太原市煤矿开采对地下水的影响研究

2011-04-14师幸生

山西水利科技 2011年2期

师幸生

（太原市水利科学研究所太原 030002）

太原市地处山西省中部，煤炭资源丰富，煤质优良，品种齐全，1990年煤炭总产量2 840万t，到2009年煤炭总产量达到 3 502.7万t。

煤炭和水共存于地下岩层中，由于大规模的煤炭开采，对水资源造成了严重的影响和破坏。形成地面沉降，水位下降，泉水、河水断流，水污染加重等一系列环境地质问题，直接影响着生态环境和经济社会的可持续发展。太原市是我国最大的焦煤生产基地，也是我省采煤工业相对集中，对水资源破坏较为严重的地区，在全省及北方地区具有一定的代表性。

1 矿坑排水现状

衡量矿坑排水对水资源破坏程度的主要指标之一是平均排水系数，平均排水系数是指每生产一吨原煤所排的水量，即煤矿年排水总量/煤矿年原煤产量。

据对太原市煤矿矿坑排水的调查，1988年平均排水系数0.984 m3/t，2000年平均排水系数1.14 m3/t，2006年平均排水系数为0.756 m3/t，2009年平均排水系数为0.79 m3/t。

值得注意的是东山矿区，2009年平均排水系数高达2.09 m3/t。

2 煤矿开采对地下水的影响特点

2.1 国统及乡镇煤矿开采对地下水的影响特点

国家统配煤矿及地方国营煤矿对地下水的破坏时间长，破坏面积、影响深度和破坏强度大；而乡镇煤矿及村办煤矿对地下水的破坏时间较短，破坏面积较小，影响深度和破坏强度相对较小。但按煤炭开采量换算的含水系数乡镇煤矿却大于国统煤矿。

乡镇煤矿一般分布在煤田的边缘地区，这些地区早期就形成老采空区300多个，面积达100 km2，是老窑突水事故多发区。老窑突水，严重破坏了原先的水动力平衡；且老窑积水的水质很差，pH值达到2，呈酸性，普通水泵、管道排水设备，只能工作3～4h，就被腐蚀报废，同时排水对河流生态系统造成严重污染破坏。

乡镇煤矿矿井废水处理设施配套严重滞后，未经处理的矿坑废水大量排放、入渗，使地表水和地下水均受到不同程度的污染［1］。

2.2 煤层开采对地下水的影响特点

开采高程在当地奥陶系岩溶水位之下的煤矿，矿坑排水量较大，对岩溶水的影响也大。

开采上组煤和中组煤的矿，多数为顶板漏水，排水量相对比较小，对地下水的影响也比较小，而开采下组煤的矿，其矿井充水多具承压性，则排水量比较大，对地下水的影响也大。

2.3 煤矿开采对地表及地表水的影响特点

由于煤矿开采及矿坑排水，致使地表水、土壤、植被及地下水系统遭到严重破坏，使矿区生态环境严重恶化，加重了水土流失，造成小泉小水漏失。出现38个村庄、1.32万人、2 379头大牲畜的吃水困难。农村纷纷要求打深井，更加重了地下水的开采负荷，给地下水的保护造成更大的困难。

煤矿井田范围内有较大河流通过的矿井，排水量相对比较大，且受大气降水和河道水情的影响非常明显，或者说煤矿开采对地表水的影响十分明显，在矿区外的河道上游地区，河道一般有基流，进入矿区，河道基流和河谷孔隙地下水全部漏失，有些矿在地表就能听到大量漏水的声音。

2.4 煤矿疏干性排水对地下水的影响特点

煤矿矿坑排水属于疏干性排水，致使区域裂隙水位普遍下降100 m以上，个别地区下降达200 m以上。而排水的结果最终使裂隙水位下降到最底开采标高。矿坑疏干性排水，使得区域地下水的水文地质条件受到不可逆转的严重破坏。

总之，煤矿开采对地下水的影响集中表现为：一是直接疏干了开采层位的裂隙地下水和煤田上覆的裂隙水或孔隙水；二是直接或间接排放下伏岩溶水，造成岩溶泉水衰减或断流；三是破坏了地下水含水层的储水结构，导致地下水含水层系统的永久破坏；四是矿坑废水沿程渗漏污染水资源和水环境。

3 煤矿开采对地下水的影响分析

3.1 煤矿开采对裂隙水的影响

采煤区多位于低山丘陵地带，裂隙地下水多数以小泉小水的形式出露。煤炭大规模开采前，由于有裂隙泉水，小溪常流，河清山绿。煤炭大规模开采以来，随着矿坑排水量的增大，裂隙含水层被疏干，造成矿区地下水位下降，小泉小水断流；同时矿坑排水也导致地表径流量减少，流域水资源调蓄作用减弱，含酚、硫化物、悬浮物的酸性矿坑水的排放，使地表水受到不同程度的污染，导致河流的自净能力下降，环境容量减小，加大了河流的污染负荷［2］。

3.2 煤矿开采对孔隙水的影响

采煤排水对孔隙水的影响主要是在矿区上覆河谷孔隙水分布区，由于采煤导致地面沉降或裂缝，上覆现代河谷孔隙水含水层与下伏煤系地层之间稳定连续的隔水层被破坏，致使孔隙水下漏。对汾河及多条支流的调查显示，在煤矿采空区的上游河谷，孔隙水几乎全部漏失，有些地段在地面就能听到孔隙水下漏进入矿井的流水声。另一种情况是，煤矿主副井建在河谷地带，主副井筒本身就是一眼大水井，大量孔隙水进入井筒，导致孔隙水位大范围下降，农业和农村的水井报废。

3.3 煤矿开采对岩溶水的影响

太原市煤炭开采对岩溶水的影响，主要是对晋祠泉流量的影响。采煤对晋祠泉流量的削减主要有两方面：一是矿坑排水减少了岩溶水的补给量；二是矿坑突水增大了岩溶水的排泄量。

采煤排水对岩溶水的影响主要表现在：（1）岩溶水位高出开采煤层的带压开采区，岩溶水的顶托作用使部分岩溶水通过上部裂隙系统渗入采区，加大了矿坑排水量，间接消耗了部分岩溶水资源。（2）大规模的采煤活动，疏干了开采区及其影响带上覆岩层的地下水，减少了上部地下水渗漏补给岩溶水量，同时，采煤排水明显减少了该区地表水及基流量，从而减少了对岩溶水的补给。

兰村泉、晋祠泉是太原周边出露的著名岩溶大泉，受降水减少、地表植被破坏、地下水大量开采、煤矿排水等多种因素影响，兰村泉、晋祠泉分别于1995年和1994年断流。尽管泉流量衰减的原因很多，但泉域内采煤排水无疑是导致泉水流量削减的主要因素之一。

煤矿排水量是影响泉域地下水量的一个重要因素，在采取各种压采措施的同时，必须严格控制煤矿排水量的增加，否则岩溶泉复流困难。此外，排出的矿坑水在流经碳酸盐岩分布区时，会渗漏补给岩溶水，对岩溶水形成污染，从监测分析看，这方面的影响是比较明显的。

3.4 煤矿开采对地下水含水系统的影响

煤矿开采使其上部含水岩层发生形变，形成沉陷或裂缝等，加剧了岩层间的水力联系，改变了降水与地下水的转化关系及地下水径流特征。天然状态下，煤与水共存于同一地层中，各自有其赋存条件及演变规律。但在煤矿开采等活动中，由于布设地质勘探孔、采煤竖井、斜井、巷道等及因采煤形成的采空区，破坏了浅部地下水隔水层和储水构造，使矿区煤系地层裂隙岩溶水、上覆松散岩类孔隙水和下伏碳酸盐岩岩溶水相互贯通，破坏了原有的地下水补、径、排条件，加速了区域地下水水位下降，减少了地下水储水空间[3]，造成河流枯竭、泉水断流、土壤沙化等灾害。

3.5 煤矿开采对地下水水质的影响

对太原西山矿区采集的岩溶水、裂隙水和孔隙地下水水质分析结果，按照地下水环境质量三级标准进行评价，结果表明：岩溶水超标项目主要是总硬度和SO42-，其中，总硬度含量642.1～735.5 mg/L；西山矿区裂隙水超标项目主要是总硬度、SO42-和挥发酚，其中，总硬度的含量为401.2～1 580 mg/L；SO42-含量为 365～1 349 mg/L，挥发酚的含量为 0.014 mg/L；孔隙水超标项目主要是总硬度和矿化度，其中，总硬度含量为939.2 mg/L，矿化度为1 529 mg/L。太原西山矿区矿坑水水质全分析和污染分析结果表明：矿坑水的pH值为6.4，呈酸性，矿化度3 850 mg/L，总硬度1 376 mg/L，SO42-含量2 446 mg/L，COD 平均 1.74～3.36 mg/L，挥发酚 0.01 mg/L，最高为 0.015 mg/L。其主要超标项目是总硬度和SO42-，与地下水超标项目一致，表明矿坑水是地下水污染的污染源之一。

采煤对地下水水质的影响主要反映在三方面：一是采煤过程中，污染的矿坑水通过岩层裂隙直接下渗到下伏地层，使其中的地下水遭受污染；二是矿坑水排出地表后，首先使地表水污染，继而在流经碳酸盐岩渗漏段时，或随河沟流动时，入渗地下污染地下水；三是矿山尾矿、矸石堆在降水淋渗作用下，淋滤水入渗地下，使地下水遭受污染。