(yè)利潤減少,甚至出現(xiàn)虧損,資金投入少成為制約礦井水處理利用的關(guān)鍵因素。

4 結(jié)束語

礦產(chǎn)資源開發(fā)與用水緊張之間的矛盾已成為制約北方煤炭企業(yè)和當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展的重要因素,隨著企業(yè)運營者科學可持續(xù)發(fā)展觀念和環(huán)境保護意識的提高,煤炭生產(chǎn)企業(yè)逐步改變了對礦井水的認識,開始認識到礦井水作為潛在水資源的利用價值。礦井水經(jīng)處理由污水轉(zhuǎn)變?yōu)樗Y源被加以利用是解決其直接排放污染環(huán)境和礦區(qū)生產(chǎn)生活用水短缺問題的最佳選擇,可實現(xiàn)經(jīng)濟、環(huán)境和社會三方面的效益統(tǒng)一。