松宜礦區(qū)尖巖河煤礦泉水分布特征及意義

羅 根 賈乾明

(湖北煤炭地質(zhì)局,湖北 武漢430070)

2017 年9 月15 日下午，洛溪河流域水體出現(xiàn)異常呈鐵紅色，并逐步加重向下游蔓延流入洈水河。造成洈水河沿岸的楊林市鎮(zhèn)石龍橋水廠、楊林市鎮(zhèn)赤膊洞水廠、紙廠河鎮(zhèn)馬放坪水廠3 個(gè)水廠停止供水，服務(wù)區(qū)內(nèi)7.3 萬(wàn)名群眾生產(chǎn)生活受到影響。經(jīng)調(diào)查，洛溪河水體異常主要為PH 偏小，污染源頭主要為松宜礦區(qū)原尖巖河等煤礦。酸性廢水對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題迫切需要解決。

我國(guó)各類礦山廢水的排放量巨大，礦山廢水中污染范圍最廣、危害程度最大的是礦山排放的酸性廢水[1]，目前，針對(duì)煤礦酸性廢水治理的辦法有多種，利用微生物處理，利用化學(xué)試劑、材料中和，利用生態(tài)濕地中的動(dòng)植物處理等。尖巖河鄰近礦山曾采用中和法治理其酸性廢水，但由于該煤礦酸性廢水排放量大、治理成本較高、治理周期較長(zhǎng)等問(wèn)題，并且產(chǎn)生大量黃褐色沉淀，治理效果并不理想。本次研究工作，采用經(jīng)驗(yàn)判斷、流量動(dòng)態(tài)長(zhǎng)觀、水質(zhì)監(jiān)測(cè)等方法開(kāi)展尖巖河煤礦范圍內(nèi)地下水的天然露頭泉水基本情況調(diào)查，反應(yīng)研究區(qū)水文地質(zhì)特征，從而驗(yàn)證擬采用水封法抬高地下水位治理研究區(qū)酸性廢水的可能性。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理

松宜礦區(qū)地處鄂西山地的東部邊緣向江漢平原過(guò)渡地帶，為低山丘陵地貌區(qū)（如圖1）。

區(qū)內(nèi)最高點(diǎn)為北西側(cè)的大坪垴，高程837.8m，最低點(diǎn)位于劉家場(chǎng)鎮(zhèn)洛溪河河床，高程131.2m。區(qū)內(nèi)地形起伏較大，坡角多在10°～30°之間，溝谷深切段多見(jiàn)高100～400m 的陡崖，地形復(fù)雜，地貌類型多樣。洛溪河發(fā)源于宜都市王畈鄉(xiāng)古水坪，屬常年性流。上河長(zhǎng)15.1km，平均坡降3.18%，河床寬10～20m，“V”形河谷，河水補(bǔ)給地下水。洛溪河流量0.20～0.70m3/s，特大洪水期最大流量達(dá)500～600m3/s，平均流量500～600m3/s，匯水面積110km2（如圖2）。

1.2 水環(huán)境污染情況

酸性礦井水的成因是：在煤層及其圍巖中含有硫鐵礦，由于煤炭的開(kāi)采破壞了煤層原有的還原環(huán)境，提供了氧化這些還原態(tài)硫化物所需的氧，地下水的滲出并與煤中的硫化物氧化成硫酸，進(jìn)而使礦井水呈酸性[2]。

圖1 水文地質(zhì)略圖

2017 年3 月尖巖河煤礦風(fēng)井閉坑后，至6 月礦井主平硐第一次涌水，礦井正常涌水量為3600m3/h。根據(jù)《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB20426-2006）尖巖河煤礦礦井水COD、Hg、Cr6+等指標(biāo)未超標(biāo)，但PH、Fe、Mn 指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)限定值。礦井水PH 在3～5 范圍內(nèi)，小于限定值6～9；Fe 含量在180～330mg/L 范圍內(nèi)，遠(yuǎn)超過(guò)限定值6mg/L；Mn 含量在20～30mg/L 范圍內(nèi)，遠(yuǎn)大于限定值5mg/L。尖巖河酸性廢水匯入洛溪河后，不僅影響河流中水植物和魚(yú)類的生長(zhǎng)繁殖，同時(shí)礦井水中的鐵離子進(jìn)入河流后，接觸空氣被氧化，導(dǎo)致水體發(fā)黃。

2 泉水分布特征

2.1 PH

根據(jù)調(diào)查研究，尖巖河煤礦范圍內(nèi)所分布的19 處泉水出露點(diǎn)PH 一般為7.0～8.5。這說(shuō)明天然情況下，尖巖河煤礦范圍地下水為堿性。這是因?yàn)榧鈳r河煤礦大部分出露地層為灰?guī)r地層，灰?guī)r為以方解石為主要成分的碳酸鹽巖。有時(shí)含有白云石、粘土礦物和碎屑礦物。方解石、白云石均呈溶解反應(yīng)，其反應(yīng)方程分別為[3]：

圖2 松宜礦區(qū)地貌圖

圖3 洛溪河污染現(xiàn)狀

這些反應(yīng)均為消耗H+的反應(yīng)，其結(jié)果使地下水的PH 升高。但地下水的PH 值僅由7.0 上升到8.5，變化幅度很小，這是因?yàn)檫@一帶地下水處于相對(duì)開(kāi)放的系統(tǒng)，地下水有CO2的不斷補(bǔ)充，CO2的溶解反應(yīng)為：

產(chǎn)生的H+對(duì)地下水進(jìn)行了補(bǔ)充。使地下水PH 值變化維系在一個(gè)不大的范圍。尖巖河煤礦開(kāi)采標(biāo)高未70～330m 左右，根據(jù)PH 監(jiān)測(cè)結(jié)果，泉水點(diǎn)垂直距離采空區(qū)較遠(yuǎn)時(shí)，水質(zhì)一般較好。本次研究發(fā)現(xiàn)，S17 泉水點(diǎn)PH 為6.6，主要原因?yàn)樵撊c(diǎn)靠近煤系，與采空區(qū)溝通，受采空區(qū)酸性廢水影響。

2.2 流量特征

本次研究發(fā)現(xiàn)，尖巖河煤礦范圍內(nèi)泉水流量為0.02～35L/s，泉水流量變化較大，巖溶含水介質(zhì)極不均勻，部分泉水流量較大，說(shuō)明區(qū)內(nèi)含水層富水性較好，局部巖溶發(fā)育，導(dǎo)水性很好。根據(jù)對(duì)泉13 的長(zhǎng)期觀測(cè)（2019 年11 月至2020 年10 月），豐水期最大流量為15.63L/S，枯水期最小流量為7.36L/S，動(dòng)態(tài)變化系數(shù)為2.12。

2.3 泉水類型

尖巖河煤礦范圍內(nèi)泉水類型主要為巖溶泉，未發(fā)現(xiàn)斷層泉，說(shuō)明尖巖河煤礦范圍內(nèi)雖然斷層發(fā)育，但斷層破碎帶不發(fā)育，或擠壓緊密、膠結(jié)較好、導(dǎo)水性差、富水性弱。根據(jù)歷史資料，松宜礦區(qū)在生產(chǎn)巷道中，井下多次揭露斷層，斷層破碎帶往往有滴水、淋水征兆，但未見(jiàn)較大涌水現(xiàn)象，井下揭露斷層破碎帶的膠結(jié)物多為泥質(zhì)。井下揭露斷層情況與地表泉水出露情況一致。

2.4 出露地層

尖巖河煤礦范圍內(nèi)開(kāi)采煤層下伏C2hn 灰?guī)r出露面積較小，泉水發(fā)育地層主要為P1q、T1d，C2hn 地層未發(fā)現(xiàn)泉水點(diǎn)出露，說(shuō)明煤層上覆地層P1q、T1d 灰?guī)r局部巖溶相對(duì)發(fā)育，開(kāi)采煤層底板C2hn 灰?guī)r巖溶發(fā)育相對(duì)較差，導(dǎo)水性相對(duì)較差。

3 意義

根據(jù)區(qū)內(nèi)泉水流量特征，區(qū)內(nèi)富水性較好，礦坑酸性廢水排放量較大，如果采用中和法等末端治理的方式，周期長(zhǎng)，后期處理運(yùn)營(yíng)費(fèi)用巨大，不經(jīng)濟(jì)。根據(jù)泉水出露類型及出露地層特征，區(qū)內(nèi)斷層導(dǎo)水性較差，煤層底板導(dǎo)水性相對(duì)較差，煤層上覆P1q地層泉水出露點(diǎn)流量差異較大，主要是局部導(dǎo)水性較大，因此，對(duì)地表地勢(shì)較低的坑口及泉水點(diǎn)進(jìn)行封堵是能夠抬升研究區(qū)地下水水位的?；谏鲜龇治?，本次研究建議封閉相對(duì)位置較低的排水點(diǎn)，抬高區(qū)內(nèi)地下水水位標(biāo)高，改變采空區(qū)水環(huán)境，從而達(dá)到治理采空區(qū)地下水污染的目的。由于酸性廢水比重相對(duì)較大，且已經(jīng)充滿水的部位不易接受比它底的水體進(jìn)入，隨著水位的提升，動(dòng)態(tài)補(bǔ)給的新鮮水會(huì)在采空區(qū)污水上方徑流排出，采空區(qū)內(nèi)形成一個(gè)相對(duì)靜止的“死水庫(kù)”，從而減緩酸性廢水的流出速度，部分流出的酸性廢水可利用大量天然堿性地下水自然中和處理；另外，抬高水位，可以減少CO2對(duì)采空區(qū)廢水的補(bǔ)充，抑制CO2的溶解反應(yīng)，有利于方解石、白云石的溶解反應(yīng)消耗掉采空區(qū)污染水中的H+。

4 結(jié)論

4.1 松宜礦區(qū)尖巖河煤礦天然泉水呈弱堿性，泉水點(diǎn)垂直距離采空區(qū)較遠(yuǎn)時(shí)，水質(zhì)一般較好。區(qū)內(nèi)含水層富水性較好，巖溶含水介質(zhì)極不均勻，斷層破碎帶不發(fā)育，或擠壓緊密、膠結(jié)較好、斷層導(dǎo)水性較差。煤層底板導(dǎo)水性相對(duì)較差，煤層上覆地層局部導(dǎo)水性較好，可對(duì)地勢(shì)較低的排水地段進(jìn)行封堵、可抬高研究區(qū)地下水位。

4.2 通過(guò)抬高地下水水位能夠有效治理尖巖河煤礦酸性廢水污染地表水環(huán)境的問(wèn)題。該方法成本低、見(jiàn)效快，可作為該區(qū)煤礦酸性廢水首選治理參考方案。