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)

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。

1.1 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

1.2 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

2.1 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 7.04 m3/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)

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 k m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 k m2的污染晕,数 10 k m2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C O D超标,晋祠泉 D O超标,娘子关泉 N O-3超标;神头泉 N O-2超标。

蓄积性毒物:蓄积性毒物包括有 P b、C d、Hg、A s、C r6+等。在19个大泉中 P b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。H g含量大于0.2 p p b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 k m2以上。

氟污染:在天然状态下,氟含量较低,一般在 0.2～0.6 m g/L之间,受污染最大高达 2.0 m g/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。