大规模采煤对岩溶区水环境的影响.pdf

大规模采煤对岩溶区水环境的影响第六图书馆山西省是我国最大的煤炭能源基地,煤田面积6.18万km2,占全省面积的1/3以上,探明储量达2048亿吨年开采量2亿吨以上,本世纪末将达到3亿吨以上。山西的主要煤田大同煤田例外均开采石炭二叠系煤层,含煤地层覆盖于寒武,奥陶系岩溶化地层之上,即煤田与岩溶泉域大都重叠,形成煤,水岩溶水共存系统,大规模采煤对岩溶水环境的影响是巨大的,已成为源基地建设与运营的制约因素。山西省是我国最大的煤炭能源基地,煤田面积6.18万km2,占全省面积的1/3以上,探明储量达2048亿吨年开采量2亿吨以上,本世纪末将达到 3亿吨以上。山西的主要煤田大同煤田例外均开采石炭二叠系煤层,含煤地层覆盖于寒武,奥陶系岩溶化地层之上,即煤田与岩溶泉域大都重叠,形成煤,水岩溶水共存系统,大规模采煤对岩溶水环境的影响是巨大的,已成为源基地建设与运营的制约因素。采煤岩溶水环境影响中国岩溶韩行瑞高红波不详1994第六图书馆第六图书馆第 l 3卷 1 9 9 4年 6月中国岩溶 CARS OLOGI CA S I NI CA 竹 } ／大规模采煤对岩溶区水环境的影响／韩行瑞高红 -皮梁永平时坚提要山西省是拽国最大的蠛炭能源基地，蠛田面积 6 ． 1 8万 k m - 占垒省面积的三分之一以上。探明储量达 2 G 4 8亿吨，车开采量 2亿吨上．本世纪耒将达到 3亿吨以上．山西的主要蠛田大同蠛田倒外均开采石炭、二圣哥；爆层。含蠛地层疆盖干寒武、奥陶系岩溶化地层之上，即蠛田与岩溶泉域大都重圣 - 形成蠛、水岩溶水共存系统。大规模栗蠛对岩溶木环境的影响是巨大的，已成为能辣基地建设与运营的制约因素。关键词型星盔；至些垂堕 1 山西岩溶水环境类型的特征 9专 } 釉／山西高原是我国北方岩溶主要分布地区，岩溶区面积包括裸露岩溶、覆盖岩溶、埋藏岩溶 1 1 ． 3万 k m ，占高原面积的 7 5 ． 2 。高原平均海拔高度在 8 0 0 m以上。全区年1唪水量介于 4 0 0 6 5 0 mm 之间。本区岩溶具有温带半干旱区岩溶的特征。地表岩溶形态以常态山、干谷为主，有莲续的山脊和完整的地表排水网。地下岩溶形态以溶隙和小型管道为主。本区多形成大型岩溶水盆地及岩溶泉域，其汇水面积可选数 n Xf 0 。 k m 。每个泉域都是一个独立的岩溶水环境系统。在泉域内，地表水、第四系孔隙水石炭二叠系裂隙水和岩溶水形成统一的水循环系统。根据系统结构特点，可以分为下述类型 1 ． 1 裸露山区反倾单斜岩溶水环境系统这种类型分布甚广，如娘子关泉域、辛安村泉域、三姑泉域、延河泉域等均属此类型。山西最大的论水煤田就分布在这几个泉域内，其特征是在构造上为向上游反倾的单斜构造，下游由于下伏的下奥陶统自云岩层或下寒武统砂页岩阻水，形成泉水图 1 岩溶化的寒武、奥陶系可溶岩为主要含水层，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。在这种环境系统中．煤系地层位于泉域的上游，大规模采煤后，直接破坏了该水循环系统的天然循环状态。第一作者简介r 韩行瑞，男， 5 6岁，研究员， 1 9 6 1 年毕业于长春地质学院水文地质工程地质蒹， 1 9 6 5年研究生毕业 5 4 1 0 0 4 桂林布七星路 4 0号．维普资讯第六图书馆第六图书馆 9 6 中国岩溶第 1 3卷回一目团固固团圉困 s I 圉 1 裸露山区反倾单斜岩溶水环境系统 FS g． 1 A n t i di p mon o e l J nM k ar s t wa t e r e n,d r o n n t s s t e m 】 n e xp o s e d mou n t a i n l a nd 1 ．中奥陶岩枣旨木层 I 2 ．石擞，二叠秉媒乖地层I 3 ．下奥陶白云岩柯对 l iI 水晨 I 1 ．第四摹寺水屡} 5 岩枣泉{ 6 ．裂隙采{ 7 ．地下水位 I 8 地表水流 1 ． 2 裸露山区顺倾单斜岩溶水环境系统这种类型也分布很广，如柳林泉域、洪山泉域、晋祠泉域、天桥泉域、下马圈泉域和广胜寺泉域等山西的西山、霍西、河东等大煤田均分布在这些泉域中。其特征是在构造上一般为向下游顺倾的单斜构造或断块构造下游由于上覆石炭、二叠系煤系地层阻水，形成泉水。往往处于承压状态，与地表水、第四系孔隙水有水力联系图 2 由于煤系地层位于泉域下游排泄区及承压区，采煤后将出现岩溶水顶托承压突水，产生一系列水环境问题。 1 ． 3 混合类型的岩溶水环境系统这种类型组合了前述 A、 B两种系统的特征，在泉域系统的补给区及泉口下游均分布有石炭、二叠纪煤系地层，该种类型主要见于汾渭地堑的西北侧，如郭庄泉域、龙子祠泉域、神头泉域等 2 采煤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，由于回采工作等的跨度远大于掘进巷道，因而其相应的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，周围岩层发生矿山压力现象，产生底板鼓起，顶板及周围岩石变形以至断裂、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。与天然条件下相维普资讯第六图书馆第六图书馆第 2期韩行瑞等大规模采煤对岩溶区水环境的影响比，地表水和地下水的补给、径流、储存与排泄条件均发生了根本变化。这种变化的实质是使天然状态下的多含水层，以水平运动为主的地下水系统变为以垂直运动为主的“ 矿坑水化系统。依照采煤前后储水介质的特征和地下水的补给、径流、储存和排泄条件，原水资源系统的五层次结构即地表水；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和奥陶系岩溶裂隙水变为新的五层次结构，即地表水；第四系冲积层孔隙水；石炭、二叠系碎屑岩一矿坑储水系统；石炭系层间岩溶水一矿坑储水系统和奥陶系岩溶裂隙水。新的水资源系统五个层次补给、径流、调蓄、排泄条件与采煤前也发生了相应变化，含水层的补给主要通过破坏产生的导水裂隙带运移，补给径流以垂向运动为主，排泄以矿坑排水和井泉开采方式为主。同时，大量矿坑水补给地表水及地下水体，从而使各含水体逐渐呈现矿坑水的特征，即水体矿坑水化” 。这种“ 矿坑水化” ，不仅表现在水循环过程中，也表现在水质变化过程中，即“ 矿坑水化” 对岩溶水系统的循环条件，水资源量分配及水质均产生巨大影响。本文以娘子关泉域及阳泉市为例，加以论证。 I I I I I 4 f I 4 I 固雪囤，团固目困图 2 裸露山区倾斜单斜岩溶水环境系统 Fi g． 2 Ca t a c l i na l m o n o c l l na l h r n 阻 r e nv i r on me nt s y s t e m i n e xp O S e d m u un c n l a n d I ．中奥陶岩薄古水后} z ．石炭、二叠系堞暮地层 } 3 ．第四幕寺永层； 4 ．岩蹿泉} 5 ．裂隙泉} 6 地下木位 } 7 ．地表永流 3 采煤对水资源量的影响阳泉市主要分布于娘子关泉域范围内，所处岩溶水环境为 A 类型，全市有大小煤矿 3 1 7 座，年产煤 3 0 0 0 万吨以上。随着采空区的扩大，矿坑塌陷及地表裂隙不断增多，对水资源破坏日益严重图 3 。 3 ． 1 对地表水的影响大量采空塌陷使许多地表水的河床底板及河道周围基岩产生不同程度的裂隙，前者使地表水与地下水发生水力联系而大量渗漏补给地下水，后者使地表水的基岩裂隙水侧向补给减维普资讯第六图书馆第六图书馆 9 8 中国岩溶第 l 3 卷少，从而地表水年径流量、洪水流量、清水流量大量减少。表现在每年来本市流经矿区的各主要河流桃河、温河、南川河等流量大大减少，水质受到污染。大部分河段仅汛期有水流过，枯水季节仅有少量矿坑排水及其它污水。田 1 国。圈团固 s 母困团国。圉 3 采煤后的岩溶木循环状态 F i g ．3 Cy c l e s t a t e ol ka r s t W t e r a t e r ∞ m i ni n g 1 ．中奥陶岩落古永屡 F 2 矿采空区； 3 ．曳陶白云岩相对隅水层； 4 第四末古永层 5 岩率泉 I 地下水位 } 7地表流； 8 ．矿井涌永I 9 ．石巍、二叠器摊器地层长期大面积采煤使采空范围逐年扩大，造成采空塌陷裂隙遍布矿区据调查，矿区 7 0 上煤矿盖山出现裂缝或地面塌陷现象，主要发生在盖山鞍薄或回采面较大的巷道或采空区，因此地表水流域在汇流区及径流区水量漏失严重，河川径流量明显减少。 3 ． 1 ． 1 对河川径流总量的影响全市流经矿区的河流及其支流主要有桃河、温河、南川河、阳胜河、秀水洞等。天然状态下全区河川径流量多年平均值五、六十年代约为 1 ． 3 2 9亿 m ／ a 。进入七十年代以来，由于采煤影响，河川径流量减为 0 ． 4 6 3 9 4亿 m ／ a ，减少量约为 0 ． 8 6 5 0 6亿 m。／ a 本市年径流量 7 0 ～8 4 年比 5 6 6 9 年减少 4 5 左右，而降雨量仅减少 l 3 左右，径流量的减少幅度远大于降雨量减少幅度桃河阳泉水文站 6 0 ～6 9年平均径流量 0 ． 6 5 3 亿 m ／ a ，降雨量为 6 0 7 ． 8 5 ram； 7 0 ～7 9 年平均径流量为 0 ． 4 5 3 5亿 m ／ a ，降雨量 4 7 6 ． 1 9 ram； 7 8 8 8年平均径流量 0 ． 3 2 1亿 m ／ a ，降雨量 4 9 7 ． 9 7 ra m。可见， 7 o ～7 9 年径流量比 6 o ～6 9 年减少了 3 o ． 1 ，而降雨量仅减少 2 o ； 8 0 ～ 8 8 年降雨量均值比 7 0 7 9 年降雨量均值增加 4 ． 6 ，而年径流量却减少 2 9 。河川径流量维普资讯第六图书馆第六图书馆第 2期韩行瑞等大规模采煤对岩溶区水环境的影响 99 的减少明显大于降雨量减少幅度。因此，矿区七十年代以来河川径流量的减少不仅仅是由于降雨量的减少，人类活动也是重要影响因素，其中采煤漏水影响是本地区径流量减少尤为重要的超因图 4 。．三l 二 0 圉 4 桃河阳泉水文站柽流总量与基漶量过程线 F i g ． 4 Hy d r o g r a p h o f r u n o f 6 v o l , me a i I d b , s e fl o w n Yi n g q u a n Hy d t ,o w , e t r i S t l t i o n ， Ta o h e 3 ． L 2耐洪水流量的影响流经矿区的各主要河流均属于暴雨型间歇性河流，汛期l洪水径流量暴涨暴落，而桔水期河道径流则往往出现断流现象。洪水径流量不仅受暴雨强度控翩，而且受下垫面等条件的制约。区内采煤遣l成的大量塌陷和地面裂缝导致河道内深水潜流增如流域的表层蓄水量减少， _从而使汛期径流量逐年减少，洪水退水历时减短。如表 1 所示．桃河阻泉求文站 7 0 x ． - 7 9 。年降雨量均值要比 6 0 6 9 年年降雨量均值减少 2 O ，而洪水流量均值则减少 3 5 ； 8 0 8 8年年降雨量均值比 7 0 ～ g年年降雨量均值增加 4 ． 6 ，而洪水流量砌减少 1 6 。矿区内洪水径流量呈减少趋势，降雨量的城少是原因之一，而采煤对流域下垫面条件的改变直接破坏河川的产汇流势态，使本地废地表径流大量向深层转化。 - 衰 1 阳泉市采媒| l 后地衰水资蕊情况对比表亿 m ／ a 盂博杭l 盎幕蝉杭寿嚣＼康赤基巍量床嚣 -t t i tl 桩 - 河 0 ． 6 3 7 m 5 1 8 m 1 Z 5 2 0 ． Z l 5 、O w 1 7 8 8 0 ． 0 2 6 7 j |河 0 ． 4 7 0 ． 4 2 0 ． 0 5 0 ． 1 8 4 4 0 ． 1 8 4 4 0 ． 0 0 0 南川河 0 ． 1 3 5 0 ． 0 9 9 0 ． 0 3 6 0 ． 0 3 5 0 ． 0 2 5 0 ． 0 0 0 太阳束订 0 ． 0 4 0 0 ． 0 4 0 0 ． 0 0 0 0 ． 0 1 4 0 ． 0 1 4 ’ 0 ． 0 0 0 阴山河 0 ． 0 1 5 0 ． 0 1 5 0 ． 0 0 0 0 ． 1 1 1 0 ． 1 1 1 0 ． 0 0 0 阳胜河 0 ． 0 3 8 0 ． 0 3 2 0 ． 0 0 0 m 0 1 1 0 ． 0 1 1 0 ． 0 0 0 告计 1 ． 3 2 9 1 ． 1 1 7 8 0 ． 2 1 1 2 0 ． 4 6 4 0 0 ． 4 3 7 2 0 ． 0 2 8 7 鲁注指五、舟十年代琦位精现鞋曲桩维普资讯第六图书馆第六图书馆 1 O 0 中国岩溶第 1 3 卷 3 ． 1 ． 3对基流量的影响七十年代以前，本市砂页岩地区大小泉水出露多处，桃河，温河及其支流大都有清水流过，随着采煤的发展及地下水大量开采．到目前仅桃河上游部分支流有清水流过外，其余基本断流，如流经市区的桃河枯水季节执矿区赛鱼段基本上是矿坑排水，往下逐渐减少。盂县矿区温池河贾家沟至温池地段原受地下水补给显著，目前枯季仅有小股工矿企业废水流经，葚吏流量逐渐减少，目前清水已基本断流。表 1表明桃河阳泉水文站多年平均基流量 0 ． 1亿 m。／ a ， 6 0 ～6 9 年年平均羲疏量 0 ． 1 2 5 2亿 m ／ a ， 7 o ～7 9年年平均基流量 0 ． 0 7 6 2 亿 m ／ a ， 8 o ～8 8 年年平均基流量 0 ． 0 3 2 8亿 m ／ a 。可见．从六十年代至今基流量是呈半递减之势。上述成果汇计表 l ，即本市矿区天然状态下河川径流量约 1 ． 3 2 9亿珥／ a ．其中洪水径流量约 1 ． 1 1 7 8亿 m ／ a ，基流量约 0 ． 2 1 1 2亿 m ／ a 。由于采煤等影响，河川径流量减为 0 ． 4 6 3 9亿 m ／ a ，即减少 0 ． 8 6 5 0 6亿 m ／ a 。其中洪流量减到 0 ． 4 3 7 2 4亿 m ／ a ．，即减少 0 ． 6 8 0 5 6亿 m ．／ a ；基流量减到 0 ． 0 2 6 7亿 m ／ a ，即减少 0 ． 1 8 4 5 m ／ a 。 3 ． 2 对地下水的影响。 3 ． 2 ． 1 对第四糸冲积层孔隙水及其循环条件的改变地表水量的减少必然会导致第四系河谷冲积层孔隙水的补给减少及周围基岩裂隙水的侧向补给减少，而大部分第四系冲积层含水层底板被采煤裂隙所波及，所以又增加了陵含水层向下部基岩的垂直入渗，因此采煤对第四系} 申积层孔隙水起到了疏干作用。矿坑大量涌水无疑会使该地区河谷冲积层潜水减少或疏干据不完全统计，矿区约 1 8 0眼第四系冲积层浅井因采煤影响而干枯报废，约 1 6 3眼} 中积层浅井水位明显下降，使部分村庄人畜吃水及村办企业用水困难，水源紧缺。根据上述情况可以看出，矿区采煤塌陷裂缝使第四系冲积层孔隙水的补给、径流和排泄条件受到破坏，从而使其水位普遍下降，水量不断减少。一些以冲积层潜水为开采对象的水源地受到不同程度的影响，甚至某些水源地的供水量也受到该区煤矿开采动态的控制。 3 ． 2 ． 2对石炭、二叠糸基岩裂隙水的影响本市主要开采煤层均位于该含水系统内，尤其以丈八煤 1 5 煤为主煤层的开采直接破坏了含水层底板，使该含水层隔水底板破裂而下漏。形成采煤条件下的降落漏斗。层问岩溶水含水系统也逐渐转变为以层间岩溶水一矿坑储水井存的新的含水系统。由于本区采空塌陷裂缝沟涌，而与上覆地层含水体发生水力联系，从而大量疏干上覆地层含水层井汇该含水系统，使垂向补给增加。而大量的矿坑排水已成为该含水系统的主要排泄方式，同时基岩裂隙水也以水平运动为主转变为采矿条件下的垂直运动为主。由此可见采煤条件下随着石炭、二叠系砂岩中导水裂隙增加而接受大气降水、地表水以及第四系冲积层孔隙水的补给增加，但同时其下渗排泄量也相应增加，排泄量大于补给量。因此，采煤使碎屑岩裂隙含水层被琉干，水体的运移规律受到影响破坏。矿区石炭系层问裂隙岩溶水水位普遍大幅度下降，部分区域含水层已被疏干。据不完全统计，本市矿区共有石炭系管井 2 3 5眼，由于煤矿开采增加，管井水位普遍下降，出水量日趋减少。目前已有 9 8 管井水位下降， 6 0 管井干枯无水。总之，本市的石炭系层间岩溶水含水层系统已被基本破坏，代之形成了矿坑采空区储水系统。据 1 9 9 0年采煤对水资源影响调查资料，全市煤矿采空区面积约为 2 1 1 ． 3 4 k m ，其中孟县矿区约为 2 3 ． 1 6 4 k m ，平定矿区约为 3 9 ． 0 9 k m ，市郊矿区约为 1 4 8 ． 3 6 4 k m 。煤矿采空区的部分老采空区成为贮水空间，与石炭系层间岩溶水共同构成新的石炭系含水系统。而全市煤矿维普资讯第六图书馆第六图书馆 ’ 第 2 期韩行瑞等大规模采煤对岩溶区水环境的影响 1 0 1 1 9 8 8 年约有 2 4 8 3 ． 9 3 万 m 的矿坑水排出地表，其中年排水鼍大于 l 0 万的矿坑有 5 8 座，孟县郊区 2 9 座，平定矿区 1 4座，市郊矿区 l 5 座。大量石炭系层问岩溶水忙人矿坑采空区，长时间充分与煤系地层接触并发生一系列化学反应，使地下水水质严重污染，从而对石炭系水资源造成极大的破坏。 3 ． 2 ． 3 对奥陶系岩溶水的影响采煤对奥随系岩溶水的影响可分为两种情况。当采煤深度在奥陶系岩溶地下水位以上时，其影嘀是间接的。从水量上看，在原始情况下，地表水和浅层地下水主要补给奥陶系蚩溶地 F 水。由于矿坑水化” 结果，使地表水和拽层地下水多消耗于短途循环的蒸发过程中使A渗补给量大为减少，从而大大减少了对舆陶系岩溶地下水的补给。据研究，在天然情况下，娘子关泉补给的三分之一来自上游煤系地层区的地表水及浅层地下水的补给，由于近十年来。矿坑水化”日益加剧，使娘子关泉水补给大为减少，使区域地下水位连续下降近十年来，区域水位下降 1 0 “． 2 0 1 1 1 。另一方面，采煤形成的“ 矿坑水” 及相关的能源工业对奥陶系岩溶地下水的染更是一个重要问题 4 采煤对地表水及地下水水质的影响煤矿大强度开采不仅疏千中浅层地下水，减少河川径流，使区域水资源虽发生改变，尤为重要的是使区域地下水和地表水受到污染，导致水质恶化 4 ． 1 矿坑排水的水质特征 1 ． p H 值偏低矿坑水中 p H值多有超标，且均为酸性水。这是因为煤系地层中硫含量较高，且有硫铁矿伴煤分布．在天然状态下含水层水体与煤系地层相隔而在采煤破坏古水层后禽硫煤充分接触水体，氧化成酸过程大大加快而形成酸性水，其反应过程为 2 Fe 岛 7 OI 2 H2 O ； 2 Fe S O 2 H, S O 、． 1 F e S O 2 H2 O Fe OH 2 H2 S O2 2 4 F e OH O 2 2 H2 O一 4 F e OH s 3 ’ 2 ．硫酸根离子含量偏高由反应式 1 可以看出，硫铁矿在充分接触水体和空气后反应生成硫酸及其化合物，从而使矿坑水硫酸根离子的含量增高。 3 ．硬度偏太矿坑水在氧化成酸的过程中对含水体凰岩不断溶蚀．使水体审 c a ”， Mg 离子的台量增加，硬度增大。，； 4 ．矿 L Y i ．高天然水的矿化度大都小于 1 0 0 0 m g ／ L 但矿坑水大量溶解煤系地层中矿化物，有的可达 2 0 0 0 S 0 0 0 mg ／ L 。如平定锁黄矿矿坑水的矿化度高达 5 8 8 ∞ g 。 5 ．铁离子含量高天然水中铁离子含量一般较低，由反应式 1 可见，采煤条件下堪幕地层中当硫铁矿氧化形成铁的可溶化合物而加入矿坑水，使铁离子的含量增高 6 ．毒理学戚分增高酚类有机物在天然条件下转化困难，赦天j l蕞状态下谋系地层水体中很少检出，露不超标。而在开采条件下其有机反应加快，矿坑水中酸含量增加，匠内 9 o 以上矿坑水有酚检出， 3 6 以上超标。．．汞在天然煤系地层中背景值偏高，主要是煤系地层中黄铁矿与朱砂 Hg s 伴生。在煤矿开采破坏条件下朱砂被加速氧化溶解丽使汞离子进入水体，导致汞的超檬。维普资讯第六图书馆第六图书馆 l 0 2 中国岩溶第 l 3卷 4 ． 2 采煤对地表水及浅层地下水质的影响本市地表水水质近年来各段均不同程度地受到污染，主要污染物有氰化物、酚、氨氮、硫酸苯、有机物及病原体等。桃河干流除赛鱼以上的 8 ． 4 k in符合渔业用水标准和环境二级标准外，其余段仅符合农业灌溉用水标准。温河干流仅符合环境三级标准和农业灌溉用水标准。南川河仅达农业灌溉用水标准。本市桃河、温河、南川河等主要河流均属季节性河流，夏秋季出现断流，冬春季近千枯，因而河水的自净能力很弱。在河水断流期间，河道容纳的水几乎全是污术。大量的工业以l及民用污水大都未经任何处理而排入河道，客观上河道已变成轻重不一的污水沟，其中煤矿排水所占的比重最大。据垒市 1 9 8 5 年按行业分类污水排放量统计，煤炭行业含炼焦工业总用水量为 3 ． 0 2 4万 t ／ a，总排污量为 2 ． 0 9 7 5万 t ／ d，占全市工业污水总排量的 3 5 ． 0 2 ，是各行业排污百分比最高的行业。此外，大量的原煤堆存和煤矸石堆积也是地表水污染的一大固体污染源。原煤和矸石长期堆积暴露于地表，在充分接受 E l 晒、雨淋、氧化和术解等条件下，其反应速度和对水的破坏速度与在煤系地层相比更为迅速，更为直接。经降水和为防止其自燃而大量浇水的淋滤和溶解，使各种成分的毒物汇入地表水。据 1 9 8 4年统计资料，本市矿区 2 6 3座矿井总计原煤堆积量 1 9 5 9 ． 8 6万吨，占地 2 8 0 ． 4万 m ，煤矸石堆存量 3 3 0 7 ． 2 9万吨，占地 g 6 8 ． 3万 m 。因此原煤堆存和煤矸石堆积对本市水质污染起着很重要作用。本市矿区地表水污染严重，其中主要是矿坑排水的污染，因此受其直接补给的第四系j巾积层孔隙水也受到污染。第四系河谷冲积层孔隙水术质特征与地表水水质特征相一致，说明其污染物主要来自矿坑水。一 4 ． 3 采煤对岩溶地下水质的影响前面的 1 、 2 、 3 反应式基本反映了酸性水的形成过程。但实际情况要较复杂一些。因煤层中除了硫铁矿外，还含有其他矿物。硫铁矿被氧化形成的硫酸极为活泼极易与其他矿物形成硫酸盐类。本区煤系地层中的主要含水层为石灰岩夹层，地下水中的钙、镁含量较高。因此多形成钙、镁硫酸盐，它们有较高的溶解度，故矿坑排水中的硫酸根含量及硬度均较大，反应式如下 H2 S O． C a C O3 C a S O 一 CO2 H2 O 4 在这个反应式中，产生了 C O 。这种溶于水盼 C O 形成碳酸溶液 H2 CO Ca COa Ca 2 HCO 3 - 5 重碳酸根的出现，又使矿坑水呈现碱性。根据上面的反应过程，矿坑水可以是酸性的，也可以是碱性的。调查表明对于那些捧水不善的老矿或旧废矿井，地下水长期与煤层中的硫铁矿接触，处于封闭、半封阿状态，则形成酸性水；而对那些排水量较大，循环较快的矿坑水，由于往往来自石灰岩层问台水层，富含钙、镁，往往与硫酸反应，最餐形成碱性术。通过以上分析，可以得出如下结论 1 ．本区煤矿无论是酸性术还是碱性水，其形成均与煤层中硫铁矿的氧化有关。 2 煤矿酸性术的特征是 p H7 ，铁含量低，硫酸根含量高，硬度大。 3 ．煤矿酸性水与碱性术的形成取决于矿坑术所处的具体环境、循环条件、排术条件。排水不畅的矿坑或老窖之中往往形成酸性术。而涌水量较大，排水较快，循环条件较好则往往形成维普资讯第六图书馆第六图书馆第 2期韩行瑞等t 大规模采煤对岩溶区水环境的影响 1 0 3 碱性水。本区矿坑酸性水与碱性水是同一过程的两个阶段矿坑水排出地表后进入大片的灰岩区，最终形成碱性水。 4 ．无论是生成酸性水还是碱性水，其共同的结果是地下水中硫酸根离子和硬度不断增加。虽然硫铁矿氧化最终结果主要表现在岩溶地下水中硫酸根含量以及硬度的增高，但由于本区奥陶系岩溶含水层中夹有石膏层，因此，目前奥陶系岩溶地下水及娘子关泉水中的硫酸根及硬度的高含量，并不都是煤矿的酸、碱性水引起的。这就要求设法区分开岩溶地下水中的硫酸根有多少是煤矿酸、碱性水引起的为此，张之捡、刘再华都对岩溶地下水硫同位素进行了研究表 2和表 3 根据下式求出水中来自石膏层溶解的硫酸根含量所占的比例螈麓舞 O 0 式中肘 - 泉水中来自石膏的硫酸根含量比例； s 泉水中硫同位素组份； s t t r 硫铁矿硫中同位索组份；石膏层中硫同位素组份。表 2 娘子关泉域硫同位素瑶 I 定结果 7 8年，张之淦 1a b． 2 Re s ul t s of s u l f u r i s o t op e M㈣n 1 i a Ni a ng q u a a s p r i n g d r a J g e 排沾区定结果水帝滑寨 l 2 5，苇泽关寨 l 8 ． 7．五屯泉 l 7 ． 7 表 3 娘子关皋水硫周位素涮定结果 1 9 8 7年，刘再华 Ta b ．3 f s u i t s o f s u l f ur i s ot o p e 眦 Ⅲ e r r 咖 t i n N a n g fiq u a n s p n g B 忙取样时间，8 7年 1 o ．定单位。桂林地质矿产研究院实验窒由表 4 ，硫铁矿产生硫酸根离子对泉水的影响是很大的，可以分为两种情况一种是程家泉及城西泉等这些泉位置较高，动态变化较大，矿化度较低，一般认为是浅循环的泉水，其硫酸根中有 5 2 来自上游煤矿中的硫铁矿，这是因为这些泉的补给及运移途径远，循环深度较大。表 4 娘子共泉水硫酸根来源l殛其所占百分比 Ta b ．4 So u r of s u J f a t a nd t h or pe r c e n t a g e N i a ng z l q u a n p r i ng 维普资讯第六图书馆第六图书馆 1 0 4 中国岩溶第 l a 卷考虑到奥陶系岩溶含水层中的石膏溶解是一个较为固定的地质因素，而煤层中硫铁矿的氧化作用将随着本区采煤活动面的增加而增加，对岩溶地下水质的影响也必将呈现增加的趋势。阳泉市 1 9 9 0年煤炭产量达到 3 4 7 5万吨，比 1 9 8 5年增加了 l O 。1 9 9 5年煤炭产量将达到 3 6 5 0万吨，年增长 1 。表 5也可以看出这种趋势。另外，由于近年来泉水流量不断衰减，地下水稀释能力减弱，则更会加快硫酸根离子浓度的增高。综合本市“ 八五” 及 2 0 0 0年规划，预计本市到 2 0 0 0年煤产量将达到 3 9 3 O万吨。煤田面积将增加到 1 7 0 0 k m。，在现有煤田面积 1 1 0 8 k m 的基础上，平昔区包括五矿将连接昔阳和l 、左权部分煤田，面积达 2 4 4 ． 5 k m ；西部及西北部寿阳区及远景区面积达 4 6 2 、 3 k m 煤矿采掘最大深度将达到海拔标高 4 7 0 m左右。这使本市的地表水及第四系河谷冲积层孔隙水更进一步被疏干破坏，因而奥陶系岩溶水的补给水源也就相应减少。这无疑会对娘子关泉域构成更大的破坏和威胁裹 5 媳子关各枭点硫酸报变化表 Ta b ． 5 Cha n g e o f s ul f a t e f o r s p r i ng pa i nt s o f Ni a n gz iqu a n 车毒＼名程 jjf 泉埴西豪五龙豪木审 {罔豪葶泽羌豪 7 8车 mg ／ L B 7卑 r ag ／ L 0 0车 mg ／ L 1 3 ． 45 6 7． 2 4 1 51 24 ． 5 l2 6 ’ 8 0 1 7 2 1 8 8． 3 2 0 6 ．5 3 2 0 8 2 0 6 ． 5 3 21 4 、 21 22 5 2 01 ．7 8 2 0 8． 4 5 23 0 同时，伴随石炭系以上含水层和奥陶系岩溶水水量受到影响破坏，含水层水质也将相应受到更严重的污染。不仅石炭系以上含水层被疏干汇入矿坑储水系统而“ 矿坑水化” ；而且作为直接补给奥陶系岩溶水来源之一的地表水和第四系河谷冲积层孔瞒 c 水也将被大量的矿坑水完全污染，因而奥陶系岩溶水也会同样被矿坑水所污染。如对矿坑污水不加控翩与处理，长此以往，必将导致本市深层岩溶水水质的恶化。 THE EFFECT OF LARGE s CALE COAL M I NI NG ON KARS T W ATER ENVI RONM ENT Ha n X i g r u i G a o Ho n g p o n g Yo n g p l n g S h l J i a n I n gl t u o ／州G e o g y ， Mi n i m- y Ge o Z o g y州 R“帆 bs t r a e t S h a n x i P r o v i n c e i s t h e l a r g e s t c o a l e n e r g e r e s o t l r t e a b a s e i n Ch i n a， t h e c o a l f i e l d a r e a i s 6 1 ． 8 t h o u s a n d k m a n d c o v e r s o v e r o n e-- t h i r d o f t h e a r e a o f S h a nx i Pr o v i n c e 、Th e p r o v e d r e s e r v e s h a v e r e a c h e d 20 4 8 00 r a i I l i o n t o n s ． Th e wor k a b l e r e s e r v e s a r e o v e r 20 0 mi l l i o n t o n s f o r a y e a r． a n d i t wi