凯里市鱼洞河矿区矿井水水化学特征及污染地下水途径

2021-07-05张钟远陆治斌徐世光隗锦涛吴雄郑筏坤

地质灾害与环境保护 2021年2期

张钟远，陆治斌，徐世光,3，隗锦涛，吴雄,郑筏坤

(1.昆明理工大学国土资源工程学院,昆明 650093；2.贵州省地质环境监测院,贵阳 550004；3.云南地矿工程勘察集团公司，昆明 650041)

贵州省已查明的煤炭资源保有储量居全国第5位，含煤面积占总面积的40%以上[1]。鱼洞河煤矿区是贵州省黔东南州主要产煤地，矿山密集、历史悠久、开采强度大。随着煤矿产业的高效益发展，煤炭开采对水环境造成的影响，如地表水减少、地下水污染、水土资源环境改变等也伴随着整个开采过程[2-3]。由于历史原因，自 20世纪80年代开始的近20 a中，鱼洞河流域的煤矿开采处于无序状态，造成水质严重污染[4]。而大规模煤矿开采带来的尾矿堆积、废渣冶炼和酸性矿井水的排泄等加剧了区域水环境的重金属污染，成为煤炭开采面临的重要环境问题之一[5-6]。

随着人口的增长和经济的发展，我国土壤环境问题日益凸显，其中重金属是农田土壤的主要污染物。全国土壤污染调查显示，我国耕地土壤重金属点位超标率为19.4%，以Cd污染程度最重，超标率为7.0%[7-8]。与其他有机化合污染物相比，重金属在自然环境中更为富集、持久、不可逆，特别是进入水体后，除一小部分游离于水体外，绝大部分可以通过与有机物、黏土矿物和硫化物等的络合作用吸附于沉积物中，当环境因素(如pH、Eh、生物扰动等)发生变化时，沉积物中重金属会被再次释放，对水体造成二次污染[9]。它还将通过食物链转移到动物和人类，这将严重影响地表水资源的正常生产和利用。因此，研究水环境中重金属污染的特征具有重要意义。

本文针对贵州省凯里市鱼洞河流域内煤矿集中开采区的矿井水水化学特征分析，掌握煤矿区地表水体重金属污染迁移特征，为煤矿产地制订合理的污染控制措施，减少煤矿污染物向水体的迁移以及改善煤矿开采区水环境质量提供科学依据．

1 水文地质概况

鱼洞河流域总体西高东低，地表水受地形控制，泡木河、平路河为重安江的二级支流自西向东流，先汇入鱼洞河，然后进入重安江。区内地下水流向受地形地貌控制整体自西向东径流，鱼洞河与重安江的交汇处为该区地下水最低排泄基准面，高程563 m。鱼洞河流域上游地形相对较缓，第四系覆土相对较厚，且分布较为连续，下游平路河、泡木河两侧地形切割较强烈，坡度相对较陡，第四系覆土相对较薄，且分布不连续，多分布于缓坡、洼地、河谷地带。区内以碳酸盐岩分布为主，碎屑岩分布为辅，碎屑岩区将鱼洞河流域划分为东、西两个岩溶含水系统。中部碎屑岩为相对的隔水岩组，富水性弱，碳酸盐岩为相对的含水岩组，富水性中等。东部岩溶含水系统地层岩性主要为二叠系栖霞组(P2q)、茅口组(P2m)灰岩，西部岩溶含水系统地层岩性主要为寒武系娄山关组(∈3l)白云岩、奥陶系桐梓组(O1t)白云岩、红花园组(O1h)灰岩、二叠系栖霞组(P2q)、茅口组(P2m)灰岩。东部岩溶含水系统范围内分布大量的煤矿，分布较多的废弃矿井，地下水主要以矿井、暗河、岩溶大泉等方式排泄，矿井排泄的地下水多被污染，呈酸性。地下水主要以暗河、岩溶泉点等方式排泄。

2 样品采集与分析

分别在各个煤矿区采集典型的矿井水样一共14件，其水化学分析结果如表1所示。

表1 矿井水样水化学分析结果

3 结果与讨论

3.1 矿井水水化学基本特征

由表1可以看出，水样pH值变化范围为2.65～6.74，其中KJ02、KJ04为中性水；KJ13为弱酸性水；其余均为强酸性水。总硬度范围在246.18～1 869.95 mg/l之间，均值为 761.05 mg/l，最大值出现在半坡煤矿的样品点KJ07 。

图1 矿井水Piper三线图

根据试验数据分析的水质指标与《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)[11]进行对比后可分析出矿井水水质类型(表2)，从表中可以看出，除了KJ02的矿井水属于Ⅳ类之外，其余的矿井水均属于Ⅴ类水。煤矿山重金属污染主要为镉(Cd)污染，在样品分析中发现，KJ07与KJ10中的镉(Cd)浓度超过了Ⅴ类水的限值(>0.01 mg/l)，其中KJ07镉(Cd)浓度为0.017 mg/l，KJ10镉(Cd)浓度为0.012 mg/l。

表2 矿井水水质分类统计表

3.2 矿井水污染途径分析

3.2.1 矿井水环境

研究区矿层顶板为二叠系中统栖霞组(P2q)灰岩，岩溶管道极其发育，富水性强；底板为泥盆系上统尧梭组(D3y)白云岩，发育溶隙及溶孔，富水性较强；矿层为二叠系中统梁山组(P2l)炭质页岩、煤层、铝土岩、粘土岩夹砂岩，为隔水岩层。

在未开采矿产资源前，梁山组(P2l)将栖霞组(P2q)含水层和尧梭组(D3y)含水层阻隔，这两套含水系统未发生越流，栖霞组(P2q)和尧梭组(D3y)地下水通过岩溶排泄点排泄，均未受到污染。但在矿产资源开发的过程中，大多采用洞采的开采方式，大量开采矿产资源后形成了采空区，造成了采空区与矿层顶板的二叠系中统栖霞组(P2q)灰岩和底板的泥盆系上统尧梭组(D3y)白云岩直接接触，使得采空区将上下两套含水系统形成连通区，致使地下含水系统发生越流[12-13]。

3.2.2 典型矿山地下水污染分析

矿层顶板(栖霞组)泉点S1(图2)水体清澈透明，无明显可见物，但见周围岩石被侵染为黄褐色。矿层顶板(栖霞组)泉点S3(图3)清澈透明，无色无味，无岩石侵染情况，为周围居民集中式饮用水源点。矿层(梁山组)出水点S2(图4)由两个出水点汇集，水体透明，但有铁锈味，可见汇水区周围及沟底有黄褐色沉淀物。涌水矿井(KJ03)水体半透明状，呈米黄色可见周围岩石有黄褐色沉淀侵染情况(图5)。

图2 矿层顶板泉点(S1)

图3 矿层顶板泉点(S3)

图4 矿层出水点(S2)

图5 涌水矿井(KJ03)

当煤矿开采形成采空区后，矿层顶板含水系统(二叠系中统栖霞组岩溶水)与矿层底板含水系统(泥盆系上统尧梭组岩溶水)成一联通体系，顶板地下水通过矿层(二叠系中统梁山组)时，溶解、水解矿层中的矿物质(黄铁矿、菱铁矿)并搬运、迁移至底板地下水中，造成底板承压水也受到污染。

为评价该矿山开采对地下水的影响，特取得矿层顶板(P2q)泉水水样(编号S1、S3)，矿层(P2l)泉水水样(编号S2)，矿井涌水水样(编号KJ03)，再布置平路河上游及下游断面取样分析(上游断面编号H2，下游断面编号H1)，共取得6件水样进行试验分析(表3)。

表3 鱼洞煤矿斜井菱铁矿矿区水质分析统计表

根据统计结果，再详细分析各水样中各离子的浓度，根据《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)对各水样质量作出评价。

Fe离子主要来源于煤矿中黄铁矿(FeS2)和菱铁矿(FeCO3)的水解。如图6所示，矿层顶板泉水水样中Fe离子浓度分别为S1=7.60 mg/l，S3=0.05 mg/l，S1水样中Fe离子浓度超过Ⅴ类水限值(2 mg/l)3.8倍，说明矿层顶板含水层因矿产资源的开发造成矿井水的倒灌而受到污染，而与S1同属矿层顶板的S3的Fe离子浓度值较低，说明S1与S3是不同的补径排系统。而与S2和KJ03直接接触的梁山组则直接影响到该岩层水的化学性质，造成Fe离子浓度严重超标的结果。沿河一系列矿井水及淋滤水汇入到平路河，造成Fe离子浓度的升高，所以平路河下游(H1)Fe离子浓度相对于上游(H2)较高。但是下游又相较于矿井水Fe离子浓度较低，是由于矿井水流出后，由于氧化还原电位(Eh)的升高，pH值回升，水中溶解氧增多，使得Fe离子沉淀，从而导致河流中的Fe离子浓度要低于矿井水中Fe离子浓度。

图6 Fe离子浓度柱状图

图7 硫酸根离子浓度柱状图

表4 硫酸根离子毫克当量百分数统计表

图8 pH值柱状图

特别注意的是S3水样中锰离子的含量为1.096 mg/l，超过了地下水Ⅲ类水标准限值(0.10)而分类为Ⅳ类水，已不能作为居民饮用水水源。

综上所述，鱼洞煤矿斜井菱铁矿由于矿产资源的开发，采空区的形成破坏了原有的隔水层，致使原有含水系统遭受破坏。矿层顶板地下水入渗到采空区内，入渗水体溶解、水解矿层中的矿物质成分导致部分离子大量富集而形成污染水体，采空区污染水体随矿井巷道排泄到地表水，造成地表水体的污染，对生态环境造成严重破坏，同时采空区内的污染水体还进入到矿层顶板的地下水体中，顶板地下水也遭受到污染，严重影响当地居民的生活饮用。

3.2.3 矿井水污染地下水途径

根据地下水体的赋存因素不同，可将矿井水污染地下水的途径分为3种，分别是采空区水体自身受污染、矿井水污染顶板含水层水体、矿井水污染底板含水层水体(如图9矿井水污染示意图)。