贵州省鱼洞河流域桃子冲岩溶泉污染现状及机理

2021-12-17于春勇任虎俊

中国煤炭地质 2021年11期

于春勇，任虎俊

(1.中国煤炭地质总局水文地质局，河北邯郸 056004； 2.中煤水文局技术研究院，天津 300121)

0 引言

煤炭作为我国重要的化石能源之一，占总能源消费比高达57%[1-2]。贵州省凯里市鱼洞河流域面积267km2，流域两岸发育大量煤矿，自20世纪80年代以来，由于无序的采煤活动，鱼洞河流域生态环境遭到了严重破坏，形成了山青水“锈”的境况，严重影响了区内五镇9.6万居民的日常生活，减少了当地耕地面积约2 330hm2，每年间接经济损失达1.6亿元[3-6]。此外，由于鱼洞河流域存在无主煤矿分布点多、采空面积广、开采年份久远、资料不详、岩溶发育、煤矿含硫成分高、环境影响大等系列问题[7-10]，目前已引起中央环保督查组与各级政府的高度重视，被列为中央环保督查组重点督查的项目之一。因此，鱼洞河流域煤矿矿井水害治理和生态修复己刻不容缓。

鉴于上述原因，本文选取贵州省凯里市鱼洞河流域桃子冲泉作为典型案例，通过对其区域内万利-青杠坳煤矿开采历史的调研及现场勘查，结合水质化验、钻探、物探等资料的综合分析，深入探讨了桃子冲泉污染现状及机理，进而为后期鱼洞河流域煤矿酸性废水的治理技术和方案选择提供科学依据。

1 地质及水文地质条件

桃子冲泉位于贵州省凯里市黔东地区鱼洞河流域万利-青杠坳煤矿区域内，东南部毗邻平路河，其周围植被生长茂密，覆盖率达53%，植物类型以阔叶林、针叶林、灌木林、灌丛和草坡为主，且常见溶洞、漏斗、落水洞等侵蚀、溶蚀为主的地貌。桃子冲泉整体处于鱼洞向斜东南部的单斜构造中，地层发育齐全，主要含煤地层为二叠系上统梁山组(P1l)，可采煤共1层，厚0.7～0.9m，煤层倾角小于10°，煤层下部以铝土岩、黏土为主，且含铁质结核，煤层顶板为炭质页岩，厚约0.5m，具有极强的不稳定性，煤炭开采过程中局部易形成垮塌，底板为铝土质页岩、泥岩、粉砂岩及白云岩，具有不稳定性。区域内共发育新生界第四系砂砾石孔隙水、二叠系茅口组-栖霞组碎屑灰岩岩溶裂隙水、石炭系下统摆佐组白云岩岩溶裂隙水、泥盆系上统尧梭组生物屑灰岩岩溶裂隙水4套含水层，其中新生界第四系砂砾石孔隙水和二叠系茅口组-栖霞组碎屑灰岩岩溶裂隙水为桃子冲泉水源的主要补给源，且二叠系茅口组-栖霞组岩溶裂隙水位于煤层顶板上部，可为后期采空区形成积水提供水源。

2 水环境现状调查

中煤水文局技术研究院于2020年9月份对桃子冲泉及周边水质进行现场取样分析。根据化验结果(表1、图1)，可知桃子冲泉水的pH值、SO42-、Fe2+和Mn2+均已超标，总铁含量超过《煤炭工业污染物排放标准》(GB20426—2006)相应限值的145倍。受此影响，位于桃子冲泉排泄点下游1km处的平路河河水总铁含量高达7.5mg/L，超过标准相应限值7.5倍，而桃子冲泉点附近岩溶泉水及上游河水水质相应指标均未超标，平路河河水清澈见底，无色无味。通过对现场流量长期的监测，发现桃子冲泉丰水期流量为190m3/h，枯水期流量为90m3/h。若按照140m3/h平均流量计算，桃子冲泉全年总体排泄量可达122.64万m3，总铁累计排放量为1 057.16t，总锰累计排放量为2.01t。

表1 桃子冲泉及周边水质情况

图1 桃子冲泉及周边水质取样点分布Figure 1 Water quality sampling point distributionsin Taozichong spring area and periphery

由图2、图3可知，桃子冲泉水排泄至平路河后，最直接的污染现象体现在感官上，即河水开始浑浊，呈黄、褐黄、褐红色，一直延伸到重安江汇合口。根据水质检测结果、取样分布特征及遥感影像图资料，发现自万利-青杠坳井田岩溶排泄泉为起点，整条平路河河水总铁、色度、浊度严重超标，为劣V类水质。

图2 万利-青杠坳煤矿酸性废水污染现状Figure 2 Wanli-Qinggang’ao coalmine acidic waste water pollution statuses

图3 平路河河水影像Figure 3 Pingluhe River water images

3 污染机理分析

3.1 桃子冲泉补径排条件

根据水文地质调查和勘查成果，区内地下水主要靠大气降水补给，多年平均降水量在1 264.7mm，雨量丰富，大气降水通过第四系孔隙、基岩构造和风化裂隙及岩溶裂隙渗入地下，沿岩溶裂隙、构造裂隙和风化溶蚀裂隙赋存和运移，向地势低洼的沟谷以泉的形式排泄。自然条件下，研究区地层沉积呈连续完整状态，梁山组中发育铝土、黏土岩相对隔水层，梁山组底部煤系之上的栖露-茅口组(P2m-P2q)岩溶含水岩组与下部泥盆系尧梭组(D3y)岩溶含水岩组之间不存在水力联系。万利-青杠坳煤矿未开采之前，桃子冲泉接受大气降水补给后，顺层排泄至区内标高750m的侵蚀基准面平路河，即上覆含水层与桃子冲泉不发生水力联系(图4)；后期煤层的开采破坏了煤层上部相对隔水地层，形成塌陷、裂隙、落水洞等系列地质构造，进而导通了上部的栖霞组、茅口组岩溶含水层，同时大气降水亦通过上述地质构造渗入补给地下含水层，后经过层间裂隙、岩溶管道等通道径流补给煤矿采空区。

图4 自然条件下补径排模式Figure 4 Recharge-runoff-discharge modesunder natural condition

此外，煤层的开采还将致使其底板破坏，形成大量导通下部桃子冲泉岩溶通道的裂隙(图5)，最终岩溶水携带采空区内被梁山组煤层及围岩富含黄铁矿团块和结核污染的酸性废水，通过断裂体系或人为通道进入泥盆系尧梭组(D3y)岩溶含水层，经岩溶管道混入桃子冲泉，排泄至平路河。

图5 煤矿开采后补径排模式Figure 5 Recharge-runoff-discharge modes after coal mining

3.2 桃子冲泉污染成因机理

3.2.1 污染源

据调查资料，万利-青杠坳煤矿于2000年左右正式投产，采用斜井开拓走向长壁和放炮落煤房柱式采煤法，顶板全垮落[8]。煤层绝大部分位于平路河侵蚀基准面以上，仅中西部部分区域煤层标高低于侵蚀基准面。桃子冲泉水源主要来源于栖霞-茅口组灰岩岩溶含水层；构造破碎带导水性强且沟通区内含水层及地表水系。根据实地调查，位于万利-青杠坳煤矿东部的岩溶泉水排泄点在煤矿开采之前即存在，但由于岩溶水未与梁山组富含黄铁矿的煤层底板充分接触，因此在煤矿开采之前，岩溶水未受污染(图4)。

煤矿开采后形成采空区，岩溶水进入采空区与采空区内丰富的黄铁矿接触，形成酸性矿井水，酸性矿井水汇入到岩溶管道中，污染岩溶水(图5)。实地调查，发现桃子冲泉丰水期最大涌水量达到190m3/h，总Fe为145mg/L，较毗邻区半坡、黄坝煤矿井口废水Fe含量(800mg/L)、江口乡企煤矿井口废水Fe含量(500mg/L)显著偏低，表明直接从井口排放矿井废水的Fe浓度大于万利-青杠坳煤矿经过岩溶通道排放废水的Fe浓度，这也间接说明原来未受污染的岩溶泉水稀释了高Fe浓度的矿井废水，即煤矿采空区酸性废水对桃子冲泉水具有一定的补给作用。

3.2.2 污染通道

3.2.2.1 岩溶

研究区位于喀斯特地貌景观中，且正处于岩溶壮年时期，岩溶层位主要发育于栖霞—茅口组灰岩和尧梭组灰岩中。地表溶沟、溶槽、洼地、落水洞、溶洞及地下岩溶管道、地下暗河广泛发育，岩溶水量大。根据现场勘查资料，可知平面上不同的地貌单元内岩溶发育程度、形态、规模存在较大差异，但主要发育于分水岭边缘、槽谷和河谷地形中，其中分水岭边缘主要以小型洼地、落水洞和溶蚀沟槽为主，槽谷、河谷谷地主要发育较大规模呈串珠状分布的岩溶洼地和漏斗，雨季丰水时期，地下水位快速上升，往往由于排泄不畅通，形成地表水、地下水明暗交替的现象，如研究区内老董街-桃子冲岩溶暗河。除此之外，河谷区受构造应力作用，地壳呈上升状态，加剧了河流下切作用，从而致使溶蚀作用不断向纵向发展，形成多层溶洞、溶洞群、岩溶管道和地下暗河出口为主的两岸岩溶景观。

由图6可知，岩溶洼地W01-W02-W03-W04-W06由西部向东依次为白岩桥、长冲村、桃子冲村，平面上整体呈东西向串珠条带展布，故推测该地区下部栖霞-茅口组发育有岩溶暗河或岩溶管道。另外，西部白岩桥泥盆系尧梭组白云质灰岩中有较大溶洞(R20)，东部桃子冲泉口出露层位也为泥盆系尧梭组白云质灰岩，表明该区域东西一线泥盆系尧梭组白云质灰岩中同样发育有岩溶暗河、岩溶管道，从而为煤矿采空区酸性废水与桃子冲泉发生水力联动奠定了地质基础。

通过实地调查、化验测试、钻探、物探等资料综合分析，研究区岩溶较发育，主要发育老董街-桃子冲岩溶管道、白岩桥-桃子冲岩溶管道两条岩溶通道(图6)：

图6 岩溶管道示意Figure 6 Schematic diagram of karst channels

1)老董街-桃子冲岩溶管道。位于平路河上游，进口为落水洞，进口高程843m，出口位于桃子冲泉，出口高程750m，管道长约2.45km，落差达93m，出口管道直径比进口管道下降3.7%。岩溶管道发育于D3白云岩层位中，走向呈东西向，径流方向与鱼洞向斜展布特征一致，径流路线为老董街 (高程843m)→桃子冲→平路河泉水(高程750m)，径流量约26L/s。

2)白岩桥-桃子冲岩溶管道。位于平路河上游，进口为3个落水洞，进口高程883m，出口位于平路桃子冲泉，出口高程750m，管道长约2.8km，落差达133m，出口管道直径比进口管道下降4.6%。岩溶管道穿过鱼洞向斜，发育于D3灰岩层位中，走向呈近东西向，径流路线为白岩桥(883m)→长冲→桃子冲→平路河泉水(750m)，径流量约25L/s。

3.2.2.2 构造

研究区内岩溶发育受构造影响作用明显，北东向展布的断裂构造发育，断层规模较大，延伸长、破碎带影响范围广，派生多个较小断层、小褶皱和裂隙，导致岩层被严重切割破碎，为地下水的储存、运移、溶蚀提供了有利空间。此外，地表水、地下水的频繁交换促进了岩溶作用，加之裂隙、断层的延展方向与溶蚀主方向一致，进而增强了桃子冲泉水源的补给动力,为地下水的储存、运移、溶蚀提供了有利空间。此外，地表水、地下水的频繁交换促进了岩溶作用，加之桃子冲泉东南部F1断裂体系与岩溶地下水流向一致，不仅可为桃子冲泉水源的补给提供良好的通道，亦可增强岩溶作用的发育程度，进而增强桃子冲泉水源的补给动力(图6)。