煤矿开采对地下水水量及水化学环境的影响分析

刘璐琦

(中晋环境科技有限公司，山西 太原 030000)

煤炭的开采与我国经济发展息息相关。露天煤矿开采是目前最常用的一种煤矿开采方式，但煤炭资源在露天开采的过程中，可能会对地下水环境造成一定的影响，使之出现水量减少和水质变差的问题。因此在进行煤矿开采前夕进行煤矿开采对地下水影响分析是目前较为重要的一项研究课题。以伊敏露天煤矿为例子，证实煤炭开采对地下水存在潜在性、长期性和累积性的影响；则以伊敏露天煤矿为主要研究对象，运用流场对比、数理统计、Piper三线图、库尔洛夫式等对矿区地下水流场和水化学场的时空演化规律进行研究，揭示强烈人工干预下草原矿区地下水环境的变化。以上学者的研究成果证实了，煤炭的开采对地下水环境产生一定影响。为了更好地研究露天煤矿开采对地下水环境的产生的影响，本文通过建立地下水数值模型，提前进行煤矿开采对地下水环境预估和计算，为后期露天煤矿开采项目的地下水资源保护工作提供一些参考。

1 工程概况

1.1 工程地质条件

矿区地理位置

煤矿矿区位于山西大同境内，海拔约为1 140～1 270 m。

气象水文条件

矿区位于北温带的大陆干旱气候区，资料显示，该地年平均降雨量大约为157.4 mm。降雨量变化特征为：6～9月为降雨量的丰水季，占全年降水量的73.91%；3～5月为平水季，占全年降水量的20.88%；1月和11月为枯水季，仅占全年降水量的5.20%。该地年平均蒸发量约为3 348.7 mm，蒸发量大约为降水量的21倍。地下水主要起将水补给的作用，受季节影响，在丰水季地下水位最高。对矿区内进行调查，矿区内仅在6～9月偶尔有雨洪径流补给，其余时间一般为干枯无水。

水文地质条件

矿区溶水主要分为相对独立的水循环系统，分别为桌子山南段岩、桌子山北段岩、岗德尔山和千里山岩溶水子系统。

1.2 矿区地下水数值模型建立

数字模型

本文选择的数据模型为MODFLOW 模型，根据实际情况选择参数。通过河流、补给和井流等因素，利用 MODFLOW 模型水流系统的影响，进而预测地下水流场和水位，对地下水进行均衡计算。以矿区地质水文特征为依据，建立地下水非恒定流三维数学模型，概化地下水系统，进而建立三维地下水系统分析地下水补给和排泄。具体建模为：

式中：表示潜水含水层在潜水面上重力给水度；表示含水层的初始水位；表示渗透区域；、、分别表示、、各方向渗透系数；表示地下水自由表面；表示含水层源汇项，即单位面积、时间垂向流入或排出的水量；表示各含水层高度；表示边界的流量宽度，流入为正，流出为负；表示潜水面的蒸发和降水入渗强度；表示渗流区域下边界侧向；∂表示边界面的法线方向；表示自由面以下含水层储水系数。

模型初始参数设置

(1)地下水补给水文参数设置。岩溶水的补给主要为大气降水入渗和矿区东部地下水径流。在矿区东北部，有4.22 km岩溶露出地表。该区域为大气降水补给的主要区域，因此需要对参数进行设置。在矿区内，年平均降水量为150 mm，多以暴雨形式出现，补充提供了水源。在构建模型时，将风积砂层和风积黄土入渗系数分别设置为0.30～0.36和0.12～0.18；

(2)地下水排泄水文参数设置。岩溶水的排泄方式主要为矿井排水和矿区西南侧顺层弱径流排泄，矿区最南端矿井外排涌水量约为40 m/d；矿区西南侧煤矿矿井外排涌水量约为1 230 m/d，即矿区矿井总涌水量总计1 270 m/d。在模型中设置地下水排泄参数为1 300 m/d；

(3)地下水径流水文参数设置。第4系含水层赋存特征控制第4系松散层地下水径流，其径流趋势为顺沟谷由上向下。

1.3 地下水环境水质监测布点

地下水水位布点方案

(1)地下水水位布点方案。根据《环境影响评价技术导则-地下水环境》，分别在丰水季、枯水季和平水季进行岩溶地下水水位监测，具体监测点如图1所示；

(2)地下水水质监测布点方案。分别在平水季和丰水季对水质进行监测，水质监测布点共计9个，其中qpj1号监测点和qpj4号监测点对矿井涌水水质进行监测，其余7个监测点对岩溶水质进行监测。以环境保护目标岩溶地下水和矿井涌水的控制为目的对地下水水质监测点进行布置。

图1 水质监测分布点Fig.1 Distribution points of water quality monitoring

地下水环境水质分析

表1为本研究地下水化学和污染特征的项目与分析方法。

表1 水质监测项目分析方法Tab.1 Analysis method of water quality monitoring items mg/L

2 矿区地下水水位水量数值模拟计算

2.1 地下水数值模型对岩溶水资源量剂水均衡计算

在矿区内，基于地下水数值模拟计算岩溶地下水资源均衡结果如表2所示；岩溶地下水资源总补给量分布结果如图2所示。

表2 基于地下水数值模拟计算岩溶地下水资源均衡结果Tab.2 Calculation results of karst groundwater resource balance based on groundwater numerical simulation

由图2对矿区场地含水层和包气带结构进行分析可知，就算污水产生一定泄漏，受二叠系中部隔水层阻隔，污水无法排入地下水；因此岩溶地下水不会受到污染。

2.2 露天煤矿建设期对地下水环境影响分析

建设期产生的污水主要是冲洗和清洗施工设备的废水。经过计算，煤矿建设期生活污水排放总量约为51.66 m/d，矿坑涌水约为200 m/d；在项目建设时，对生活污水进行处理后用于工业场地绿化和降尘洒水，不对外排放，因此在无事故时，生活污水不对地下水环境造成影响；但在生活污水的处理过程中，若污水调节池出现泄漏情况，则会对地下水水质产生一定影响。

图2 岩溶地下水资源总补给量分布Fig.2 Distribution of total recharge of karst groundwater resources

2.3 露天煤矿运行期对地下水环境影响分析

煤矸石浸溶试验成果分析

对煤矸石样品进行浸溶试验，用于分析预测废弃煤矸石样品经过大气降水滤淋对地下水环境影响，结果如表3所示。

由表3可知，在煤矸石浸出液中， 铬、铅、镉、铜、镍、锌、银等重金属元素浓度较小，均低于其检出限；氯化物、硫酸盐、氰化物、砷、汞、钡等污染物含量较低。氟浓度略有超标，硒质量浓度达到0.109 2 mg/L；而国家地下水Ⅲ类水标准中规定硒质量浓度不超过0.001 mg/L。因此，硒浓度属于严重超标，需要进一步进行处理。这就说明煤矸石堆放受水浸淋后，会析出有毒有害成分，对地下水环境会造成一定影响。

排土场对岩溶地下水环境影响分析及预测

通过上面的结果可知， 煤矸石的堆积可能会对地下水环境造成一定影响，其中超标较为严重的为硒元素。因此，选择硒元素为评价因子，采用CMS中的MT3D模块进行预测。以矿区内稳定水流模型为基础，根据《水文地质手册》选择岩溶含水层空隙度为16.9%，弥散系数取值为8。污染物的迁移主要受对流、弥散等因素的影响。根据上面的结果得出，将大气降水入渗量作为渗滤液入渗量，硒质量浓度和入渗强度分别为0.109 2 mg/L、0.000 238 m/d。

预测主要分为短期预测和长期预测2个阶段：短期预测时间段为7年；长期预测时间段为100年。对煤矸石淋滤液中硒晕染进行统计，统计结果如表4所示。

表3 煤矸石浸溶试验成果表Tab.3 Results of coal gangue leaching test

表4 煤矸石淋滤液岩溶水硒污染晕统计Tab.4 Statistics of selenium pollution halo in karst water of coal gangue leachate

由表4可知，浸出液进入岩溶含水层后，硒元素含量在对流和弥散共同作用下，最高质量浓度仅为0.000 76 mg/L左右，也就是说经过对流和弥散作用，硒含量已经远低于Ⅲ类水质量标准要求。这表明即使煤矸石淋滤液进入溶岩含水层，仍旧不会对地下水环境造成影响。

2.4 露天煤矿服务期满对地下水环境影响分析

煤矿矿田开采结束后，在矿区内出现漏斗，改变了地下水动力。此时地下水运动变为垂直运动，慢慢形成“人工地下水库”。结合上述结果可知，煤矸石浸溶液除氟元素稍微超标，硒元素超标外，其余元素皆满足Ⅲ类水标准。污水进入人工地下水库后， 在大气降水的作用下，超标元素含量因为稀释而降低；因此对地下水水质不产生影响。

3 结语

(1)通过对矿区内岩溶含水层系统边界结构和岩溶地下水赋存特征建立相应地下水数值模型，经对比模型模拟监测点水位的监测值与实际地下水监测值，证实了本文构建数值模型的可靠性。在矿区内岩溶水补给主要来自北部边界与东部边界南端，排泄方式为岩溶水突水，因此进行露天煤矿开采时不会直接对地下水环境造成影响；

(2)在露天煤矿建设期，将污水进行处理，不对外排放，在无事故状态下，不对地下水环境产生影响。在露天煤矿运行期，煤矸石堆放受水浸淋后，浸出液硒成分严重超标，会对地下水造成一定污染，但是经过对流和弥散的作用，可使其含量达到Ⅲ类水治疗标准。在露天煤矿服务期满后，矿田形成“人工地下水库”，煤矸石浸出液中氟和硒元素在大气降水作用下被稀释而导致浓度降低，不对岩溶水水质产生影响。