煤矿开采对区域地下水水质影响特征研究

刘祥凯

（山西煤炭环境监测中心站，山西 太原 030006）

引 言

山西煤炭资源查明储量2 664亿t，居全国第2位，占全国资源储量的22.6%。山西含煤面积6.5万km2，占其国土面积的40%。山西省是全国的煤炭输出大省，在促进全省经济快速发展的同时也给环境带来诸多问题，特别是对地下水水质水量造成了破坏。目前，山西省水环境质量处于全国较低水平，这与大量煤炭开采活动有着莫大关系。因此，煤炭行业污染物排放特征的研究对我省地下水质水平的提升尤为重要。

煤炭开采对地下水水质污染影响为，Ⅰ类区污废水的产生与排放下渗进入地下水造成污染。本项目Ⅰ类区包括煤矿工业场地和矸石场。据分析，本项目主工业场地正常情况下生活污水和矿井水经处理后全部回用，不外排；矸石场堆矸后，由于场地积存水对矸石的浸泡下渗，可能对地下水造成污染影响。

1 水文地质试验

为测试煤矿工业场地和矸石沟包气带的渗透系数，在工业场地做一组渗水试验，矸石沟做一组渗水试验。进行渗水试验的地层主要为第四系素填土和二叠系上统上石盒子组砂土。渗水试验参数计算成果见表1。

表1 渗水试验结果一览表

1.1 工业场地污染源分析

1.1.1 工业场地污染因子分析

工业场地污水主要来自于矿井水和生活污水，处理后的生活污水和矿井水全部回用。正常情况下，来自工业场地的污水经过处理不会对地下水水质造成污染。但在事故状态下或者处理过程中，由于跑、冒、滴、漏的原因有部分漏失到地下，可能会对局部浅层地下水造成一定的污染。

本次预测分析主要考虑在非正常工况下，工业场地生活污水和矿井水处理站在事故状态下污水泄漏对浅水层地下水的影响。工业场地污废水主要来自以下2个方面：1）矿井水处理站的矿井水污染因子为石油类；2）生活污水处理站的生活污水污染因子为NH3-N和石油类。工业场地污水的污染因子产生量和质量浓度见第93页表2。

表2 工业场地污水的污染因子产生量和质量浓度

1.1.2 工业场地污染源源强分析

工业场地污水包括矿井水和生活污水。本次关于源强的计算过程不考虑吸附作用和化学反应等因素，源强参数是基于先前研究的测试数据。矿井水主要污染物是石油类，初始质量浓度为0.07mg/L，矿井水产生量为424.55m3/d。假设调节池面积的10%发生泄露，则矿井水石油类的泄漏量为2.97g/d。生活污水的主要污染物是NH3-N、石油类，初始质量浓度NH3-N为20mg/L、石油类为0.25mg/L，产生量为87.33m3/d。假设调节池面积的10%发生泄露，则生活污水NH3-N的泄漏量为108.29g/d，石油类的泄漏量为2.18g/d。

1.2 矸石场污染源分析

1.2.1 矸石场概况

矸石场位于工业场地西南约100m处，土地类型为荒沟，该沟长约500m、宽20m～25m、深约10m，容积约10万m3，可存放矸石9万t，预计服务年限约3年。矸石堆置时，必须严格按照《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》的要求进行。矸石场露出的地层为风化程度较高的二叠系及石炭系砂岩，易接受大气降水的补给。矸石沟为山间荒沟，呈东南-西北走向，地形东南高、西北低，两侧为山坡。沟中局部有浅层第四系黄土覆盖，下面为二叠系石盒子组及石炭系太原组砂质泥岩，厚度约为50m，水位埋深较大。

1.2.2 矸石淋溶浸液试验分析

为分析矿井煤矸石对地下水环境的影响，根据矿井煤矸石淋溶试验结果对本矿矸石进行分析，检验结果见表3。

表3 煤层矸石淋溶浸液试验结果

由表3可知，矸石属于《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》（GB18599-2001）中规定的第Ⅰ类——一般工业固体废物，可送入所选矸石场中堆放。

1.2.3 矸石场污染源分析

矸石场在无降水的情况下，不会产生重力水对地下水渗入补给。但在持续降水条件下，雨水入渗将使煤矸石的含水量超过持水度，形成重力水，产生一定量的淋溶灰水，通过矸石场底层渗入地下，造成对区域地下水的污染。据有关部门测试，矸石场虽经过碾压，但仍具有一定的孔隙。因此，在降水条件下，矸石场将接受一定量的降水入渗量，当其持水度超过最大持水度之后，则形成重力水（即，浸溶灰水），并向下运移补给地下水。平均降水入渗水量可达到1 938m3/a，长时间的浸溶后形成矸石淋溶水，在重力作用下越流下渗到地下水体。

2 结果与讨论

2.1 工业场地污水对区域地下水水质的影响

2.1.1 工业场地溶质迁移解析

工业场地中的矿井水处理站和生活污水处理站污水泄漏视为连续注入，忽略吸附作用和化学反应等因素，采用一维稳定流二维水动力弥散—平面连续点源公式预测。本次预测了非正常工况下，矿井水处理站和生活污水处理站泄露整个矿井服务年限16.5a后，污染物进入潜水层地下水后的迁移情况。矿井水中的石油类污染物在特定迁移距离处的预测结果见第94页表4，生活污水中的氨氮和石油类污染物在特定迁移距离处的预测结果见表5和表6。

表4 矿井水泄漏16.5 a石油类在特定迁移距离处的质量浓度 mg/L

表5 生活污水泄漏16.5 a氨氮迁移距离及浓度 mg/L

表6 生活污水泄漏16.5 a石油类迁移距离及浓度 mg/L

2.1.2 预测结果评价

根据计算结果，工业场地非正常工况下矿井水处理站、生活污水处理站污水发生泄露，煤矿服务年限16.5a后，矿井污水中的污染物沿浅水层地下水水流方向向下游的最大迁移距离为600m，往上游弥散最大距离为450m，往左侧弥散最大距离为300m，往右侧弥散最大距离为300m。生活污水中的污染物向下游的最大迁移距离为700m，往上游弥散最大距离为550m，往左侧弥散最大距离为350m，往右侧弥散最大距离为350m。

由此可见，如果工业场地矿井水处理站、生活污水处理站污水发生泄露，却未及时采取相应有效的补救措施，服务期16.5a后，污染物往下游迁移到不了下游的王家疙塔村，对下游村镇的影响较小。

2.2 矸石场对地下水水质的影响

2.2.1 矸石场溶质迁移解析

矸石场矸石淋溶水视为瞬时注入，忽略吸附作用和化学反应等因素，采用一维稳定流二维水动力弥散—平面瞬时点源公式预测。根据降雨入渗淋溶水计算，其量为1 938m3/a。根据煤矿煤矸石淋溶试验，淋溶液中Hg离子远超过地下水3类标准，其值为0.005 7mg/L，则汞的产生量为0.011kg/a。

本次预测了矸石淋溶水进入浅水层地下水后运移矸石场服务年限5a后的情况。计算结果见表7。

表7 矸石场矸石淋溶水中Hg 5 a在特定迁移距离处的质量浓度 mg/L

2.2.2 预测评价

计算结果表明，矸石淋溶水中Hg沿浅水层地下水水流方向向下游的最大迁移距离为700m，往上游弥散最大距离为40m，往左侧弥散最大距离为100m，往右侧弥散最大距离为100m。由此可见，污染物往下游迁移到不了下游的村庄水井，对下游村镇的影响较小。

3 结论

本研究选择典型煤矿为对象，系统分析了各排放源排放水污染物对区域地下水水质的影响。矿井水排放的石油类预测最大质量浓度为0.689 6mg/L；生活污水处理站排放的生活污水的主要污染物是NH3-N、石油类，预测最大质量浓度 NH3-N为25.144 7mg/L、石油类为0.506 2mg/L；矸石淋溶液的Hg的最大排放质量浓度为0.000 8mg/L。

［1］ 环境保护部.环境影响评价技术导则·地下水环境：HJ610-2011［S］.北京：中国科学出版社，2011.