榆神矿区小壕兔区采煤对地下水环境影响分析

王 桢，高 雪，高伯贤

(陕西省煤田地质局一三一队，陕西 韩城715400)

1991年范立民提出了保水采煤问题并进行了长期的系统研究，取得了一系列成果，提出了合理选择开采区域(科学规划)和选择合适的采煤方法(科学开采)实现保水采煤的两个有效途径(范立民，2005，2011)，近年来，在榆神矿区一期开采区、神北矿区开展了工程实践，取得重要进展，促进了陕北乃至我国西部地区丰富煤炭资源的科学开采。然而，榆神矿区西部地区，由于处于勘查阶段，保水采煤实践还没有展开，此时进行保水采煤技术研究，提出科学的开采方法，对于促进该区域采煤(经济发展)与保水(环境保护)的协调发展，具有重大实际意义。

榆神矿区小壕兔一号井田(以下简称"井田")，位于陕北侏罗纪煤田深部中段，井田内地下水含水层划分为7层，它们的含水性能不一，富水性不同，水质亦有差异。开展井田地下水环境影响预测与分析，提出防治对策，预防与控制环境恶化，有利于保护地下水资源，为井田的建设提供地下水环境方面的依据。

1 研究区概况

小壕兔一号井田，面积 127.918 km2。东与小保当二号井田相邻，南与小壕兔二号井田为邻，西与(小壕兔)西部勘查区相邻，北为尔林兔勘查区(见图1)。

图1 井田与勘查区关

分析区内地表被风积砂所覆盖，砂丘绵延起伏。依据地表形态，可分为砂梁、砂垄岗、砂丘链、窝状砂丘、新月型砂丘和平砂地;依据地表植被覆盖及发育特点，可分为固定砂、半固定砂和流动砂。在地势平坦的低洼地带和砂丘洼地间，分布着大小不等的海子及为数有限的人工池塘(海子)。2004～2005年小壕兔勘查区普查时，可见大小不等的海子34个、水库2座、泉点3个。与上世纪七十年代测绘的地形图相比较，原有的湖泊、海子已逐渐缩小、退化或干涸，进而被农耕地和荒草地所替代。

考虑到矿井建成投产后，对井田内地下水水质可能产生影响的范围(包含环境保护目标)作为析范围较为合理。基于这个原则，边界选定以井田范围作为地下水环境影响分析的范围，控制面积 127.918 km2。

2 地下水环境及受保护的含水层

井田内地表水有海子和池塘，水质为 HCO3·Cl-Ca·K+Na型、HCO3·SO4-Ca型 HCO3-Ca型或 HCO3-Ca·Mg型，矿化度 0.431 ～0.852 g/L，总硬度(以 CaCO3计)220.21 ～517.66 mg/L，pH 值 7.32 ～8.12，属弱碱性淡水。NH4+含量 0.32 ～1.60 mg/L，NO3-含量 1.00 mg/L，化学耗氧量 CODMn2.85～38.83 mg/L。大肠菌群未检出，菌落总数5.8×102cfu/mL，符合《地表水环境质量标准》GB3838-2002中的Ⅲ～Ⅳ类标准，表明地表海子受到了有机物污染。

井田内风成砂及萨拉乌苏组砂层水水位埋藏浅，水量大;水化学类型以 HCO3-Ca型、HCO3-Ca·Mg型为主，矿化度一般小于0.221～0.357 g/L，水质好。均符合《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)之规定。是良好的生活用水和锅炉用水。然而，该层潜水埋藏浅，易受到人类活动和生活垃圾的污染，应在保护的基础上选择利用。

白垩系下统洛河砂岩含水层厚度大，分布范围广，水位埋藏较浅，水量丰富;水化学类型为 HCO3-K+Na型或HCO3-K+Na·Ca型，矿化度 0.447g～0.408 2 g/L。水质较好，不易受到人类活动和生活垃圾的污染，是工业用水和生活用水的供水水源。

保护的含水层主要是第四系松散岩类孔隙潜水含水层、白垩系下统洛河组中等富水含水层。

3 地下水环境影响分析

根据建设项目场地的饱气带防污性能、含水层污染特征、地下水环境敏感程度、污水排放量与污水水质复杂程度等指标确定地下水环境影响分析工作等级。

井田场地包气带岩性主要为岩性主要为中砂、细砂及粉砂，局部夹亚粘土或淤泥透镜体，分布连续且稳定，防污性能弱。

据拟建井田工程地质资料，在勘探700 m深度范围内见到含水层七层，其中具有代表性的主要含水层三层。据井田水文地质资料显示，顶部的第四系松散岩类孔隙潜水含水层岩性主要中砂、细砂及粉砂，水位埋藏较浅，一般1～8 m;上部的白垩系下统洛河组(K1l)中等富水含水层承压水头埋深4～5 m;下部的侏罗系中统延安组(J2y)3-1～5-2煤弱富水含水层地下水承压水头埋深78～83 m。井田地处毛乌素砂漠区，区内正负地形高差一般不超过20 m，无地表水系、沟流和明显而集中的出水点。松散砂层透水性强，降雨多直接渗入地下，就地就近补充地下水，很少形成地表径流。三者联系不密切。因此场地含水层污染特征分级属不易。

井田及周边地区，无集中生活供水水源地，也无生活水源地以外的国家或地方政府设定的与地下水环境相关的其它保护区，如热水、矿泉水、温泉等特殊地下水资源保护区。井田地表水平，分布零散的居民供水水源井，地下岩层处于倾斜地下水的补给地区，周边地下水环境敏感程度属于较敏感等级。

井田含煤地层侏罗系中统延安组(J2y)含水层，富水性弱，含水量较低，为防止井下排水、井上生产生活污水，对环境和地下水造成影响，对地面排水场地(底及岸坡)进行全面防渗，污水零排放，污水排放强度级别为小。

成煤环境属还原环境，在煤系中伴生的黄铁矿，煤矿开采后变化为氧化环境，在有水有氧条件下，煤系中黄铁矿被氧化和分解产生酸性矿井水。酸性矿井水、煤矸石、弃渣、生活垃圾等构成的固废物，煤尘、粉尘土等，以及地表塌陷等，均会对周围的环境产生不良影响。按照污水水质，需要预测的水质指标，进行污水复杂程度分析。

4 煤矿建设对地下水环境的影响

4.1 污染源、污染物及防治措施分析

4.1.1 水污染源及污染物

煤矿在建设、生产运行过程中有弃渣、矿井水、煤矸石外排，有煤及矸石中的磷、砷、氟、氯有害物质。影响水环境的主要是矿井水、弃渣、煤及矸石中有害物质，在雨季被雨水淋滤后溶于雨水中，成为污染源。

煤矿有害物质主要指井田内煤及矸石中的磷、砷、氟、氯有害物质。据化验资料，井田内各煤层中磷(P)含量最大值为0.138%;砷(As)含量最大值为 51 ppm，氟(F)含量最大值为240 ppm，平均值79 ppm。在采矿过程中，砷、氟等可能造成环境污染(表1)。矿井生产期间所排废水若处理不当，可造成地表水及浅层地下水的污染。

表1 原煤(矸石)中有害元素含量综合成果表

4.1.2 防治措施分析

为减少或避免矿井水造成水环境污染影响，在井下用作洒水除尘，富余部分外排，项目建设排水泵站、排水渠和排水池，不随意排放。可采用人工湿地等方法对生活污水和矿井废水进行二级生化处理后用于洒水降尘、绿化及农田灌溉，井下排水宜进行必要的处理后加以利用，尽可能少量进入地下水及地表水循环水量，达到矿坑排水综合利用，避免水环境污染。污水排放应符合 GB8978-1996《污水综合排放标准》。此外，为防止渗水渗入地下对地下水产生影响，工业广场采用全场防渗。

4.1.3 煤尘、粉尘防治

当固体废弃物堆积高度达到设定标高时，部分未经覆盖的固体废弃物，在大风天气下，将产生扬尘现象，可使井田周围环境中颗粒物浓度增高。

因此，对采矿中形成的固体废弃物，对达到堆积设定标高的固体废弃物及时采用当地地表土局部覆盖，封存时应该置粘土垫层，以防止降水淋滤对地下水的污染，通过人工种植植被和定期浇水绿化，美化环境，防止遇风起尘，预防污染大气环境。

4.2 对地下水环境的影响

煤矿建设阶段和生产运营期，由于产生含有有害物质弃渣，雨季淋滤弃渣中的有害成分，通过防渗薄弱部位，进入包气带，长期入渗，对地下水造成一定得影响。服务期满后，受到降水淋滤作用，弃渣中有害成分持续浸出，对地下水水质造成长期的影响。

4.3 分析因子选择

根据各项危害成分的组成及当地地下水功能区划，确定地下水环境质量现状分析因子:监测项目包括:pH、总硬度、溶解性总固体、高锰酸盐指数、氨氮、硫酸盐、氯化物、氟化物、氰化物、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、硫化物、Hg、Cd、Cr6+、As、Pb、Ni、Ag、Mn、Fe、Cu、Zn、细菌总数、总大肠菌群共计 25 项。

5 地下水环境影响预测与分析

煤矿位于毛乌素沙漠区，区内没有地表水流。煤炭经提升设备运至工业广场堆存，煤炭含水量小于10%，不会形成地表径流。

井田浅层地下水埋深较浅，地下水位埋深在5 m以内。非正常情况下，产生的矿井水，水量小，不会引起地下水位变化。因此地下水环境影响分析主要从水质方面考虑。

井田是地下水水质的风险污染源，煤矿所排煤矸石矿中含有磷、砷、氟、氯有害物质。为预防井田有害物质矿水渗漏污染地下水水质，对矿区及农村分散式供水井造成影响，对井田渗漏进行风险预测，为风险发生后的应急预案提供依据。井田对地下水环境的影响，主要来自于煤矸石淋溶及浸出水中的污染物质随废水下渗对附近浅层地下水水质的影响。

根据煤矿水文地质条件，沙漠区砂土渗透能力强，浅层第四系松散岩类孔隙潜水地下水埋深较浅，容易受到污染。深层白垩系下统洛河组含水层，由于上伏有新近系红土隔水层的保护，很难入渗到其中。

煤矿所排煤矸石矿中含有磷、砷、氟、氯有害物质，虽然进行了严格防渗保护，但是一旦出现防渗层破损事故，含有害物质废水将渗漏进入地下水环境，可能造成一定时期一定范围内地下水环境的污染。根据实际情况，井田防渗层的破损可能发生在各个不同部位。从环境安全的角度考虑，假设污染物持续发生渗漏，预测井田下游含水层10年、20年、50年、100年污染影响范围。

井田未开采，考虑在工业化生产中，虽然含有磷、砷、氟、氯有害物质可能存在轻微超标的现象，随雨水淋溶进入地下水的可能性很小，且其对地下水的污染是随淋溶水在地下水中运移、扩撒，煤矸石内有害物质中砷、氟含量较高。将砷、氟作为预测分析对象。

水是溶质运移的载体，地下水流场是溶质运移模拟的基础，在溶质运移模拟前，需先建立模拟区地下水流场模型。建立地下水系统的概念模型，是根据建模的要求和具体的水文地质条件，对系统的主要因素和状态进行刻画，简化或忽略与系统目的无关的某些系统的要素和状态，以便于数学描述。根据水文地质条件分析，将模拟区的含水层概化为单一潜水含水层。根据地下水流场图，模拟区上边界设计为开放边界，主要接受大气降水通过上伏的松散层的入渗补给。模拟区地下水系统的概念模型可概化成非均质各向同性，空间三维结构的稳定地下水流系统。地下水流场拟合，根据区域地下水流场图，进行粗略拟合，进行模拟计算。

地下水污染模拟按极端情况考虑，煤矸石及矿井水渗水不断下渗，逐渐饱和，形成一个固定污染源强，直接进入浅层地下水中。对污染质与水体、固体介质等的化学反应(如酸碱反应、氧化还原反应、吸附、交换、挥发及生物化学反应)等可能存在的环境消减因素等不做考虑。

6 地下水环境保护措施

为了确保矿井建设的可持续发展和对自然环境的最大保护，根据井田的实际情况，从控制可能产生污染的全过程、地下水监测和地下水污染应急措施等方面提出了地下水污染防治措施。

(1)合理选择水源地与工业广场的相对位置，加强环境保护与资源循环利用。科学地选择采煤方法与工艺，尽可能地保护地下含水层的完整性。

(2)对划定的地表水水源地应留有足够的保护煤柱，以防受采空裂隙的影响而使地表水漏失，既失去了宝贵的地下水资源又给井下煤层开采带来水患灾害。

(3)针对地表水及萨拉乌苏组潜水容易受到污染的实际情况，可采用人工湿地等方法对生活污水和矿井废水进行二级生化处理后用于洒水降尘、绿化及农田灌溉，未来井下排水宜进行必要的处理后加以利用，尽可能少量进入地下水及地表水循环水量，达到矿坑排水综合利用，避免水环境污染。污水排放应符合GB8978-1996《污水综合排放标准》。

(4)对未来采矿中形成的固体废弃物，应选择合理场地封闭存放，封存时应该置粘土垫层，以防止降水淋滤对地下水的污染，并覆土种草，防止遇风起尘。

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