喬小娟,李國敏,周金龍,都潔,杜成元,孫中惠,巫潤建

(1.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,北京 100029;2.山西省太原市水務(wù)局,山西太原 030002)

我國煤炭資源豐富,煤炭作為主體能源,在一次能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中占 76.7%,在消費結(jié)構(gòu)中占69.4%。而石油在一次能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中占20.4%,天然氣為3%,水電和可再生能源為7.2%。我國的煤炭生產(chǎn)量逐年增加,2006年全國生產(chǎn)煤炭23.7億t,同比增長8.0%;2007年煤炭產(chǎn)量達25.36億t,同比增加1.63億t,增長6.9%。煤炭對經(jīng)濟社會發(fā)展具有重要作用,但也不可忽略煤礦開采對自然環(huán)境帶來的負面影響。以能源基地山西省為例,1978～2003年,山西省累計產(chǎn)煤 65.3億t,目前全省有5000km2采空區(qū)。通過對水資源永久性破壞、水土流失、人畜缺水、房屋建筑破壞等15項指標(biāo)的核算表明,采煤造成的環(huán)境污染、生態(tài)破壞等損失累計高達3988.5億元。

1 采煤對地下水影響研究現(xiàn)狀

關(guān)于煤礦開采活動對地下水影響的研究始于20世紀(jì)80年代,前人從不同角度開展過許多研究。

韓寶平等[1]從系統(tǒng)論觀點出發(fā),綜合分析煤礦開發(fā)過程中所產(chǎn)生的各種水文地質(zhì)問題的因素、表象及危害等之間的關(guān)系,建立了煤礦開采活動影響下的水文地質(zhì)概念模型,對了解煤礦開采活動條件下水文地質(zhì)學(xué)的效應(yīng)發(fā)生和演化方式與強度,進而預(yù)測煤礦疏排水量及其時間變化規(guī)律具有積極意義。武強等[2]著重從技術(shù)方面,同時兼顧經(jīng)濟、社會、生態(tài)環(huán)境、水力技術(shù)和安全生產(chǎn)等多方面可持續(xù)性發(fā)展的要求,針對華北型煤田,提出了排、供、生態(tài)環(huán)保三位一體優(yōu)化結(jié)合的區(qū)域水資源利用措施,對解決該地區(qū)水資源與生態(tài)環(huán)保矛盾具有參考價值。赫英臣等[3]針對地下水的保護問題,提出加強礦區(qū)的環(huán)境管理,及時回填采煤沉陷坑,加強對淺層地下水的利用和人工降低地下水水位等。韓寶平等[4]介紹了地下采煤過程改變地下結(jié)構(gòu)、地下水水位和地表應(yīng)力而使地表形態(tài)發(fā)生演變,利用3S新技術(shù)進行礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測和評價,同時對礦區(qū)水資源保護與水污染治理技術(shù)進行總結(jié)。

煤礦開采活動對地下水水質(zhì)的影響研究已取得很多成果。例如武強等[5]研究煤礦開采誘發(fā)的水環(huán)境問題,發(fā)現(xiàn)地下水在動態(tài)的交換過程中含有“有毒”或者“有害”的離子成分。楊策等[6-7]以平頂山市石龍區(qū)為例,研究采煤造成地下水的貧水化問題,研究地下水地球化學(xué)環(huán)境變遷機制。王洪亮等[8]和馮秀軍[9]分別針對神木大柳塔和淄博市淄川區(qū)礦坑水等區(qū)域,分析煤礦排水對水資源的影響。礦產(chǎn)資源在開發(fā)利用過程中產(chǎn)生的廢水污染是造成水源惡化的污染源主要因素之一,例如,岳梅等[10]以水化學(xué)數(shù)據(jù)為依據(jù),應(yīng)用相關(guān)分析,對煤礦酸性礦排水(AMD)的水化學(xué)特點及其成因進行了研究。鐘佐等[11]以淄博煤礦為例,通過現(xiàn)場土柱模擬試驗得出污灌區(qū)地下水污染的主要原因是污水灌溉。黨志[12]研究煤矸石-水相互作用的溶解動力及其環(huán)境地球效應(yīng)。鄭西來等[13]把污染地下水與巖石之間的相互作用表示為一系列地球化學(xué)反應(yīng),預(yù)測了部分污染因子對地下水污染擴散規(guī)律的影響。

對于煤礦開采過程中引起的一系列環(huán)境地質(zhì)問題,例如地表形變、地面沉降、露天邊坡失穩(wěn)及采礦滑坡與崩塌、水土流失、土地荒漠化等,在不同區(qū)域也有相關(guān)研究。例如,張錦瑞等[14]在介紹我國采煤塌陷現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,分析了采煤塌陷所引起的一系列地質(zhì)環(huán)境問題,并進一步提出了采煤塌陷地的治理方法。許光泉等[15]以淮南煤礦區(qū)為例,通過該區(qū)多時段、多水平的放水試驗,研究灰?guī)r水動力場規(guī)律和疏降地下水引起地面塌陷形成機理。段中會[16]對榆神府礦區(qū)突出的土地沙漠化、水土流失、水資源貧乏等三大環(huán)境地質(zhì)問題進行分析。李文平等[17]利用GIS支持下的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)綜合地質(zhì)環(huán)境評價模型,對陜北榆神府礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀及采煤效應(yīng)影響進行了分析和預(yù)測。

除了采用定性或數(shù)理統(tǒng)計方法外,部分研究人員利用數(shù)值模擬方法開展了礦區(qū)水文地質(zhì)的研究工作。例如,在我國峰峰礦區(qū)、王窯鐵礦、內(nèi)蒙元寶山煤礦、神府煤礦等很多礦區(qū),都曾運用數(shù)值方法評價礦坑涌水量,取得了較好效果。張鳳娥等[18]對神府煤礦的一個井田利用數(shù)值模型研究煤礦開采對其地下水流場的影響。任增平等[19]構(gòu)建數(shù)值模型,研究煤礦水源地開采對延河泉泉水流量的影響。

2 太原西山煤礦開采區(qū)煤炭開采對地下水資源與環(huán)境的影響分析

太原西山礦區(qū)位于西山煤田東北部,是山西省的煤炭能源基地之一。西山礦區(qū)中,國有大中型煤礦10余座,地方煤礦200多座,含煤總面積1598 km2,已探明煤炭儲量為186.3億 t。到 2005年,太原西山礦區(qū)煤礦原煤產(chǎn)量達到4005萬t,比1975年增加了近4倍。太原西山現(xiàn)狀采煤層主要為賦存于石炭系上統(tǒng)的太原組和山西組。煤系地層上覆松散黃土層,下伏奧陶系碳酸鹽巖,該地質(zhì)層是西山地區(qū)主要的含水層。隨著煤炭開采總量及開采深度的增加,采煤對地下水的影響越來越大。

2.1 采煤對地下水資源量的影響

2.1.1 改變地下水流場

采煤不斷改變著礦區(qū)含水層的分布和含水狀況,導(dǎo)致礦區(qū)水文地質(zhì)條件的變化,進而使地下水動力場發(fā)生改變。在煤礦開采中,淺中層地下水逐漸被疏干,形成了區(qū)域性的地下水水位下降漏斗,使煤系及上伏含水層由承壓轉(zhuǎn)為無壓。在影響半徑內(nèi),地下水由水平流動為主變?yōu)榇瓜蛄鲃?并且流速加快,存儲量減少,補徑排關(guān)系不斷改變,形成新的地下水系統(tǒng)。而新的地下水系統(tǒng)會誘發(fā)新的水文地質(zhì)效應(yīng),使地下水系統(tǒng)在一定的開采方式、強度和規(guī)?？刂葡虏粩嘧兓?產(chǎn)生連鎖式的水文地質(zhì)效應(yīng)。

2.1.2 改變地下水與地表水關(guān)系

煤炭開采后,采空區(qū)易發(fā)生地面塌陷、地裂縫,破壞了淺部地下水隔水層和儲水構(gòu)造,使得礦區(qū)煤系地層裂隙水、上覆松散巖類孔隙水和下伏碳酸鹽巖巖溶水相互貫通。在礦坑低于當(dāng)?shù)睾拥赘叱虝r,基流排向礦坑而不再排向河道,隨著采煤引起的裂隙加大、加深,一部分地下水垂直排向礦坑,從而使天然基流量減少。在已形成較大面積采空區(qū)并導(dǎo)致地面發(fā)生裂縫和塌陷的地段,當(dāng)遇到大的降雨或洪水時,在坡面漫流和河道匯流的過程中,地表徑流通過因采煤而造成的裂縫與塌陷地帶,大量滲漏入礦井中,從而使地表徑流量減少。因此,在淺部“三帶”連通地段,地表基流量和徑流量減少。如處于冶峪溝中游的官地、西峪煤礦,20世紀(jì)60年代初具規(guī)模,80年代開采達到高峰,冶峪溝下游的董茹水文站監(jiān)測資料表明:1958年降水量532.8mm,地表徑流深為31.7mm;1983年降水量564.5mm,地表徑流深為5.8mm,表明煤炭開采量增大,對地表徑流產(chǎn)生明顯影響。

2.1.3 對淺中層孔隙裂隙水的影響

西山礦區(qū)孔隙水主要分布于中部的原平川、屯蘭川、大川河、汾河河谷地帶。由于孔隙水含水層具顆粒粗、厚度薄,儲存量較少的特點,礦井大量排放孔隙水,疏干了孔隙含水層,會形成較大的降落漏斗。

在太原西山地區(qū),煤礦開采集中分布在邊山帶附近,在沿邊山形成了一條人為的排水帶,截取了部分山丘區(qū)地下水流向盆地的補給量,天然狀態(tài)下的水平方向運動轉(zhuǎn)變?yōu)橐源怪狈较虻倪\動為主,使地下水流場發(fā)生了極大的轉(zhuǎn)變,減少了山區(qū)巖溶水對盆地孔隙水的側(cè)向流入量,影響了山區(qū)巖溶水系統(tǒng)與盆地孔隙水系統(tǒng)的水力聯(lián)系。而孔隙水及淺層裂隙水是礦區(qū)工業(yè)及居民生活的主要供水水源,由于煤礦開采排水,到2005年,太原已有106個村莊,4.01萬人和2739頭大牲畜吃水困難。

2.1.4 對深層巖溶水及巖溶大泉的影響

太原西山地區(qū)奧陶系石灰?guī)r下伏于煤系底部,易于被溝通而發(fā)生水力聯(lián)系。煤礦開采對巖溶大泉的流量有著直接影響。以晉祠泉為例。著名的晉祠泉域及蘭村泉域主要分布于西山地區(qū)。晉祠泉為西山巖溶山區(qū)非全排型巖溶大泉,其流量逐年減少,1960～1969年平均流量為1.75m3/s,比20世紀(jì)50年代下降0.24m3/s,1971～1980年平均流量1.13m3/s,1983年減為0.47m3/s,1986年只有0.29m3/s,1993年4月30日晉祠泉出現(xiàn)斷流現(xiàn)象。自從晉祠泉斷流以來,附近101號觀測孔地下水水位仍然以1.8m/a的速率下降。

煤礦開采對深層巖溶水及對巖溶大泉的影響主要表現(xiàn)在2個方面:

a.采煤排水造成巖溶水轉(zhuǎn)化為礦坑水被排出,減少了巖溶水資源量及巖溶大泉的補給量。

在煤炭帶壓開采區(qū),下伏巖溶水的水位高于煤礦開采層的底板標(biāo)高,巖溶水的頂托作用使部分巖溶水通過上部裂隙系統(tǒng)滲入開采區(qū),加大礦坑排量。帶壓開采礦區(qū)一般分布在泉域的徑流區(qū)和排泄區(qū),使巖溶含水層的水不再補給泉域,而使巖溶泉的補給量衰減,消耗了巖溶水資源,也使巖溶泉水位下降,流量減小。

在無壓開采礦區(qū),下伏巖溶水的水位低于煤礦的開采煤層的底板標(biāo)高,一般分布在泉域的補給、徑流區(qū)。當(dāng)煤礦開采時,由于疏干了開采區(qū)及其影響帶上覆巖層的地下水,天然狀態(tài)下本向巖溶地層補給的第四系孔隙水及基巖裂隙水,被煤礦襲奪和截流,轉(zhuǎn)化為礦坑水排向地表,減少了泉水的補給量,影響了泉水流量。

b.礦坑突水增大了巖溶泉水的排泄量。采煤排水不僅直接排泄了煤系地層裂隙水,而且還排泄了部分巖溶水。例如,晉祠泉域內(nèi)的白家莊煤礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,斷層發(fā)育,由杜兒坪及雅崖底斷層構(gòu)成的小虎峪地壘將巖溶含水層抬升至地表,造成煤系地層與巖溶含水層對接,巖溶水通過地壘補給煤系地層裂隙水,從而使白家莊煤礦的礦坑排水量明顯高于附近的官地、杜兒坪、西峪、西銘4礦,噸煤排水量是官地等4礦平均噸煤排水量的7.5倍,對晉祠泉的影響甚大。

2.2 采煤對地下水環(huán)境的影響

2.2.1 形成酸性礦坑水

煤礦區(qū)大規(guī)模巷道開挖造成地表植被的破壞、巖溶塌陷、地面塌陷及裂縫等相應(yīng)引起地表滲透條件變化、含水層破壞或邊界條件改變,產(chǎn)生人為導(dǎo)水通道,增大含水層間的水力聯(lián)系,地下水地球化學(xué)環(huán)境由封閉變得相對開啟,天然的還原狀態(tài)變?yōu)殚_放的氧化狀態(tài),煤層中硫含量較大,同時伴生有較多的黃鐵礦結(jié)核。在氧化狀態(tài)下,水中溶解的氧與黃鐵礦發(fā)生作用,形成易溶于水的硫酸亞鐵,從而使地下水離子濃度劇增。另一方面,礦井疏排水成為地下水主要的排泄途徑,潛水位不斷下降,機井干涸,泉水?dāng)嗔?深層承壓水水壓大幅度下降,地下水脫碳酸作用顯著,因此離子濃度降低。

太原西山礦區(qū)礦坑水水質(zhì)全分析和污染分析結(jié)果表明:煤礦區(qū)地下水水化學(xué)類型轉(zhuǎn)變主要表現(xiàn)為降低而 ρ迅速增加,使得pH值約為6.4,形成礦化度高、硬度偏大、鐵離子濃度大的酸性礦坑水。由于煤礦開采致使頂板的隔水性被破壞,某些地段大量的酸性礦坑水滲漏于深層,使深部巖溶水含水層水質(zhì)被污染,在地下形成潛在的水污染源。另外在淺部“三帶”連通地段,地表水轉(zhuǎn)化為地下水,涌入礦坑再排出,在下游又轉(zhuǎn)為地表水,形成不良循環(huán),使礦坑水的污染治理難度加大。

2.2.2 產(chǎn)生廢棄物污染地下水

采掘和洗煤過程中排出的煤矸石若未經(jīng)過處理,長期露天堆放,經(jīng)日曬雨淋、風(fēng)化侵蝕,天長日久便發(fā)生自燃,釋放出大量的有害氣體,污染大氣降水,一部分有害組分經(jīng)雨水淋濾或地表水的入滲對地下水造成污染。淋濾液中的重金屬(Pb、Hg、Cr6+、As)元素毒性大,污染嚴(yán)重,通過土壤向淺層地下水遷移,導(dǎo)致礦區(qū)地下水質(zhì)惡化。

粉煤灰是電廠的工業(yè)廢渣,長期堆積使得有毒有害成分向地下滲透,先在土壤中聚集,進一步向淺層地下水中遷移,同樣造成了地下水資源的污染。

2.2.3 產(chǎn)生老窯水

太原西山煤炭開采歷史較長,許多礦區(qū)分布有廢棄閑置的煤窯。由于長時間不排水,煤窯中貯存了大量的積水,加劇了及礦化度的積累,形成老窯水。一般老窯水均屬酸性強腐蝕性,且這些老窯區(qū)分布無規(guī)律,地表無痕跡,積水范圍、積水量不清楚,一旦與礦坑連通,不但會造成透水事故,并且會造成水污染。

3 結(jié) 語

雖然目前對煤水關(guān)系的研究很多,但是多數(shù)停留在定性評價或定性-定量評價。雖然也有一些研究人員利用數(shù)值模擬技術(shù)對礦區(qū)地下水資源進行定量研究,但是為數(shù)不多的定量評價受研究尺度限制,難以反映整個區(qū)域的地下水系統(tǒng)內(nèi)煤礦開采與地下水變化的關(guān)系,同時,隨著采煤深度的加大,區(qū)域水循環(huán)轉(zhuǎn)化途徑被改變,大大加深了垂向循環(huán)深度,采用二維流來研究地下水流動系統(tǒng)的方法,對真實條件的反應(yīng)難免失真。因此,要從根本上解決煤水關(guān)系,要從大區(qū)域尺度上進行宏觀研究,以系統(tǒng)的思想認識含水介質(zhì)特性、地下水補給來源和地下水徑流途徑,構(gòu)建采煤對區(qū)域水資源的水量及水質(zhì)影響的三維仿真模型。

[1] 韓寶平,鄭世書.煤礦開采誘發(fā)的水文地質(zhì)效應(yīng)研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,1994,23(3):70-77.

[2] 武強,董東林,石占華,等.華北型煤田排、供、生態(tài)環(huán)保三位一體優(yōu)化結(jié)合研究[J].中國科學(xué)(D輯),1999,29(6):567-573.

[3] 赫英臣,龔斌,郝愛民,等.礦區(qū)淺層地下水污染機理探討[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2007,17(5):5-8.

[4] 韓寶平.礦區(qū)環(huán)境污染與防治[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2008.

[5] 武強,董東林,傅耀軍.煤礦開采誘發(fā)的水環(huán)境問題研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2002,31(1):19-22.

[6] 楊策,鐘寧寧,陳黨義,等.煤炭開發(fā)影響地下水資源環(huán)境研究一例:平頂山市石龍區(qū)貧水化的原因分析[J].能源環(huán)境保護,2006,20(1):50-52.

[7] 楊策,鐘寧寧,陳黨義.煤礦開采過程中地下水地球化學(xué)環(huán)境變遷機制探討[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2006,33(2):30-35.

[8] 王洪亮,李維鈞,陳永杰.神木大柳塔地區(qū)煤礦對地下水的影響[J].陜西地質(zhì),2002,20(2):89-96.

[9] 馮秀軍.淄博市淄川區(qū)礦坑水對水資源的影響與應(yīng)用研究[J].地下水,2006,28(2):14-15.

[10] 岳梅,趙峰華,任德貽.煤礦酸性水水化學(xué)特征及其環(huán)境地球化學(xué)信息研究[J].煤田地質(zhì)與勘探,2004,32(3):46-48.

[12] 黨志.煤矸石-水相互作用的溶解動力學(xué)及其環(huán)境地球化學(xué)效應(yīng)研究[J].礦物巖石地球化學(xué)通報,1997,16(4):259-261.

[13] 鄭西來,邱漢學(xué),陳友媛.地下水系統(tǒng)環(huán)境地球化學(xué)反應(yīng)模型研究[J].地學(xué)前緣,2001,8(3):192.

[14] 張錦瑞,陳娟濃,岳志新,等.采煤塌陷引起的地質(zhì)環(huán)境問題及其治理[J].中國水土保持,2007(4):37-39.

[15] 許光泉,沈慧珍.疏降地下水引起地面塌陷淺析:以淮南煤礦區(qū)為例[J].中國水土保持,2004,15(4):64-68.

[16] 段中會.榆神府礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)問題及開發(fā)效應(yīng)[J].陜西煤炭,2001(2):1-3.

[17] 李文平,段中會,華解明,等.陜北榆神府礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀及采煤效應(yīng)影響預(yù)測[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2000,8(3):324-333.

[18] 張鳳娥,劉文生.煤礦開采對地下水流場影響的數(shù)值模擬:以神府礦區(qū)大柳塔井田為例[J].安全與環(huán)境學(xué)報,2002,2(4):30-33.

[19] 任增平,余國光,閆俊萍.煤礦水源地開采對延河泉泉水流量影響的預(yù)報[J].中國煤田地質(zhì),2000,12(1):44-46.