煤矿开采对柳林泉域水环境影响评价

安瑞瑞

（山西黄河环境与资源经济研究院 山西太原 030006）

1 概况

1.1 泉域概况

柳林泉是吕梁市最大的岩溶泉，泉域总面积为6 281 km2。泉源集中出露于三川河下游柳林县城以东的寨东至上青龙一带的河谷两岸及河床中，由大小百十个泉点组成，呈散泉出露。泉源出露区东西长约2.4 km，南北宽约0.8 km，分布面积约2 km2。泉水出露标高794～803 m，单泉大者流量50～100 L/s，小者呈线流。从1990年开始，由于泉域打深井开采利用岩溶地下水及其它因素，泉水流量减少，水位下降，泉域内打井取水利用量0.20～0.43 m3/s，泉口实测流量平均2.18 m3/s（1990—2000年），至2011年泉源区面积缩小为约1.3 km2，利用量为1.26 m3/s，泉口实测流量减少至1.0 m3/s，2016年泉口实测流量为0.58 m3/s[1]。出露带位于柳林单斜构造东部奥陶系与石炭系地层接触带，属溢流全排型泉水。

1.2 煤矿概况

山西离柳焦煤集团有限公司朱家店煤矿位于柳林泉域，但不在泉域重点保护区内[2]。其中，北距李家湾乡下白霜村至穆村镇康家沟村的三川河河谷一级保护区最近距离13.57 km，距柳林县李家湾三川河河谷段二级保护区最近距离约7.14 km；南距中阳县陈家湾水库至县城南川河河谷段二级保护区最近距离约5.71 km。矿井所有用地均为荒坡地，符合当前土地利用总体规划。项目岩溶深井取水量为189.77 m3/d（6.93万m3/a，按365 天计），该取水量属柳林泉域现状实际开采量的一部分，不增加新的取水指标，不会对区域水环境产生明显影响，也不会对区域岩溶地下水资源及其配置方案产生明显影响。根据矿坑涌水量分析，正常开采条件下本矿生产能力达到120 万t/a 时，6、9、10 号煤层矿井正常涌水量为933 m3/d（34.1 万m3/a，按365 天计）。煤矿的年矿坑涌水可利用量能够满足项目的生产取水需求，符合当地水资源优化配置的要求，不会对区域水环境产生明显影响。

2 煤矿开采对柳林泉域水环境影响分析

2.1 煤矿开采对地表水的影响分析

朱家店煤矿地处黄土高原东部边缘，属吕梁山系中、低山区，区内地形复杂，井田地势东高西低，相对高差为287.15 m。开采后造成的地表沉陷仅几米，与原有的地表自然起伏相比对地貌影响甚小，不会像平原地区那样形成大面积明显的下沉盆地，地表不会形成积水区。井田内无常年性水流，北部和南部分别有车道沟和苏家沟两条季节性冲沟由东向西汇入南川河。车道沟，沟谷长约2.3 km，纵坡降约20.30%，流域面积约5.8 km2，相对高差160 m。苏家沟，沟谷长约4.0 km，纵坡降约11.5%，流域面积约7.7 km2，相对高差110 m。根据预测结果，地表下沉最大可达10 m，相对于110 m 的高差而言非常小，不会改变小土河和南川河的汇水功能。南川河由东南-西北向流经井田西部边缘，在井田西南角有长约1 km 的河段位于井田内，孝柳铁路沿南川河边缘在井田西部边缘穿过，井田附近南川河河段基本位于孝柳铁路外侧，由于设计对孝柳铁路留设了180 m 以上的保护煤柱，因此位于孝柳铁路外侧的南川河在保护煤柱范围内，不会受到开采沉陷的影响。

2.2 煤矿开采对地下水的影响分析

2.2.1 对煤系地层上覆含水层的影响

4 号煤层开采后，冒落带高度介于2.20～10.06 m之间，导水裂隙带高度介于10.0～40.79 m 之间。从面上来说，其顶点至二叠系上、下石盒子组砂岩含水层垂直距离平均为30.85 m，防水煤岩柱顶点至含水层垂直距离为12.8 m，未导通该含水层。从点上来说，4 号煤层开采所形成的导水裂缝带距二叠系上、下盒子组地层最近为10.86 m。因此，4 号煤层开采所形成的导水裂缝带未导通该含水层。在井田个别断层处，使二叠系上、下石盒子组含水层通过破损处与导水裂缝带发生水力联系，进而间接地对含水层造成一定的影响，但从全井田来看，这种影响仅局限在个别断层处，区域较小。

2.2.2 对煤系地层含水层的影响

煤系地层含水层为二叠系山西组砂岩含水层和石炭系太原组岩溶裂隙含水层，主要开采4、6、10 号煤。从面上来说，4 号煤和6 号煤开采所形成的导水裂缝带均导入二叠系山西组砂岩含水层，导入含水层中高度达1.5 m，而6、10 号煤开采所形成的导水裂缝带均导入石炭系太原组岩溶含水层。从点上来说，经各钻孔导水裂缝带高度计算，本井田开采所形成的导水裂缝带也基本导通这两个含水层。因此，二叠系山西组砂岩含水层和石炭系太原组岩溶含水层的地下水将被疏干，以矿井水的形式排至矿井水处理系统。

2.2.3 对煤系地层下伏含水层的影响

煤系地层下伏含水层为奥陶系灰岩含水层，在全井田分布，属于柳林泉域径流区，流向由东向西流出区外，最终流向柳林泉域集中排泄区—三川河河谷，该含水层在井田内无直接的补给源。各煤层除井田东部及西南部高于奥灰水水位，其它大部分地段底板标高均低于奥灰水水位标高，均属奥灰水带压开采。井田4、5 上、6、9、10 号煤层带压开采最大突水系数分别为0.028 MPa/m、0.033 MPa/m、0.039 MPa/m、0.059 MPa/m、0.065 MPa/m。4、5 上、6、9 号煤层最大突水系数均小于底板受构造破坏块段临界突水系数0.06 MPa/m，属带压开采相对安全区。正常情况下发生突水的可能性小，但在导水断裂构造附近存在发生突水的可能；10 号煤层最大突水系数大于或等于底板受构造破坏块段临界突水系数0.06 MPa/m，但小于地层完整块段临界突水系数0.10 MPa/m，属带压开采过渡区（相对危险区），但大的断裂构造破坏了隔水底板的完整性，降低了隔水层厚度和抗、隔水性能，成为底板突水的潜在通道，是易发生突水的区段。

2.3 煤矿开采对柳林泉域的影响分析

柳林泉域主要接受三方面的补给。面状石灰岩裸露区和松散岩类覆盖区直接或间接入渗补给、条带状地表径流补给、点渗漏补给。从位置来看，本井田位于柳林泉域条带补给区之一（南川河东侧），离泉域面状补给区较远。南川河河谷分布有第四系全新统冲洪积砂砾岩层潜水含水层，南川河地表水与地下水之间的水力联系主要通过该含水层发生关系[3]。煤炭开采所形成的导水裂缝带主要影响煤系地层含水层，且井田内各含水层之间存在多个泥岩、砂质泥岩、黏土岩组成的良好隔水层。因此，煤炭开采不会直接影响南川河的水量，相反在一定程度上，煤炭开采所形成的地面沉陷还会加大从井田流向南川河的地表径流强度，使南川河水量增大，加大柳林泉域来自条带状补给区的水量。

柳林泉域强径流带位于离石区，在柳林泉排泄；弱径流带位于三交区，在柳林泉排泄。发生事故突水后，由于煤系上覆地层及本身煤系地层的良好隔水性能，从煤层底板突出的水绝大部分将保留在煤系地层中，仅有很少部分通过斜井井简破损处与其它含水层发生联系，即突水平衡后，井田煤系地层下伏奥灰承压水仍流向柳林泉，在柳林泉排泄。因此，煤炭开采对柳林泉域岩溶地下水径流影响不大，柳林泉域岩溶地下水仍流向柳林泉，在柳林泉排泄[4]。

由井田与柳林泉域排泄区的相对位置来看，朱家店煤矿远离柳林泉域排泄区。且煤系地层位于柳林泉域岩溶含水层上方，之间尚有约48 m 的良好隔水层，并在井田已探明断层处均留设相应防水煤柱，因此，煤炭开采基本不会对柳林泉域岩溶地下水排泄区产生影响。

综上所述，煤矿开采对柳林泉域岩溶地下水补给、径流、排泄影响较小。

2.4 煤矿开采对村庄饮用水源的影响分析

根据对评价范围内34 个村庄水井情况调查，第四系、新近系松散岩类孔隙含水是目前大部分村庄生活饮用水源。导水裂缝带与第四系、新近系孔隙含水层之间存在多个泥岩、砂质泥岩、黏土岩组成的良好隔水层，除靠近断层处，隔水层隔水性能可能受到一定的损坏，井田内绝大部分隔水层隔水性能良好，连续稳定，未受到破坏，各含水层之间的水力联系甚微，导水裂缝带对第四系、新近系孔隙含水层的影响较小。但是，受地表沉陷影响，一定程度上改变了地面降水的径流与汇水条件，含水层的水位和流向受到干扰，局部区域地下水的流动和水量重新分布，水位有所下降，水量有所减少，严重的地方将会影响居民饮用水源。

3 水环境防治措施

3.1 保护措施

3.1.1 探查构造导水性、富水性

朱家店煤矿未进行过地面物探（三维地震）工作，对于断裂构造的富水性、导水性研究相对较少，井田内不排除存在隐伏导水构造的可能，由于隐伏导水构造突水具有隐蔽性、突发性和滞后特征，应采用井下物探探测、钻探验证的方法查明构造的位置、规模，分析构造的导水性[5]。

3.1.2 留设断层防隔水煤柱

对带压开采安全影响较大的井田内的F1、F2、F3正断层，存在通过断层破碎带对煤层产生侧向充水的可能，尤其是F3 正断层落差在80 m 左右，10 号煤层直接与奥陶系灰岩对接。因此，在断层附近一定要预留防水煤柱，避免对岩溶水造成影响。

3.1.3 矿井水和生活污水的再利用

1）矿井水

朱家店煤矿120 万t/a 技改项目新建一座矿井水处理站，处理规模为4 800 m3/d，处理工艺采用二级调节+混凝除渣+磁絮凝沉淀分离+过滤+超滤+活性炭吸附工艺。矿井水经处理后全部用于井下用水，没有外排。开采下组煤时，矿井水涌水量增大，回用于井下用水和洗煤厂生产补水，不外排。

2）生活污水

生活污水处理站处理能力为150 m3/d，采用AO2二级生物接触氧化+沉淀+活性炭吸附+消毒处理工艺，生活污水经处理后回用于绿化、降尘洒水、洗煤厂补水和黄泥灌浆用水，不外排。

3.2 工程措施

底板突水的可能主要位于断裂构造附近，断裂构造的导水和隔水性能直接关系到带压开采的安全，因此需要进行断裂构造的注浆加固。在导水断裂构造的注浆加固中，应注意下面一些问题：

1）在探水过程中发现导水断层、裂隙或陷落柱时，应做放水或压水试验。

首先找出任务集中地区域，再将区域中心的经、纬度和地图进行对照，即可确定所有任务所处的若干城市。对于任务集中区域的确定，考虑基于K-均值聚类的方法，将所有任务依据经、纬度的相近程度进行聚类，从而得到所有任务集中分布的若干位置。

2）确定注浆方案前必须查明断裂构造位置及发育特征。

3）注浆加固工程应编制专门的注浆设计，明确注浆目标。根据放水、压水试验结果，确定注浆孔的布置和注浆工艺。

4）用于注浆的井下钻孔均应按探、放水钻孔的规定进行设计和施工。

5）注浆后应打检查孔，验证注浆质量，并进行注水试验。检查孔的分布应能全面检验注浆效果。注水试验的压力不得低于含水层的静水压力。经注水试验检查注浆有效，方可揭露导水断裂。经注水试验证明注浆未达到要求时，应查明原因，并修改注浆工艺和注浆孔的布置重新注浆，在布置新的注浆孔时，应尽量利用检查孔。

3.3 管理措施

1）依法实施泉域水资源保护

2）建立健全水资源动态监测系统

完善地下水位、水量、水质动态检测，及时、准确地掌握本矿地下水质量变化动态，加强地下水质量监测系统建设。

3）加强工程建设监督管理

矿井水、生活污水处理设施；矸石场拦矸坝、防渗、地表水导排等工程建设施工必须按受当地水行政主管部门监督管理，工程建设完工后必须通过当地水行政主管部门验收，未经验收许可不得投入使用。

4）加强防渗、排水工程的运行管理

定期检查、维护矿井水、生活污水处理设施和矸石场防渗工程，若发现局部防渗工程防渗功能下降，应及时采取必要措施进行补救，确保集、排水设施通畅运行。

5）加强采矿管理，保护地下水

从保护水资源的角度，加强对采矿开采的管理，按水资源的重要程度分别实行“保水禁采、保扩性开采、开采为主适当保护”的矿业管理。对矿坑排水要进行处理才能排放，对釆矿造成的水资源破坏及时实施补救治理措施，防止人为造成的灾害，保护地下水持续利用。

综上所述，通过采取上述一系列工程及管理措施后，可最大程度减小对柳林泉域水环境的影响。

4 结语

本文根据朱家店煤矿具体的水文地质和地层情况，从地表塌陷、地下水含水层、泉域补径排情况、村庄饮用水源、废污水等多个方面对柳林泉域水环境影响进行分析，从而形成全方位、多领域的科学评价体系，可以作为评判煤矿水环境保护工作的重要依据。在环境影响评价的基础之上，采取针对性的措施预防以及控制污染，减少项目建设对环境造成的负面影响，是实施源头治理的主要措施，也是非常有益且必要的。