曲堤煤矿开采对地下水环境影响评价研究

许志峰，张志祥，刘晓霞

(1.山西省临汾市汾西水利管理局，山西临汾041000;2.太原理工大学，山西 太原030024;3.山西财经大学，山西 太原030001)

近年来，随着经济社会的发展以及人民群众环保意识的不断增强，我国建设项目环境影响评价工作越来越受到重视。但是，环评中的地下水环境影响评价却始终是一个薄弱环节，特别是煤矿区的地下水环境影响评价方面，由于一直没有相应的标准来指导地下水环境影响评价工作，从而无法有效地为煤矿区地下水环境保护工作提供科学依据。我国煤炭资源丰富，多年采煤在为经济社会发展做出贡献的同时，也导致煤矿区地下水环境遭到了不同程度的破坏，地下水资源量减少，地下水水质恶化，加剧了我国地下水资源短缺的趋势。我国煤炭开采对地下水的影响受到了学者们的高度重视，分别从不同角度对其进行了研究[1－8]，并取得了一定成果，对于煤矿区的地下水环境影响评价起到一定的借鉴作用。特别是2011年我国环境保护部出台了《环境影响评价技术导则 地下水环境》(HJ610－2011)(以下简称《导则》)，不仅实现了地下水环境评价导则从无到有的突破，而且彻底改变了地下水环境影响评价工作缺乏统一标准来指导的局面，对于指导我国地下水环境保护工作具有重要的意义。山西省是我国煤炭的重要生产基地，水、煤共生是山西省煤炭资源的一个重要特征，煤炭开采对地下水环境的影响巨大，而山西省是我国水资源严重短缺的省份之一，因此加强煤矿开采对地下水环境评价研究就显得非常重要。曲堤煤矿位于山西省晋城市沁水县，为2009年煤炭资源整合后的单独保留矿井，设计开采山西组3号煤层，生产能力45万t/a。为了保护曲堤煤矿地下水环境，进行煤矿开采对地下水环境影响评价研究是十分必要的。依据地下水环境评价导则，在分析煤矿区地下水水质、水文地质条件1等资料的基础上，进行了地下水环境现状评价，预测评价了煤矿开采对地下水环境的影响，提出了地下水环境保护措施，以期为有关部门进行地下水环境管理提供科学依据。

1 矿井概况

曲堤煤矿位于沁水县端氏镇曲堤村东北，行政区划隶属端氏镇管辖，井田面积1.5958 km2，设计矿井服务年限为9.9 a。矿井开拓方式为立井，设有2个井筒，即主立井、回风立井。矿井以一个水平(+310m)开采3号煤层，采用倾向长壁综合机械化采煤方法，全部跨落法管理顶板。矿井生产用水利用矿井水处理站和生活污水处理站的再生水作为供水水源，职工生活用水利用当地第四系浅层水解决。拟选矸石场位于工业场地主井西北约300m处的山沟内，满足服务年限的矸石排放要求。井田属低山丘陵区，沟谷纵横，地形变化较大，最高点位于井田北东部，海拔标高667m，最低点位于井田西南部，海拔标高559m，相对高差108m。井田内地层由老至新主要有:奥陶系上马家沟组、峰峰组，石炭系本溪组、太原组、山西组，二叠系下石盒子组、上石盒子组，第四系中更新统、上更新统、全新统。含水层自下而上划分为奥陶系上马家沟组岩溶裂隙含水层、石炭系山西组砂岩裂隙含水层、二叠系上、下石盒子组砂岩裂隙含水层、第四系松散岩类孔隙含水层，除奥陶系含水层富水性较好外，其余含水层属弱富水性含水层。本井田位于延河泉域北部，不在延河泉域范围内，距离泉域重点保护区最近距离约20 km。

2 地下水环境影响评价工作等级的划分

《导则》针对不同类型的建设项目，采用不同的评判指标来划分评价工作等级。对于煤矿来说，一方面矿井水、生活污水的排放，将会对地下水水质造成污染;另一方面，煤炭开采过程对上覆含水层的破坏，导致含水层地下水位下降，进而会引发一系列的环境水文地质问题。但是，由于近年来山西各煤矿节水意识的不断提高，矿井水、生活污水做到了全部回用，不外排，采煤对地下水水质污染的影响基本可以排除，可以弱化煤炭开采对地下水水质的影响评价。因此，曲堤煤矿开采对地下水环境影响评价工作等级可按Ⅱ类建设项目的相关要求进行划分。

曲堤煤矿正常涌水量在“地下水供水(或排水、注水)规模分级”指标中为“小”(≤0.2万m3/d);矿区包气带岩性为砂岩和砾石，根据《导则》附录表C.2，矿区地下水水位变化范围取600m，因此在“地下水水位变化区域范围分级”指标中选“中”(0.5～1.5 km);该煤矿不在延河泉域范围内，但位于泉域的北部，距离泉域重点保护区最近距离约20 km，因此在“地下水环境敏感程度分级”指标中为“较敏感”;井田内未发现有区域地下水水位降落漏斗等环境水文地质问题，且煤系含水层富水性弱，煤矿开采后对含水层的影响相对较小，因此在“环境水文地质问题分级”指标中选“中”。根据《导则》中关于Ⅱ类建设项目评价工作等级分级表，确定曲堤煤矿地下水环境影响评价等级为三级。

3 地下水环境现状评价

根据曲堤煤矿区地下水环境现状调查结果，区内未发现有区域地下水水位降落漏斗等环境水文地质问题。因此，本研究只对矿区地下水水质进行现状评价。《导则》推荐采用单因子指数法进行评价，该方法能直观地反映单个因子的超标情况，筛选污染控制因子，计算方法简单、易行，是地下水环境质量评价常用的方法，但是对地下水水质的多个指标信息综合程度不足。为了全面反映煤矿区域地下水环境质量的实际状况，考虑到地下水环境质量评价中存在着大量的模糊性和不确定性，选用模糊综合评价法对地下水环境质量进行综合评价，得到的结果能够较为客观、全面地反映煤矿区地下水环境质量的实际状况。本次评价监测到矿区内高庄村及端氏中学的第四系松散岩类浅水井水质。根据地下水现状监测中各组分的监测结果分析，结合矿区煤炭开采的特殊性，本次研究选择总硬度、硫酸盐、溶解性总固体、氟化物、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、挥发酚8项指标作为评价因子。评价标准执行《地下水质量标准》(GB/T14848—1993)中Ⅲ类标准。经过模糊综合评价，根据最大隶属度原则，矿区高庄村及端氏中学地下水水质监测点对应的水质级别分别为Ⅱ、Ⅲ级，达到了集中式生活饮用水水源及工、农业用水水质要求。

4 地下水环境影响预测评价

4.1 导水裂隙带高度预测

煤炭开采对地下水环境的破坏主要是通过采煤所形成的导水裂隙带，影响到煤系及煤系上覆含水层，进而对其地下水资源量、地下水水位产生影响。因此，本次研究首先对采煤形成的导水裂隙带高度进行预测。矿区3号煤层厚4.72～5.53m，属厚煤层，顶板为砂岩、泥岩，属中硬岩层，3号煤层开采后导水裂隙带高度采用《矿区水文地质工程地质勘探规范》相应公式进行计算。计算公式如下:

式中:Hli为导水裂隙带高度(m);M为采厚(m);n为分层层数，按“一次采全高、全部跨落法管理顶板”采煤工艺设计，n=1。

经计算，曲堤煤矿3号煤层开采后的导水裂隙带高度为71.58～82.99m。

4.2 采煤对地下水环境的影响

4.2.1 对地下水水质的影响

根据曲堤煤矿给排水设计，矿井水经井下水处理站，采用混凝、沉淀、过滤、消毒等工艺处理，达标后回用于井下消防洒水等，不外排。生活污水采用调节、二级接触氧化、沉淀、过滤、消毒等工艺处理后，达标后全部回用于井下洒水和场地绿化洒水，不外排。因此预测矿井生产、生活废水对地下水水质的影响小。

此外，通过搜集与该煤矿开采煤层相同的临近南凹寺煤矿的3号煤层矸石淋溶资料，在进行类比分析后，得知曲堤煤矿的煤矸石为无浸出毒性的一般工业固体废物。另外，矸石淋溶液在下渗过程还要经过包气带的吸附、降解。因此预测煤矸石对地下水水质的影响小。

4.2.2 对煤系及煤系上覆含水层的影响

(1)对第四系松散岩类含水层的影响

曲堤煤矿3号煤层开采后的最大导水裂隙带高度为82.99m，根据煤层柱状图进行距离估算，导水裂隙带不会波及到第四系松散岩类含水层，预测导水裂隙带对第四系松散岩类含水层影响小。但由于受采煤沉陷的影响，地裂缝、地面塌陷可能会造成井田地表变形，使第四系松散岩类含水层地下水径流条件受到干扰，地下水水位下降。对于矿区内的高庄村和端氏中学的第四系浅水井来说，由于不在3号煤层设计开采范围之内，受采煤沉陷影响小，煤炭开采影响不到当地居民生活饮用水。

(2)对二叠系上、下石盒子组砂岩裂隙含水层的影响

根据煤层柱状图进行距离估算，3号煤层导水裂隙带会导入二叠系上、下石盒子组砂岩裂隙含水层，造成含水层结构破坏，含水层中的地下水会通过导水裂隙带进入井下，由原天然顺地层倾向流动转变为人工开采排泄，进入采空区后成为矿井水被排出，随着采煤时间的延长，影响程度会不断增大，含水层地下水位下降，水量减少，甚至疏干。

(3)对石炭系山西组砂岩裂隙含水层的影响

煤系地层含水层主要是石炭系山西组砂岩裂隙含水层，与前述二叠系上、下石盒子组砂岩裂隙含水层一样，3号煤层导水裂隙带会导入山西组砂岩裂隙含水层，造成该含水层结构破坏，地下水位下降，水量减少，甚至疏干。

4.2.3 对奥陶系上马家沟组岩溶裂隙含水层的影响

曲堤煤矿区上马家沟组岩溶地下水位标高为551.22m，3号煤层底板标高为295～365m，煤层底板标高低于下伏岩溶地下水位，采煤区成为带压开采区。在水压的作用下，当底板有效隔水层厚度小于破坏厚度时，就会发生矿井突水。曲堤煤矿开采能否对岩溶地下水产生影响，应根据突水系数值进行判断。依据《煤矿防治水规定》，突水系数值应根据本区资料确定，一般情况下，在具有构造破坏的地区按0.06 MPa/m计算，隔水层完整无断裂构造破坏地区按0.1 MPa/m计算。由于本矿区没有实际的突水系数资料，所以选择上述数据作为突水系数的临界值，在有构造破坏的地区，突水系数大于0.06 MPa/m，则存在底板突水的可能性，反之，则一般不发生底板突水;在没有构造破坏的地区，突水系数大于0.1 MPa/m，则存在底板突水的可能性，反之，则一般不发生突水。

矿区3号煤层底板标高最低为295m，奥陶系岩溶地下水位高出3号煤层底板最低标高为256.22m，3号煤层底板与岩溶含水层顶板之间的隔水层厚度为120m。本次研究突水系数计算公式如下:

式中:T为突水系数(MPa/m);P为底板隔水层承受的水压(MPa);M为底板隔水层厚度(m)。

经过计算，3号煤层底板突水系数为0.031 MPa/m，小于底板受构造破坏块段临界值0.06 MPa/m，在没有导水构造导通的条件下，发生突水的可能性小，预测3号煤层开采对奥陶系上马家沟组岩溶地下水的影响小。

5 地下水环境保护措施

(1)一旦曲堤煤矿采煤影响到矿区内高庄村和端氏中学的饮用水井，矿方必须进行供水，以保证正常生活用水需要。

(2)曲堤煤矿为带压开采，采煤前需要加强水文地质勘查工作，查清隐伏贯穿型导水构造的分布，并在断裂两侧留设足够的防水煤柱。

(3)矿井水及生活污水全部送入各自的污水处理站进行处理，达标后回用于生产，不外排。

(4)在矿区工业场地应建设一定容量的事故水池，预防工业场地非正常工况下废水排放对当地水环境产生影响。

(5)加强煤矿区的地下水监测管理，对开采导致的地下水水位下降或水质污染及时预警，并采取合理的补救措施。

6 结论

(1)现状评价曲堤煤矿区的高庄村及端氏中学地下水水质级别分别为Ⅱ、Ⅲ级，达到了集中式生活饮用水水源及工、农业用水水质要求。

(2)预测评价生产、生活废水及煤矸石对地下水水质的影响小。

(3)预测评价3号煤层开采对第四系松散岩类含水层的影响小;3号煤层开采可造成二叠系上、下石盒子组砂岩裂隙含水层及山西组砂岩裂隙含水层结构破坏，地下水位下降，水量减少，甚至疏干。

(4)3号煤层底板突水系数为0.031 MPa/m，小于底板受构造破坏块段临界值0.06 MPa/m，发生突水的可能性小，预测3号煤层开采对奥陶系上马家沟组岩溶地下水的影响小。

(5)提出地下水环境保护措施可有效保护煤矿区地下水环境。研究成果对有关部门进行地下水环境管理提供科学依据。

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