煤矿开采对水环境的影响及水资源保护对策

周 瑞

（山西省霍州煤电集团 辛置煤矿，山西 霍州 031412）

随着现代化高产高效大型矿井的建设，矿区的生态环境问题也日益凸显。煤炭资源的开采破坏了地下水循环系统，同时污染了地表水，使得大部分矿区面临着水害威胁、水资源紧缺和生态环境恶化等问题，严重影响了人们的生产生活和生态平衡［1］。因此，应对矿区水资源合理处理利用，加强水资源的保护，尤其对干旱缺水的西部矿区，水资源的保护更为迫切。

1 煤矿开采对矿区水资源的影响

1.1 煤矿开采对地表水的影响

虽然地表水系径流量减少的影响因素较多，但近年来煤炭资源的高产高效大规模开采无疑是其主要因素之一。在煤炭大规模开采前，矿区周边的河流常年有水，而大规模开采后，大部分河流变成了季节性的河段，仅有部分能接收到大量矿井水的河段才能出现常年水流。地表水系流动的变化直观反映了煤矿开采对地表水资源的影响。

煤炭资源的开采，使上覆含水层遭到破坏，水资源进入采空区，而由于生产排水需要，采空区的水又迅速排出矿井，使得地下水调储不均衡，破坏了水资源的空间分布。随着煤层开采范围的不断扩大，采空区面积也逐渐增大，必然导致地表大面积沉陷，出现裂缝，破坏了地表水土保持条件，使得水土流失加重。另外，由于煤矿开采和矿井排水疏干，地表水系径流大幅度减少，河流的稀释自净作用也将大幅度减弱，地表水环境逐渐变差。

煤矿开采过程中，还会使矿区水资源的水质遭到破坏。虽然矿井水资源的水质与矿区地下水的水质基本一致，但矿井水带有明显的煤炭行业特点，水中含有大量的煤粉、悬浮物以及微生物等，且大多数的矿井废水的悬浮物含量高于地表水，有的还含有SS、化学耗氧量(COD)等物质。如果矿井废水不处理就排到矿区水环境中，会造成地表水资源的污染、环境恶化等严重的环境生态问题。

1.2 煤矿开采对地下水的影响

在自然条件下，地下水资源处于补给、径流、储水、排泄等的循环过程中。煤炭资源开采前，一个地下水循环系统单元中，地质环境条件不变时，径流和储水条件也不发生变化，整个水资源以补给量控制排泄量的过程进行循环。而煤矿开采过程中，由于矿井排水疏干及采空区垮落沉陷，改变了周围含水岩层水资源的补给、径流、排泄方式，导致矿区地下水循环系统发生了变化。

（1）开采对地下水资源运动状态的影响

煤层开采形成的井筒、巷道及垮落采空区相互贯通，穿越了地下含水层和隔水层，沟通了地下含水层和松散岩系含水层间的水力联系，改变了地下水系运动状态。随着工作面的推进，采空区顶板垮落，上覆岩层出现裂隙带，且不断向高处发展，甚至有的裂隙直接与地表贯通，在地面形成裂缝，为地下含水层中水的加速渗漏提供了通道。煤层开采前地下水埋藏较浅且以横向流动为主，受地下储水的调节作用，流动缓慢，从水资源的补给到排泄过程较长，有利于地表的保水。煤层开采后，由于矿井水不断疏干，地下水资源储水量减少，埋藏深度加大，浸润线比降不断加大，地下水流动加快，且其流动由横向逐渐改为垂向流动，受采动裂隙的影响，地表水向地下水转变加快，不利于地表的保水。

（2）开采对地下水资源循环方式的影响

在煤炭资源开采前，地下水资源的补给主要是大气降水，雨水以天然裂隙为通道由高到低径流的方式补给地下水。煤炭开采后，采空区沉陷形成了大量裂隙，为煤系地层及上覆含水层裂隙水涌入矿井提供了条件，同时为地表水进入矿井提供了通道。由于地表沉陷及裂隙的存在，使地表水大量流向矿井，破坏了原有条件下的大气降水、地表水及地下水之间的循环状态。地表水、基流及潜流水中的一部分或全部流入矿井转化为矿井水，地下水由自然状态下的基流和潜流排泄转变为以矿井废水的方式排泄。而地下水资源的补给和排泄条件变化，加快了原有条件的水循环，使地下水资源迅速转化为地表水，地表水又快速疏干。在煤矿开采的影响下，地下水循环方式发生了变化，导致地表生态破坏，矿区水资源短缺。

（3）开采对地下水资源水质的影响

煤层开采打破了原有地层的力学平衡，使上覆岩层产生垮落带、裂隙带和弯曲下沉带。上覆岩层的破坏，使地下水水位下降，改变了水资源的循环方式，而且还加快了水质的循环过程，使“水、岩”的作用环境发生了变化。矿井水的大量排出加快了地表水的渗漏及地下含水层水的径流，部分排出的矿井水又通过裂隙补给地下水，破坏了水循环过程中的水化学平衡。经过原有“水、岩”循环的地下水资源矿化度适中，满足人们的生活用水要求，有利于生态环境的平衡。而煤矿开采加速了水的循环，也加快了水在岩层中的离子交换，提高了水资源的矿化度，导致矿区地下水资源水质的恶化。

2 矿区水资源保护对策

通过对我国目前矿区水资源受煤炭资源的影响分析，揭示了煤矿开采对矿区水资源的地表水的流失、污染和地下水循环方式、运动状态、水质净化能力的变化。针对矿区水环境所处的状态，我国专家学者一直都在努力改善，就当前及不断探索发展的矿区水资源的利用和保护措施可以分为以下几个方面。

2.1 “煤-水”双资源型煤矿开采技术

为实现煤炭资源安全绿色开采、矿区水资源供给、生态环境环保之间的协调发展，我国学者提出了 “煤-水”双资源型矿井开采技术，其主要是以矿井开采煤层的具体充水水文地质条件为基础，选取适合的开采方法和参数工艺优化相结合，矿井下洁、污水分流分排等“煤-水”双资源型内涵的开采技术［2］。

在地下煤炭资源开采中，以“煤-水”双资源型矿井开采为理念，将地下水也视为资源，采用合适的开采技术方法对矿井水资源化利用，使地下水消除水害属性，表现出资源属性。针对不同地质条件的矿井，采用不同的模式进行开采。

① 对于可疏性的矿井，适合采用矿井排水、供水、生态环保“三位一体”优化结合模式，其主要工艺技术为矿井疏排水，再经过分级矿井废水资源化处理，最后作为矿区供水水源应用于矿区用水。该模式在保证地下水压降到安全开采条件的同时，为矿区提供了一定的水量，还不影响水环境的质量；

② 对于可疏性差的矿井，适合使用地下水控制、利用、生态环保“三位一体”优化结合模式，其主要是最大限度控制补给地下水水源、减少矿井涌水量，并对有限的矿井水分质资源化处理后加以利用。该模式对矿井水有效控制和利用，避免了地下水位下降及水资源的浪费；

③ 对于适宜回灌的矿井,适合采用矿井水控制、处理、利用、回灌、生态环保的“五位一体”优化结合模式，其实质是在矿井地下水控制、利用、生态环保“三位一体”模式基础上，将分质资源化处理后剩余的矿井水回灌到具有一定厚度和透水性的不影响煤层安全开采的含水层，有效减小了地下水水位下降。在对矿井水文地质条件充分调查的基础上，制定合适的“煤-水”双资源型矿井开采模式，实现矿井水资源的有效利用，不仅保护了矿区水环境，同时实现了煤炭资源绿色开采。

2.2 煤矿地下水库技术

随着高产高效矿井的建设，虽然采用充填和限高开采方法能有效保护矿区水环境，但降低了开采效率和采出率，难以大规模推广实施。而在地面建设储水设施，需要大面积的土地，还面临水资源的蒸发和污染的技术难题。由此，神华集团抛开传统的建设理念，进行了采空区储水的探索，逐步构建了煤矿地下水库技术体系，其关键技术主要有水源预测、水库选址、库容设计、坝体构筑、安全监控和水质控制等6个方面［3］。

煤矿地下水库建设技术涉及到采矿、地质、水利和环境工程等多个学科，是一项学科交叉的复杂系统工程。该技术通过神华集团的一些矿区进行了工业实验。实践表明，煤矿地下水库的建设充分利用了煤炭开采的地下空间，并利用天然条件储存和净化矿井水，形成了矿区安全、低成本、规模化的储水技术，为煤炭开采水资源保护利用开辟了新的途径，也为其他矿区地下水资源保护利用提供了有效技术支撑。该技术目前已在神东矿区全面展开，并将在西部其他矿区推广应用。虽然一些矿区进行了应用，但当前该技术还面临着较多难题，如水资源的预测、地下水库的选址及规划、坝体设计、煤炭开采的采动“三场”（应力场、裂隙场和渗流场）关系及演化机理、防渗措施、矿井水资源化处理等基础和应用难题，在未来还应加强对煤矿地下水库建设过程中的技术难题进行科学细致的研究，为煤炭资源绿色开采、水资源的保护提供理论支撑。

2.3 保水采煤技术

由于煤层开采造成围岩破坏，裂隙发育，破坏含水层底板结构，使对水循环及储水起重要作用的含水层丧失功能，破坏了地下水系的平衡。为保护水资源及水环境，保水开采技术应运而生，其主要是抑制岩层导水裂隙带的发育高度，确保隔水岩层的稳定，保护具有供水意义和生态价值的强富水性地下含水层结构完整，使整个矿区地下水系稳定，实现矿区采煤保水的目的［4］。

保水采煤技术是基于岩层控制理论，控制导水裂隙带发育高度的采煤技术，而其采煤技术，主要是通过调整采煤高度和工作面尺寸实现岩层控制，减小导水裂隙带发育高度和底板岩层破坏深度。根据目前的开采方法，能实现保水采煤的方法有：限厚开采、条带开采、充填开采和局部充填开采等。虽然有多种开采方法能满足保水开采的要求，但保水采煤技术也面临着众多的难题，如充填开采需要研发低成本，易输送的充填材料和工艺，实现低成本、高采出率的充填保水开采技术；针对浅埋煤层岩层控制保证含水层结构稳定虽然取得了重要进展，仍有许多难题需要攻关;对于煤层埋深较大的矿区，由于开采岩层沉陷引起的潜水位埋深变浅引发的生态环境问题，也是保水采煤急需解决的难题。因此，应继续深入研究保水采煤技术方法。

3 结语

煤矿开采引起矿区水资源环境恶化，导致矿区面临缺水和生态环境问题。通过分析煤矿开采对地表水、地下水资源的影响因素，探讨了目前具有代表性的“煤-水”双资源型煤矿开采技术、煤矿地下水库技术、保水采煤技术三种矿区保水技术措施，并分析了其面临的技术难题。矿区水资源保护技术的发展，提高了矿区水资源利用效率，加强了水环境保护。