王 楨，高 雪，高伯賢

(陜西省煤田地質(zhì)局一三一隊，陜西 韓城715400)

1991年范立民提出了保水采煤問題并進行了長期的系統(tǒng)研究，取得了一系列成果，提出了合理選擇開采區(qū)域(科學規(guī)劃)和選擇合適的采煤方法(科學開采)實現(xiàn)保水采煤的兩個有效途徑(范立民，2005，2011)，近年來，在榆神礦區(qū)一期開采區(qū)、神北礦區(qū)開展了工程實踐，取得重要進展，促進了陜北乃至我國西部地區(qū)豐富煤炭資源的科學開采。然而，榆神礦區(qū)西部地區(qū)，由于處于勘查階段，保水采煤實踐還沒有展開，此時進行保水采煤技術(shù)研究，提出科學的開采方法，對于促進該區(qū)域采煤(經(jīng)濟發(fā)展)與保水(環(huán)境保護)的協(xié)調(diào)發(fā)展，具有重大實際意義。

榆神礦區(qū)小壕兔一號井田(以下簡稱"井田")，位于陜北侏羅紀煤田深部中段，井田內(nèi)地下水含水層劃分為7層，它們的含水性能不一，富水性不同，水質(zhì)亦有差異。開展井田地下水環(huán)境影響預測與分析，提出防治對策，預防與控制環(huán)境惡化，有利于保護地下水資源，為井田的建設(shè)提供地下水環(huán)境方面的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

小壕兔一號井田，面積 127.918 km2。東與小保當二號井田相鄰，南與小壕兔二號井田為鄰，西與(小壕兔)西部勘查區(qū)相鄰，北為爾林兔勘查區(qū)(見圖1)。

圖1 井田與勘查區(qū)關(guān)

分析區(qū)內(nèi)地表被風積砂所覆蓋，砂丘綿延起伏。依據(jù)地表形態(tài)，可分為砂梁、砂壟崗、砂丘鏈、窩狀砂丘、新月型砂丘和平砂地;依據(jù)地表植被覆蓋及發(fā)育特點，可分為固定砂、半固定砂和流動砂。在地勢平坦的低洼地帶和砂丘洼地間，分布著大小不等的海子及為數(shù)有限的人工池塘(海子)。2004～2005年小壕兔勘查區(qū)普查時，可見大小不等的海子34個、水庫2座、泉點3個。與上世紀七十年代測繪的地形圖相比較，原有的湖泊、海子已逐漸縮小、退化或干涸，進而被農(nóng)耕地和荒草地所替代。

考慮到礦井建成投產(chǎn)后，對井田內(nèi)地下水水質(zhì)可能產(chǎn)生影響的范圍(包含環(huán)境保護目標)作為析范圍較為合理?；谶@個原則，邊界選定以井田范圍作為地下水環(huán)境影響分析的范圍，控制面積 127.918 km2。

2 地下水環(huán)境及受保護的含水層

井田內(nèi)地表水有海子和池塘，水質(zhì)為 HCO3·Cl-Ca·K+Na型、HCO3·SO4-Ca型 HCO3-Ca型或 HCO3-Ca·Mg型，礦化度 0.431 ～0.852 g/L，總硬度(以 CaCO3計)220.21 ～517.66 mg/L，pH 值 7.32 ～8.12，屬弱堿性淡水。NH4+含量 0.32 ～1.60 mg/L，NO3-含量 1.00 mg/L，化學耗氧量 CODMn2.85～38.83 mg/L。大腸菌群未檢出，菌落總數(shù)5.8×102cfu/mL，符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》GB3838-2002中的Ⅲ～Ⅳ類標準，表明地表海子受到了有機物污染。

井田內(nèi)風成砂及薩拉烏蘇組砂層水水位埋藏淺，水量大;水化學類型以 HCO3-Ca型、HCO3-Ca·Mg型為主，礦化度一般小于0.221～0.357 g/L，水質(zhì)好。均符合《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB5749-2006)之規(guī)定。是良好的生活用水和鍋爐用水。然而，該層潛水埋藏淺，易受到人類活動和生活垃圾的污染，應(yīng)在保護的基礎(chǔ)上選擇利用。

白堊系下統(tǒng)洛河砂巖含水層厚度大，分布范圍廣，水位埋藏較淺，水量豐富;水化學類型為 HCO3-K+Na型或HCO3-K+Na·Ca型，礦化度 0.447g～0.408 2 g/L。水質(zhì)較好，不易受到人類活動和生活垃圾的污染，是工業(yè)用水和生活用水的供水水源。

保護的含水層主要是第四系松散巖類孔隙潛水含水層、白堊系下統(tǒng)洛河組中等富水含水層。

3 地下水環(huán)境影響分析

根據(jù)建設(shè)項目場地的飽氣帶防污性能、含水層污染特征、地下水環(huán)境敏感程度、污水排放量與污水水質(zhì)復雜程度等指標確定地下水環(huán)境影響分析工作等級。

井田場地包氣帶巖性主要為巖性主要為中砂、細砂及粉砂，局部夾亞粘土或淤泥透鏡體，分布連續(xù)且穩(wěn)定，防污性能弱。

據(jù)擬建井田工程地質(zhì)資料，在勘探700 m深度范圍內(nèi)見到含水層七層，其中具有代表性的主要含水層三層。據(jù)井田水文地質(zhì)資料顯示，頂部的第四系松散巖類孔隙潛水含水層巖性主要中砂、細砂及粉砂，水位埋藏較淺，一般1～8 m;上部的白堊系下統(tǒng)洛河組(K1l)中等富水含水層承壓水頭埋深4～5 m;下部的侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)3-1～5-2煤弱富水含水層地下水承壓水頭埋深78～83 m。井田地處毛烏素砂漠區(qū)，區(qū)內(nèi)正負地形高差一般不超過20 m，無地表水系、溝流和明顯而集中的出水點。松散砂層透水性強，降雨多直接滲入地下，就地就近補充地下水，很少形成地表徑流。三者聯(lián)系不密切。因此場地含水層污染特征分級屬不易。

井田及周邊地區(qū)，無集中生活供水水源地，也無生活水源地以外的國家或地方政府設(shè)定的與地下水環(huán)境相關(guān)的其它保護區(qū)，如熱水、礦泉水、溫泉等特殊地下水資源保護區(qū)。井田地表水平，分布零散的居民供水水源井，地下巖層處于傾斜地下水的補給地區(qū)，周邊地下水環(huán)境敏感程度屬于較敏感等級。

井田含煤地層侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)含水層，富水性弱，含水量較低，為防止井下排水、井上生產(chǎn)生活污水，對環(huán)境和地下水造成影響，對地面排水場地(底及岸坡)進行全面防滲，污水零排放，污水排放強度級別為小。

成煤環(huán)境屬還原環(huán)境，在煤系中伴生的黃鐵礦，煤礦開采后變化為氧化環(huán)境，在有水有氧條件下，煤系中黃鐵礦被氧化和分解產(chǎn)生酸性礦井水。酸性礦井水、煤矸石、棄渣、生活垃圾等構(gòu)成的固廢物，煤塵、粉塵土等，以及地表塌陷等，均會對周圍的環(huán)境產(chǎn)生不良影響。按照污水水質(zhì)，需要預測的水質(zhì)指標，進行污水復雜程度分析。

4 煤礦建設(shè)對地下水環(huán)境的影響

4.1 污染源、污染物及防治措施分析

4.1.1 水污染源及污染物

煤礦在建設(shè)、生產(chǎn)運行過程中有棄渣、礦井水、煤矸石外排，有煤及矸石中的磷、砷、氟、氯有害物質(zhì)。影響水環(huán)境的主要是礦井水、棄渣、煤及矸石中有害物質(zhì)，在雨季被雨水淋濾后溶于雨水中，成為污染源。

煤礦有害物質(zhì)主要指井田內(nèi)煤及矸石中的磷、砷、氟、氯有害物質(zhì)。據(jù)化驗資料，井田內(nèi)各煤層中磷(P)含量最大值為0.138%;砷(As)含量最大值為 51 ppm，氟(F)含量最大值為240 ppm，平均值79 ppm。在采礦過程中，砷、氟等可能造成環(huán)境污染(表1)。礦井生產(chǎn)期間所排廢水若處理不當，可造成地表水及淺層地下水的污染。

表1 原煤(矸石)中有害元素含量綜合成果表

4.1.2 防治措施分析

為減少或避免礦井水造成水環(huán)境污染影響，在井下用作灑水除塵，富余部分外排，項目建設(shè)排水泵站、排水渠和排水池，不隨意排放?？刹捎萌斯竦氐确椒▽ι钗鬯偷V井廢水進行二級生化處理后用于灑水降塵、綠化及農(nóng)田灌溉，井下排水宜進行必要的處理后加以利用，盡可能少量進入地下水及地表水循環(huán)水量，達到礦坑排水綜合利用，避免水環(huán)境污染。污水排放應(yīng)符合 GB8978-1996《污水綜合排放標準》。此外，為防止?jié)B水滲入地下對地下水產(chǎn)生影響，工業(yè)廣場采用全場防滲。

4.1.3 煤塵、粉塵防治

當固體廢棄物堆積高度達到設(shè)定標高時，部分未經(jīng)覆蓋的固體廢棄物，在大風天氣下，將產(chǎn)生揚塵現(xiàn)象，可使井田周圍環(huán)境中顆粒物濃度增高。

因此，對采礦中形成的固體廢棄物，對達到堆積設(shè)定標高的固體廢棄物及時采用當?shù)氐乇硗辆植扛采w，封存時應(yīng)該置粘土墊層，以防止降水淋濾對地下水的污染，通過人工種植植被和定期澆水綠化，美化環(huán)境，防止遇風起塵，預防污染大氣環(huán)境。

4.2 對地下水環(huán)境的影響

煤礦建設(shè)階段和生產(chǎn)運營期，由于產(chǎn)生含有有害物質(zhì)棄渣，雨季淋濾棄渣中的有害成分，通過防滲薄弱部位，進入包氣帶，長期入滲，對地下水造成一定得影響。服務(wù)期滿后，受到降水淋濾作用，棄渣中有害成分持續(xù)浸出，對地下水水質(zhì)造成長期的影響。

4.3 分析因子選擇

根據(jù)各項危害成分的組成及當?shù)氐叵滤δ軈^(qū)劃，確定地下水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀分析因子:監(jiān)測項目包括:pH、總硬度、溶解性總固體、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、硫酸鹽、氯化物、氟化物、氰化物、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、硫化物、Hg、Cd、Cr6+、As、Pb、Ni、Ag、Mn、Fe、Cu、Zn、細菌總數(shù)、總大腸菌群共計 25 項。

5 地下水環(huán)境影響預測與分析

煤礦位于毛烏素沙漠區(qū)，區(qū)內(nèi)沒有地表水流。煤炭經(jīng)提升設(shè)備運至工業(yè)廣場堆存，煤炭含水量小于10%，不會形成地表徑流。

井田淺層地下水埋深較淺，地下水位埋深在5 m以內(nèi)。非正常情況下，產(chǎn)生的礦井水，水量小，不會引起地下水位變化。因此地下水環(huán)境影響分析主要從水質(zhì)方面考慮。

井田是地下水水質(zhì)的風險污染源，煤礦所排煤矸石礦中含有磷、砷、氟、氯有害物質(zhì)。為預防井田有害物質(zhì)礦水滲漏污染地下水水質(zhì)，對礦區(qū)及農(nóng)村分散式供水井造成影響，對井田滲漏進行風險預測，為風險發(fā)生后的應(yīng)急預案提供依據(jù)。井田對地下水環(huán)境的影響，主要來自于煤矸石淋溶及浸出水中的污染物質(zhì)隨廢水下滲對附近淺層地下水水質(zhì)的影響。

根據(jù)煤礦水文地質(zhì)條件，沙漠區(qū)砂土滲透能力強，淺層第四系松散巖類孔隙潛水地下水埋深較淺，容易受到污染。深層白堊系下統(tǒng)洛河組含水層，由于上伏有新近系紅土隔水層的保護，很難入滲到其中。

煤礦所排煤矸石礦中含有磷、砷、氟、氯有害物質(zhì)，雖然進行了嚴格防滲保護，但是一旦出現(xiàn)防滲層破損事故，含有害物質(zhì)廢水將滲漏進入地下水環(huán)境，可能造成一定時期一定范圍內(nèi)地下水環(huán)境的污染。根據(jù)實際情況，井田防滲層的破損可能發(fā)生在各個不同部位。從環(huán)境安全的角度考慮，假設(shè)污染物持續(xù)發(fā)生滲漏，預測井田下游含水層10年、20年、50年、100年污染影響范圍。

井田未開采，考慮在工業(yè)化生產(chǎn)中，雖然含有磷、砷、氟、氯有害物質(zhì)可能存在輕微超標的現(xiàn)象，隨雨水淋溶進入地下水的可能性很小，且其對地下水的污染是隨淋溶水在地下水中運移、擴撒，煤矸石內(nèi)有害物質(zhì)中砷、氟含量較高。將砷、氟作為預測分析對象。

水是溶質(zhì)運移的載體，地下水流場是溶質(zhì)運移模擬的基礎(chǔ)，在溶質(zhì)運移模擬前，需先建立模擬區(qū)地下水流場模型。建立地下水系統(tǒng)的概念模型，是根據(jù)建模的要求和具體的水文地質(zhì)條件，對系統(tǒng)的主要因素和狀態(tài)進行刻畫，簡化或忽略與系統(tǒng)目的無關(guān)的某些系統(tǒng)的要素和狀態(tài)，以便于數(shù)學描述。根據(jù)水文地質(zhì)條件分析，將模擬區(qū)的含水層概化為單一潛水含水層。根據(jù)地下水流場圖，模擬區(qū)上邊界設(shè)計為開放邊界，主要接受大氣降水通過上伏的松散層的入滲補給。模擬區(qū)地下水系統(tǒng)的概念模型可概化成非均質(zhì)各向同性，空間三維結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)。地下水流場擬合，根據(jù)區(qū)域地下水流場圖，進行粗略擬合，進行模擬計算。

地下水污染模擬按極端情況考慮，煤矸石及礦井水滲水不斷下滲，逐漸飽和，形成一個固定污染源強，直接進入淺層地下水中。對污染質(zhì)與水體、固體介質(zhì)等的化學反應(yīng)(如酸堿反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、吸附、交換、揮發(fā)及生物化學反應(yīng))等可能存在的環(huán)境消減因素等不做考慮。

6 地下水環(huán)境保護措施

為了確保礦井建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展和對自然環(huán)境的最大保護，根據(jù)井田的實際情況，從控制可能產(chǎn)生污染的全過程、地下水監(jiān)測和地下水污染應(yīng)急措施等方面提出了地下水污染防治措施。

(1)合理選擇水源地與工業(yè)廣場的相對位置，加強環(huán)境保護與資源循環(huán)利用?？茖W地選擇采煤方法與工藝，盡可能地保護地下含水層的完整性。

(2)對劃定的地表水水源地應(yīng)留有足夠的保護煤柱，以防受采空裂隙的影響而使地表水漏失，既失去了寶貴的地下水資源又給井下煤層開采帶來水患災(zāi)害。

(3)針對地表水及薩拉烏蘇組潛水容易受到污染的實際情況，可采用人工濕地等方法對生活污水和礦井廢水進行二級生化處理后用于灑水降塵、綠化及農(nóng)田灌溉，未來井下排水宜進行必要的處理后加以利用，盡可能少量進入地下水及地表水循環(huán)水量，達到礦坑排水綜合利用，避免水環(huán)境污染。污水排放應(yīng)符合GB8978-1996《污水綜合排放標準》。

(4)對未來采礦中形成的固體廢棄物，應(yīng)選擇合理場地封閉存放，封存時應(yīng)該置粘土墊層，以防止降水淋濾對地下水的污染，并覆土種草，防止遇風起塵。

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