山东陶枣煤田矿业开发对裂隙岩溶水的污染机理及防治对策

李元仲

(山东省鲁南地质工程勘察院，山东兖州 272100)

0 引言

陶枣煤田位于山东省枣庄市中东部，为一东西向展布的向斜构造，煤炭资源丰富，开采历史悠久，随着煤炭资源日渐枯竭，境内矿井相继闭坑。东部矿区已于1999年全部闭坑，截止2012年，西部矿区有12家矿山企业正常生产。地下采矿过程中的疏干排水、煤矿闭坑后矿坑水水位上升，对地下水水动力场和水化学场影响明显。煤田周边奥灰水已受到不同程度污染，加剧了水资源供需矛盾，造成用水困难。如何有效遏制老窑积水对岩溶地下水的污染，已成为当务之急［1-5］。

1 课题区地质环境背景概述

陶枣煤田主要含煤地层为石炭-二叠纪月门沟群太原组和山西组，共含煤18层。在煤田周边分布有太古代泰山岩群山草峪组和古生代寒武-奥陶纪地层(图1)。其中，寒武-奥陶纪九龙群三山子组和奥陶纪马家沟组分布于煤田边缘地带，呈裸露-半裸露状态，岩性以石灰岩、白云岩和白云质灰岩为主，裂隙岩溶发育强烈，富水性良好，单位涌水量大于1000m3/(d·m)，形成了十里泉、丁庄-东王庄和清凉泉富水地段，并相继开发为城市生活集中供水水源地。受煤炭资源开采影响，区内裂隙岩溶地下水出现了水质恶化，地下水超标组份主要为 SO2-4、总硬度和 TDS［6］。

本次共采集全分析和污染分析样品共199件。其中裂隙岩溶水水质分析137件，地表水18件，矿坑水2件，老窑水30件，浅层水12件。地表水样主要位于蟠龙河和峄城大沙河郭里集支流及齐村支流。矿坑水为山家林煤矿和甘霖煤矿排水，老窑水均位于煤田范围内，为已闭坑矿山废弃井。

2 裂隙岩溶水污染特征

2.1 污染评价

2.1.1 污染因子的确定

经检测，区内已污染的裂隙岩溶水与矿坑水、老窑水密切相关，矿坑水以高、高硬度和高TDS为主要特征，加之井下开采活动影响，Cl-、氮类含量亦较高，为此选择、总硬度、TDS、Cl-、、F-六项作为评价因子。

2.1.2 评价方法

采用单因子指数叠加法，对区内裂隙岩溶水污染程度进行评价，公式如下:

根据PI值大小，按(表1)确定地下水污染程度。将地下水污染级别划分为未-微污染、轻污染、中污染、重污染和严重污染五级。

图1 陶枣煤田区域基岩地质简图Fig.1 The general bedrock geology map of Taozao coalfield

表1 地下水污染程度分级表Table 1 The groundwater pollution grading

2.1.3 背景值的确定

采用历史水文地质资料来确立课题区地下水环境背景值。区内地下水大规模开采始于20世纪70年代初期，本次裂隙岩溶水天然背景值参考1959年山东省峄钢、野钢水文地质初步勘查时，对十里泉地区地下水的水质评价数值作为评价标准(表2)。

表2 地下水污染评价因子及评价标准Table 2 The groundwater evaluation factors and criterions

2.1.4 评价结果

评价结果将全区分为未-微污染区、轻污染区、中污染区、重污染区和严重污染区(图2)。

图2 陶枣煤田裂隙岩溶水污染分区图Fig.2 The pollution partition map of the fracture-karst water at Taozao coalfield1—未-微污染;2—轻污染;3—中污染;4—重污染;5—严重污染;6—污染评价分区界线;7—陶枣煤田范围;8—水源地位置及名称

重污染区主要分布于齐湖-石沟营一带和盛水庄-大辛庄一带，总面积达36.23km2。含水岩组为奥陶纪马家沟组和寒武纪九龙群三山子组碳酸盐岩类，区内分布有清凉泉水源地、十里泉水源地和丁庄-东王庄水源地，地下水以集中开采方式为主。评价结果PI值20.77～24.77。区内、总硬度和TDS含量较高，如齐湖村供水井的、总硬度和TDS含 量 分 别 为:535.43 mg/L、595.56 mg/L 和1142.43 mg/l，大辛庄村供水井的、总硬度和TDS含 量 分 别 为:600.57mg/L、921.11 mg/L 和1234.53 mg/L;严重污染区分布于煤田中南端边缘宋岭村一带和煤田东南端边缘潘官庄一带，总面积为4.45km2，评价结果 PI值25.37～28.06。区内潘官庄村供水井、总硬度和TDS含量最高，分别为:634.96mg/L、976.32 mg/L和1283.28 mg/L。

2.2 污染变化特征

2.2.1 空间分布特征

已污染的裂隙岩溶水在空间分布上具以下三个特征:

(1)靠近煤田边缘且位于煤田下游的岩溶水富水区，为裂隙岩溶水遭受污染的主要地带，污染程度呈现越远离煤田越变轻的空间变化特征。

(2)地下水集中开采区多为重污染区，说明地下水长期集中开采是引起裂隙岩溶水污染的水动力条件。

(3)主要纳污河道流经的区域多为重-严重污染区。如纳污河道潘龙河流经的西石沟一带为重污染区。

2.2.2 年际变化特征

清凉泉水源地1994～2003年地下水中主要污染组份呈明显递增趋势(图3)，地下水中总硬度、TDS和含量在2003年达到了历年最高值，2009～2011年呈现波动上升趋势。十里泉水源地1991～1996年地下水主要污染组份含量总体呈递增趋势(图4)，地下水中总硬度、TDS和含量1996年达到了历年最高值，2008年略有下降后，又呈波动上升趋势。丁庄-东王庄水源地地下水中主要污染组份含量基本呈现为逐年递增，2011年地下水中总硬度、TDS和含量达到了历年来的最高值，分别为1991年的2.68倍、3.01倍和3.51倍(图5)。

图3 清凉泉水源地地下水主要污染组份含量年际变化图Fig.3 The annual variation map of the groundwater major pollution components at Qingliangquan water source water source

图4 十里泉水源地地下水主要污染组份含量年际变化图Fig.4 The annual variation map of the groundwater major pollution components at Shiliquan water source

图5 丁庄水源地地下水主要污染组份含量年际变化图Fig.5 The annual variation map of the groundwater major pollution components at Dingzhuang water source

3 污染机理分析

区内矿坑排水、老窑水污染裂隙岩溶地下水，可能的污染途经有三种:一是施工的供水井(孔)套管破损，二是煤系地层与奥灰接触带透水，三是河流渗漏。据调查，区内岩溶供水井均位于煤系地层外围，且未穿过煤系地层，因此，供水井孔非污染通道。

3.1 煤系地层与奥灰接触带透水

陶枣煤田东南部宋岭—大辛庄一带为重—严重污染区。该地段奥陶系马家沟组地层与煤系地层呈平行不整合接触(图6)。目前，矿山已全部闭坑。闭坑以后，矿山停止排水，大量的老空积水无法排泄，致使煤系地层水位迅速抬升。据水位观测资料，该区煤矿废弃井水位比奥灰水井的水位高出10～20m。由于存在水位差，煤系地层中水沿裂隙或断层向奥灰水返径流，从而造成奥灰水质变差。

图6 陶枣煤田东南部地质剖面图Fig.6 The geology section map of the SE Taozao coalfield

3.2 河流渗漏

蟠龙河是流经清凉泉水源地的主要河流，也是沿途各矿山企业的纳污河，各矿山矿坑排水除矿山本身少量利用外，大多数排至蟠龙河中。该河河道内第四系较薄，局部河段河床内基岩裸露，导致河水通过裸露的灰岩补给岩溶地下水，从而对其造成污染［8-9］。

峄城大沙河支流流经陶枣煤田东部十里泉和丁庄-东王庄水源地。1999年以前接纳矿坑水，河道内部分地段基岩裸露，岩溶裂隙发育，有利于地表水入渗补给岩溶水，岩溶水污染严重。矿山闭坑后，地下水水质污染得到缓解，呈逐渐好转趋势。

4 地下水污染防治对策

根据岩溶水污染机理，其防治措施主要有:切断污染通道，从根本上消除威胁;排供结合，控制地下水流场形态，消除形成污染的水动力条件等两种方法。切断污染通道主要是采用一些工程措施，如帷幕灌浆法隔断老窑水与岩溶水联系通道、河道防渗处理防止矿坑水补给岩溶地下水等。该方法费用高、施工难度大。因而采用排供结合，为避免岩溶地下水遭受污染最为经济可行的方法。

4.1 控制岩溶水开采量

岩溶水不合理开采是造成区内水动力场改变的主要原因，而水动力场的改变又控制了其补给条件。天然状态下，岩溶水水位多高于老窑水水位，当岩溶水处于超采状态水位大幅度下降时，将导致老窑水水位高于岩溶水水位，从而导致岩溶水接受其补给而造成污染。因此，合理控制岩溶水开采量和动水位是控制其水环境污染的有效措施。

4.2 充分利用矿坑水(老窑水)

煤矿闭坑后，遗留下大量废弃井口。据调查，部分水井水量较大，可用作农业灌溉和工业用水。老窑水的资源化利用，可使其水位下降，既消除了对裂隙岩溶水污染的水动力条件，同时也缓解了现有岩溶水水源地供水压力。

另外，2007年某煤矿由于违规开采，造成特大突水事故，奥灰水通过采空区溃入通晟公司(山家林煤矿)，造成淹井，为确保附近煤矿正常生产，该矿井目前停产而常年抽排矿井水。从山家林煤矿排水水化学资料来看(表3)，2011年水质明显好于2003年水质，充分说明了山家林煤矿坑排水与其南部蒋庄一带裂隙岩溶水是连通的。

目前，在山家林煤矿正常排水的情况下，其附近裂隙岩溶水未遭受污染，当矿山企业全部闭坑，山家林煤矿一旦停止排水后，老窑水水位高于裂隙岩溶水水位时，将使裂隙岩溶水遭受污染。所以要充分论证山家林煤矿坑排水利用途径，使其得以充分资源化利用。

表3 山家林煤矿矿坑排水水质对比表Table 3 The correlation of the dewater quality of the pit water at Shanjialin coal mine

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