后沟煤矿岩溶水取水条件研究

2014-12-25张力鹏

山西水利科技 2014年1期

张力鹏

（山西省水利水电勘测设计研究院山西太原030024）

0 引言

地下水是我国水资源的重要组成部分，对国民经济的发展起着至关重要的作用。在我国缺水的北方地区，多年来开采地下水引发了一系列环境地质问题，造成水资源供需矛盾日益突出，引起学者们的高度重视。刘金峰等研究认为过量开采奥灰水是天津宝坻县隐伏岩溶区产生地裂缝的主导因素[1]；李志明等认为河北邢台柏乡地裂缝主要是过量开采地下水引起[2]；张文华指出太原市地面沉降是由于过量开采中深层孔隙地下水引起地下水位急剧下降造成的[3]；杨丽芝等指出华北平原长期超量开采和不合理的开采布局，致使地下水的资源功能不断衰退，并产生地面沉降、地面塌陷、咸水入侵等环境地质问题[4]；杨楠等研究认为北京怀柔应急水源地地下水由于长期大量开采，导致地下水位下降并引起水质变化[5]。在我国北方许多煤矿区，由于无地表水及受到远距离供水条件的限制，生产补充水源和生活水源主要依赖开采煤矿区的地下水，而地下水取水条件是否可行直接影响到煤矿生产生活的顺利进行，因此必须加强对煤矿区地下水取水条件的分析研究。山西是我国的煤炭大省，同时也是我国北方岩溶分布较多的省份，拥有19个大泉及其岩溶泉域，大部分煤矿都位于岩溶泉域范围内，并有自备岩溶供水井来满足生产生活的需求，岩溶地下水的开发利用对山西煤炭资源的开采做出了贡献。后沟煤矿位于山西省和顺县城西北约2.5km的义兴镇后沟村以北，为资源整合单独保留的扩区煤矿，井田面积6.5322km2，设计开采8号、15号煤层，生产能力300 kt/a。该煤矿在娘子关泉域内，为满足生产补充和生活取水的需要，拟打一眼供水井，设计取水地点在井田工业场区，取水水源为当地岩溶地下水，设计生活取水7万m3/a，生产补充取水3.2万m3/a。为确保后沟煤矿煤炭资源的可持续开发利用，进行岩溶水取水条件研究是非常必要的，具有十分重要的现实意义。基于此，在分析后沟煤矿地质、水文地质等资料的基础上，对岩溶水取水条件进行了分析，并提出了煤矿区水资源保护措施，以期为后沟煤矿岩溶水资源开发利用及管理提供科学依据。

1 矿井概况

后沟井田位于太行山中段西侧，属中低山侵蚀区，沟谷纵横发育。区内地势总体为北西高、南东低，最大相对高差为210.8m。本区位于沁水煤田的东北边缘，和顺普查勘探区中段。井田内无常年性河流，发育的冲沟均为季节性沟谷，平时干涸无水，仅雨季有短暂洪水通过。井田赋存的地层由老至新有奥陶系、石炭系、二叠系及第四系。井田主要含水层为奥陶系中统岩溶含水层组、石炭系上统太原组灰岩岩溶含水层组、石炭系上统山西组砂岩裂隙含水层组、二叠系下统石盒子组砂岩裂隙含水层组、第四系冲积—洪积孔隙含水层组。本井田属娘子关泉域南部深埋藏补给径流区，奥陶系灰岩在区内东外围大面积出露，为裸型岩溶区，岩溶发育，接受大气降水补给，富水性强。太原组、山西组、石盒子组基岩裂隙富水性弱，第四系松散层沉积厚度偏小，富水条件差。

2 岩溶水取水条件分析

2.1 含水层埋藏条件

后沟井田属娘子关泉域南部深埋补给径流区，奥陶系中统灰岩含水层在区域以东大面积出露，为一套浅海相碳酸盐岩沉积，岩性以石灰岩、白云质灰岩及角砾状泥灰岩为主，其次为泥灰岩、白云岩及石膏等，区域总厚约585m，划分为上、下马家沟组，峰峰组。根据后沟煤矿补充勘探地质报告，井田南部C15、C16和C13钻孔揭露奥陶系灰岩顶面埋深分别为495.35m、444.90 m、485.16m。因此，井田范围内奥灰顶面一般埋深小于500 m，适合开采岩溶水，凿井难度不大。

2.2 含水层岩溶发育特征

根据井田周边钻孔资料，蔡家庄6号孔揭露峰峰组86.07m，岩性以角砾状泥灰岩占优势，溶洞普遍发育，大者可达1.5m；105号孔钻进奥灰岩深度为215.32m，其中下部石膏层厚34m，为灰岩、泥灰岩及白云岩互层，在285～290.50 m处，裂隙较发育，岩芯破碎，有铁质侵染，并有溶孔发育。上马家沟组厚235.78m，石灰岩占78%，白云质灰岩占13%，石灰岩裂隙溶孔均很发育，溶孔直径3～6mm，裂隙宽20 mm。揭露下马家沟组121.70 m，岩性为石灰岩、白云质灰岩及白云质泥灰岩，其裂隙及岩溶均不很发育。可见，本区奥陶系灰岩含水层岩溶较为发育，富水性较好，可为后沟煤矿提供一定数量的岩溶水。

2.3 岩溶水水位埋深

根据收集的资料，距离本井田南约5km的凤台煤矿的一眼供水井，2004年成井，井深801.33m，静止水位标高728.48m，埋深571.52m，单井出水量50 m3/h。在井田西南4km处的和顺县城东窑沟口岩溶供水井，1995年成井，井深720 m，水位埋深480 m，静水位标高770 m。在井田北部25km处的大寨岩溶井，1996年成井，井深672.91m，水位埋深483.8m，静水位标高428m，单井出水量50 m3/h。

分析上述资料，最南部的凤台煤矿岩溶供水井2004年水位标高728.48m；中部东窑沟口岩溶供水井1995年水位标高770m；北部大寨岩溶供水井1996年水位标高428m。根据娘子关泉域岩溶水水文地质条件和地下水流场，本井田所在区域岩溶水流向由南向北，理论上讲，中部东窑沟口岩溶井水位标高应低于凤台煤矿岩溶井水位标高，但考虑两井成井时间，大约相差10年，其水位过程应有变化。根据和顺县历年岩溶水开采量情况分析以及区域岩溶水位趋势情况分析，推断东窑沟口岩溶井水位应有下降，其标高应低于成井时间所测水位值，同时低于凤台煤矿岩溶井水位值，即水位标高小于728.48m。由于本井田奥灰水处于凤台煤矿和东窑沟奥灰水下游、大寨奥灰水的上游，因此，推断后沟井田内岩溶水位标高约673m左右，水位埋深大于427m。

2.4 岩溶水开采条件分析

2.5 生活饮用水水质评价

2.6 工业锅炉用水水质评价

后沟煤矿工业锅炉用水为井田岩溶水，本次分析仍以前述凤台煤矿岩溶水样为参证水样进行评价。对工业锅炉用水的水质评价主要采用成垢作用、起泡作用、腐蚀作用三方面进行，经评价后认为该区岩溶水属锅垢很多的、具有硬沉积物的、不起泡的、半腐蚀性水，经一定的软化及防腐处理后适宜于工业锅炉用水。

综上所述，后沟煤矿岩溶水能满足煤矿生产和生活取水要求，取水条件是可行的。

3 水资源保护措施

3.1 工程措施

为了有效保护煤矿区岩溶地下水，后沟煤矿应对废水处理回收利用，达到零排放目标：矿井工业场地的排水主要是浴室、食堂、宿舍等建筑物所排放的生活污水，经排水管网汇集至生活污水处理站，采用地埋式污水处理装置进行处理，经处理后水质达到《污水综合排放标准》（GB8978-1996）中一级排放标准，可用于井下洒水以及厂区除尘、绿化等。生活垃圾运往指定的垃圾堆放场地，进行卫生填埋处置。

3.2 非工程措施

3.2.1 综合利用矿井水

回用矿井水时应根据利用方向按因地制宜、经济方便的原则，适当处理后优先保证矿区内用水，尤其要优先考虑井下用水，做到先井下后井上，先矿内后矿外，先生产后生活，充分发挥矿区内现有水利设施的潜能，避免重复建设。

3.2.2 严格控制娘子关泉域岩溶水的开采

根据《山西省泉域管理办法》，娘子关泉域为一级泉域保护区，本办法第五条规定：“任何部门，在泉域范围内进行水文地质勘探，兴建地下工程，开发利用泉水或地下水，都必须按管理等级，向水资源主管部门提出申请。经批准发给证书后，方可动工。”第七条规定：“严禁在泉域范围内擅自挖泉、截流、打井和任意排放污水、废液。”根据《山西省泉域水资源保护条例》第十三条规定：“泉域水资源的开发利用，须优先满足城乡居民生活用水，统筹兼顾农业、工业用水和其他用水需要，兼顾地区之间的利益，保护泉域生态环境，发挥水资源的综合效益，不得损害公共利益和他人的合法权益”。因此，从保护娘子关泉域岩溶水的角度出发，后沟煤矿岩溶水取水量必须控制在批复水量之内，不应加大对泉域岩溶水的开采。