五彩湾矿区冲洪积细砂型包气带防污性能评价

陈 凯 王文科,2 马文清 张紫昭,4 储春妹

(1.新疆大学地质与矿业工程学院，新疆自治区乌鲁木齐市，830046；2.长安大学环境科学与工程学院，陕西省西安市，710054;3.新疆地矿局第一水文工程地质大队，新疆自治区乌鲁木齐市，830091；4.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏省徐州市，221116)

准东煤田是我国规划建设的第14个能源基地之一，同时也是国家“一带一路”倡议矿产资源开发的核心区域之一。准东煤田位于新疆昌吉回族自治州境内，煤炭预测地质储量3747.6亿t，该能源基地煤炭储量大，储存条件好，煤质以长焰煤、不沾煤和弱粘煤为主，适用于煤电煤化工生产。因此，对五彩湾一号矿井煤炭资源的开发和利用，不仅可以带动整个五彩湾矿区的发展，同时也对新疆区域经济的发展具有重要的促进作用。

近几年，许多专家和学者对准东煤田开发引起的地质和环境问题进行了不同方面的研究，但是对于准东煤田开采所引起的地下水环境问题和生态效应破坏问题的研究则相对比较欠缺。因此，本文以五彩湾矿区一号矿井为研究对象，在对研究区自然地理概况和地质条件全面分析的基础上，首先对五彩湾矿区一号矿井包气带的地层岩性和分布规律进行分析，接着通过渗水试验对研究区包气带的防污性能进行了研究和评价，最后对研究区内土壤质量进行了分析和评价。通过对五彩湾一号矿井包气带防污性能的研究，可以为干旱-半干旱矿区的安全开采以及生态环境评价提供地学基础。

1 研究区地质条件

1.1 气象水文

研究区属大陆干旱荒漠气候，年温差和昼夜温差变化较大。5-9月高温炎热，白天气温常在40℃以上，绝对最高气温可达41.2℃；12月至次年2月气候严寒，绝对最低气温可降至-49.8℃(1969年1月26日)；5-8月偶有雷阵雨，冬季积雪稀少；冰冻期5个半月，冻土最大深度为1.3 m。根据研究区2015年气象资料显示，该区降雨量为46.1 mm/a，蒸发量为1501.8 mm/a。研究区内地表无常年水流，夏季降雨形成的暂时性水流多向西北方向排泄，部分在低洼地汇集蒸发，形成平坦的淤积泥板地。区内第四系分布广泛，由于水位埋深较浅，且受新近系上新统独山子组地层阻隔，因此在区内北部的部分地势低洼处形成地下水浅埋区。

1.2 地形地貌

研究区位于准噶尔盆地东南部，总体地势东南高西北低，海拔为474～506 m，最大高差为32 m。按照地貌成因和形态类型可将研究区划分为剥蚀准平原和风积沙漠两种地貌类型。其中主井工业场地和临时排矸场一带地形相对平坦，具有剥蚀准平原的地貌特征，而副井工业场地一带多见小型沙丘分布，地形略有起伏，风积沙漠的特征相对明显。

1.3 地层岩性

研究区内钻孔揭露的地层主要为三叠系中-上统小泉沟群、侏罗系下统八道湾组、三工河组、中统西山窑组、中上统石树沟群、白垩系下统吐谷鲁群、新近系上统独山子组以及第四系。

1.4 地质构造

研究区地质构造类型较为简单，该研究区位于帐蓬沟背斜的西翼，主要构造为火烧山背斜与西大沟向斜，其火烧山背斜和西大沟向斜在研究区北部走向均为近南北向，临近研究区走向转为北东-南西向，并逐渐倾伏消失。

1.5 水文地质

研究区属天山北麓小河流域地下水系统北缘，根据研究区地下水的赋存条件、含水层的结构特点及富水性性质，将区内地下水类型划分为五个含水岩组和一个相对隔水岩组。

研究区地下水类型以第四系松散岩类孔隙潜水为主，其地层岩性主要以细砂和砂砾石为主。地下水由东南向西北方向径流，地下水位埋深均小于10 m，地下水位标高在470～500 m之间，水力坡度为0.002～0.003。此外，区内地下水主要接收上游侧向径流补给，排泄方式主要包括以向下游侧向径流、蒸发、蒸腾的方式排泄以及未来矿坑的疏干排水。

2 研究区包气带特征分析

研究区内包气带岩性均为第四系上更新统冲洪积细砂型，该类冲洪积细砂型包气带结构在准东煤田能源基地具有一定的广泛性，其包气带厚度分布较均匀，一般小于3 m，其中在主井工业场地包气带厚度为1.94 m，其包气带地层剖面柱状图如图1所示，副井工业场地包气带厚度为1.35 m，临时排矸场包气带厚度为1.21 m，副井工业场地南侧约1.2 km处包气带厚度为0.90 m。研究区包气带厚度等值线图如图2所示。

由图2可以看出，区内南部包气带厚度呈现出由南向北逐渐减小的分布规律，南部地区包气带厚度一般为4～6 m，而向北至工业场地一带，包气带厚度减小至1～2 m，局部地区小于1 m。在准东公路沿线一带，由于下部新近系隆起，第四系孔隙水富水性变差，渗透系数减小，地下水位埋深也随着增大，包气带厚度一般为4～6 m，钻孔KT4周围包气带厚度大于8 m。而内区东北角由于地势急剧降低，水位埋深又逐渐增大，一般为2～4 m，探井TJ6周围包气带厚度小于2 m。总体来看，区内包气带厚度变化趋势并不明显，空间分布较均匀。

图2 研究区包气带厚度等值线图

3 研究区包气带防污性能评价

原位渗水试验是野外测定包气带非饱和岩层渗透系数的一种简易方法，最常用的是试坑法、单环法和双环法。此外，为了达到消除垂向渗水过程中侧向渗流不利影响的目的，通常会采用双环法。同时，双环法测定渗透系数精度也比单环法和试坑法要高，并且具有其装置操作简单和数据处理容易的特点。因此，在水文地质参数测定中应用广泛。

3.1 试验地点的选取

在对研究区自然地理概况和地质条件分析的基础上，分别在研究区1号矿井的主井工业场地、副井工业场地、临时排矸场和副井工业场地南侧等4处位置分别布置1组双环法渗水试验。

3.2 试验方法和过程

在4个典型的渗水试验地点开挖一定规格的试坑，准备2个铁环，高度在30～50 cm之间，外环直径为50 cm，内环直径为25 cm，2个铁环同心放置。在试验过程中要保证2个铁环内注水的同步性，并且使内环和外环的水头高度保持一致，一般为10 cm。此外，按一定的时间间隔进行水流量监测，当连续两次监测水流量之差不大于5%时，即可认为达到相对稳定。此时可通过达西定律得出五彩湾矿区一号矿井冲洪积细砂型包气带的渗透系数见式(1)：

(1)

式中：K——渗透系数，cm/s；

Q——入渗的稳定流量，cm3/s；

ω——内环面积，cm2。

3.3 试验结果及分析

根据研究区选取的4处渗水试验地点、试验方法、试验过程以及试验原理，对研究区各试验点渗透系数进行了计算，包气带渗透系数计算结果见表1。

表1 包气带渗透系数计算结果

由表1结果可以看出，研究区内主井工业场地、副井工业场地、临时排矸场以及副井工业场地南侧的渗透系数分别为0.009 cm/s、0.007 cm/s、0.005 cm/s和0.007 cm/s，根据国家规范《环境影响评价技术导则地下水环境》(HJ610-2011)中对包气带渗透性能的评判标准可看出，五彩湾矿区一号矿井冲洪积细砂型包气带的防污性能均为“弱”级别。

4 研究区土壤质量分析

当后续矿井开发后，产生的煤矸石势必会对研究区的土壤和地下水造成一定污染和影响。因此，在区内工业场地上游、下游以及临时排矸场上游、下游等位置进行了土壤样采集工作。通过土壤环境质量评价结果可知：在工业场地上游及下游、临时排矸场上游及下游采集的4组土壤样品，并按照国家规范《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)进行了评价，其评价结果显示：各项检测项目均未超标。由于五彩湾矿区一号矿井目前尚未开采，因此浸溶试验选择在煤质相似的天池能源大井矿区南露天煤矿进行。本次共在该矿井2处位置采集了煤矸石样品，每处样品均采集5组进行平行检测样，共计采集10组样品。检测项目包括pH、总铜、总锌、总镉、总铅、总铬、六价铬、总汞、总铍、总钡、总镍、总银、总砷、总硒、烷基汞、无机氟化物、氰化物、COD、石油类、挥发酚、硫化物、锰、总硬度、溶解性总固体、硝酸盐、亚硝酸盐、硫酸盐、氯化物以及苯并(a)芘等29项。

按照《危险废物鉴别标准》(GB5085.3-2007)对煤矸石浸出液进行危险废物鉴别，鉴别结果显示：10组煤矸石样品浸出液中各项目检测值均未达到危险废物的限值，因此判定煤矸石不属于危险废物，为一般固体废物。经与《地下水质量标准》中的Ⅲ级标准值对比发现，煤矸石样品浸出液中各项目均未超标，因此判定后期矿井开发后产生的煤矸石经雨水淋滤后不会对五彩湾一号矿井的地下水造成污染和影响。

5 结论

本文通过对新疆五彩湾矿区一号矿井冲洪积细砂型包气带结构防污性能的分析和研究，可以得出以下结论：

(1)研究区位于准噶尔盆地东南部的五彩湾地区，勘察区内第四系含水层分布广泛，地下水类型为松散岩类孔隙潜水，含水层岩性主要为细砂和砂砾石。

(2)研究区内包气带岩性为第四系上更新统冲洪积细砂型，该类冲洪积细砂型包气带结构在准东煤田能源基地具有一定的广泛性，其厚度一般小于3 m，且区内包气带厚度变化趋势并不明显，在空间分布上呈现出“南北厚中间薄”的特征。

(3)通过对研究区包气带防污性能的研究，其渗透系数在0.005～0.009 cm/s之间，防污性能评价级别均为“弱”等级；此外，通过对土壤环境质量评价结果可知，研究区内土壤各项检测项目均未超标；最后，根据对煤矸石浸出液进行浸溶试验可知，10组煤矸石样品浸出液中各项目检测值均未达到危险废物的限值，因此判定煤矸石不属于危险废物，并经雨水淋滤后也不会对地下水造成污染。

参考文献：

[1] 尹淮新. 新疆准东煤田应用煤炭地下气化技术的探讨[J]. 中国煤炭, 2009(5)

[2] 刘巍, 王涛, 汪君等. 准东煤田露天矿区降尘、土壤重金属分布特征及生态风险评价[J]. 中国矿业, 2017(1)

[3] 李鑫, 庄新国, 周继兵等. 准东煤田中部矿区西山窑组巨厚煤层煤相分析[J]. 地质科技情报, 2010(5)

[4] 曾强, 李根生, 金士魁等. 准东大井矿区主采煤层自燃氧化特性试验研究[J]. 中国矿业, 2017(1)

[5] 杨建军, 张园园, 周耀治等. 新疆准东露天煤矿生态安全评价研究[J]. 中国矿业, 2015 (10)

[6] 李杰彪, 苏锐, 周志超等. 高放废物处置库预选场址包气带土壤渗透性研究[J]. 土壤学报, 2015 (6)

[7] 丁志农. 污水下渗型地下水反漏斗的污染预测[J]. 工业安全与环保, 2008 (6)

[8] 陈凯, 王文科, 李崇博等. 准东煤田五彩湾矿区一号矿井水文地质条件分析[J]. 中国矿业, 2018(3)

[9] 陈凯, 王文科, 李升等. 准东煤电二号矿井包气带结构渗透性能研究[J]. 中国矿业, 2017(7)

[10] 马文清. 五彩湾矿区一号矿井地下水水文地质参数获取的试验研究[J]. 地下水, 2017 (3)