北方岩溶区煤炭开采对地下水的影响研究

2019-09-10王振兴侯新伟李向全张春潮桂春雷左雪峰

人民黄河 2019年2期

王振兴侯新伟李向全张春潮桂春雷左雪峰

摘要：位于三姑泉域的晋城矿区是我国最大的无烟煤生产基地，煤炭大规模持续开采引发了含水层结构破坏、地下水循环变异、水质劣变等水环境问题。从煤层与各含水层叠置关系出发，以地下水系统理论为指导，针对煤层顶部的孔隙含水层、裂隙含水层以及煤层底部的岩溶含水层，系统分析了煤炭开采对各含水层的破坏模式，评估了地下水水质的污染程度及主要超标因子，揭示了煤炭开采是泉城内各含水层水质劣变的主要原因。将三姑泉域地下水系统划分为浅部地下水流系统、深部地下水流系统以及局部地下水流系统3个层次结构，建立了煤炭开采条件下的地下水循环模式，完善了采煤条件下地下水循环理论。

关键词：煤炭开采;含水层破坏：地下水循环模式：三姑泉域

中图分类号：X523

文献标志码：A

doi：10. 3969/j .issn. 1000- 1379.2019.02.016

三姑泉域是我国北方岩溶特征最典型的地区之一[1]。泉域汇水面积大，地下调节库容大、排泄集中，建有大型供水水源地，为晋东煤炭基地的建设提供了有力保障。晋东煤炭基地的晋城矿区位于三姑泉域，是我国最大、最重要的优质无烟煤生产基地，无烟煤产量占全国的1/4。煤炭资源大规模开采，一方面推动了矿区国民经济持续稳定发展：另一方面对三姑泉域含水层结构及区域地下水环境产生了一定影响，地下水资源的自然赋存条件遭到严重破坏，加剧了区域水资源供需矛盾。相关水文地质问题包括含水层结构破坏、地下水水位下降、泉流量衰减和水质劣变等。

为减小煤炭开采对地下水的影响，有关学者提出了采煤对岩溶含水层的破坏类型[2].总结了煤炭开采的浅层地下水运移规律[3].探讨了矿区地下水环境影响评价等级确定方法[4]，概算了山西省被破坏的水资源量[5]，对采煤条件下浅层地下水流场变化规律[6]等进行了研究。这些成果为矿区地下水资源科学保护与利用提供了参考，但是前人研究涉及区域广、水文地质类型多、观测数据少，针对典型北方岩溶区多层含水层的相关阐述尚不充分。本文以三姑泉域为例，在1：5万水文地质图基础上[7]，研究北方岩溶区煤炭开采对各含水层水质、水量的影响，并构建了煤炭开采条件下地下水的循环模式。

1 研究区概况

三姑泉域位于山西省东南部太行山西侧，泉域面积3 214 km[7]。四面高山环绕，中部地势低且呈波状起伏，形成宽阔的山间盆地和丘陵。泉域多年（1965-2015年）平均降水量为593.66 mm。区内主要河流为丹河，三姑泉出露于泽州县河西乡孔庄村东北5 km处的丹河河谷两岸，泉流量为4.0 m/s。泉域近年地下水天然水资源量为3.95亿m/a.地下水开采量为1.9亿～2.4亿m/a[7]。含水岩组为松散岩类孔隙含水岩组、碎屑岩类裂隙含水岩组、碎屑岩夹碳酸盐类裂隙岩溶含水岩组和碳酸盐岩类岩溶含水岩组，见图1。

晋城矿区位于沁水煤田南端，是国家首批建设的14个大型国家规划矿区之_[8].主要煤矿有凤凰山煤矿、古书院煤矿、赵庄煤矿、长平煤矿等。晋城市煤炭开采规模为9 000万t/a.三姑泉域内煤炭企业开采规模为4 230万t/a（2014年）。煤矿主要分布在高平一巴公一晋城一南村一带的盆地一低缓丘陵区。

2 研究区含水层与煤层的空间叠置关系

矿区主要含煤地层为山西组和太原组[9].山西组3号煤层、太原组9号和15号煤层为主采煤层。煤层上覆含水层为第四系孔隙含水层、石炭二叠系裂隙水（包括二叠系K7、K8以及其上的厚层砂岩裂隙含水层和石炭系K1～ K6多层砂岩与灰岩的碳酸盐岩夹碎屑岩类岩溶裂隙含水层），下伏奥陶系、寒武系岩溶含水层[10-12].见图2。研究区大部分煤层位于岩溶水位上，平面位置上，各规划矿区基本位于岩溶水系统的强径流带上，见图3、图4。研究区煤层埋深为80～200 m.目前的开采方式为机械大型综采。矿山开采、高耗水重污染能源工业引起了水资源短缺、水质污染等一系列水环境问题[13～15]。

3 煤炭开采对地下水的影响

到2015年，泉域内共有煤矿86个。煤炭生产过程中采空区煤层顶板发生垮落，导致部分地区孔隙水和裂隙水水位下降，甚至被疏干，同時间接影响岩溶水系统[16]。2015年晋城市煤炭资源开采量较2006年增长了20%.其变化趋势见图5，可以看出地下水开采量与煤炭开采量呈现较为一致的变化趋势。同时调查发现[7]，采煤对含水层以及水资源的影响程度与煤炭开采量成正比。计算发现，2014-2015年采矿活动对煤层以上含水层的破坏与影响面积达550 km.占矿区面积的44%，占整个泉域面积的17%[7]。

3.1 矿井水水质状况

研究区18组矿井水水样分析发现，矿井水水质以Ⅳ类、V类为主，Ⅳ类、V类水比例为88%。山西组矿井水评价结果为Ⅲ类、Ⅳ类，水化学类型为HCO3型;太原组矿井水水质较差，以Ⅳ类、V类为主，水化学类型为HCO3.S04型或S04.HC03型。矿井水的超标组分主要有硬度、溶解性总固体（TDS）、硫酸盐、重金属，见表1。这一结果与各含水层水质超标类型基本一致，证明了各含水层水质劣变的根源为采矿活动。

3.2 采煤对孔隙含水层的影响

研究区孔隙水分布与煤矿分布基本一致（见图1、图3）。近年来受采煤活动影响，孔隙含水层水位逐年下降，水井不断报废。1950年巴公盆地地下水水位埋深为2～3 m，到1979年107眼水井中仅有33眼水井有水[7，17]。到2014年研究区内巴公盆地、北石店盆地、晋城盆地及河谷平原孔隙水仍在持续下降（见表2），盆地内仅部分水井在雨季能少量抽水，而远离采空区的大型河谷孔隙水受影响较小。

煤炭大规模开采前（1979年）研究区孔隙水化学类型绝大部分为HCO3.S04-Ca.Mg型，TDS含量为300—750 mg/L;2014-2015年调查结果显示，盆地孔隙水化学类型为HCO3.SO4-Ca、SO4.HCO3-Ca型，北石店、巴公盆地TDS含量为650～1 420 mg/L。对比煤炭开采前后孔隙水水质发现，煤炭开采导致孔隙水TDS大幅升高。采集的33组孔隙水水样评价结果显示，Ⅳ类、V类水比例为71%，超标指标为硫酸盐、硬度及三氮。

受煤层开采影响的孔隙水存在如下特征：导水裂隙带发育至孔隙含水层，孔隙水水位较自然状态下大幅下降，直至与矿坑排泄量达到平衡。同时采煤区矿坑排水排向水井旁河道，下渗至孔隙含水层，地下水在此状态下完成一次人为干预的循环。在此循环过程中，地下水水位随矿坑排水呈动态波动，矿坑污染介质通过循环进入孔隙含水层，污染浅层地下水水质，见图6。

此外，研究区存在大量煤矸石堆积体，堆积体的孔隙度、渗流系数大，导致此处形成一个富水的“海绵体”，见图7。大气降水人渗补给煤矸石堆“海绵体”，再向周边裂隙、孔隙含水层渗流补给，污染周边孔隙水，研究区大型煤矸石堆积体周边30 m内的浅层孔隙水的TDS均大于1.5 g/L。

3.3 采煤对石炭系、二叠系裂隙含水层的影响

除研究区西北部煤炭未开采区外，大部分裂隙水均受煤矿开采影响。开采山西组3号煤层直接破坏K8砂岩含水层，开采太原组9号、15号煤层直接破坏K2—K7灰岩、砂岩含水层（见图2）;导水裂缝带发育高度高的地区，还会导致K8或K7以上的砂岩层受到破坏，导水裂隙带甚至发育到地表，周边地下水、地表水均流向采空区。受煤炭开采影响，裂隙含水层漏失或疏干，造成井水、泉水干枯，当地居民生活用水紧缺[18-19]。如晋城古八景之一的流碑泉、大车渠泉、锦溪泉等已干枯断流多年，见表3;金村镇马沟村、高都镇泊村东中层裂隙水井因煤炭开采而干枯：晋城城区北部的一眼自流井在20世纪60年代承压水头高于地面2.6 m.2014年水位已降至地表以下44.9 m.见表4（其中“+2.6”指自流井承压水位在地面以上2.6 m）。

煤炭大规模开采前（1979年）研究区裂隙水为HC03.SO4-Ca.Mg型或HCO3.S04-Ca型.TDS含量为100～ 500 mg/L。2014-2015年调查结果显示，研究区水化学类型仍然为HCO3.SO4-Ca.Mg型，但TDS含量明显升高。在北部地區，即寺庄镇一杨村镇一线以北地区，裂隙水TDS含量小于700 mg/L，水化学类型以HCO3型或HCO3.SO4型为主，个别水样的硫酸根离子、硬度和氨根离子含量超过Ⅲ类水标准。在中部地区，即寺庄镇一杨村镇一线以南，裂隙水TDS含量大部分为900～1 500 mg/L，少数裂隙水TDS含量小于900 mg/L，个别水样的TDS含量约为2 000 mg/L。采集的115组裂隙水水样，评价结果显示Ⅳ类、V类水的比例为66%，超标指标为硫酸盐、硬度及重金属，与煤炭开采直接相关。

煤炭开采改变了裂隙水的循环模式，部分矿区的导水裂缝带直达地表，影响煤层之上所有含水层的地下水循环条件，原本沿地势向沟谷或第四系排泄的地下水全部排向采空区。地下水侧向流出量变为零，使得接受补给的孔隙水水位下降，不再向河流排泄，在部分地段孔隙水由排向河流变为接受地表水补给，导致部分河段干涸[20]，见图8。

3.4 采煤对奥陶系、寒武系岩溶含水层的影响

采煤未直接破坏岩溶含水层，但是间接影响岩溶含水层的补给来源、开采量及水质[16]。研究区岩溶水水位持续下降，从补给区、径流区到排泄区，岩溶地下水出现不同程度的水位下降，岩溶地下水的泉流量也呈下降趋势，见图9。

煤炭大规模开采前（1979年）三姑泉域岩溶水为HCO3-Ca型或HC03-Ca.Mg型，TDS含量小于1 000mg/L，一般为280～900 mg/L，为低矿化的淡水;2014-2015年水化学类型为HC03 - Ca型、HCO3.S04-Ca.Mg型、S04.HC03-Ca.Mg型、S04.HCO3-Na.Ca型，TDS含量为218～2 411 mg/L，低TDS含量的岩溶水主要集中在灰岩裸露区。采集的240组岩溶水水样评价结果显示，Ⅳ类、V类水的比例为60%，超标指标为硫酸盐、硬度、TDS及重金属。对比图3、图10可以看出，岩溶水水质较差区域与矿区分布基本一致，具有明显相关性。引起岩溶水水质变化的原因主要有：矿坑污水和煤矿、煤化工生产废水排放至地表河谷，流经河谷的渗漏段，进入岩溶水：下组煤开采后，岩溶底板的导水裂缝增加了岩溶水与矿坑水的水力联系，致使矿坑水进入岩溶水系统的概率增大;与煤炭生产、运输相关的粉尘以及硫氧化合物进人大气导致大气降水水质变差，进而在补给区进入岩溶水。

引起岩溶水水位下降的原因[21]主要有：煤炭开采引起煤系地层之上的孔隙水、裂隙水水位下降甚至疏干，使得这些含水层直接补给、越流补给岩溶含水层的水量减少;煤炭开采后，浅部地下水通过导水裂缝直接渗漏到采空区，或以矿坑排水的形式排走，致使直接或以侧向径流方式补给河流的水量减少，进而使地表水渗漏补给岩溶水的水量减少：浅部含水层疏干，导致居民集中供水、大型煤矿、煤化工、煤电厂对深部岩溶水的开采量增大。煤炭开采条件下岩溶水循环模式见图11。

4 三姑泉域煤炭开采条件下地下水循环模式构建

依照采煤后储水介质的特征和地下水的补给、径流、储存和排泄条件的变化情况，将三姑泉域地下水系统划分为三个层次结构，即受地形地貌控制的浅部地下水流系统、受区域构造控制的深部地下水流系统、受采煤影响的局部地下水流系统，见图12。

（1）浅部地下水流系统。浅部地下水流系统主要指丘陵盆地区孔隙裂隙水系统，地下水补给来源主要为大气降水补给，径流方向受地形地貌及风化裂隙带发育条件控制，向丹河各支沟排泄。浅部地下水流系统与大气降水和地表水联系相对比较密切，径流距离较短，TDS含量一般为300～ 500 mg/L。

（2）深部地下水流系统。深部地下水流系统主要指深部岩溶水系统，地下水的补径排条件受区域地质构造、地层岩性、地表水体等多种因素影响。地下水补给方式主要为在泉域东部灰岩裸露、半裸露区直接接受大气降水人渗补给，在河谷和水库区接受地表水体的渗漏补给，在隐伏岩溶区接受上覆地层的越流补给：岩溶地下水总的径流方向为自东向西、由北向南，最后集中在郭壁一三姑泉一线的丹河河谷排泄，此外区内的人工开采也是主要的排泄途径之一。深部地下水流系统的径流距离长，径流缓慢，TDS含量一般大于500mg/L，甚至超过1 500 mg/L。

（3）局部地下水流系统。局部地下水流系统主要指受煤炭开采的石炭二叠系含水层系统，其接受大气降水、上覆含水层垂向补给以及周边含水层侧向补给。受煤炭开采影响，径流方向发生改变，地下水沿导水裂隙带向煤炭开采区汇集成为矿坑水。在区域上形成降落漏斗，部分地区甚至成为浅层地下水疏干区。最终通过人工排泄或者溢流的方式汇人丹河。由于与含水地层岩性以及采空区煤层性质有关，因此其TDS含量一般为500—1800 mg/L。

5 结论

通过地下水质量评价发现研究区矿井水、孔隙水、裂隙水、岩溶水的Ⅳ类、V类水质比例分别为88%、71%、66%和60%。各含水层水质比煤炭开采前明显劣化，且超标因子与矿坑水一致，Ⅳ类、V类水分布区与煤矿分布相关，因此各含水层水质劣化的根源为采矿活动。三姑泉域煤炭开采对煤层以上的第四系孔隙含水层和石炭系、二叠系裂隙含水层的影响是直接破坏含水层。各个含水层地下水循环从原来的自然状态转变为以采空区为集中排泄点的循环模式。煤炭开采对岩溶含水层的影响是间接影响水资源，煤炭生产使得岩溶水开采量增加、越流补给量和河流人渗量减少，导致岩溶水水位下降：补给源及径流途径受到采煤污染，进而影响岩溶水质。依照采煤后储水介质的特征和地下水补给、径流、储存、排泄条件的变化，将三姑泉域地下水系统划分为受地形地貌控制的浅部地下水流系统、受区域构造控制的深部地下水流系统、受采煤影响的局部地下水流系统3个层次结构，建立了不同含水层各个层级的煤炭开采条件下的地下水循环模式，完善了采煤条件下地下水循环理论。

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