李元仲

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東兗州 272100)

0 引言

陶棗煤田位于山東省棗莊市中東部，為一東西向展布的向斜構(gòu)造，煤炭資源豐富，開采歷史悠久，隨著煤炭資源日漸枯竭，境內(nèi)礦井相繼閉坑。東部礦區(qū)已于1999年全部閉坑，截止2012年，西部礦區(qū)有12家礦山企業(yè)正常生產(chǎn)。地下采礦過程中的疏干排水、煤礦閉坑后礦坑水水位上升，對地下水水動力場和水化學(xué)場影響明顯。煤田周邊奧灰水已受到不同程度污染，加劇了水資源供需矛盾，造成用水困難。如何有效遏制老窯積水對巖溶地下水的污染，已成為當(dāng)務(wù)之急［1-5］。

1 課題區(qū)地質(zhì)環(huán)境背景概述

陶棗煤田主要含煤地層為石炭-二疊紀(jì)月門溝群太原組和山西組，共含煤18層。在煤田周邊分布有太古代泰山巖群山草峪組和古生代寒武-奧陶紀(jì)地層(圖1)。其中，寒武-奧陶紀(jì)九龍群三山子組和奧陶紀(jì)馬家溝組分布于煤田邊緣地帶，呈裸露-半裸露狀態(tài)，巖性以石灰?guī)r、白云巖和白云質(zhì)灰?guī)r為主，裂隙巖溶發(fā)育強烈，富水性良好，單位涌水量大于1000m3/(d·m)，形成了十里泉、丁莊-東王莊和清涼泉富水地段，并相繼開發(fā)為城市生活集中供水水源地。受煤炭資源開采影響，區(qū)內(nèi)裂隙巖溶地下水出現(xiàn)了水質(zhì)惡化，地下水超標(biāo)組份主要為 SO2-4、總硬度和 TDS［6］。

本次共采集全分析和污染分析樣品共199件。其中裂隙巖溶水水質(zhì)分析137件，地表水18件，礦坑水2件，老窯水30件，淺層水12件。地表水樣主要位于蟠龍河和嶧城大沙河郭里集支流及齊村支流。礦坑水為山家林煤礦和甘霖煤礦排水，老窯水均位于煤田范圍內(nèi)，為已閉坑礦山廢棄井。

2 裂隙巖溶水污染特征

2.1 污染評價

2.1.1 污染因子的確定

經(jīng)檢測，區(qū)內(nèi)已污染的裂隙巖溶水與礦坑水、老窯水密切相關(guān)，礦坑水以高、高硬度和高TDS為主要特征，加之井下開采活動影響，Cl-、氮類含量亦較高，為此選擇、總硬度、TDS、Cl-、、F-六項作為評價因子。

2.1.2 評價方法

采用單因子指數(shù)疊加法，對區(qū)內(nèi)裂隙巖溶水污染程度進行評價，公式如下:

根據(jù)PI值大小，按(表1)確定地下水污染程度。將地下水污染級別劃分為未-微污染、輕污染、中污染、重污染和嚴(yán)重污染五級。

圖1 陶棗煤田區(qū)域基巖地質(zhì)簡圖Fig.1 The general bedrock geology map of Taozao coalfield

表1 地下水污染程度分級表Table 1 The groundwater pollution grading

2.1.3 背景值的確定

采用歷史水文地質(zhì)資料來確立課題區(qū)地下水環(huán)境背景值。區(qū)內(nèi)地下水大規(guī)模開采始于20世紀(jì)70年代初期，本次裂隙巖溶水天然背景值參考1959年山東省嶧鋼、野鋼水文地質(zhì)初步勘查時，對十里泉地區(qū)地下水的水質(zhì)評價數(shù)值作為評價標(biāo)準(zhǔn)(表2)。

表2 地下水污染評價因子及評價標(biāo)準(zhǔn)Table 2 The groundwater evaluation factors and criterions

2.1.4 評價結(jié)果

評價結(jié)果將全區(qū)分為未-微污染區(qū)、輕污染區(qū)、中污染區(qū)、重污染區(qū)和嚴(yán)重污染區(qū)(圖2)。

圖2 陶棗煤田裂隙巖溶水污染分區(qū)圖Fig.2 The pollution partition map of the fracture-karst water at Taozao coalfield1—未-微污染;2—輕污染;3—中污染;4—重污染;5—嚴(yán)重污染;6—污染評價分區(qū)界線;7—陶棗煤田范圍;8—水源地位置及名稱

重污染區(qū)主要分布于齊湖-石溝營一帶和盛水莊-大辛莊一帶，總面積達36.23km2。含水巖組為奧陶紀(jì)馬家溝組和寒武紀(jì)九龍群三山子組碳酸鹽巖類，區(qū)內(nèi)分布有清涼泉水源地、十里泉水源地和丁莊-東王莊水源地，地下水以集中開采方式為主。評價結(jié)果PI值20.77～24.77。區(qū)內(nèi)、總硬度和TDS含量較高，如齊湖村供水井的、總硬度和TDS含 量 分 別 為:535.43 mg/L、595.56 mg/L 和1142.43 mg/l，大辛莊村供水井的、總硬度和TDS含 量 分 別 為:600.57mg/L、921.11 mg/L 和1234.53 mg/L;嚴(yán)重污染區(qū)分布于煤田中南端邊緣宋嶺村一帶和煤田東南端邊緣潘官莊一帶，總面積為4.45km2，評價結(jié)果 PI值25.37～28.06。區(qū)內(nèi)潘官莊村供水井、總硬度和TDS含量最高，分別為:634.96mg/L、976.32 mg/L和1283.28 mg/L。

2.2 污染變化特征

2.2.1 空間分布特征

已污染的裂隙巖溶水在空間分布上具以下三個特征:

(1)靠近煤田邊緣且位于煤田下游的巖溶水富水區(qū)，為裂隙巖溶水遭受污染的主要地帶，污染程度呈現(xiàn)越遠(yuǎn)離煤田越變輕的空間變化特征。

(2)地下水集中開采區(qū)多為重污染區(qū)，說明地下水長期集中開采是引起裂隙巖溶水污染的水動力條件。

(3)主要納污河道流經(jīng)的區(qū)域多為重-嚴(yán)重污染區(qū)。如納污河道潘龍河流經(jīng)的西石溝一帶為重污染區(qū)。

2.2.2 年際變化特征

清涼泉水源地1994～2003年地下水中主要污染組份呈明顯遞增趨勢(圖3)，地下水中總硬度、TDS和含量在2003年達到了歷年最高值，2009～2011年呈現(xiàn)波動上升趨勢。十里泉水源地1991～1996年地下水主要污染組份含量總體呈遞增趨勢(圖4)，地下水中總硬度、TDS和含量1996年達到了歷年最高值，2008年略有下降后，又呈波動上升趨勢。丁莊-東王莊水源地地下水中主要污染組份含量基本呈現(xiàn)為逐年遞增，2011年地下水中總硬度、TDS和含量達到了歷年來的最高值，分別為1991年的2.68倍、3.01倍和3.51倍(圖5)。

圖3 清涼泉水源地地下水主要污染組份含量年際變化圖Fig.3 The annual variation map of the groundwater major pollution components at Qingliangquan water source water source

圖4 十里泉水源地地下水主要污染組份含量年際變化圖Fig.4 The annual variation map of the groundwater major pollution components at Shiliquan water source

圖5 丁莊水源地地下水主要污染組份含量年際變化圖Fig.5 The annual variation map of the groundwater major pollution components at Dingzhuang water source

3 污染機理分析

區(qū)內(nèi)礦坑排水、老窯水污染裂隙巖溶地下水，可能的污染途經(jīng)有三種:一是施工的供水井(孔)套管破損，二是煤系地層與奧灰接觸帶透水，三是河流滲漏。據(jù)調(diào)查，區(qū)內(nèi)巖溶供水井均位于煤系地層外圍，且未穿過煤系地層，因此，供水井孔非污染通道。

3.1 煤系地層與奧灰接觸帶透水

陶棗煤田東南部宋嶺—大辛莊一帶為重—嚴(yán)重污染區(qū)。該地段奧陶系馬家溝組地層與煤系地層呈平行不整合接觸(圖6)。目前，礦山已全部閉坑。閉坑以后，礦山停止排水，大量的老空積水無法排泄，致使煤系地層水位迅速抬升。據(jù)水位觀測資料，該區(qū)煤礦廢棄井水位比奧灰水井的水位高出10～20m。由于存在水位差，煤系地層中水沿裂隙或斷層向奧灰水返徑流，從而造成奧灰水質(zhì)變差。

圖6 陶棗煤田東南部地質(zhì)剖面圖Fig.6 The geology section map of the SE Taozao coalfield

3.2 河流滲漏

蟠龍河是流經(jīng)清涼泉水源地的主要河流，也是沿途各礦山企業(yè)的納污河，各礦山礦坑排水除礦山本身少量利用外，大多數(shù)排至蟠龍河中。該河河道內(nèi)第四系較薄，局部河段河床內(nèi)基巖裸露，導(dǎo)致河水通過裸露的灰?guī)r補給巖溶地下水，從而對其造成污染［8-9］。

嶧城大沙河支流流經(jīng)陶棗煤田東部十里泉和丁莊-東王莊水源地。1999年以前接納礦坑水，河道內(nèi)部分地段基巖裸露，巖溶裂隙發(fā)育，有利于地表水入滲補給巖溶水，巖溶水污染嚴(yán)重。礦山閉坑后，地下水水質(zhì)污染得到緩解，呈逐漸好轉(zhuǎn)趨勢。

4 地下水污染防治對策

根據(jù)巖溶水污染機理，其防治措施主要有:切斷污染通道，從根本上消除威脅;排供結(jié)合，控制地下水流場形態(tài)，消除形成污染的水動力條件等兩種方法。切斷污染通道主要是采用一些工程措施，如帷幕灌漿法隔斷老窯水與巖溶水聯(lián)系通道、河道防滲處理防止礦坑水補給巖溶地下水等。該方法費用高、施工難度大。因而采用排供結(jié)合，為避免巖溶地下水遭受污染最為經(jīng)濟可行的方法。

4.1 控制巖溶水開采量

巖溶水不合理開采是造成區(qū)內(nèi)水動力場改變的主要原因，而水動力場的改變又控制了其補給條件。天然狀態(tài)下，巖溶水水位多高于老窯水水位，當(dāng)巖溶水處于超采狀態(tài)水位大幅度下降時，將導(dǎo)致老窯水水位高于巖溶水水位，從而導(dǎo)致巖溶水接受其補給而造成污染。因此，合理控制巖溶水開采量和動水位是控制其水環(huán)境污染的有效措施。

4.2 充分利用礦坑水(老窯水)

煤礦閉坑后，遺留下大量廢棄井口。據(jù)調(diào)查，部分水井水量較大，可用作農(nóng)業(yè)灌溉和工業(yè)用水。老窯水的資源化利用，可使其水位下降，既消除了對裂隙巖溶水污染的水動力條件，同時也緩解了現(xiàn)有巖溶水水源地供水壓力。

另外，2007年某煤礦由于違規(guī)開采，造成特大突水事故，奧灰水通過采空區(qū)潰入通晟公司(山家林煤礦)，造成淹井，為確保附近煤礦正常生產(chǎn)，該礦井目前停產(chǎn)而常年抽排礦井水。從山家林煤礦排水水化學(xué)資料來看(表3)，2011年水質(zhì)明顯好于2003年水質(zhì)，充分說明了山家林煤礦坑排水與其南部蔣莊一帶裂隙巖溶水是連通的。

目前，在山家林煤礦正常排水的情況下，其附近裂隙巖溶水未遭受污染，當(dāng)?shù)V山企業(yè)全部閉坑，山家林煤礦一旦停止排水后，老窯水水位高于裂隙巖溶水水位時，將使裂隙巖溶水遭受污染。所以要充分論證山家林煤礦坑排水利用途徑，使其得以充分資源化利用。

表3 山家林煤礦礦坑排水水質(zhì)對比表Table 3 The correlation of the dewater quality of the pit water at Shanjialin coal mine

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