采煤對淺層地下水環(huán)境的影響及礦井水生態(tài)利用分析

柴建祿

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.陜西省“四主體一聯(lián)合”黃河流域中段礦區(qū)(煤礦)生態(tài)環(huán)境保護與修復校企聯(lián)合研究中心，陜西 西安 710077)

我國能源資源稟賦特征決定了煤炭是我國長期穩(wěn)定的主體能源[1-2]，其中鄂爾多斯盆地又是煤炭開采的核心區(qū)，建設有神東、陜北2 大煤炭基地，位于2 大煤炭基地的榆神府礦區(qū)2020 年煤炭產(chǎn)量超過5.0 億t。但是，我國煤炭資源與水資源呈逆向分布[3]，榆神府礦區(qū)處于我國的黃河流域，屬于干旱半干旱區(qū)，水資源缺乏，且時空分布不均，水資源已成為制約當?shù)厣鐣?jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸。同時，該區(qū)域位于我國二級階梯的鄂爾多斯盆地北部，屬于毛烏素沙漠與黃土高原過渡地帶，地表生態(tài)環(huán)境脆弱，地層中賦存著較為豐富的第四系和白堊系地下水，下伏侏羅紀煤層，整體上構成了聯(lián)系緊密的生態(tài)環(huán)境-水資源-煤炭資源系統(tǒng)[4]。經(jīng)過30 多年煤炭高強度開采，不僅造成地下水資源的大量漏失，還引起較為明顯的地表植被破壞、水土流失、水環(huán)境污染等問題[5-7]。同時，2018 年我國礦井水產(chǎn)生總量為68.8 億m3，礦井水平均利用率僅為35.0%，礦井水總量較大和利用效率較低的矛盾仍然十分突出[8]。隨著“黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展”重大國家戰(zhàn)略的提出，準確全面評價煤炭資源開發(fā)對地下水環(huán)境的影響并實現(xiàn)礦井水的生態(tài)利用顯得尤為迫切[9]。因此，以榆神府礦區(qū)為研究區(qū)，基于野外調(diào)查、數(shù)據(jù)分析、室內(nèi)測試等研究手段，分析研究區(qū)礦井水的量質(zhì)特征，揭示煤炭開采對地下水環(huán)境的影響特征，對黃河流域中游煤礦區(qū)的煤炭資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要的指導意義。

1 榆神府礦區(qū)概況

榆神府礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地的陜北榆林地區(qū)，包括神府、榆神和榆橫3 個礦區(qū)，該區(qū)域氣候干燥，多年平均降水量在430 mm 左右，區(qū)內(nèi)近85%的降水量集中在5-10 月，平均蒸發(fā)量約為1 200 mm，蒸發(fā)量遠大于降水量，由此導致礦區(qū)水資源匱乏，生態(tài)環(huán)境脆弱。由于研究區(qū)地表分布有結構疏松的風積沙層，降水入滲系數(shù)近0.5，因此，大氣降水是研究區(qū)淺層地下水的主要補給來源[10]；地下水的流向受地形控制明顯，淺層地下水總體從西北、東北向榆溪河、禿尾河、窟野河及紅堿淖內(nèi)流盆地徑流；蒸發(fā)、人工開采地下水和采煤排水是研究區(qū)地下水的主要排泄方式。煤炭資源主要賦存于延安組地層，且具有煤層厚、煤質(zhì)優(yōu)、埋深小且構造簡單的特點。研究區(qū)水文地質(zhì)結構類型如圖1 所示，由圖中可以看出，神府礦區(qū)煤層埋深最小，榆橫礦區(qū)煤層埋深最大，因此，本文定義煤層埋深小于200 m 的為淺埋煤層，200～400 m 的為中深埋煤層，大于400 m 為深埋煤層。

圖1 研究區(qū)各礦區(qū)水文地質(zhì)結構類型[11]Fig.1 Columnar section of hydrogeological structure of the study area[11]

2 礦井排水量質(zhì)特征分析

2.1 礦井排水量估算

對研究區(qū)大柳塔、活雞兔、檸條塔、紅柳林等14個典型礦井進行現(xiàn)場調(diào)研，分別統(tǒng)計出其2020 年煤炭產(chǎn)量和礦井涌水量數(shù)據(jù)。根據(jù)調(diào)研獲得的煤炭產(chǎn)量和礦井涌水量(圖2)，采用礦井富水系數(shù)公式(即噸煤排水量)進行礦井排水量計算[12-13]：

圖2 研究區(qū)典型煤礦煤炭產(chǎn)量及涌水量Fig.2 Annual coal output and water inflow of typical coal mines in the study area

式中：Kp為礦井富水系數(shù)，m3/t；Q為某一時期內(nèi)礦井排水量，m3；P為同一時期的煤炭開采量，t。

圖2 反映了研究區(qū)典型煤礦煤炭產(chǎn)量及涌水量，研究區(qū)礦井富水系數(shù)在0.23～2.28 m3/t，平均為0.91 m3/t。根據(jù)研究區(qū)2020 年的煤炭產(chǎn)量，結合計算得到的富水系數(shù)，可以評估2020 年區(qū)內(nèi)礦井排水量高達4.70 億m3。

2.2 礦井水水質(zhì)特征

為分析研究區(qū)不同煤礦礦井水的水質(zhì)特征，對研究區(qū)典型煤礦的礦井水開展水樣采集與室內(nèi)測試工作，檢測包括pH、礦化度、Na+、化學需氧量(COD)、總硬度等指標。本研究依據(jù)GB/T 14848-2017《地下水質(zhì)量標準》[14]，選用常用的單指標評價法，對所采集的6 個典型煤礦礦井水樣品進行質(zhì)量評價。單指標評價法采用每項水質(zhì)指標濃度值與評價標準值進行對比，評價最差指標的所屬類別作為水質(zhì)類別，評價結果見表1。研究區(qū)礦井水都出現(xiàn)不同程度的污染組分超標現(xiàn)象，其中4 個煤礦礦井水質(zhì)量達到Ⅴ類，占比高達66.7%，2 個煤礦礦井水質(zhì)量為Ⅳ類，占比為33.3%，主要超標指標為COD、Na+、、溶解性總固體(TDS)等。

表1 研究區(qū)典型煤礦礦井水質(zhì)量單因子評價結果Table 1 Single factor evaluation results of mine water quality for typical coal mines in the study area

將研究區(qū)典型煤礦礦井水和第四系淺層地下水的水化學資料進行統(tǒng)計，并繪制Piper 三線圖，如圖3 所示。淺層地下水和礦井水具有不同的水化學特征，具體表現(xiàn)如下。

圖3 礦井水與淺層地下水Piper 三線圖Fig.3 Piper diagram for mine water and shallow groundwater

1) 第四系淺層地下水

第四系淺層地下水pH 在8.0 左右，礦化度為240～390 mg/L，屬于弱堿性淡水。陽離子主要以Ca2+為主，質(zhì)量濃度平均為52.68 mg/L，其次為Na+和Mg2+；陰離子以為主，平均質(zhì)量濃度為193 mg/L，其次為和Cl-，HCO3-Ca 為其主要的水化學類型。

2) 淺埋區(qū)礦井水

淺埋區(qū)礦井水pH 為7.80，礦化度為291.00 mg/L，陽離子以Ca2+為主，質(zhì)量濃度為44.53 mg/L，其次為Na+和Mg2+；陰離子以為主，質(zhì)量濃度為213.48 mg/L，其次為和Cl-，礦井水的水化學類型為HCO3-Ca 型。

3) 中深埋區(qū)礦井水

中深埋礦井水pH 為8.20，礦化度為1 297.00 mg/L，陽離子主要以Na+為主，質(zhì)量濃度為342.00 mg/L，其次為Ca2+和Mg2+；陰離子以為主，質(zhì)量濃度為647.00 mg/L，其次為(216.00 mg/L)和Cl-，水化學類型為HCO3-Na 型。

4) 深埋區(qū)礦井水

深埋煤礦礦井水pH 為7.78，礦化度為3 684.00 mg/L，陽離子主要以Na+為主，質(zhì)量濃度為641.00 mg/L，其次為Ca2+和Mg2+，陰離子以為主，質(zhì)量濃度為2 161.00 mg/L，其次為和Cl-，水化學類型為SO4-Na 型。

由以上分析可知，研究區(qū)煤礦的礦井水水質(zhì)較差，水化學類型和淺層地下水存在較大差異，礦井水外排將會污染區(qū)內(nèi)地表水和地下水環(huán)境[15]。

3 煤炭開采對地下水環(huán)境的影響規(guī)律

3.1 地下水位變化特征

在自然條件下，地下水位隨降水量的變化發(fā)生輕微波動，但整體趨勢基本保持穩(wěn)定[16]。收集并整理研究區(qū)多個煤礦在開采期間的地下水位觀測資料，繪制區(qū)內(nèi)典型煤礦不同含水層的地下水位變化特征圖(圖4)。

圖4a 為研究區(qū)某淺埋煤礦第四系地下水埋深變化特征，從圖中可以看出，2012 年1 月至2017 年3 月，第四系淺層地下水位急劇下降，這是由于該煤礦煤層埋深較小，導水裂隙帶直接溝通第四系含水層，導致第四系含水層水沿導水裂隙進入井下，造成淺層地下水位明顯下降。

圖4b 為某中深埋煤礦第四系地下水位變化特征，由圖可以看出，中深埋煤礦淺層地下水位下降幅度較小，一般不超過5 m，且下降后有回升趨勢；一般情況下，中深埋煤礦導水裂隙帶不溝通第四系含水層，淺層地下水位下降主要受采動地面沉降控制[17]。

圖4c 為某深埋煤礦不同含水層地下水位變化特征，從圖中可以看出，隨著礦井涌水量的增加，煤層上覆直接充水含水層(延安組和直羅組)地下水位急劇下降，下降幅度超過200 m，淺部含水層(第四系和洛河組)地下水位保持穩(wěn)定。

圖4 煤層不同埋深下典型煤礦含水層地下水位變化特征Fig.4 Groundwater level variation in coal mines of different buried depths

不同埋深煤層開采地下水位變化特征表明：淺埋煤層開采對第四系地下水的擾動最大，中深埋和深埋煤層開采對第四系地下水的影響相對較小。

3.2 地下水質(zhì)特征

為分析煤礦開采對地下水質(zhì)的影響規(guī)律，對研究區(qū)典型煤礦周邊第四系淺層地下水進行取樣(42 個)，并在實驗室開展測試，測試指標與2.2 節(jié)中礦井水指標一致。研究區(qū)內(nèi)7.1%的水樣質(zhì)量濃度大于250 mg/L，屬于地下水質(zhì)量的Ⅳ類標準；區(qū)內(nèi)2.4%水樣的濃度達到Ⅳ類，15 個水樣的濃度達到Ⅳ類及以上，其中3 個水樣的質(zhì)量濃度大于90 mg/L，均超過Ⅴ類標準限值的3 倍。同時，9.5%和7.1%的水樣中分別出現(xiàn)了F-和Mn2+超標，但沒有達到Ⅴ類標準。由上述分析可知，研究區(qū)淺層地下水主要污染指標為其主要分布特征如圖5 所示。淺層地下水與礦井水中污染組分差別較大，反映出研究區(qū)第四系淺層地下水受采礦活動影響較小，農(nóng)業(yè)化肥施用、生活污水和含氮工業(yè)廢水排放對其影響較大。

圖5 榆神府礦區(qū)淺層地下水中NO3 -質(zhì)量濃度等值線Fig.5 Contour map of concentration of shallow groundwater in the study area

4 礦井水生態(tài)利用可行性分析

4.1 礦井水地下回灌

礦井水地下回灌是將煤炭生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的多余礦井水通過地表滲濾或回灌井輸送至地下含水層中，是合理利用礦井水資源、凈化礦井水水質(zhì)、涵養(yǎng)礦區(qū)受損地下水環(huán)境的有效手段[18]。根據(jù)現(xiàn)場取樣實測，研究區(qū)深埋、中深埋煤礦礦井水的平均礦化度分別為：2 500、1 000 mg/L 以上，淺埋煤礦礦井水平均礦化度一般不大于500 mg/L，與第四系含水層地下水的水質(zhì)基本一致。因此，可以考慮將低礦化度礦井水回灌至含水層以調(diào)控地下水環(huán)境。

選擇研究區(qū)某淺埋煤礦開展低礦化度礦井水回灌現(xiàn)場試驗，回灌池面積約450 m2，底部和四周由風積沙構成，每天回灌量為500 m3，在回灌池外側布置取樣點(為回灌濾池出水)，并利用回灌池周邊2 口民用井，作為監(jiān)測井，距離分別為20 m(1 號井)和40 m(2 號井)，定期采集水樣進行水質(zhì)檢測(圖6)。

圖6 回灌池及監(jiān)測井分布Fig.6 Schematic diagram of recharge tank and monitoring well

圖7 為礦井水與回灌后水體的水質(zhì)對比結果。如圖7a 所示，礦井水回灌對溶解性有機碳(DOC)的去除作用較顯著，礦井水中DOC 經(jīng)回灌池沙濾后，平均質(zhì)量濃度從7.2 mg/L 下降為5.2 mg/L，去除率為27.8%。礦井水進入含水層后，對1 號井和2 號井水質(zhì)檢測發(fā)現(xiàn)，平均質(zhì)量濃度分別為3.1、0.8 mg/L。圖7b 為礦井水回灌過程中色度變化特征，礦井水地下回灌過程中沙濾階段可以去除礦井水中色度的54.4%，使礦井水色度從43.9 降至20.0，礦井水在含水層中運移40 m，色度降低至7.8，2 個階段累計實現(xiàn)礦井水色度82.2%的去除，低于地下水質(zhì)量標準Ⅲ類水中的色度限值。圖7c 為礦井水回灌過程中TDS 變化特征，由于回灌地層第四系地下水礦化度稍高于礦井水，受水巖作用和混合作用影響，礦井水進入含水層后其TDS 呈現(xiàn)較小幅度的增加趨勢。

圖7 礦井水地下回灌水質(zhì)變化特征Fig.7 Effect of recharging groundwater with minewater on groundwater quality

4.2 礦井水生態(tài)灌溉水質(zhì)評價

由于研究區(qū)氣候干旱，土壤貧瘠，煤炭開采使本就脆弱的生態(tài)環(huán)境更加惡化，在開展煤礦區(qū)生態(tài)修復工程實踐中，經(jīng)常采用礦井水對生態(tài)破壞區(qū)植被進行綠化灌溉。但如果礦井水質(zhì)量不滿足灌溉要求，反而會進一步導致植被退化。目前，常用USSL 圖法與Wilcox 圖法綜合評價灌溉水水質(zhì)特征[19]。USSL 圖與Wilcox 圖的橫坐標都為EC，用來表示鹽害的大??；兩圖的縱坐標分別為鈉吸附比(Sodium Adsorption Ration,SAR)和可溶性鈉百分比(Soluble Sodium Percentage,SSP)，用來表示堿害的大小。SAR 與SSP 可用下式表示[19]：

其中，c(Na+)、c(Ca2+)、c(Mg2+)、c(K+) 的單位為meq/L。

圖8 為研究區(qū)礦井水的USSL 圖與Wilcox 圖評價結果。從圖8a 可以看出，淺埋煤礦礦井水位于C2S2 區(qū)，中深埋、深埋煤礦礦井水分別位于C3S4 區(qū)、C4S4 區(qū)，表明淺埋煤礦礦井水能夠滿足灌溉的基本要求，中深埋和深埋煤礦礦井水不適合灌溉。圖8b 顯示，淺埋煤礦礦井水位于“優(yōu)質(zhì)-好”區(qū)域，而中深埋、深埋礦井水分別位于“不太適合-不適合”和“不適合”區(qū)。因此，可以推斷，榆神府礦區(qū)淺埋煤礦礦井水具有作為礦區(qū)生態(tài)修復灌溉用水的較好潛力，未進行處理的中深埋、深埋煤礦礦井水不適宜作為灌溉用水，如使用其進行灌溉，可能會破壞土壤結構，影響土壤的滲透性，加速土壤鹽堿化，甚至導致植被死亡[20]。

圖8 USSL 圖與Wilcox 圖指示礦井水的灌溉水等級Fig.8 Mine water quality for irrigation showed in USSL and Wilcox diagram

5 結 論

a.基于富水系數(shù)法，評估了榆神府礦區(qū)2020 年礦井排水量，分析了典型煤礦礦井水的水質(zhì)特征，厘定了礦井水的主要污染組分。

b.地下水位對不同埋深煤層開采的響應特征不同，淺埋煤層開采導致地下水位下降趨勢最為明顯；區(qū)內(nèi)淺層地下水的主要污染組分與礦井水污染組分差異較大，反映出區(qū)內(nèi)淺層地下水水質(zhì)受采礦活動影響較小。

c.提出礦井水淺層回灌和礦井水生態(tài)灌溉2 種模式開展區(qū)內(nèi)礦井水的生態(tài)利用。礦井水回灌對礦井水中的溶解性有機碳、色度具有較好的去除效果，回灌后含水層地下水質(zhì)滿足Ⅲ類水質(zhì)要求；淺埋煤礦礦井水適宜作為礦區(qū)生態(tài)修復的灌溉用水，未進行處理的中深埋煤礦和深埋煤礦礦井水不適宜作為灌溉用水。