山东省主要矿山排水对地下水系统影响研究

冯克印，刘善军，董强，齐孔让

(1.中国地质大学(北京)，北京 100083;2.山东省地质环境监测总站，山东济南 250014)

山东省主要矿山排水对地下水系统影响研究

冯克印1，2，刘善军2，董强2，齐孔让2

(1.中国地质大学(北京)，北京 100083;2.山东省地质环境监测总站，山东济南 250014)

山东省是一个矿业大省、经济大省，是我国重要的能源和黄金生产基地，同时也是水质型缺水省份之一。矿产资源开采过程中，每年都有大量的井下矿坑水向外部环境排放，不但造成了地表水和浅层地下水污染，而且还引发了岩溶塌陷、海水入侵等次生地质灾害。本文重点对山东省煤矿、铁矿、金矿等主要的矿产资源开发引发的地下水系统影响进行了研究，分析了主要开采矿山导致产生地下水疏干漏斗、引起区域地下水位持续下降，降低了地下水的调蓄能力，改变含水层的地球化学环境，地下水水质进一步恶化，致使地下水可利用资源量逐渐减少，该研究为有关政府部门督促矿山企业对矿坑水资源化综合利用及水资源保护、减少矿山开采对地下水环境的影响提供参考。

采矿;疏干排水;地下水系统;影响;山东省

0 引言

山东省矿山资源丰富，矿产种类较多，储量大，分布广，多年来，矿产资源的开发利用为国家做出了巨大贡献，同时也对矿山地质环境造成巨大影响，随着矿产资源开发规模和开发强度的增大，矿山环境地质问题越发突出，地下采矿过程中的疏干排水及其对地下水系统的影响是其中比较突出的矿山地质环境问题。矿山开采过程中，地下水可下降数十米甚至数百米，导致矿区及相邻区地下水位大幅度下降，长期的矿井疏干排水，形成以矿井为中心的大面积疏干漏斗区，致使采矿影响范围内的浅层地下水枯竭、泉水断流、供水井干枯等环境地质问题发生，严重影响人们的正常生活和工农业生产。据不完全统计，山东省煤、铁、金及石膏矿等矿山排水量达3.82×108m3/a［1］。

1 山东省主要矿山分布概况

山东省矿产资源开发利用程度较高，开发利用的矿种主要为煤、铁、金、石油等.截至2004年底，已累计发现矿产150种［2］，全省17个市毗邻海域，均赋存有矿产资源，分布范围十分广泛。形成了枣庄－泰安－济宁煤炭、胶东黄金、东营－滨州油气、淄博－济南－莱芜冶金以及胶东、鲁中一些陶瓷和建材原料等矿业生产基地。其中含煤地层分布广泛，主要集中分布于鲁西隆起区，其次是鲁东、胶济铁路沿线及济南以西的黄河两岸;铁矿资源主要分布于鲁中山地北缘，富铁矿集中分布于莱芜、金岭、淄河、济南等四大铁矿区;金矿产量居全国首位，主要分布于鲁东地区的招远、莱州、平度、龙口、栖霞、蓬莱、乳山、牟平和鲁中南地区的沂南、沂水、平邑等地，尤以招远－莱州地区金矿最多，储量占胶东地区金矿总储量的80%。

山东省煤田多分布于向斜盆地或凹陷沉积盆地内，地质构造复杂，煤田常被纵横交错的断裂切割成一些独立的断块，地下水类型多样，水文地质条件极为复杂;铁矿成因类型较多，矿床的赋存方式、围岩性质以及构造条件各异，水文地质条件复杂程度总体上较煤矿区次之;金矿产地分布于剥蚀低山丘陵区，基岩裸露，沟谷发育，出露地层主要为变质岩类及燕山期花岗岩，矿区地下水类型单一，以花岗岩风化裂隙水和金矿脉构造裂隙水为主，矿山水文地质条件最为简单。由于矿山水文地质条件不同，因此，矿山开采排水对地下水系统造成的破坏和影响差别较大。本文以山东省主要的煤矿、铁矿、金矿类型为例来分析矿山开采排水对地下水系统造成的影响。

2 主要矿产开发对地下水的影响分析

2.1 煤矿矿山排水对地下水系统的影响与破坏

煤田矿井排水水源主要包括下列充水岩层的水源:①煤层顶板砂岩裂隙水;②煤层顶板薄层灰岩岩溶裂隙水;③石炭系中统徐家庄灰岩岩溶裂隙水;④奥陶系中统灰岩岩溶水。第四系覆盖的隐伏煤田，第四系砂砾石层孔隙水通过半疏干的煤系砂岩等充水岩层间接进入矿井，成为矿坑水间接水源，其中矿井以疏干砂岩和薄层灰岩涌水为主。

据不完全统计［3］，全省煤矿矿井年均排水量约为3.7×108m3。其中疏干煤系含水层涌水量约占70%左右，奥灰水约占20%～30%，部分煤田区奥灰水排水量可达40%以上，如新汶矿区华丰矿的奥灰水疏干排水量为5.8m3/min，占矿区总排水量的43%。由于采煤的顺序为自上而下开采，因此矿井不同开采层位下的矿井排水量将直接影响着其对矿区地下水资源的破坏程度。随着采煤向纵深发展，上层各含水层的地下水储量被疏干，形成不断扩大的地下水降落漏斗，因而浸润线的比降越来越大，矿坑的疏干能力和强度加大，降落漏斗影响范围内的含水层调蓄能力减弱，地下水位大幅度下降。当煤层开采到一定深度后，矿井排水除了上层疏干补给外，尚增加了相邻煤层之间的地下水含水层疏干补给量，下层煤开采程度越深，增加的补给量越大。长期的大量排水，导致了以矿井为中心的疏干漏斗区，其影响范围可达10km2至数10km2。如潍坊市坊子矿区的地下水疏干面积达15km2以上［3］。虽然煤层之上各含水层富水性大都较弱，不具备作为大、中型城镇供水水源地能力，但可解决部分村镇农业及生活的用水问题。特别是经济基础较薄弱的地区，煤系含水层及第四系孔隙水可构成其主要供水水源，因此，这部分水源减少或枯竭，将给矿区影响范围内的农业生产和人民生活带来很大困难。如新泰市南鲍村，1971年前，村民饮水井地下水位埋深仅1～2m，局部有泉喷涌出，由于汶南矿的大量排水，矿区地下水位降至百米以下，致使泉水断流，多处水井干涸，给当地群众的生活和农业生产带来诸多不便［3］。

煤矿矿井排水不仅对煤系含水层造成一定影响破坏，当开采煤层达到一定深度时，将对下伏奥灰水(C～P型矿山)造成不同程度影响。一方面当开采石炭系底部煤层时，为防止煤层底板突水，必须对徐家庄灰岩含水层进行降压疏干，而长期的疏放徐家庄灰岩水，将会导致奥灰水由徐灰水涌入矿坑。在有断裂、裂隙沟通的情况下，将产生岩溶水底板突水，其结果是在大量优良水转化为矿坑水的同时，致使矿区地下水水位急剧下降。如1985年5月14日，淄博夏庄矿二井在－430m(埋深600m)水平遇断层突水，瞬时突水量达3259.8m3/h，矿井涌水量由正常的2× 104m3/d增加到5×104m3/d，在距突水点370m处的34号观测孔水位由101.72m降至－88.70m，最大降深达190m，118号孔水位亦比历年同期水位下降30m，突水影响半径达5.7km。城区部分自备井亦由于水位大幅度下降而不断出现吊泵、枯井现象，城市供水系统遭到破坏，给工农业生产造成的直接经济损失达1500万元［4］。

另一方面，当下伏岩溶水压力水头低于矿坑水位时，矿坑水将渗漏补给下伏岩溶水，从而对岩溶水造成“串层”污染［5］，使地下水可利用资源量减少。如淄博煤田，20世纪90年代末，国有煤矿相继闭坑后，随着矿山停止排水，洪山－寨里煤矿一带矿坑水位急剧上升，岩溶水受到了明显污染，面积达到50km2多。其中，洪山煤矿大吊桥133号孔成井时奥灰水中硫酸盐含量为78mg/L，总硬度332mg/L，矿山闭坑停止排水后，含量分别急剧上升到1320.82mg/L和1664.0mg/L，对岩溶水造成了严重污染［3］。

2.2 铁矿矿山排水对地下水系统的影响

省内热液交代式及接触交代式铁矿床大都沿火成岩侵入体与奥陶系灰岩接触带分布，中奥陶系石灰岩和大理岩裂隙岩溶水为矿床直接充水水源。裂隙岩溶发育，含水丰富，不但对采矿造成威胁，使大量铁矿至今无法开采，而且采矿过程中的矿井大量排水又使矿区岩溶水资源量大量减少，加剧了供排矛盾。

灰岩岩溶水水质大都良好，是山东省城市和工矿企业的重要供水水源，而热液交代式或接触交代式铁矿分布区又大多是大、中型供水水源的所在地，因此，矿井排水对水源地的正常运行起着举足轻重的作用。为既能采出地下矿产，又能最大限度保护地下水资源，济南张马屯铁矿采用大型帷幕注浆工程，堵水90%以上，既有效的保护了地下水资源，又节约了采矿成本，矿区年均排水量仅620×104m3，相比之下，莱芜、淄博矿区采矿中主要采用全面疏干排水方式进行开采，矿井排水对奥灰水影响较大，1988年淄博黑旺矿区在采深55m水平、排水量为1800×104m3/a时，地下水位即由采前(1959年)的140m左右降到55m，疏干降深达85m，并形成了NNE向约50km2的疏干漏斗区［4］。

莱芜铁矿诸矿区自20世纪50年代末相继扩建采矿以来，由于大量疏干岩溶地下水，导致矿区地下水位大幅度下降，并形成了以矿井为中心的大面积疏干漏斗区。在其影响范围内，不仅使浅层地下水资源枯竭，泉水干涸断流，同时还诱发了一系列矿山环境地质问题，如岩溶地面塌陷等［6］，矿区南部著名的郭娘泉群、牛王泉群等，早在20世纪70年代便相继干涸。近年来，随着矿山采掘规模的不断扩大以及工农业生产的迅速发展，矿区岩溶水采排量与日俱增。据不完全统计，矿区地下水采排量已达4401.9×104m3/a，其中矿井疏干排水量1922.17×104m3/a，约占43.7%。地下水超采使矿区地下水疏干漏斗范围、地下水位埋深逐年增大，如叶庄矿区岩溶水漏斗中心水位埋深已达97.20m，仅叶庄矿－马庄矿一带就分布有自来水厂、钢铁公司、电厂等9个单位的20余眼供水井，日均采排地下水量11.82×104m3，其中两矿的矿井疏干排放量居首位，达5.026×104m3/d，占该区地下水总开采量的42.5%［3］。因此，铁矿矿井排水亦是矿区岩溶水水位下降的主要原因之一。

2.3 金矿矿山排水对地下水系统的影响

山东金矿主要分布于胶东低山丘陵区，矿区水文地质条件简单，矿井坑道充水水源主要为矿脉构造裂隙水，因其补给源贫乏，富水性差，且不同矿脉构造裂隙水含水层之间无水力联系，因此，金矿矿井排水对矿区地下水资源影响程度一般较轻。

综上，在矿产资源的开发过程中，深部矿层的大规模开采，引起区域地下水位的持续下降，降低了地下水的调蓄能力，改变了地下水的补给、径流和排泄条件。地下水由采矿前的以水平运动为主，变为以垂向运动为主。地下水动力条件的改变以及疏干漏斗的扩展和加深，导致了开采漏斗范围内的部分地下水蒸发量和排泄量转化为矿坑水补给量，并增加夺取上游地区优质含水层的径流量和相邻含水层的部分越流量，致使地下水可利用资源量逐渐减少。山东省地下水资源供水状况并不乐观，大多数地区的地下水位持续下降，半数以上的城市供水告急。在工农业争水矛盾日益突出的情况下，全省每年约有2×108m3的矿井排水未受到合理利用，这对本已宝贵的地下水资源来说，无疑是一种莫大的浪费和破坏。

此外，地下水位的大幅度下降将改变含水层的地球化学环境，导致地下水水质的进一步恶化。随着地下水位的下降，空气将进入含水层被疏干地带，促使岩层、矿层中硫、铁等化合物的氧化作用加强。当含水层被疏干后，硫氧菌类的出现，更加剧了金属硫化物的氧化过程。如硫铁矿在还原环境下很稳定，几乎不溶于水，但在氧化环境下则易于氧化溶解，硫化矿在氧化作用下生成硫酸根和重金属离子含量极高的酸性矿坑水。如西河镇西河矿矿坑水［4］:pH值为3.1，硫酸根和总铁分别高达4352.33mg/L和404.75mg/L;招远玲珑矿田西山矿坑水:pH值为2.15，Cu、Zn含量分别高达46.50mg/L和70.50mg/ L。而矿坑水中的H2SO4又是一种强氧化剂，它不仅将围岩中的方解石、菱铁矿、菱镁矿等变得易于溶解，使地下水总硬度升高。同时，由矿井排至地表的酸性矿坑水，在通过饱气带入渗补给地下水的过程中，可与饱气带中的钙、镁碳酸盐发生中和反应，形成高硬度的水而污染地下水源，从而导致地下水水质的进一步恶化。

3 结论

山东省矿山疏干排水对地下水系统的影响主要表现在二个方面，一是形成地下水疏干漏斗，引起区域地下水位持续下降，降低了地下水的调蓄能力;二是人为改变含水层的地球化学环境，导致地下水水质进一步恶化。因此，要实现矿产资源开采与地下水资源保护和谐规划，首先要将矿产资源开采中的矿坑水视同共生矿产资源，从政策上要求实现矿坑水的资源化，提高矿坑水的综合利用率，而不能仅仅作为矿井水害、水灾、污染水加以防治和任意排放;其次，对严重缺水、生态环境脆弱的矿区，不管预期的短期经济效益多大，均应符合“保水为主、采矿为辅”的原则，在不破坏关键地下水资源的前提下，进行矿产资源的适度开发。

［1］孔庆友，康凤新，李守昌，等.山东省矿山主要地质灾害及其防治对策［J］.中国地质灾害与防治学报，2005，16 (1):72－76.

［2］彭方思.山东矿产资源现状与对策分析［J］.山东国土资源，2005，21(12):40.

［3］董强，常允新，刘洪亮，等.山东省矿山地质环境调查与评估报告［R］.济南:山东省地质环境监测总站，2004.

［4］姚春梅，刘善军，刘洪亮，等.山东省矿山地质灾害调查及防灾减灾对策研究［R］.济南:山东省地质环境监测总站，1998.

［5］徐军祥，徐品.淄博煤矿闭坑对地下水的污染及控制［J］.煤炭科学技术，2003，31(10):28－30.

［6］常允新，王振涛，温永泉，等.莱芜市矿山排水对地质环境的影响分析［J］.山东国土资源，2007，23(6):33－ 35.

Abstract:Shandong Province is a mining province，the great province and is an important base of energy and gold，also one of the provinces of a scarcity on clean water.A great volume of underground mine water is discharged to the external environment every year during mining of mineral resources.It not only made the surface water and shallow groundwater contaminated，but also led to collapses，sea water intrusion and other secondary geological disasters.The authors discussed the impacts on underground water system caused by development of coal，iron ore，gold and other major mineral resources in Shandong province，and analyzed that the major mining led to groundwater drainage funnel，caused the water table to decline，reduced regulation and storage capacity of groundwater，changed the geochemistry environment of aquifer to further deterioration of groundwater quality and the availability of groundwater resources decreased.The research provided references for the relevant government departments to urge mining enterprises to utilize the mine water，to protect water resources and to reduce groundwater mining impacts on the environment.

Key words:mining;mine water drainage;groundwater systems;Shandong Province

Mine drainage influence on groundwater systems to in Shandong Province

FENG Ke-yin1，2，LIU Shan-jun2，DONG Qiang2，QI Kong-rang2
(1.China University of Geosciences，Beijing100083，China; 2.Shandong Monitoring Center of Geological Environment，Jinan250014，China)

1003-8035(2010)03-0125-04

P641.5

A

2010-03-21;

2010-04-21

冯克印(1970—)，男，博士，研究员，从事水文地质、环境地质及地质灾害勘查与研究。

E-mail:fengkeyin2006@126.com