采煤对浅层地下水环境的影响及矿井水生态利用分析

柴建禄

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2.陕西省“四主体一联合”黄河流域中段矿区(煤矿)生态环境保护与修复校企联合研究中心，陕西 西安 710077)

我国能源资源禀赋特征决定了煤炭是我国长期稳定的主体能源[1-2]，其中鄂尔多斯盆地又是煤炭开采的核心区，建设有神东、陕北2 大煤炭基地，位于2 大煤炭基地的榆神府矿区2020 年煤炭产量超过5.0 亿t。但是，我国煤炭资源与水资源呈逆向分布[3]，榆神府矿区处于我国的黄河流域，属于干旱半干旱区，水资源缺乏，且时空分布不均，水资源已成为制约当地社会经济可持续发展的主要瓶颈。同时，该区域位于我国二级阶梯的鄂尔多斯盆地北部，属于毛乌素沙漠与黄土高原过渡地带，地表生态环境脆弱，地层中赋存着较为丰富的第四系和白垩系地下水，下伏侏罗纪煤层，整体上构成了联系紧密的生态环境-水资源-煤炭资源系统[4]。经过30 多年煤炭高强度开采，不仅造成地下水资源的大量漏失，还引起较为明显的地表植被破坏、水土流失、水环境污染等问题[5-7]。同时，2018 年我国矿井水产生总量为68.8 亿m3，矿井水平均利用率仅为35.0%，矿井水总量较大和利用效率较低的矛盾仍然十分突出[8]。随着“黄河流域生态保护和高质量发展”重大国家战略的提出，准确全面评价煤炭资源开发对地下水环境的影响并实现矿井水的生态利用显得尤为迫切[9]。因此，以榆神府矿区为研究区，基于野外调查、数据分析、室内测试等研究手段，分析研究区矿井水的量质特征，揭示煤炭开采对地下水环境的影响特征，对黄河流域中游煤矿区的煤炭资源开发与生态环境保护的协调发展具有重要的指导意义。

1 榆神府矿区概况

榆神府矿区位于鄂尔多斯盆地的陕北榆林地区，包括神府、榆神和榆横3 个矿区，该区域气候干燥，多年平均降水量在430 mm 左右，区内近85%的降水量集中在5-10 月，平均蒸发量约为1 200 mm，蒸发量远大于降水量，由此导致矿区水资源匮乏，生态环境脆弱。由于研究区地表分布有结构疏松的风积沙层，降水入渗系数近0.5，因此，大气降水是研究区浅层地下水的主要补给来源[10]；地下水的流向受地形控制明显，浅层地下水总体从西北、东北向榆溪河、秃尾河、窟野河及红碱淖内流盆地径流；蒸发、人工开采地下水和采煤排水是研究区地下水的主要排泄方式。煤炭资源主要赋存于延安组地层，且具有煤层厚、煤质优、埋深小且构造简单的特点。研究区水文地质结构类型如图1 所示，由图中可以看出，神府矿区煤层埋深最小，榆横矿区煤层埋深最大，因此，本文定义煤层埋深小于200 m 的为浅埋煤层，200～400 m 的为中深埋煤层，大于400 m 为深埋煤层。

图1 研究区各矿区水文地质结构类型[11]Fig.1 Columnar section of hydrogeological structure of the study area[11]

2 矿井排水量质特征分析

2.1 矿井排水量估算

对研究区大柳塔、活鸡兔、柠条塔、红柳林等14个典型矿井进行现场调研，分别统计出其2020 年煤炭产量和矿井涌水量数据。根据调研获得的煤炭产量和矿井涌水量(图2)，采用矿井富水系数公式(即吨煤排水量)进行矿井排水量计算[12-13]：

图2 研究区典型煤矿煤炭产量及涌水量Fig.2 Annual coal output and water inflow of typical coal mines in the study area

式中：Kp为矿井富水系数，m3/t；Q为某一时期内矿井排水量，m3；P为同一时期的煤炭开采量，t。

图2 反映了研究区典型煤矿煤炭产量及涌水量，研究区矿井富水系数在0.23～2.28 m3/t，平均为0.91 m3/t。根据研究区2020 年的煤炭产量，结合计算得到的富水系数，可以评估2020 年区内矿井排水量高达4.70 亿m3。

2.2 矿井水水质特征

为分析研究区不同煤矿矿井水的水质特征，对研究区典型煤矿的矿井水开展水样采集与室内测试工作，检测包括pH、矿化度、Na+、化学需氧量(COD)、总硬度等指标。本研究依据GB/T 14848-2017《地下水质量标准》[14]，选用常用的单指标评价法，对所采集的6 个典型煤矿矿井水样品进行质量评价。单指标评价法采用每项水质指标浓度值与评价标准值进行对比，评价最差指标的所属类别作为水质类别，评价结果见表1。研究区矿井水都出现不同程度的污染组分超标现象，其中4 个煤矿矿井水质量达到Ⅴ类，占比高达66.7%，2 个煤矿矿井水质量为Ⅳ类，占比为33.3%，主要超标指标为COD、Na+、、溶解性总固体(TDS)等。

表1 研究区典型煤矿矿井水质量单因子评价结果Table 1 Single factor evaluation results of mine water quality for typical coal mines in the study area

将研究区典型煤矿矿井水和第四系浅层地下水的水化学资料进行统计，并绘制Piper 三线图，如图3 所示。浅层地下水和矿井水具有不同的水化学特征，具体表现如下。

图3 矿井水与浅层地下水Piper 三线图Fig.3 Piper diagram for mine water and shallow groundwater

1) 第四系浅层地下水

第四系浅层地下水pH 在8.0 左右，矿化度为240～390 mg/L，属于弱碱性淡水。阳离子主要以Ca2+为主，质量浓度平均为52.68 mg/L，其次为Na+和Mg2+；阴离子以为主，平均质量浓度为193 mg/L，其次为和Cl-，HCO3-Ca 为其主要的水化学类型。

2) 浅埋区矿井水

浅埋区矿井水pH 为7.80，矿化度为291.00 mg/L，阳离子以Ca2+为主，质量浓度为44.53 mg/L，其次为Na+和Mg2+；阴离子以为主，质量浓度为213.48 mg/L，其次为和Cl-，矿井水的水化学类型为HCO3-Ca 型。

3) 中深埋区矿井水

中深埋矿井水pH 为8.20，矿化度为1 297.00 mg/L，阳离子主要以Na+为主，质量浓度为342.00 mg/L，其次为Ca2+和Mg2+；阴离子以为主，质量浓度为647.00 mg/L，其次为(216.00 mg/L)和Cl-，水化学类型为HCO3-Na 型。

4) 深埋区矿井水

深埋煤矿矿井水pH 为7.78，矿化度为3 684.00 mg/L，阳离子主要以Na+为主，质量浓度为641.00 mg/L，其次为Ca2+和Mg2+，阴离子以为主，质量浓度为2 161.00 mg/L，其次为和Cl-，水化学类型为SO4-Na 型。

由以上分析可知，研究区煤矿的矿井水水质较差，水化学类型和浅层地下水存在较大差异，矿井水外排将会污染区内地表水和地下水环境[15]。

3 煤炭开采对地下水环境的影响规律

3.1 地下水位变化特征

在自然条件下，地下水位随降水量的变化发生轻微波动，但整体趋势基本保持稳定[16]。收集并整理研究区多个煤矿在开采期间的地下水位观测资料，绘制区内典型煤矿不同含水层的地下水位变化特征图(图4)。

图4a 为研究区某浅埋煤矿第四系地下水埋深变化特征，从图中可以看出，2012 年1 月至2017 年3 月，第四系浅层地下水位急剧下降，这是由于该煤矿煤层埋深较小，导水裂隙带直接沟通第四系含水层，导致第四系含水层水沿导水裂隙进入井下，造成浅层地下水位明显下降。

图4b 为某中深埋煤矿第四系地下水位变化特征，由图可以看出，中深埋煤矿浅层地下水位下降幅度较小，一般不超过5 m，且下降后有回升趋势；一般情况下，中深埋煤矿导水裂隙带不沟通第四系含水层，浅层地下水位下降主要受采动地面沉降控制[17]。

图4c 为某深埋煤矿不同含水层地下水位变化特征，从图中可以看出，随着矿井涌水量的增加，煤层上覆直接充水含水层(延安组和直罗组)地下水位急剧下降，下降幅度超过200 m，浅部含水层(第四系和洛河组)地下水位保持稳定。

图4 煤层不同埋深下典型煤矿含水层地下水位变化特征Fig.4 Groundwater level variation in coal mines of different buried depths

不同埋深煤层开采地下水位变化特征表明：浅埋煤层开采对第四系地下水的扰动最大，中深埋和深埋煤层开采对第四系地下水的影响相对较小。

3.2 地下水质特征

为分析煤矿开采对地下水质的影响规律，对研究区典型煤矿周边第四系浅层地下水进行取样(42 个)，并在实验室开展测试，测试指标与2.2 节中矿井水指标一致。研究区内7.1%的水样质量浓度大于250 mg/L，属于地下水质量的Ⅳ类标准；区内2.4%水样的浓度达到Ⅳ类，15 个水样的浓度达到Ⅳ类及以上，其中3 个水样的质量浓度大于90 mg/L，均超过Ⅴ类标准限值的3 倍。同时，9.5%和7.1%的水样中分别出现了F-和Mn2+超标，但没有达到Ⅴ类标准。由上述分析可知，研究区浅层地下水主要污染指标为其主要分布特征如图5 所示。浅层地下水与矿井水中污染组分差别较大，反映出研究区第四系浅层地下水受采矿活动影响较小，农业化肥施用、生活污水和含氮工业废水排放对其影响较大。

图5 榆神府矿区浅层地下水中NO3 -质量浓度等值线Fig.5 Contour map of concentration of shallow groundwater in the study area

4 矿井水生态利用可行性分析

4.1 矿井水地下回灌

矿井水地下回灌是将煤炭生产过程中产生的多余矿井水通过地表渗滤或回灌井输送至地下含水层中，是合理利用矿井水资源、净化矿井水水质、涵养矿区受损地下水环境的有效手段[18]。根据现场取样实测，研究区深埋、中深埋煤矿矿井水的平均矿化度分别为：2 500、1 000 mg/L 以上，浅埋煤矿矿井水平均矿化度一般不大于500 mg/L，与第四系含水层地下水的水质基本一致。因此，可以考虑将低矿化度矿井水回灌至含水层以调控地下水环境。

选择研究区某浅埋煤矿开展低矿化度矿井水回灌现场试验，回灌池面积约450 m2，底部和四周由风积沙构成，每天回灌量为500 m3，在回灌池外侧布置取样点(为回灌滤池出水)，并利用回灌池周边2 口民用井，作为监测井，距离分别为20 m(1 号井)和40 m(2 号井)，定期采集水样进行水质检测(图6)。

图6 回灌池及监测井分布Fig.6 Schematic diagram of recharge tank and monitoring well

图7 为矿井水与回灌后水体的水质对比结果。如图7a 所示，矿井水回灌对溶解性有机碳(DOC)的去除作用较显著，矿井水中DOC 经回灌池沙滤后，平均质量浓度从7.2 mg/L 下降为5.2 mg/L，去除率为27.8%。矿井水进入含水层后，对1 号井和2 号井水质检测发现，平均质量浓度分别为3.1、0.8 mg/L。图7b 为矿井水回灌过程中色度变化特征，矿井水地下回灌过程中沙滤阶段可以去除矿井水中色度的54.4%，使矿井水色度从43.9 降至20.0，矿井水在含水层中运移40 m，色度降低至7.8，2 个阶段累计实现矿井水色度82.2%的去除，低于地下水质量标准Ⅲ类水中的色度限值。图7c 为矿井水回灌过程中TDS 变化特征，由于回灌地层第四系地下水矿化度稍高于矿井水，受水岩作用和混合作用影响，矿井水进入含水层后其TDS 呈现较小幅度的增加趋势。

图7 矿井水地下回灌水质变化特征Fig.7 Effect of recharging groundwater with minewater on groundwater quality

4.2 矿井水生态灌溉水质评价

由于研究区气候干旱，土壤贫瘠，煤炭开采使本就脆弱的生态环境更加恶化，在开展煤矿区生态修复工程实践中，经常采用矿井水对生态破坏区植被进行绿化灌溉。但如果矿井水质量不满足灌溉要求，反而会进一步导致植被退化。目前，常用USSL 图法与Wilcox 图法综合评价灌溉水水质特征[19]。USSL 图与Wilcox 图的横坐标都为EC，用来表示盐害的大小；两图的纵坐标分别为钠吸附比(Sodium Adsorption Ration,SAR)和可溶性钠百分比(Soluble Sodium Percentage,SSP)，用来表示碱害的大小。SAR 与SSP 可用下式表示[19]：

其中，c(Na+)、c(Ca2+)、c(Mg2+)、c(K+) 的单位为meq/L。

图8 为研究区矿井水的USSL 图与Wilcox 图评价结果。从图8a 可以看出，浅埋煤矿矿井水位于C2S2 区，中深埋、深埋煤矿矿井水分别位于C3S4 区、C4S4 区，表明浅埋煤矿矿井水能够满足灌溉的基本要求，中深埋和深埋煤矿矿井水不适合灌溉。图8b 显示，浅埋煤矿矿井水位于“优质-好”区域，而中深埋、深埋矿井水分别位于“不太适合-不适合”和“不适合”区。因此，可以推断，榆神府矿区浅埋煤矿矿井水具有作为矿区生态修复灌溉用水的较好潜力，未进行处理的中深埋、深埋煤矿矿井水不适宜作为灌溉用水，如使用其进行灌溉，可能会破坏土壤结构，影响土壤的渗透性，加速土壤盐碱化，甚至导致植被死亡[20]。

图8 USSL 图与Wilcox 图指示矿井水的灌溉水等级Fig.8 Mine water quality for irrigation showed in USSL and Wilcox diagram

5 结 论

a.基于富水系数法，评估了榆神府矿区2020 年矿井排水量，分析了典型煤矿矿井水的水质特征，厘定了矿井水的主要污染组分。

b.地下水位对不同埋深煤层开采的响应特征不同，浅埋煤层开采导致地下水位下降趋势最为明显；区内浅层地下水的主要污染组分与矿井水污染组分差异较大，反映出区内浅层地下水水质受采矿活动影响较小。

c.提出矿井水浅层回灌和矿井水生态灌溉2 种模式开展区内矿井水的生态利用。矿井水回灌对矿井水中的溶解性有机碳、色度具有较好的去除效果，回灌后含水层地下水质满足Ⅲ类水质要求；浅埋煤矿矿井水适宜作为矿区生态修复的灌溉用水，未进行处理的中深埋煤矿和深埋煤矿矿井水不适宜作为灌溉用水。