群矿采煤条件下水资源与水环境的变化与预测

胡君春

(云南省煤炭地质勘查院，云南 昆明 650218)

中国属煤炭生产大国，以矿井开采为主，约占煤炭总产量的94%。大型煤矿区多数分布于华北和东北大部分地区，属干旱、半干旱气候条件，为水资源严重缺乏区[1]。当前，煤炭工业总体发展战略逐渐向西部转移，西部煤矿区水资源短缺问题将更为突出[2]。矿井涌水一方面可能诱发地质灾害，严重威胁矿井安全生产；另一方面，在煤矿区水资源短缺的同时，煤炭生产过程中却要外排大量的矿井水，这样不仅会对周边环境造成污染，更是对水资源的巨大浪费[2]。为确保煤矿井下安全生产排放大量矿井涌水,造成水资源匮乏和污染，加剧了矿区水资源的供需矛盾，属煤炭生产活动直接造成的六大公害之一[3]。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[4]。又因地下水是地质环境问题中最为敏感和极其复杂的水环境因子[5]。因此，煤炭资源开采对矿区造成不同程度的水资源和水环境破坏，尤其是群矿采煤对区域性水循环的天然规律的干预与破坏，加之气候变化，使区域性水资源和水环境破坏更为突出，这一问题亟待研究和解决。

以坪上井田(共5个煤矿区，约200 km2，绝大部分面积含可采煤层)为中心，结合熊洞煤矿、兴隆煤矿、桶山煤矿、石门坎煤矿、铜厂河煤和安家坝煤矿(图1)，即群矿采煤活动对地表水资源和地下水资源及地表水环境和地下水环境的影响和预测，为区域性水资源开发和水环境保护提供微观和宏观战略思路。

图1 煤矿矿界位置图

据镇雄县气象局资料：多年平均降雨量914.6 mm，年最大降雨量1 427.7 mm(1983年)，年最小降雨量578.7 mm(2009年)，月最大降雨量355.0 mm(1998年7月)，一日最大降雨量178.3 mm(2008年7月1日)。近10年降雨总量8 724.1 mm，平均降雨量872.41 mm；2010年3月中旬和8月中旬降雨量分别为1.30 mm、130.60 mm(图2、图3)。5-10月为雨季，降雨量占全年降雨量的83%，最少为12月至次年1-2月，占全年的6%。旱、雨季分明，降水丰沛，为高原亚热带山地季风气候。

图2 镇雄县近10年降雨量与降水频率关系图

图3 2010年3月至10月降水量及其频率

1 地表水资源和地下水资源

1.1 地表水资源

区内由北往南分布牛场河、坪上河、野角沟和大倮沟四条(表1)主要河流及其支流水系，属山区型河流。河流多呈“U”和“V”字型，弯曲度大，水力坡度大。地形切割深，最高点位于蒿枝坝梁子，标高2 225.3 m；最低点位于坪上河，标高1 231.2 m，相对高差994.1 m，为中山山地地貌，属中等切割区。

表1 主要河流特征表

河流流速快，流量受季节控制，动态变化快(图4)，水资源丰沛。其它地表水资源在冲沟、山谷、峡谷和隘口处以泉点排泄(图5)而形成，雨季向溪沟汇流，流量直接受大气降水控制，丰、枯水期较明显。地表水补给、径流和排泄呈现季节性变化，变化更新速度快，地表水资源丰富。

图4 2010年河流量流量与降水量关系图

图5 2013年各长观点流量折线图

1.2 地下水资源

1.2.1 地下水系统

地下水系统可划分为三大类，松散层类孔隙水系统、基岩裂隙水系统和岩溶裂隙水系统(表2，图6)。

表2 含、隔水系统划分与水文地质结构特征

图6 水文地质剖面图

1.2.2 地下水资源

地下水资源主要分布于碳酸盐岩裂隙溶洞和碎屑岩裂隙中。碳酸盐岩含水层地下水埋藏深，富水性强，水量大；碎屑岩裂隙含水层富水性弱，水量小。地下水受季节性控制强。地形起伏大，地势险峻，总体上地下水运移速度快，补给量大，排泄迅速，地下水资源较丰富，丰水期与枯水期地下水资源量差异大。

2 地表水环境和地下水环境

研究区位于云南省滇东北，与贵州省接壤，交通较不便利，经济相对落后，为欠开发地区，无重大工业和较大城市，地形起伏大，切割深，地势险峻，植被覆盖良好，土地资源匮乏，地表水环境和地下水环境当前为良好。

2.1 地表水环境

坪上河、牛场河及野角沟、窝凼沟中采取分析(表3)，pH为7.60～8.40，矿化度0.087～0.56 g/L，总硬度55.02～550.00 mg/L，多属软水及微硬水，氟化物<0.15 mg/L，砷<0.01 mg/L，除检测出细菌总数及总大肠菌群超标，其它指标均符合饮用水标准。

表3 地表水水质表

煤层硫含量偏高，矿坑水中SO4-含量较高，水质类型为HCO3-Ca·K·Na型和HCO3·SO4-Ca·K·Na，pH值3.7～7.5，总硬度113.88～1 207.46 mg/L，耗氧量1.24～24.24 ml/g。采煤过程中含水层被破坏和扰动，不同含水层中不同水质类型的地下水发生离子交换，经淋滤、氧化作用，易分解形成Fe2O3、SO2、SO3，形成铁锈，酸性水，有强烈腐蚀性，对地表水体造成轻度污染。

2.2 地下水环境

不同含水层在浅部风化裂隙发育，含裂隙潜水(砂岩及玄武岩区)和溶蚀裂隙潜水(灰岩区)，地下水水质类型多为HCO3-Ca·Mg型。受地形地貌和断层的控制，风化裂隙带导水裂隙发育深度有限，深部节理裂隙较浅部少，地下水逐渐过渡为承压水，含水性和富水性均弱，地下水交替循环缓慢，钙、镁离子在一定环境下沉淀析出，溶解钾、钠离子后，矿化度变高，水质类型变为SO4-K·Na型(表4)。

表4 地下水水质表

3 群矿采煤条件下对水资源和水环境的影响和预测

3.1 群矿采煤活动下水文循环特征

采矿强烈的排水，改变了矿区地下水的补、径、排条件[6]。熊硐煤矿、兴隆煤矿、石门砍煤矿、铜厂河煤矿、安家坝煤矿和桶山煤矿同时开采初期，地下水平均水位标高1759.70m，随着六个煤矿开采深度逐渐加深，开采面积逐渐扩大，达到各煤矿开采设计标高时，地下水平均水位降深为168.27 m(表5)，形成六个以煤矿井为地下水漏斗中心的地下水降落漏斗群。表现以煤矿井为中心的源汇中心，每个煤矿区形成相对独立的地下水补给、排泄和径流系统，为相对独立的地下水含水系统和地下水流动系统，打破区域天然水文循环系统。

当十个煤矿同时开采至各煤矿开采设计标高时，地下水位平均水位降深为280.70m(表5和图7)。此时形成十个不同规模不同水位标高的地下水位降落漏斗群，十个相对独立的地下水含水系统和地下水流动系统，十个相对独立的补给、径流和排泄关系。与区域上天然条件下水文循环相比，最大特征就是无相对统一的补给、径流和排泄的地下水流动系统和地下水含水系统，水文循环系统受控于群矿采煤的速度、强度、采深和面积等因子，并且随群矿采煤的速度逐渐加大、采煤强度逐渐增大、采煤逐渐加深、开采煤层数增加、开采面积逐渐扩大而发生剧烈变化。

图7 开采前后排水量与水位关系图

表5 煤矿水文要素特征表

3.2 群矿采煤条件下水资源动态变化

熊硐煤矿、兴隆煤矿、石门砍煤矿、铜厂河煤矿、安家坝煤矿和桶山煤矿同时开采初期(表4和图6)，六个煤矿一般每天排地下水共3.05×103m3，每年排地下水共1.11×106m3；丰水期每天排地下水共3.42×103m3，每年排地下水共1.25×106m3。

十个煤矿同时开采至各煤矿设计开采标高，十个煤矿一般每天排地下水共6.23×104m3，每年排地下水共2.27×107m3；丰水期每天排地下水共1.01×105m3，每年排地下水共3.67×107m3。

各煤矿开采标高、煤层开采层数、开采速度、排水量、开采强度和开采面积的不同。不同时期群矿采煤活动下抽排地下水量不同，致使200 km2呈现11个以矿井为中心的排泄点，天然的地下水径流系统和排泄系统被首强烈影响。随群矿采煤活动的进行而变化，抽排地下水量随开采深度的加深、开采强度的加大、开采面积的扩大而加大，区域地下水资源总量也随之变化，甚至在逐年减少，并受控于群矿采煤活动的剧烈程度。抽排地下水最终排于地表汇入河流流出矿区，对地表水资源总量影响巨大。

因此，群矿采煤活动下对区域水资源影响剧烈，影响和破坏程度随群矿采煤活动的剧烈程度相当，并随之改变而改变。

3.3 群矿采煤条件下水环境动态变化

影响水环境质量的关键在于水质和水量的变化。水文循环过程中，不同含水层中的不同水质水体之间的循环和交替(表6)，影响和制约水环境质量。研究区主要水体为降水、河流、老窑水、煤层赋存的地下水体和其它地层赋存的地下水体。群矿采煤活动中，由于集中长期在不同地层、不同规模同时排出大量煤层赋存的地下水体，而煤层赋存地下水体水质较差，参与水文循环过程中与其它水体循环和交替，影响整个水文循环系统的同时，地表水环境质量和地下水环境质量也随着改变，改变的强弱和程度受群矿采煤活动控制，是一个逐步恶化的过程。与群矿采煤活动的时间尺度和空间尺度有密切关系(表7)，时间尺度大和空间尺度大，则水环境质量变化大，向水环境质量逐渐恶化趋势发展。

表6 煤矿井排水水质表

表7 群矿采煤的时间尺度和空间尺度

匹兹堡矿区在开采后十几年中，酸性水的强烈溶蚀作用已大大改变了矿区的水文地质条件[7]。煤矿排水中硫酸根离子含量较高，煤层中的硫分被氧化后，以硫酸根的形式进入水体，对村民的生活用水及农作物水源造成污染。

采煤疏排地下水，破坏了地下水系统，改变了地下水的径流方向，造成地下含水层局部疏干，地下水位下降，形成以矿坑为中心的地下水降落漏斗，引起开采区域及降落漏斗影响范围内地表泉水、井等干涸，严重时甚至引起地表河、溪水等下渗回灌，加剧当地生产生活用水紧张。

4 结语

(1)十个煤矿开采至各煤矿设计开采标高时，十个煤矿一般每天排地下水为6.23×104m3，每年排地下水达2.27×107m3；丰水期每天排地下水为1.01×105m3，每年排地下水达3.67×107m3。可见，每年排泄地下水资源量巨大，应加大煤矿排水科学利用研究。

(2)群矿采煤条件下，每天排泄大量地下水致使地下径流发生突变，加速区域水文循环速度和缩短水循环周期。区域水文循环系统受控于群矿采煤的速度、强度、采深、采厚和面积等因子。随群矿采煤的速度逐渐加大、采煤强度逐渐增大、采煤逐渐加深、开采煤层数增加、开采面积逐渐扩大而发生剧烈变化。水文循环过程中老窑水和煤系水不间断参与水循环，致使水环境向恶化方向发展。

(3)群矿采煤条件下，以每个矿井为中心的地下水位有不同幅度降深，形成以各矿井为中心的11个地下水降落漏斗群，地下水的补给、径流和排泄速度增快，最终形成一个巨型地下水降落漏斗。

(4)以往针对单个煤矿采煤对水资源或水环境研究较多[8-12]。应加强群矿采煤活动对区域水资源和水环境系统研究[13]，亟待解决煤炭基地内地表水资源、地下水资源、地表水环境、地下水环境之间的相互作用、相互影响、相互演化、相互转化等复合问题，为水资源利用和保护、水环境治理和保护、水环境容量和承载力研究提供理论支持，实现煤资源、水资源两种基础性、战略性资源的科学利用，水环境质量呈良性循环，避免煤炭采竭后，呈现水资源危机、水环境修复难、土壤修复难等复合问题，促进煤炭基地生态文明建设。