中国西南煤炭资源开发及水资源水环境相关问题研究

胡君春，郭纯青

(1.云南省煤炭地质勘查院，云南 昆明 650218;2.桂林理工大学 资源科学与工程学院，广西 桂林 541004)

中国西南四省(贵州、云南、四川和西藏)查明煤炭资源量达888.11亿 t，预测煤炭资源量达 2 646.65亿 t，探采面积达 57 571.16 km2，占中国煤炭资源量的 5.82%(表 1)［1］;较中国北方地区为稀少，在中国西南地区至关重要，尤其西部大开发的进程中，煤炭资源能源效应举足轻重。当煤炭资源取得巨大经济效益时，煤矿区水资源水环境问题也日趋严峻，并制约区域经济社会的可持续发展。西南四省煤炭资源的蕴藏经济巨大，未来将长期探、采，对水资源水环境影响与破坏严重。本文根据四省水资源匮乏和水环境恶化的特征，分析研究过去煤炭资源开采对水资源水环境的影响特征，为煤矿区水资源开发、水环境保护和水生态恢复重建提供参考，尤其为亟待开发的煤矿区水资源规划、水环境保护、数字煤矿和绿色矿山建设等提供技术支撑。

中国西南四省地处边陲，其共有的特征为:(1)地貌类型复杂多样、地形起伏大、地形坡度大;(2)河网和岩溶发育;(3)土地资源匮乏、土壤覆盖薄、耕地零星分散;(4)降水充沛、水土侵蚀和流失严重;(5)交通网欠发达、经济条件相对落后等区域分异明显。水资源、水生态环境与地质环境呈现脆弱性、多变性与复杂性，加之煤炭资源大规模探采的剧烈工程活动诱发地质环境问题多，演化为多灾种群发、突发和渐变的复式地质灾害。这些问题是西南四省煤炭资源开发不可回避的问题，不能走较发达地区的重复路线，是未来煤炭资源开发必须关注和解决的水资源水环境问题。

1 煤炭资源开发利用不同阶段水资源与水环境破坏程度对比

煤矿床是一种沉积矿床、矿产储量、开采规模、开采强度及产量均居中国各种矿床首位。开采深度和开采面积越大，矿床水文地质条件具有许多特殊性和复杂性［2］。中国西南四省在未来探采深度和面积加大，在采前、采中和采后的不同阶段中均对矿区水资源、水环境和矿山环境地质有不同程度的影响(表2)。采前为探明煤炭资源储量，密集的钻孔揭露或贯穿不同含、隔水层，对水资源水环境影响的主要原因为封孔不良的钻孔，沟通不同含水层的水体，并加强不同水体之间的水力联系;钻孔冲洗液的排放污染地表、地下水体，其影响程度低。采中为煤炭采掘过程，煤炭巷道、竖井等设施揭露、沟通不同地层，尤其煤系地层中的水，含氟、硫、磷和砷等有害元素，在不同水体之间产生水力联系的同时，煤矿区整个地下水系统遭受不同程度的污染，随开采面积扩大和开采深度的逐渐加深，则污染进一步加剧。采后为煤炭资源开发利用过程中所诱发的各类灾害的集中体现。地下水系统和地下含水系统的污染、水环境的破坏和矿山地质环境的破坏呈梯次出现，并受时间、空间的限制，具有潜伏性、危害性、突发性、群发性和渐变性等特征。

表1 中国西南煤炭资源统计［1］

表2 煤炭资源开发利用各阶段对比

2 煤炭资源开采条件下水资源水环境影响趋势

煤炭开采需强排地下水，对煤矿区地下水的补给、径流、排泄加于干扰和控制，同时加速地下水循环速度和缩短地下水循环周期，强烈控制煤矿区地下水流动系统和地下水含水系统，打破地下水天然径流场模式。煤系地层中赋水含氟、硫、磷和砷等有害元素，呈酸性特征。煤矿井长期大量排水、老窑积水、固体废弃物长期淋漓和浸泡过程中的有害元素长期参与地下水的补给、径流和排泄等水文循环的每个过程。随着时间和空间上推移，大量煤矿排水和老窑积水进入煤矿区地下水流动系统和地下水含水系统中，渗入不同含水层，造成地下水污染，致使有限的地下淡水资源造污染。其污染程度受开采面积、开采深度和开采强度控制，加大恢复治理难度，增高治理费用，加剧各类供水矛盾，致使煤矿区下游流域的水生态、水安全、水管理和水权均受到不同程度的破坏。

煤矿排水呈酸性，含氟、硫、磷和砷等有害元素;老窑积水呈酸性，富含大量有害元素和悬浮废弃物质;大量尾矿、煤矸石和其其它固体废弃物在长期淋漓和浸泡过程中富含有害元素。上述三类水体在煤炭资源开采过程中渗入不同含水层，流入矿区不同的地表水体，与煤矿区不同水体参与水文循环，进入地表水系和地下水系统，污染地表水系统和地下水系统，对煤矿水环境造成不同程度的破坏。

煤矿区长期呈现:一边是水资源匮乏、水土侵蚀流失;一边是煤矿长期集中强排地下水和矿坑突水，水“利”和水“害”共存。如何实现“水－煤”共采，合理交叉开发、集成集中开采利用是21世纪面临的焦点问题?如何达到防治煤矿涌水和水环境保护?如何将排水变为水资源，做到以采煤为中心，水资源和煤炭资源共采，注重水利水害，边采边测边规划。如何充分认识到煤是战略性基础性资源，水资源也是战略性基础性资源?这些问题日益突出，是西部煤炭资源在将来大规模开采过程中不可不解决的问题。

3 煤炭资源开采条件下地下水的运动特征

煤炭资源开采需要划分区块，以煤田、矿区、矿井(井田)为单元，每天个单元的组合形成煤炭基地。其煤炭基地面积大(0.2～500 km2)，甚至上千平方公里。不同煤炭基地的矿井单位在连续开采过程中，形成煤炭基地区域内地下水不同补给、径流和排泄模式，多形成以矿井为地下水降落漏斗中心，致使煤炭基地内地下水降落漏斗数与矿井数相同。随开采面积扩大、开采煤层数增加、开采深度加深和开采厚度控制，加之自然因素。各矿井的地下水流动系统和地下水含水系统变异，以地下水的“源”、“流”、“场”、“蓄”、“排”均发生突变或变异(表3和图1)为特性，随开采规模扩大与开采年限加长，最终导致煤炭基地地下水流场变异，并扩大至一个水文地质单元或几个水文地质单元，形成受人工控制地下水流场和巨大地下水降落漏斗的特征。

煤田区群矿采煤在开发利用煤炭资源的不同阶段地下水流特征不同(图1)。在采前阶段，煤田区地下水补给、径流和排泄属于天然水文循环状态;在采中阶段，煤田区不同矿井同时开采，随时间的推移、开采深度加深、开采面积逐年扩大、矿井数的增加，形成以矿井中心为地下水降落漏斗中心的地下水径流模式，并逐渐演化为以矿区为地下水降落漏斗中心的地下水径流模式，即煤田区地下水降落漏斗数与煤田区矿井数相当;在采后阶段，煤炭区所有煤层采空，则形成以煤层埋深最大的点为地下水降落漏斗中心的汇流模式，整个煤炭区形成一个巨大的地下水降落漏斗，煤田区小型水文地质单元即将被疏干，煤田区水文地质单元结构被彻底改变。

煤田区采空煤层后:地下水流方向改为向煤层埋深最深的地方汇流;因形成巨大的地下水降落漏斗，地下水水力坡度陡增，径流强度加大;径流条件和径流量也随之改变。含水系统中水头重新分布，形成心的径流系统，采前的补给区和排泄区相互易位(图1)。

4 煤炭资源开采过程中对“四圈”破坏或重组及水资源水环境的影响

煤炭资源开采属剧烈人类工程活动，尤其煤田区群矿采煤对煤田区岩石圈、生物圈、大气圈和水圈(简称“四圈”)的影响和破坏严重(图2)，也对“四圈”进行人为重组，对水资源与水环境的承载体和传输介质进行干扰和破坏。首先煤矿区煤系地层遭受采空或破坏，致使岩石力学性质变化和应力场不稳定，接着岩石裂隙数增加和缝宽扩大;地下含水系统和地下水流动系统发生变异(图1)，致使浅层地下水被疏干，地表植被水份不足而枯萎，地表向荒漠方向发展;煤田区煤层自燃，测定在自燃区附近地空(离地面高1.6 m)有害气体超标70多倍［3］，煤矸石山长期露天堆放，会发生氧化、风化和自燃，产生大量的杨尘和有毒气体，对矿区大气造成严重污染［4］，即对大气圈的破坏严重;废弃矿山所诱发区域性大面积地下水、地表水于严重污染;矿区低洼处遭污水淹没或沼泽化;灾害的影响面积达，隐蔽性强，潜伏期长等［5］，水圈遭受破坏与重组。因此，煤炭资源开采对煤田区岩石圈、生物圈、大气圈和水圈破坏和影响深远，其诱发一连串的各类灾害，次生灾害频发，随时间的推移，不同灾害频发，并长期不断的累积、持续性强，具有群发性和潜伏性。

煤炭资源开发利用对煤矿区“四圈”进行干扰、破坏和重组，尤其煤系水、煤矸石淋漓(或浸泡)水与不同岩体、不同水体和不同土体之间将发生化学的(沉淀、水化、溶解、脱硫酸等)、物理的(岩土体压实、岩土摩擦力降低等)及动力的(水分、盐分与能量的传输与交换)相互作用，而这些作用随煤开采深度加深、面积加大和时间推移逐渐恶化，并加剧，煤矿区水资源和水环境将恶性循环。

图1 煤田区群矿采煤条件下水文循环示意图

表3 煤炭资源开采不同阶段的地下水流的特征

图2 煤炭资源开采对“四圈”的破坏与重组循环图

5 结语

煤矿床是一种沉积矿床、矿产储量、开采规模、开采强度及产量均各种矿床首位，随开采面积逐年扩大、开采深度逐年加深、开采强度和开采速度加大，其诱发的地质灾害类型多，并演化为多灾种复合频发，其破坏强度加大。尤其在上万平方公里的煤田区，呈现多层采空区，水文地质结构遭不同程度的破坏和重组，地下水流动系统和地下水含水系统在区域上发生变异，对煤矿区及周边地区水资源和水环境影响深远，水资源水环境问题严峻，煤田区含水层疏干和含水层修复，是未来地下水环境修复的重要领域。

(1)中国西南尚未开发的煤炭资源量大，地形地质条件复杂多样，生态环境与地质环境脆弱，应总结已闭坑煤矿经验，重新审视煤炭开采所诱发的一系列水资源水环境问题，认识到煤是资源、水是资源、气(煤层气)也是资源，在水、煤与气(煤层气)等资源互耗基础上，提出水、煤和气(煤层气)三种基础战略性资源同步利用的理念，合理开发利用水资源，遏制水环境恶化是今后西南地区经济发展亟待解决的问题。

(2)中国西南煤炭资源在未来大开发中应做到采前勘察详细、预测准确和规划保护合理，准确定位水资源水环境问题的可防性、可控性、可治性;采中治理和防治措施(或方案)到位;采后做到水资源效益、水环境效益、经济效益和社会效益可观。

(3)煤炭开采对煤田区的“四圈”进行大规模、长期持续的干扰、破坏与重组，严重破坏人居环境，人地关系在煤炭采掘中逐渐恶化，对子孙后代造成重大灾难。长期、高强度、大面积开采地下煤炭资源，直接或间接诱发的水资源水环境问题愈演愈烈。开采所带来的一系列问题也在中国各种矿床的前列，政府应加大对水文地质的工作力度，建立健全煤矿水资源合理开发和水环境保护的示范性区，探索煤炭资源采前、采中和采后不同阶段的影响，尤其是采后长期监测、恢复治理和保护的方案及其效果，为即将采煤矿区提供技术支撑。

(4)煤炭资源开采致使煤矿矿井水污染的地表水灌溉入渗中发生可溶盐作用、离子交换作用和水岩作用等［6］、煤矸石周围土壤中微量元素的含量远远高于土壤背景值［7］，含水层被污染，也是未来煤田区含水层修复和地下水环境修复的重要领域。

(5)煤炭资源巨大的经济效益促使煤炭探采相关工作的不重视，尤其水文地质、工程地质 和环境地质工作。甚至在采前阶段无相关技术员的条件下进行探煤，在开采过程中对水资源水环境也没有足够重视，增加煤矿矿山地质环境保护和恢复治理工作难度。尤其采煤过程中诱发的系列灾害具有潜伏性、长期性、突发性、群发性和次生灾害多等特征，而这些特征多数在闭坑后长期潜伏，其政府追究责任困难。为缓解人地关系，营造良好的人居环境，应在煤炭资源开采的各个环节增强水文地质、工程地质和环境地质的工作深度，实现水资源开发和水环境保护的科学化、定量化和规范化。

［1］王永，王佟，康高峰等.中国可供性煤炭资源潜力分析［J］.中国地质.2008，36(4):845 －852.

［2］中国煤田地质总局.中国煤田水文地质学［M］.煤炭工业出版社.北京:2000:10.

［3］谭永杰.中国煤田自燃灾害及其防治对策［J］.煤田地质与勘探.2000，28(6):8 －10.

［4］姜军，程建光.煤矿矿区生态恢复与可持续发展［J］.煤田地质与勘探.2001，29(4):7 －9.

［5］虎维岳，李忠明，王成绪.废弃矿山引起的环境地质灾害［J］.煤田地质与勘探.2002，30(4):33 －35.

［6］吴耀国，沈照理，钟佐燊等.矿井水污染的地表水灌溉入渗过程中的水岩作用［J］.煤田地质与勘探.2004，32(3):38 －40.

［7］徐磊，张华，桑树勋.煤矸石中微量元素的地球化学行为［J］.煤田地质与勘探.2002，30(4):1 －2.