山西省煤炭开采对水资源影响及矿井水利用现状分析

陈郭静

(阳泉煤业集团有限公司 二矿,山西 阳泉 045000)

1 山西水资源特点分析

山西省水资源的特点是总体短缺、分布不均且地下水超采严重。

1)水资源总体短缺。根据2005年进行的山西省第二次水资源评价结果显示,全省平均水资源总量为123.8亿m3,比1982年的第一次评价结果142亿m3减少约18亿m3,减少的幅度为12.9%。按照目前全省约3 245万稳定居住人口计算,每人对水资源的平均占有量只有382 m3,是全国淡水资源人均占有量的1/6,比全世界人均严重缺水界限低118 m3。每亩耕地平均占有的水资源量仅为190 m3,是全国耕地亩均水资源占有量的的1/11,水资源指数位列全国第29位[1]。

2)地下水超采严重。各地市县的统计资料显示,山西省抽采地下水约7亿m3/a,因超采严重而引发超采区面积不断扩大,岩溶泉水流量逐年减少,甚至出现断流现象。煤炭开采破坏地层结构及地下水超采严重不仅疏干含水层导致地下水位下降,而且造成地面沉降出现裂缝和水质恶化等其他生态环境问题。

3)水资源分布不均。山西省地处我国北方,属于温带季风气候,各地区因水文地质条件不同及存在降水量区域差异而导致水资源分布不均匀。总体表现为东部、东南部地区水资源丰富,西北部地区极度贫乏[2]。东部、东南部地区约占省境湖河流量的42%,忻州、太原、临汾等腹部地区约占37%,西部地区仅占12%。

2 煤炭开采对水资源影响

2.1 煤炭开采对水资源影响造成经济损失

水资源受煤炭开采影响的某些直观损失可用经济价值量化说明,更多无形损失无法用经济价值量化表现,有些损失破坏甚至需要数年才能体现[3]。水资源受煤炭开采影响遭受的经济损失主要表现为:

1)煤炭开采造成人畜饮用水困难。据初步统计,山西省由于大规模煤炭开采破坏地下水资源已造成近1700个村庄约80万人、10万头牲畜最基本的饮用水困难。为了解决村民吃水和牲畜饮用水困难,每年开凿新水井或加深原有水井投资预算超过3亿元。

2)煤炭开采造成土地质量下降。煤炭开采最直接的就是破坏亿万年形成的稳定地层结构,含水层与采动裂隙沟通而引发地下水流失,地表河流湖泊水量减少,甚至干涸。受此影响,土地因缺水而导致质量下降,水浇地减少,旱地增多,粮食产量降低,直接影响农村经济发展和国家粮食安全。本世纪初的调查结果显示,山西省由于多年大量煤炭开采造成地下水流失而导致近10万亩高产量水浇良地退化为旱地,粮食减产超过50%,经济损失巨大。

3)煤炭开采造成水利设施破坏。全山西省有400多处水利工程不同程度地受到煤炭开采影响,其中40座小型水库,190处小型简易提升泵站,80万m输水管道,44万m水渠等水利工程遭受破坏严重,修复这些设施带来的直接经济损失每年超过7 000万元。

2.2 煤炭开采对水资源影响引发生态环境问题

我国北方的地下水资源原本就紧缺,经过近年山西省煤炭资源整合,矿井产量都很大,矿区常住职工及家属多,生产生活需要消耗大量的淡水资源,因供需失衡而导致矿区周围地下水位急剧下降。煤炭企业排放的生产生活污水不仅数量多,而且一般都含有重金属等有害物质,直接污染周围土地和地表河流,使得土壤性质恶化,农作物生长及人畜健康受到影响,地面出现裂隙、沉降等严重的生态环境破坏问题[4]。煤炭开采对水资源影响引发的生态环境问题可概况为以下几点。

1)扰乱地下水自然流场。煤层及地下含水层都是地层结构的组成部分,在亿万年地质构造运动形成的平衡状态下,各自的赋存条件不同。煤炭开采就是将埋藏于地下的煤层搬运至地面,在采动影响及重力作用下,采场周围岩层的自然平衡状态被破坏,地下含水层被采动裂隙导通而形成以采空区为中心的降落漏斗,地下水原有的补给、排泄条件被改变而流向采空区。在采场降落漏斗的影响范围内,地下水位下降,储量减少,原本的承压水转变为无压水,含水层转变为透水层,地表水井因失去补给来源而干涸。

2)影响“三水”转化关系。自然状态下,大气降水、地表河流湖泊水与地下岩溶水(简称“三水”)保持平衡的补给排泄关系。当煤层埋藏较浅时,采场“三带”(冒落带、裂隙带和弯曲下沉带)一般可连通地表,矿区地表排水通过采场裂隙进入浅部地层或采空区,由地表水转变为地下水,在下游转化为地表水而排出。

3)污染地下水环境。地下水环境受煤炭开采而引发的污染主要表现为采场裂隙将被污染的地表水导通到地下而污染地下水系、污染物在排污过程中向下渗漏而污染下部地层岩溶水、井筒等人工通道向井下导入污水。

4)造成地表水径流减少。当开采埋藏较深的煤炭资源时,采场裂隙一般不会延伸到地表,井下采掘空间与地表水不会产生直接的水力联系,煤炭开采活动不会对地表水产生直接影响。当煤层厚度大或采空区范围增大到一定程度时,地层开采沉陷面积和采场裂隙延伸至地表,地表水通过裂隙进入井下采掘空间而与地下采场发生水力联系,直接导致地表河流湖泊水减少、水库等水利设施的储水量下降。

5)形成漏斗区。当煤层被回采后,采空区上方岩层在采动影响及重力作用下垮落直至充满采掘空间,沿采场竖向形成冒落带、裂缝带和弯曲下沉带,三带范围内垂向裂缝发育多且宽度大,使得采空区上方煤岩系地层中的水向下渗漏而进入采掘空间或外排,以采场为中心形成水位下降漏斗区,导致浅部地层水枯竭。

6)造成植被破坏。煤炭开采造成地表植被赖以生存的浅部地层水资源枯竭和土地质量下降,一方面加大了地表水土流失,环境进一步恶化，另一方面地表没有植被覆盖而减少了大气降水渗漏,降雨时地表河流的洪水流量增大,浅部地层的储蓄能力降低。

3 矿井水利用途径及存在问题

根据山西省现有国有重点煤炭集团煤炭生产过程总排水量排序显示,大同煤矿集团公司居首,阳泉煤矿集团公司居末[5],两大集团每年的排水量分别为1 440万m3和345万m3。本世纪初山西省各大国有重点煤炭集团矿井水排放与利用统计结果见表1。

表1 矿井水排放与利用统计表Table 1 Water drainage and utilization in coal mines

3.1 利用途径介绍

在现有的生产技术条件下,矿井水最直接普遍的利用途径是经水仓简单沉淀过滤后,被用作井下喷淋降尘、地面洗煤补水等生产环节[6]。设备条件较好的煤炭企业,矿井水经过反渗透或电渗析深度处理后,用于如冲洗车辆及厕所、道路绿化洒水等地面生产生活公用事业用水。针对用水极度短缺的矿区,增加设备投入对矿井水进行深度处理后用于职工家属洗澡及生活直接饮用水。如大同煤矿集团公司青磁窑矿引进先进的水处理设备,矿井水经过超滤+反渗透处理后,水质可达到《我国城镇居民生活饮用水标准》的规定,缓解了矿区居民饮用水短缺的问题。

矿井水经处理达标后还可以用于农业灌溉、农村居民生活及林牧渔业生产水源。如晋城地区高平市永录乡在矿井排水口周围修筑拦水坝,矿井水被收集引流到报废的矿井存储而作为附近村庄生产生活水源。据统计,高平市充分发挥报废矿井存在大量地下空间的作用,已修建了30多处地下储水库,估算储水量超过了120万m3,4 200多亩旱地因此而转变为水浇地,2 100多亩原有的水浇地供水水源进一步得到改善。晋城市北石店乡的乡村办废旧矿井经过改造配套后成为储集周围矿井排水的地下水库,估算储水量超过150万m3,6 400多亩土地得到灌溉;北石店村农业园区的供水源基本为报废封闭矿井,园区的1 000多亩土地得到充足水源灌溉,矿井水能够保证养殖、绿化、旅游等用水需求,被评为全国农业综合开发矿区土地复垦示范区。

矿井水经处理达标后还可被用于市政建设和城市绿化。如晋城市阳城县南沟煤矿的矿井废弃水不仅用于农业灌溉等生产活动,还大量用于市政建设和城市绿化,改善了当地生态环境,促进了旅游业发展。

3.2 存在问题

1)山西作为全国产煤大省,各地市遍布有1 000多座煤矿企业。虽然煤矿数量多,但排水分散,矿井水不适合集中处理,只能通过煤炭生产企业增加设施设备进行处理。此外,矿井水的处理利用率普遍比较低,许多企业由于在矿井水处理设施设备方面投入资金较少而使得大部分矿井水未经任何处理直接排放,不仅污染环境,而且浪费水资源,加剧了矿区生产生活用水紧张的现状。

2)地下采空区大多被矿井水充满且无法利用,地下水的自然径流路线被改变,原有的地层储水构造因煤炭开采而被破坏,井下采掘工程中极易导通采空区水而引发涌突水事故,给矿井安全生产带来巨大安全隐患。

3)矿井水处理工艺不完善,具体表现为设计参数不科学、净水药剂选择或使用不当。矿井水一般都含有大量的悬浮物质,设计处理矿井水的设施设备时,未考虑其特殊的处理要求,简单借鉴江河湖泊水处理工艺参数,造成经过处理后的水质达不到使用要求。

4)矿井水处理设施设备建设及运营需要大量资金保障,近年由于煤炭行业整体低迷,企业利润减少,甚至出现亏损,资金投入少成为制约矿井水处理利用的关键因素。

4 结束语

矿产资源开发与用水紧张之间的矛盾已成为制约北方煤炭企业和当地经济发展的重要因素,随着企业运营者科学可持续发展观念和环境保护意识的提高,煤炭生产企业逐步改变了对矿井水的认识,开始认识到矿井水作为潜在水资源的利用价值。矿井水经处理由污水转变为水资源被加以利用是解决其直接排放污染环境和矿区生产生活用水短缺问题的最佳选择,可实现经济、环境和社会三方面的效益统一。