浅谈采煤对岩溶水环境的影响及保护措施.pdf

浅谈采煤对岩溶水环境的影响及保护措施 赵庆奎 山西省平陆县水资办, 山西 平陆 044308 [摘 要 ] 山西特殊的地质结构, 形成了煤田与岩溶泉域特殊的叠置关系。从这种叠置关系的角度 论述了采煤对岩溶地下水的影响, 并从采煤角度提出了对本省岩溶水的保护措施。 [关键词 ] 采煤 ; 岩溶水 ; 顺置式 ; 逆置式 [中图分类号 ] X523 [文献标识码 ] B [文章编号 ]1004- 1184 2010 02- 0061- 02 [收稿日期 ]2009- 02- 03 [作者简介 ] 赵庆奎 1968- , 男, 山西平陆人, 工程师, 主要从事地下水资源监测、 管理及研究工作。 山西省是我国岩溶分布最广泛的省份之一, 据统计, 山西境 内流量大于 1. 0 m3/s泉水共有 18处, 总流量达 107. 8 m3/s, 合 34亿 m3/a 。岩溶地下水在山西人民生活、 工农业生产及能源基 地的建设和文化建设中起着举足轻重的作用。山西省的煤田主 要采自石炭、 二叠系的煤系地层中, 而这些含煤地层又都覆盖于 寒武、 奥陶系岩溶地层之上。即煤田与岩溶泉域大都重叠在一 起, 形成了煤、 水共存的系统。大规模采煤必然对岩溶水环境产 生巨大的影响。 1 煤水叠置关系 从煤炭资源与岩溶水的叠置关系上, 可以分为下述两种主 要类型。 11 裸露山区 逆置式 叠置结构 逆置式 叠置的特征是 地质结构上为向上游反倾的单斜 构造, 上游是石炭、 二叠系的含煤地层, 下游是寒武、 奥陶系的可 溶岩地层。寒武、 奥陶系的可溶岩为主要的含水地层, 接受大气 降水、 地表水、 第四系孔隙水及石炭、 二叠系裂隙水的补给, 组成 统一的水循环系统 如图 1。娘子关、 辛安、 三姑、 延河等岩溶 大泉均属此类结构。 图 1 裸露山区 逆置式 叠置结构示意图 12 裸露山区 顺置式 叠置结构 顺置式 叠置的特征是 地质结构上为向下游顺倾的单斜 构造或断块构造, 下游是石炭、 二叠系的含煤地层, 形成阻水带, 上游是寒武、 奥陶系的可溶岩地层。岩溶水往往处于承压状态, 与地表水、 孔隙水有水力联系 如图 2。柳林、 洪山、 天桥、 下马 圈和霍泉均属此类。 2 采煤对岩溶水环境的影响 21 对岩溶水环境结构及水循环条件的影响 煤矿采煤主要分掘进和回采两大阶段, 由于回采工作的跨 度远大于掘迸巷道, 因而其矿山压力和工作面的变形或破坏等 现象十分强烈, 当巷道掘进和回采后, 采空区围岩原应力平衡被 打破, 周围岩层出现矿山压力现象, 产生底板鼓起, 顶板及周围 岩石变形以致断裂、 坍塌等。在煤系地层被影响破坏的同时, 该 地区的水资源系统也直接受到破坏。 对 逆置式 叠置结构的裸露岩溶山区来说, 由于采煤对围 岩的破坏, 破坏了岩溶水的顶板结构, 造成了第四系冲积层孔隙 水, 石炭, 二叠系砂岩裂隙水, 石炭系层间裂隙岩溶水等含水层, 由原来的水平运动, 变成了垂向运动, 最终通过采煤巷道的矿坑 排水排出地表, 或通过断层等构造直接补给下层岩溶水。水质 也由原来的洁净水变成了矿坑水。 对 顺置式 叠置结构的裸露岩溶山区来说, 由于采煤对围 岩的破坏, 破坏了岩溶水的底板结构, 造成了岩溶水直接补给在 其下游的第四系冲积层孔隙水, 石炭, 二叠系砂岩裂隙水, 石炭 系层间裂隙岩溶水等含水层, 最终通过采煤巷道的矿坑排水排 出地表。水质也由原来的洁净水变成了矿坑水。 图 2裸露山区顺置式 叠置结构示意图 2. 2 对岩溶水水资源量的影响 采煤对奥陶系岩溶水的影响可分为两种情况 岩溶水补给 量的减少和岩溶水静储量的减少。 对于裸露山区逆置式 叠置结构来说, 主要是影响岩溶水 的补给量。由于矿坑水的大量排泄, 也使得岩溶水的补给量大 167 2010年 1月 第 32卷 第 1期 地下水 Ground water Jan, 2010 Vol 32 NO1 大减少, 从而也大大减少了对奥陶系岩溶地下水的补给。例如, 在天然情况下, 娘子关泉 1/5的补给来自上游煤系地层区的地 表水及浅层地下水的补给, 近 30年来 由于采煤业的发展, 使娘 子关泉水补给大为减少, 使区域地下水位连续下降。据初步估 计, 山西省主要岩溶泉域由于采煤对地表径流、 浅层地下水资源 的影响, 使泉域岩溶地下水的补给量减少 20 40 。 对于裸露山区 顺置式 叠置结构来说, 主要是影响岩溶水 的静储量。当采煤深度达到岩溶地下水位以下, 即所谓带压开 采时, 就可能造成岩溶地下水直接通过断层或其他途径向矿井 涌水。矿井排水相当于直接抽排岩溶地下水。大量矿井抽排水 可以形成巨大的降落漏斗。 由表 1可以看出, 全省各泉域内煤矿平均采煤排水系数为 0. 84, 其中兰村、 娘子关、 柳林、 洪山、 延河、 三姑、 辛安、 古堆、 堆 泉泉域内的采煤排水系数均大于 1。最大的堆泉泉域采煤排水 系数达到 2. 22。 2001年全省 19个泉域内 5100个各种属性的煤 矿共产煤 2. 54亿 m3, 占全省产煤总量的 96 , 而煤矿总的排水 量 2. 22亿 m3, 相当于 7. 04m3/s 。全省的煤矿分布范围和全省 19个重点的岩溶范围叠置率在 95 以上, 可以说全省煤矿的开 采, 基本上都是在岩溶泉域范围内开采, 矿坑排水虽然不全是岩 溶地下水, 但对岩溶地下水的必然会生产很大程度上的影响。 表 1 山西省岩溶泉域煤矿排水调查统计 2001年 泉域 产煤量 万 t 排水量 万 m3 矿区面积 km2 吨煤排 水系数 老牛湾泉155. 7234 . 497 . 221 . 51 天桥泉106. 890 . 562 . 780 . 85 神头泉8197. 63042 . 11438 . 950 . 37 下马圈泉695. 1616 . 9131 . 410 . 89 水神头泉13 . 03 . 54. 850 . 27 坪上泉67 . 27 . 14. 460 . 11 辛安泉2369. 93691 . 3838 . 201 . 56 龙子祠泉1087. 2475 . 6764 . 180 . 44 古堆泉208. 5371 . 797 . 831 . 78 兰村泉422. 4496 . 296 . 231 . 17 娘子关泉2994. 84299 . 61407 . 541 . 44 晋祠泉2952. 62068 . 2894 . 530 . 70 柳林泉620. 11197 . 7612 . 121 . 93 洪山泉272. 8300 . 7115 . 231 . 10 霍泉315. 4698 . 7231 . 542 . 22 延河泉655. 0994 . 6467 . 041 . 52 三姑泉1678. 92024 . 0625 . 171 . 21 郭庄泉2106. 41555 . 01290 . 530 . 74 2. 3 采煤对岩溶地下水水质的影响 在山西岩溶大泉中, 引起岩溶水污染的途径主要有以下 几种 1被污染的地表水在流经裸露岩溶区段, 通过岩溶裂隙呈 线状渗漏污染。该途径主要存在于 逆置式 叠置结构中。目 前, 全省主要河道 70 以上明显受污染, 其中 454 km的河段水 质超过 三废 排放标准。如汾河古交段对晋祠泉及灵石段对郭 庄泉的污染, 桃河水在阳泉到西武庄沿途渗漏污染娘子关泉, 造 成近 100 km2的污染晕, 数 10 km2内受氰化物严重污染。 2排污场地污染物垂直下渗污染岩溶水。在岩溶地区, 裸 露或浅覆盖条件下, 无衬砌或衬砌不好的选洗矿污水池和尾矿 池, 工厂排污塘或洗池、 矿渣场、 电厂灰场、 城市垃圾堆放场等 地, 污染物由污水或大气降水淋滤, 携带渗入岩溶含水层造成 污染。 3矿坑、 钻孔等人工通道导入污水。山西煤矿大部分采区 在岩溶泉域的补给、 径流区, 受到影响较大的有娘子关泉、 辛安 泉、 延河泉、 龙子祠泉、 郭庄泉、 晋祠、 柳林泉及神头泉等。 4区域性降水入渗污染。被污染的大气, 随降水将污染物 带到地表, 产生地表径流, 流经或入渗进入岩溶含水层造成 污染。 目前, 在全省岩溶水中, 被检测出的主要污染物及其水平 如下 铁 除洪山、 广胜寺、 下马圈、 古堆泉外, 其余大泉的铁含量 超标率达 14 . 3 100 ; 硫酸盐 检出超标的有古堆泉、 龙子祠泉、 郭庄泉、 娘子关 泉, 超标率 16. 7 100 ; 总硬度 超标的有柳林泉、 三姑泉、 龙子祠泉、 郭庄泉、 娘子 关泉、 晋祠泉、 洪山泉, 超标率为 9. 09 100 ; 矿化度 超标的有柳林泉、 晋祠泉。 有机物 大部分的有机污染程度低, 仅有坪上泉、 辛安泉 COD超标, 晋祠泉 DO 超标, 娘子关泉 NO - 3 超标; 神头泉 NO - 2 超标。 蓄积性毒物 蓄积性毒物包括有 Pb、 Cd、 Hg 、 A s 、 Cr6 等。在 19个大泉中 Pb超标的有晋祠泉、 柳林泉、 龙子祠泉和三姑泉, 最 大超标 0. 11 1. 16倍, 平均超标 0 . 11 0. 621倍。Hg含量大于 0. 2 ppb的有兰村、 晋祠、 郭庄和辛安泉四个泉域。 氰化物 在天然条件下, 岩溶水中不含氰化物, 但 19个大泉 中检出率为 97. 35 , 检出含量一般为 0 . 002 0 . 01 mg/L , 目前 超标的只有娘子关泉, 超标率 33. 3 , 最大超标 16 . 2倍, 平均 6. 78倍, 污染范围 5 km2以上。 氟污染 在天然状态下, 氟含量较低, 一般在 0. 2 0 . 6mg/L 之间, 受污染最大高达 2. 0mg/L , 超标一倍。有超标污染的泉域 为晋祠泉、 古堆泉、 郭庄泉、 柳林泉, 平均超标在一倍以内。 3 对岩溶水的保护措施 1 应科学评估岩溶地下水环境对煤炭开采的承载能力, 合理开发利用各类地质环境资源, 凡新建、 改建、 扩建煤矿时, 均 应进行地质环境影响的评价工作, 严格遵守矿产资源法 ∀、 水 法∀、 环境保护法∀等有关法规, 并提出保护措施, 防止地质环境 的恶化。 2合理规划和调整现有煤矿生产布局, 对于布局不合理, 矿井过密, 导致安全生产差和地下水资源破坏严重的小矿, 应坚 决关停并转。 3实施矿井水处理回用工程, 提高水资源综合利用率。对 矿坑水实行综合治理、 清污分流、 按质供水、 分级利用。尽量减 少矿坑水外排带来的岩溶水污染。 168 第 32卷 第 1期 地下水 2010年 1月