煤炭资源整合对临汾市城市水源地影响及保护对策

2014-01-29高波

中国水利 2014年7期

高波

（山西省临汾市水利局，041000，临汾）

龙子祠泉是山西省19个岩溶大泉之一，也是临汾市城市水源地，泉域范围2250 km2，包括尧都区、洪洞县、蒲县、乡宁县等煤炭工业发达县（区），自2009年山西省实施煤炭资源整合以来，泉域内大量的小煤窑被关闭，或被合并为规模较大的矿井，开采方式和开采工艺均发生了较大的变化，这些煤矿的开采必然对龙子祠泉造成一定的影响，对临汾市城市水源地形成威胁。

一、采煤对岩溶水资源的影响

1.对龙子祠泉岩溶水文地质条件的影响

（1）对岩溶水补给条件的影响

煤炭开采不会对岩溶地下水的补给产生直接影响，但采煤会间接影响岩溶水的补给。现代煤矿均采用机械化综采、跨落法管理顶板，在大范围采空以后，煤层上覆的岩层必然发生移动，产生贯穿煤层以上含水层的导水裂隙带。导水裂隙带高度与煤层开采厚度有关，根据计算，部分区域下组煤层裂隙带高度超过100 m，裂隙可直达地表。含水层被沟通，井田范围内，地下水由水平流动变为垂向流动，砂岩含水层直接向矿井充水，裂隙水转化为矿坑水被排出地表，导致裂隙含水层水位下降或被疏干，矿区范围内由裂隙水出露地表形成的小泉水将因此断流。排出的矿坑水经过处理后部分回用于煤矿井下和地面生产，这些水量最终被煤炭带出，或者蒸发消耗。这些在自然条件下本应入渗补给岩溶地下水的裂隙水，在采煤过程中被消耗掉了，减少了对岩溶地下水的补给量。

（2）对径流和排泄条件的影响

根据调查，井田内各处煤层底板标高均高于岩溶地下水水位，由此可见，井田内各煤层均不存在带压开采问题，不会出现岩溶地下水突水而产生人为的地下水排泄点。煤矿开采不会影响到岩溶地下水的径流和排泄条件。但为保证职工生活用水，煤矿职工的生活用水均开采岩溶地下水，因此职工生活取水将减少岩溶泉水流量，对岩溶泉水排泄产生影响。

2.对岩溶水资源量的影响

（1）煤矿开采对岩溶地下水资源量的影响

从安全需要的角度考虑，煤矿在生产过程中要不断将进入坑道内的地下水排出。龙子祠泉域内的60座整合煤矿目前大部分正在进行矿井基建，尚未正式投产，矿井排水量参照整合前开采矿井生产资料，采用富水系数法，即吨煤排量法进行预测。开采上组煤层富水系数0.16～0.27 m3/t，开采下组煤层富水系数0.22～0.36 m3/t。上组煤经过近30年的开采已近枯竭，整合后的矿井主要开采下组煤。取下组煤正常排水量情况下的富水系数0.22 m3/t，则整个泉域煤矿排水量为1132万m3。

泉域内整合矿井生产工艺全部采用机械化综采，根据《山西省用水定额》和实际生产测算，综采用水指标0.2 m3/t左右，采矿排水将大部分回用于生产，外排量较小。采煤排水量占到龙子祠泉域岩溶水资源量的5.5%，占龙子祠泉多年平均流量的7.4%。

据龙子祠泉研究成果，煤系地层中的裂隙水对岩溶地下水的补给量约占泉域总资源量的18%。由于采煤排水，井田范围内本应补给岩溶水的裂隙水将有64%转化为矿井水。

（2）矿井取水对岩溶地下水的影响

煤矿职工生活用水开采岩溶地下水将会对泉水造成一定影响。60个煤矿共有职工约30000人，按照最低人均120 L/d的用水标准计算，年需岩溶地下水130万m3。这些水量将逐渐反应到泉源区，导致泉水流量减小。

综上所述，由于采煤排水和职工生活取用岩溶地下水，对泉域岩溶地下水资源影响量为1263万m3，折合减少泉水流量0.40 m3/s，占多年平均流量的8.2%。

二、采煤对岩溶水质的影响

1.煤矿开采期间对岩溶水质的影响

（1）矿坑排水对岩溶水质的影响

根据检测，矿坑水水质一般为Ⅴ类或劣Ⅴ类地表水，主要污染物包括SS、氨氮、硫酸盐等。硫铁矿常与煤伴生，煤层中的硫含量较高。煤层开采条件下硫化亚铁被氧化后形成硫酸，因此矿坑水大多为酸性水。

SO42-含量是采煤对岩溶水质影响的一个重要指标。根据历年对龙子祠泉水的监测，1999—2012年，龙子祠泉水中的SO42-含量由344 mg/L增大到418 mg/L，平均年递增1.5%。这期间正是煤炭开采快速增长阶段，泉水中SO42-含量与煤炭产量呈同步增长态势。

煤层富水系数与煤矿用水定额大致相当，泉域内的矿坑排水量大部分可回用于矿井生产，但外排水量不可避免，特别是地质构造发育部位，如向斜轴部，是地下水的强富集区，吨煤排水量可达1.0 m3/t以上，这些区域的矿坑水量较大，外排水量也较大。龙子祠泉域北部为向斜构造，南部为倾向北西的单斜构造，泉域周边基本为碳酸盐岩所包围，是岩溶地下水的入渗补给区。矿坑排水流经灰岩裸露区时入渗补给岩溶地下水，造成龙子祠泉水污染。

需要指出的是，由于龙子祠泉域面积较大，岩溶地下水从降雨入渗到转化成泉水流量，有较长的滞后期，当年泉水流量与前6年平均降雨量有较好相关性，因此泉水中的硫酸盐等污染物与前若干年以前产生的污染有关，也就是说，一旦形成污染，短时期内难以消除。

（2）井田内地质构造对岩溶水质的影响

泉域内煤层与岩溶含水层之间多为砂岩、泥岩、粉砂岩及铝土岩等弱富水地层和隔水层，无构造条件下不透水。泉域内部分区域，断层及陷落柱等地质构造发育，矿坑水可通过断裂直接进入岩溶含水层，对岩溶地下水造成污染。

井田内还发育一定数量的陷落柱，固结性较差的陷落柱成为沟通岩溶含水层和上部含水层的通道，矿坑水可以通过陷落柱直接进入矿井，污染岩溶地下水。

2.煤矿关闭以后对岩溶水质的影响

矿井煤炭资源枯竭以后将形成大面积的采空区，闭坑后地下水将逐步充满采空区，形成大量的老窑积水。根据老窑积水检测，其pH值能达到3.0～4.0，属于酸性很强的废水，这些酸性水最终将通过原煤矿的坑口或其他裂隙通道流出地表，转化成地表径流，渗漏到岩溶地下水中，或在坑道中通过断裂入渗到岩溶含水层中，对岩溶地下水形成严重污染。

龙子祠泉域内整合煤矿开采期限大部分为20～30年，30年以后泉域内的大部分煤矿将因资源枯竭而关闭。按照泉水中SO42-含量的增长速度，届时SO42-含量将达到530 mg/L。需要指出的是，大量开采下组煤时龙子祠泉水中SO42-含量的增长速度可能比开采上组煤时快得多，原因如下：

①下组煤中硫含量一般较大属于中-高硫煤。下组煤在水的作用下将会产生更多的SO42-，矿坑水的酸性也将会更强。

②煤矿闭坑以后将停止矿井排水，地下水循环速度减缓，氧化和溶虑作用加强，形成的老窑积水SO42-含量将成倍增加，酸性也会更强。

由此可以预见，在没有新措施的条件下，下组煤的老窑水水质将会更差，这些酸性废水最终将渗漏到岩溶地下水中，导致泉水污染，对临汾城市水源地形成威胁。如果不及早研究并采取相应措施，30年后随着整合矿井闭坑期的到来，临汾市城市水源地可能遭受灾难性的后果。

三、水源地保护对策

1.加强对采煤排水的管理

煤矿生产期间，矿坑排水尽可能处理后复用，不外排，由于矿坑水量随着季节变化而有一定的变化，在不能完全利用的阶段，矿方要按照《山西省节约用水条例》的规定，将矿井水处理达到地表水Ⅲ类水后才可以排放。

对有外排水量的矿井，应要求煤矿职工生活用水利用深度处理的矿坑水，一方面减少废水排水量，减轻对岩溶地下水的污染，同时也减少岩溶地下水的开采量。

2.根据矿井地质构造采取措施

断裂构造较为发育的井田，确定对岩溶水质有影响的断层，在煤层与灰岩对接的区域，断层下盘煤层要留设防水安全煤柱；另外，固结性较差、具有透水能力的陷落柱也要在其周边留设防水安全煤柱，防止矿坑水通过断裂和陷落柱进入岩溶含水层。

3.采取工程措施，增大岩溶地下水入渗量

一方面在泉域内广泛营造涵养林，涵养水源，在上游通过植树造林提高植被覆盖率，增强地表持水能力，增大地表水基流量，可有效增加降雨对岩溶地下水的入渗补给量。根据有关研究，临汾市西部山区植被较好的流域比植被差的流域地表径流量大15%以上。另一方面，在沟谷中建设渗漏水库、滞洪坝等工程，拦蓄洪水或延缓洪水流动时间，可增大地表水对岩溶地下水渗漏补给量。