近30年煤矿开采影响下峰峰矿区岩溶地下水水化学特征的演变

2015-01-27郝春明何培雍

中国矿业 2015年1期

关键词：煤系水化学水文地质

郝春明，孙伟，何培雍，李成

(1.中国地质环境监测院，北京 100081；2.陕西省地质环境监测总站，陕西西安710054)

近30年煤矿开采影响下峰峰矿区岩溶地下水水化学特征的演变

郝春明1，孙伟1，何培雍1，李成2

(1.中国地质环境监测院，北京 100081；2.陕西省地质环境监测总站，陕西西安710054)

煤矿开采；水化学类型；水流系统；矿物溶解能力；重金属元素；氢氧同位素

峰峰煤炭矿区岩溶水系统属于邯邢南单元黑龙洞泉域，形成以西部山区和中部灰岩裸露区为补给区，构造断陷盆地为径流区，泉群排泄为主的水文地质单元，流域面积2410km2。含水介质为一套碳酸盐岩海相沉积地层，以角砾状灰岩、厚层花斑灰岩、纯灰岩、薄层灰岩和泥灰岩等组成，局部富含石膏，总厚度470～584m，裂隙发育，以溶孔和溶隙为主。

矿区主要开采石炭和二叠系煤层，因煤层底板岩溶地下水补给条件好，富水性强，水头压力大，为防止煤层底板突水，多采用疏水降压的被动方式。近30年的人工疏水降压已使岩溶地下水的水位大幅下降，闫玉梅等[1]经长期监测发现20世纪90年代后，水位年平均衰减1.5m左右，径流区水位标高由原来的130～139m降至110m左右。与此同时，岩溶水化学场是否也发生了巨大的变化，值得担忧。为此，吴振岭，白喜庆等[2]曾研究过该地区近30年来岩溶水流场，水化学等的变化，但方法过于简单，很难全面掌握水环境的演变。王焰新、韩宝平、孙林华等[3-7]分别针对煤矿开采诱发的水环境问题研究均进行过不同方式的尝试，为评估采煤对水环境的影响提供了新的方法和思路。

笔者通过收集煤矿开采前岩溶水水化学背景资料和采集分析开采30年后的水样品，尝试运用水化学特征对比的方法，较系统和全面的分析采煤活动对岩溶水化学场的影响，对重新论证和评估采煤活动对区域岩溶地下水环境造成的影响提供了重要的依据。

1 取样与测试

2012年10月共采集了水样品44件，其中岩溶水样品28件，孔隙水样品3件，矿坑水样品8件，地表水1件，煤系基岩裂隙水4件，岩溶样品点分布如图1所示。

部分测试结果见表1，1980年背景数据见表2。

样品采集前，先用蒸馏水洗涤2～3遍，再用样品水涮洗2～3遍，最后再将采集的水样过滤后装入1000ml玻璃瓶中。每个样品采集4瓶，其中原水样品，加酸(稀HNO3)样品，加碱(NaOH)样品和稳定同位素样品各一瓶。pH、TDS、Eh、温度和DO野外现场测定。系统编号后送往河北省水环境监测实验中心实验室测试。原水样品控制从采样到测定的时间不超过30天，酸化和碱化水样分别控制不超过10天和2天。为监控采样质量，按不低于5%的采样比例采集平行样；每批次样品均按比例插入标准物质，重复试样和空白样，同时随机抽取20%的试样作为检查分析样，确保每批次重复分析相对偏差合格率不低于90%。

2 结果与讨论

2.1 水化学类型

煤矿开采前后的岩溶水水化学piper图如图2所示。煤矿开采前后的岩溶水均落于三线图的左上角，水化学类型变化不大，仍主要为HCO3—Ca.Mg(Ca)，HCO3.SO4—Ca.Mg(Ca)，SO4.HCO3—Ca.Mg型水，说明采矿活动并未造成其化学场发生根本变化。

图2 不同时期岩溶水水化学三线图

2.2 水质污染

2.3 岩溶水水流系统

煤矿开采前后岩溶水的水流速度明显存在差异。开采前的岩溶水流速代表了背景流速，遍布A区、B区和C区，具有复杂的水动力背景特征，这与该地区岩溶水存在三个不同特征的径流带[10]有关。开采后的岩溶水多落于B区、B1和B4区，均反映为中等径流区特征，说明煤矿开采已破坏了岩溶水原有水流系统，由复杂化的水流系统演变呈单一水流系统，强径流带消失，中等径流带和弱径流带发育。煤矿开采促使岩溶水流率呈变慢，水力梯度呈变大趋势发展，这与开采强化疏水形成众多的降落漏斗有直接的关系，翟立娟[11]经调查发现该地区岩溶地下水流场已演变成以矿井排水点为中心的若干个降落漏斗型水流系统。地下水漏斗的发育，改变了岩溶水径流方向，造成局部地下水流系统发育，流速变慢，水力梯度变大。

图6 不同时期的岩溶水矿化度与Cl-关系图

2.4 矿物溶解

2.5 重金属元素检出

煤矿开采前岩溶水检出重金属元素为Hg、Fe和Zn，检出率分别为16.73%、52.48%和16.25%；开采后检出的重金属元素明显增多，为Hg、Fe、Zn、Cr和Mn，且检出率也明显提升，分别提高至40.91%、68.18%、18.18%、13.63%和18.18%。检出浓度也随采矿时间呈正比增长关系，以Hg为例，1980年岩溶水检出浓度最高值为0.0002mg/L，平均浓度为0.00012 mg/L；采矿近30年后，2012年检出浓度最高值为0.0006mg/L，平均0.00018mg/L。

2.6 含水层间的水力联系

医院药品费用是一个复杂的研究对象，笔者运用层次分析法建立医院药品费用影响因素评价指标分层模型，拟建了医院药品费用影响因素指标体系。对医院药品费用的影响因素进行定性和定量研究；根据医院药品费用影响因素指标体系建立了控制监督评分标准。同时，将医院药品费用控制监督评分标准与实例结合，用以评价医疗机构的药品费用控制水平，该评价指标才更能体现出现实意义。

图9 重金属元素检出率

图10 重金属元素检出浓度(除Hg单位为ppb外，其余均为ppm)

不同的含水层因温度和补给高程的不同，氢氧同位素应存有明显的差异[14-15]。岩溶水的氢氧同位素δD值介于-70.0‰～-63.0‰，δ(18O)值介于-8.7‰～-9.7‰；孔隙水δD值介于-65.0‰～-59.0‰，δ(18O)值介于-8.9‰～-8.2‰；煤系基岩水δD值介于-77.0‰～-70.0‰，δ(18O)值介于-9.6‰～-10.0‰(图10)。

设定岩溶水δD和δ(18O)的背景范围(1987年袁志梅等[16])为δD值介于-70.0‰～-66.0‰，δ(18O)值介于-9.4‰～-9.0‰，该部分岩溶水直接来源于高海拔基岩裸露区的降雨入渗补给(图11)。

图11 煤矿开采后矿区地下水氢氧同位素分布图

部分岩溶水与矿井水，部分孔隙水和煤系基岩水混在一起，说明煤矿开采造成了各含水层间水力联系明显加大。其中位于左下方的岩溶水明显受到了煤系基岩水的补给，与煤系砂岩水水力联系加大。传统观念普遍[17-18]认为：该地区岩溶水为典型的“单斜构造分散径流集中排泄岩溶水系统”，岩溶水水位远高于煤层，水压大。井田内承压区煤系水一般不会向下伏奥灰岩溶裂隙含水岩组径流，即煤系砂岩水不可能补给岩溶水。事实明显与传统观念相违背，可能由于煤层的长期大规模开采，采空塌陷造成下覆底板的原有裂隙进一步发育，当岩溶水水位持续下降到低于煤层造成煤系基岩水反向补给岩溶水。

滏阳河水也与岩溶水混合在一起，同时位于背景区间右上方的岩溶水也孔隙水等混合，说明岩溶水与河水，孔隙水等也存有明显的水力联系，说明煤矿开采造成区域含水层结构严重破坏，间接顶板含水层(孔隙水)和河水也伴随其水位的下降开始反向补给岩溶水。

3 结论

[1] 闫玉梅，秦鹏，吴振岭，等.峰峰矿区煤炭开采对岩溶地下水环境的影响研究[J].中国矿业，2010，19(12)：120-125.

[2] 吴振岭，白喜庆.峰峰煤矿区岩溶地下水流场演化规律[J].地下水，2009，31(2)：23-27.

[3] 王焰新，孙连发，罗朝晖，等.指示娘子关泉群水动力环境的水化学-同位素信息分析[J].水文地质工程地质，1997(3):1-5.

[4] 王焰新，高旭波.人类活动影响下娘子关岩溶水系统地球化学演化[J].中国岩溶，2009，28(2)：103-122.

[5] 韩宝平，郑世书.煤矿开采诱发的水文地质效应研究[J].中国矿业大学学报，1994，23(3)：70-77.

[6] Xiaojuan Qiao, Guomin Li,Ming Li, et al. Influence of coal mining on regional karst groundwater system: a case study in West Mountain area of Taiyuan City, northern China[J].Environmental Earth Sciences,2011,64(6):1525-1535.

[7] Lin hua Sun,Herong Gui,et al.Geochemistry of rare earth elements in groundwater from deep seated limestone aquifer in Renlou Coal Mine, Anhui Province, China[J].Journal of Central South University,2011,18(5):1646-1653.

[8] 陈仁舜，韩惠中，刘瑛，等.邯郸环境水文地质研究资料集[R].1988.

[9] 林曾平，胡宽瑢.峰峰水文地质单元中奥陶统灰岩水文地质分区和开发治理规划的建议[R].邯郸环境水文地质研究资料集，1988.

[10] 杜淑英，郝旭，王进杰.峰峰黑龙洞泉域地质构造对基岩地下水的控制作用[J].河北煤炭建筑工程学院学报，1994，1(1)：17-23.

[11] 翟立娟.华北型煤田煤炭开采对岩溶水影响方法探讨[J].中国煤炭地质，2012，24(11)：30-35.

[12] 钱会，马致远.水文地球化学[M].北京：地质出版社，2005:25-88.

[13] 杨策，钟宁宁，陈党义.煤矿开采过程中地下水地球化学环境变迁机制探讨[J].矿业安全与环保，2006，33(2)：30-35.

[14] Ian D,Peter F.张慧(译).水文地质学中的环境同位素[M].郑州：黄河水利出版社,200:28-46.

[15] 陈骏,王鹤年.地球化学[M].北京：科学出版社,2004:115-120.

[16] 袁志梅,王怀颖,王瑞久.邯邢地区岩溶地下水系研究[R].1988.

[17] 中国煤炭地质总局水文地质局.我国大型煤炭基地区域含水层保护战略研究[R].2011.

[18] 方向清，傅耀军.采煤对峰峰矿区黑龙洞泉岩溶水系统影响程度评价[J].中国煤炭地质，2012，24(3)：25-30.

The impact of nearly 30 years mining activities on the hydrochemistry characteristic of karst groundwater in Fengfeng coal mining area