浅析煤炭开采的地下水环境影响与评价

刘 哲

(西北大学 城市与环境学院，陕西 西安 710127)

煤炭开发对推动国民经济的快速发展，提高国家综合实力和人们生活水平有着重要意义。但同时，煤炭开发对自然环境影响深远，大量的采空塌陷，地表开裂，破坏煤矿地层中含水、隔水系统，改变天然地下水循环状态，导致裂隙水被疏干、泉水断流、河川径流严重衰减等一系列环境问题，影响地下水资源的数量和质量，破坏水的动态平衡。进行煤炭开采的地下水环境影响评价，对于保护地下水资源、促进生态环境建设和社会经济发展具有重要的意义。文章分析了煤炭开采对地下水资源的影响，参照2011年2月出台的《环境影响评价技术导则 地下水环境》(HJ610－2011)(以下简称《导则》)，讨论了煤炭开采的地下水环境影响价的主要内容和要点。

1 煤炭开采对地下水资源的影响

煤炭开采包括露天开采和井工开采，其中井工开采占94%左右。不论哪种开采方式，均易产生地下水环境问题［1］。煤炭开采对地下水资源影响复杂多样，在煤炭开各个时期(采期、坑排水期以及矿山尾矿、矸石堆积期)都可能对地下不同位置(浅层、中层和深层)改变地下水场流及补、径、排条件，对地下水资源水量、水质、水平衡等方面产生深远影响［2－6］。

1.1 水量与水循环影响

水资源和煤矿共处于一个地质体中，通常施工单位为了能够维持正常的采矿模式，确保采煤工作面能够横向和纵向的发展，会在采矿的同时，把工作面周围的水和潜在的水全部排出。开采使围岩变形和移动，煤系地层上覆岩层直至地面，出现冒落带、弯曲带和垂直向裂缝带［7］。煤系地层中的水和散松岩类地层中的水快速向下渗透，形成区域性地下水位降落漏斗区，浅、中层的水位逐年被下降并被输干;随着开采深度的加大，深层含水层的水也被截留转化为矿坑水被排出，以矿井为中心的地下水位下降漏斗区范围和幅度不断扩大，在其影响范围内，地下水流动加快，储存量不断减少［4］。

因岩层破坏和地表裂隙或塌陷作用，原有的蓄水构造和地下水补、径、排条件发生变异［8－9］。地表径流与采区、上含水层与采区之间的水力联系通过采动地层沟通［4］。地表径流、基流和潜流中各有一部分或全部由以横向运动为主，变为以垂向运动为主，向矿坑汇流转为矿坑水或渗透地下转为地下水的运动;同时，降雨入渗速度加快，蒸发量减少。地下水则由以前的基流和潜流排泄为主，变为以矿坑排水为主［2］;同时，因局部承压水转为无压，含水层变为透水层，地下水调蓄能力降低，向地表水补给量减少。这样整个区域地表水、地下水均衡系统遭到破坏，造成大面积疏干漏斗、泉水干枯、水资源逐步枯竭以及河水断流，一定程度上加剧地区的供水紧张问题。

1.2 水质影响

地下水水质的污染源主要来自受污坑井水和煤矸石等固体废弃物。

1.2.1 矿井水造成的水环境污染［4－10］

矿井水的污染一部分来开采过程中的井下粪便，煤、沙尘，废坑木的腐烂，废机油、废酸液，井下洒水及防火灌浆水等，一部分来自煤层、围岩中的硫化物矿物与氧气、水接触，在微生物的催化作用下，经过一系列复杂的地球化学反应，产生的酸性矿井水。这些污染物包括汞、铅、铬等重金属;氟化物、氰化物等无机毒物以及无机酸、盐类和无机悬浮物等。受污染的矿井水在大量未经处理的情况下，一部分通过岩层裂隙直接下渗到下腹地层，一部分排出地表后，首先污染地表水，继而在流经碳酸盐岩渗漏段时，或随河沟循环流动时，再次入渗地下污染地下水。此外，大气污染通过大气降水、入渗也会产生地下水。

1.2.2 煤矸石等固体废弃物造成的水环境污染［4－10］

露天堆放的煤矸石长期经风化、降雨、降雪淋溶和自身所载水分的作用，产生一系列的理、化变化，有毒有害成分随淋溶水向地下渗透，在土壤中浓缩聚集，向地下水中迁移，污染地下水资源。其中含有的有害杂质包括硫化物，碳酸盐类混合物，可溶性无机盐以及汞、砷、氟、氯等微量元素。

此外，选煤厂在煤炭选洗的煤泥水、接纳矿区污废水的塌陷坑水体，对地下水都有不同程度的污染。在水循环失衡状态下，这些有毒有害物质的释放对水环境造成严重的威胁。

2 煤炭开采地下水环境影响评价

地下水环境影响评价的主要任务是进行地下水环境现状评价和项目的环境影响预测，评价项目实施过程中对地下水环境可能造成的直接影响和间接危害，并针对评价结果提出防治对策，保护水资源，为项目实施提供决策、选址、管理等科学依据。主要涉及确定评价等级、现状调查与评价、影响预测［11－13］。

2.1 评价等级的确定

2.1.1 项目分类

依据《导则》［12］，Ⅰ类项目指在建设、生产运行和服务期满后的各个过程中，可能造成地下水水质污染的建设项目;Ⅱ类项目指在建设、生产运行和服务期满后的各个过程中，可能引起地下水流场或地下水水位变化，并导致环境水文地质问题的建设项目。依据前述分析和《导则》项目分类，煤炭开采属于Ⅱ类。但考虑目前企业节水意识增强，矿井水多能全部回收，水质污染多因煤矸石等固废堆积，因此建议井田(矿田)开采范围确定为Ⅱ类，煤矿工业场地和排矸场地确定为Ⅰ类，进行分区域分类开展地下水环境影响评价工作。

2.1.2 评价级别的划分

Ⅱ类项目根据建设项目地下水供水(或排水、注水)规模、引起的地下水水位变化范围、建设项目场地的地下水环境敏感程度以及可能造成的环境水文地质问题的大小等条件确定。据不完全统计，全国煤矿每年疏排矿井水超过2.2亿 m3，而煤炭的大规模开采造成的采空塌陷、地面裂缝、区域地下水位下降、煤矸石堆放、矿坑排水等一系列地质灾害和地质环境问题也是显而易见的［1－10］。依据《导则》中的建设项目供水(或排水、注水)规模、建设项目引起的地下水水位变化区域范围和建设项目造成的环境水文地质问题大小这三项指标，很容易判断煤炭开采评价级别为二级及以上［12］。评价级别判定时，地下水排水量应采用经国土资源管理部门批准的矿井(田)地质勘探报告中确定的矿井(田)正常涌水量。地下水环境敏感程度的划分中，“水土流失重点防治区”建议按水利部公告［2006］第2号《水利部关于划分国家级水土流失防治区的公告》中规定的“水土流失重点预防保护区”执行。

2.2 现状调查与评价

依据《导则》［12］，煤炭开采建设项目的地下水环境现状调查与评价的范围包括开采项目建设、生产运行和服务期满后三个阶段的地下水水位变化的影响区域，以及相关的环境保护目标和敏感区域，如已有、拟建和规划的地下水供水水源区，地下水环境影响的敏感区域(如重要湿地、与地下水相关的自然保护区和地质遗迹等)，可能出现环境水文地质问题等主要区域。必要时应扩展至完整的水文地质单元，以及可能与建设项目所在的水文地质单元存在直接补排关系的区域。

2.2.1 现状调查监测

地下水的现状调查监测包括污染源调查、地质现状调查、地下水环境现状监测、环境水文地质勘查与试验。

1)地下水污染源调查

调查按《工业污染源调查技术要求及其建档技术规定》的要求进行。煤炭工业对地下水环境可能造成的污染影响仅限于工业场地、排矸场地附近，对于矸石属性鉴别为Ⅰ类一般工业固体废物的煤矿建设项目，建议煤矿建设项目污染源调查按工业场地、排矸场地确定的评价类别和级别开展地下水污染源调查工作，井田(矿田)开采范围可简化污染源调查工作。除项目自身污染源调查外，同时搜集已有污染源调查资料。

2)地质现状调查

地质现状调查包括一般性地质资料收集，水文地质条件调查和水文地质问题调查，具体参见《导则》。针对煤炭开采项目，调查应注重对评价区土壤和植被状况;地层岩性、地质构造、地貌特征;包气带岩性、结构、厚度;含水层的岩性组成、厚度、渗透系数和富水程度;隔水层的岩性组成、厚度、渗透系数;地下水类型、地下水补给、径流和排泄条件。集中供水水源地或水源井的分布情况(包括开采层的成井的密度、水井结构、深度以及开采历史)与项目位置关系以及与地下水有关的其它人类活动情况调查，如保护区划分情况等方面的调查。

3)地下水环境现状监测

地下水环境现状监测主要通过对地下水水位、水质的动态监测，查明地下水水流与地下水化学组分的空间分布现状和发展趋势，为后期评价和预测提供基础资料。《导则》中规定了监测井点布设原则、点数、监测指标、监测频率等内容，可参照执行。依据《导则》［12］，煤炭建设项目环评地下水环境现状监测的目的含水层应为潜水和可能受煤炭开采影响的有开发利用价值的含水层。对于井田(矿田)开采区域可仅监测地下水水位，煤矿工业场地和排矸场周围应同时监测浅层地下水水质、水位。特别，对于监测水质指标选择，笔者认为应综合考虑地下水常规监测因子、国家和地方控制的污染物和建设项目的特征污染因子。

4)环境水文地质勘察与试验

环境水文地质勘探与试验的目的是为了进一步查明环境水文地质问题和获取预测评价中必要的水文地质参数，在充分收集已有相关资料和地下水环境现状调查的基础上进行的勘探与试验。因此，当区域内以往水文地质勘察成果或矿井(矿田)地质勘探报告已获取的环境水文地质资料可以满足评价要求时，可不必开展环境水文地质勘探与试验。如必须进行，可参照《导则》进行，选择适宜环境水文地质勘察手段(钻探、物探和水土化学分析以及室内外测试、试验等手段)和试验方法(抽水试验、注水试验、渗水试验、浸溶试验、土柱淋滤试验、弥散试验、流速试验(连通试验)、地下水含水层储能试验等)［12］。一般，Ⅰ类项目需要做渗透试验，看包气带的厚度和渗透系数;Ⅱ类项目需要观测目标含水层枯、平、丰三个水期的水位。

2.2.2 现状评价

现状评价包括环境质量评价和水污染状况，其中，前者根据国家标准，如《地下水环境质量标准》(GB/T14848－93)进行，判断是否符合各种目的用水标准，即地下水质量的好与坏，优与劣;后者以评价地区的污染起始值或背景值作为标准进行，判断人为污染程度。即地下水质量。评价方法包括单因子指数法、综合评分法、尼梅罗指数法、双指数法、模糊数学法及灰色关联度法等［12］。此外，还应结合评价区地下水补、径、排调查资料，对评价区存在的地下水水位状况、地面塌陷、地裂缝等环境水文地质问题给出定性或半定量的分析，方便后续影响预测［13］。

2.3 影响预测

影响预测是对建设项目在建设、生产运行和服务期满后三个阶段，对地下水水质、水位、水量动态变化的影响及由此而产生的主要环境水文地质问题的预测。

2.3.1 预测范围与时段

预测范围可与现状调查一致，由于煤矿建设项目井田(矿田)范围较大、服务年限长达几十年甚至上百年，且项目的工程设计仅对项目投产20年的工作面进行排产方案设计，因此，建议按照远粗近细的原则，重点进行运行期前20年煤炭开采影响范围的地下水环境影响预测。

2.3.2 预测因子与方法

Ⅱ类建设项目预测因子应选取水位、及与水位变化所引发的环境水文地质问题相关的因子(如水力联系、裂隙带高度变化、水资源破坏量等)。煤炭工业场地Ⅰ类二级评价除考虑矸石场外，还应考虑选煤厂;矸石场的源强就是淋溶液;选煤厂的源强重点考虑煤泥水储水池5%～10%渗漏;污染因子重点考虑重金属、有毒有害元素，具体指标选择，结合建设项目工程特征、排污种类、排污去向及周围地区环境质量概况，结合国家、行业等相关标准确定评价因子。

预测方法包括数学模型法和类比预测法。依据《导则》［13］，一级评价采用数值法;二级评价中当井田(矿田)水文地质条件件复杂时应采用数值法，当其水文地质条件较为简单，煤炭开采导水裂缝带发育高度不会直接导通潜水和具有开发利用价值的含水层时，可采用解析法。

2.5 评价与措施

结合地下水环境现状调查和地下水环境影响预测结果，对建设项目各实施阶段(建设、生产运行和服务期满后)不同排污方案及不同防渗措施下的地下水环境影响进行评价，包括地下水流场或地下水水位(水头)影响及可能出现的环境水文地质问题的类型、性质及其影响的范围、特征和程度等。根据评价结果的对比，推荐地下水环境影响最小的方案［13］。

同时，针对项目方案制定预防保护措施与对策，如地面沉降、岩溶塌陷、地面裂缝等环境水文地质问题产生的具体措施制定，地下水动态监测系统等。

3 结语

煤炭开采对地下水环境影响深远，煤炭开采的地下水环境影响评价对于保护地下水资源，维护水生态平衡，保障社会经济发展有重要的意义。《导则》的出台，改变了以往的地下水评价工作深度与重点参差不齐的局面，对煤炭行业规范地下水环境影响评价工作具有指导作用。本文分析了煤炭开采对下水环境水质、水量的影响;结合《导则》，讨论了地下水环境影响评价的相关内容，提出煤炭开采的地下水环境影响评价可按Ⅱ类项目执行，评价级别为二级及以上;必要时，可对井区(Ⅱ类)和排矸石场等(Ⅰ类)进行分区评价;选择监测、评价因子时，应综合考虑常规指标、国家和地方控制污染物指标以及煤炭行业特征污染因子;评价结果应包括地下水流场或地下水水位(水头)影响及可能出现的环境水文地质问题的类型、性质及其影响的范围、特征和程度等建议。

［1］段颖，段云海.煤矿开采对地下水环境的影响分析［J］.环境科学与管理.2007，32(8):176－178.

［2］周进生，王剑辉，党学亚.矿产开发对地下水失衡影响及其控制对策——以陕北煤炭资源开发为例［J］.中国矿业.2009，18(12):52－55.

［3］潘桂花.山西省煤炭开采区地下水资源保护对策［J］.地下水.2010，32(1):61－62.

［4］海龙，梁冰，白国良.煤矿开采条件下地下水渗流问题探讨［J］.西安石油大学(自然科学版).2007，22(1):25－28.

［5］孙博.浅谈地下水污染及其防治［J］.科技情报开发与经济.2008，18(3):122 －124.

［6］徐耀先，杨健.煤矿开采区地下水环境影响评价方法与治理研究［J］.环境科学导刊.2009，28(5):71 －74.

［7］纪万斌.塌陷灾害与防治丛书［M］.北京:地震出版社.1998.

［8］白喜庆，孙占起.煤矿开采诱发的水环境问题研究［J］.中国矿业大学学报.2002，1，21.

［9］孟凡生，王业耀.煤矿开采环境影响评价中地下水问题探析［M］.地下水.2007，1，29.

［10］张健.浅谈煤矿地下开采对地质环境的影响及灾害治理［J］.四川地质学报.2009，29(6):219－221.

［11］朱学愚，钱孝星.地下水环境影响评价的工作要点［J］.水资源保护.1998，(4):48－53.

［12］HJ610－201.环境影响评价技术导则 －地下水环境［S］.

［13］王江丽，康静文.煤炭开采项目地下水环境影响评价探讨［J］.科技情报开发与经济.2009，21(9):188－190.