煤矿开采对水资源及生态环境的影响分析

班操

（贵州省煤田地质局 水源队，贵州 贵阳 550000）

煤矿开采活动对区域生态环境及地质环境造成巨大影响，尤其是地下水系统。矿山开采活动将大量的对地下水进行抽排，改变含水层水文地质、工程地质条件，使地下水原本的补、径、排条件发生改变，水资源遭受污染，生态环境被破坏，影响人类正常生产生活[1-3]。本文通过对青龙煤矿水文地质调查以及收集矿区各阶段勘探等地质资料，运用数学方法分析煤矿开采对矿区内水资源的破坏和影响，并对水环境的破坏可能带来的环境影响进行分析，以便为矿区内水资源及环境的保护和治理决策提供依据。

1 矿区概况

青龙煤矿位于贵州省黔西县谷里镇，镇内煤炭资源丰富，探明煤炭储量达4 亿t 以上，有多家不同规模的煤矿企业，最大的年产量超过100 万t，煤矿开采产生的矿渣、矸石直接裸露堆放于地表，采空区塌陷、地面变形开裂、泉水干涸、地表水污染等问题对环境及水资源造成严重影响。

1.1 地形地貌

矿区内地形条件总体上受区域性地质构造和岩性控制，地貌属高原中山丘陵地貌。矿区内的地形与岩性、构造、风化剥蚀相关，碳酸盐岩地层呈溶蚀洼地峰丛地貌，碎屑岩地层则表现为长梁山、冲沟发育。西北部较陡峻，溶斗、溶沟等喀斯特地貌较发育。区内最高海拔+1 474.20 m（营盘山），最低海拔+1 155.00 m（中寨驮煤河一带），为区内最低侵蚀基准点。

1.2 岩层富水性

矿区内出露的地层自老至新有，二迭系中统茅口组（P2m）、上统峨眉山玄武岩组（P3β）、龙潭组（P31）、长兴组（P3c）、三迭系下统夜郎组（T1y）、茅草铺组（T1m）、第四系（Q）。

（1） 第四系（Q）：主要由坡积物、残积物组成，一般厚度约5.00 m。含少量孔隙水，富水性弱。

（2） 三迭系下统夜郎组玉龙山段（T1y2）：岩性主要为灰—浅灰色细晶灰岩、泥晶灰岩，底部夹浅灰色薄层泥灰岩，一般厚度约275.00 m。含岩溶裂隙水，富水性中等。

（3） 三迭系下统夜郎组沙堡湾段（T1y1）：岩性主要为浅黄、黄褐、灰黄色薄层泥岩、泥质粉砂岩，局部夹薄层泥质灰岩，一般厚度约6.60 m。含基岩裂隙水，富水性弱，为区内相对隔水层。

（4） 二迭系上统长兴组（P3c）：岩性上部为浅灰色细晶灰岩，含泥质条带及燧石团块，下部为浅灰—深灰色中厚层微晶灰岩，含燧石结核。一般厚度约20.03 m。含岩溶裂隙水，富水性中等。

（5） 二迭系上统龙潭组（P3l）：主要为一套含煤地层，岩性为黑色泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩夹薄层灰岩、多层煤层及煤线，一般厚度约172.00 m。含基岩裂隙水，富水性弱。

1.3 水文地质条件

区内地下水主要接受大气降水补给。大气降水大部分直接通过坡面流汇入地表冲沟排泄出区外，小部分则沿着岩石孔隙、裂隙、溶溶裂隙、岩溶漏斗、地表落水洞、暗河天窗、暗河入口及构造裂隙等通道灌入或渗入补给地下水。然后经过地下水错综复杂的曲折径流、分散或汇合于洼地、河溪两侧、断裂带、透水层与隔水层接触面等有利地段或形成岩溶大泉、暗河出口等水点，流出地表，变为地表水、补给地表水。

2 煤矿开采对水资源的影响评价

2.1 采煤沉陷对含水层的影响评价

矿区主要可采煤层为16、17、18 煤层，煤层顶板岩性主要为页岩、砂岩、灰岩，饱和单轴抗压强度12.46 ～88.72 MPa，平均49.79 MPa，岩石软弱至坚硬，煤层倾角7°～10°。根据《矿区水文地质工程地质勘查规范》GB/T 12719-2021，该区煤矿开采的导水裂隙带（包括冒落带） 最大高度计算公式确定见式（1）。

式中：∑M 为累计采厚，m，取7.16 m。

经计算，矿区煤层开采后，导水裂隙带最大高度为76.50 m，为采煤厚度的10 倍左右。16 煤层上距长兴组（P3c） 底界29.65 ～68.74 m，平均47.93 m，距玉龙山段（T1y2） 底界平均厚度74.56 m。由计算结果可知，煤层开采形成的导水裂隙带直接延伸至玉龙山段含水岩组，致使沙堡湾段（T1y1） 隔水岩组失去隔水能力，玉龙山段富水岩层与煤系地层水力联系增加，从而使得煤层开采后上覆地层的地下水位下降，甚至疏干。

2.2 排水疏干评价

区内地层倾角较缓，煤层开采后，其影响范围内的上部含水层可视作近水平含水层，因此，矿井排水影响范围可简化为矿井抽水试验影响半径计算公式（式（2）） 初略估算。

式中：S为水位降深（静水位与疏干水位的高差），m；K为渗透系数，m/d。

根据收集的矿区钻孔抽水资料，带入计算公式计算出煤矿排水影响范围（表1）。

表1 钻孔抽水试验计算成果Table 1 Table of calculation results of drilling hole pumping test

青龙煤矿2003 年6 月开始建井，表1 的试验计算结果表明，2002 年未建井前，含水层未受到破坏，受上覆夜郎组沙堡湾段（T1y1） 隔水层的阻隔作用，P3l+c 含水岩组主要受侧向地下水的补给，岩层渗透系数和涌水量处于正常水平，其排水疏干的影响范围也较小，经过近20 年的煤炭开采活动，2021 年时，P3l+c 含水岩组的涌水量增加了十数倍，岩层渗透系数及排水疏干的影响范围增加了数十倍，这客观说明，随着区内采空面积的不断增加，煤层顶板冒落，破坏了岩层的稳定性，使岩层裂隙率不断增加，原本的相对隔水层遭到破坏，各含水岩层间的水力联系增加，改变了原来含水层之间的相互关系，致使上覆富水性较强的含水层可以直接越过隔水层垂向补给下伏含水岩组。同时，在调查时发现，随着煤矿的开采、勘探活动，原本出露地表泉点部分已经干涸，也印证了含水层因煤矿开采而受到破坏，这将不利于区内地表水的储集和地下水的赋存。

2.3 水资源质量评价

2.3.1 地下水质量评价

通过对矿区内不同时期水质化验资料进行整理，以SO42-、HCO3-、Cl-、Ca2+、K++Na+、硬 度、矿化度7 种指标作为评价因子对水资源质量进行评价，参照国家《地下水质量标准》 （GB/T 14848-2017），将地下水划分为5 个水质等级（表2），按单指标评价结果最差的类别对水质类别进行确定评价。

表2 地下水质量分类标准（mg/L）Table 2 The standard of groundwater quality classification(mg/L)

具体评价结果见表3。

表3 地下水质量评价（mg/L）Table 3 The table of groundwater quality evaluation(mg/L)

结果表明，煤系上覆地层，特别是郎组沙堡湾段（T1y1） 隔水层之上的地层水质基本正常，能作为生产生活只用，煤系地层水质超标，不能直接作为生产生活用水。另外，根据表3 中相同含水层不同水样类型的化验数据对比分析发现，煤系上覆地层中不同年份的数据中水样的SO42-和矿化度的数值有了很大量的增加，而煤系地层中SO42-和矿化度的数值仅有小幅度变化。而高矿化度矿井水是地下水与煤系地层中碳酸盐类岩层及硫酸岩层接触，该类矿物溶解于水的结果。使矿井水中Ca2+、Mg2+、HCO3-、CO32-、SO42-增多，有的酸性矿井水与碳酸盐类岩层中和，导致矿化度增高。说明随着煤矿的不断开采，各含水层之间的水力联系得到了加强。

2.3.2 地表水质量评价

在地面调查过程中发现矿区周边的部分溪沟有较多浅黄色硫化物沉淀，且水体有少量的肉眼可见物，近距离可闻见异味，说明此类地表水水质较差，不可直接作为生产生活用水。调查发现此类地表水都有一个共同的特点：其补给源要么有老窑水，要么周边具有矿渣或矸石堆积。老窑水本身硫化物含量较高且水质差，而煤矸石中硫(主要赋存在黄铁矿中)的质量分数为0.28%～2.9%，是重要的水质污染源，在大气降水的不断冲刷下煤矸石中的有害矿物溶解于水，造成地表水水质变差。

3 煤矿开采对生态环境的影响分析

随着煤矿开采活动的不断进行，地下采空区面积不断增大，排水疏干的影响范围也将扩大，地下水位持续下降，将会加剧地面沉降、地裂缝的形成，以及煤矸石的堆放等都将改变原本的地形地貌形态，大量矿井水、老窑水向外排放，将对地表水水质造成严重污染，这些变化可能会造成土地旱化、荒漠化，土壤酸化、盐渍化等，对生态环境造成持续的不可逆的影响。

4 结 论

（1） 煤矿开采对地下水系统造成严重破坏，含水层性质发生变化，区域地下水补、径、排条件也随之改变，地下采空区的存在，致使煤矿开采结束后很长时间地下水也将难以恢复。

（2） 煤矿开采对水资源水质造成严重影响，矿区附近地下水、地表水水质超标严重，无法直接作为人类生产生活用水，给人类生活带来极大制约。

（3） 煤矿开采造成的地面沉降、地裂缝使区内微地形地貌发生改变，水资源的变化导致土地、土壤类型发生改变，各方面均对区内生态环境造成了较大的影响。

（4） 水资源具有重要的资源价值和环境功能，建议在煤矿开采过程中要加强对水环境的保护和监测，在矿区及周边建立监测网络，对水环境变化进行实时监控。同时，加强对矿井水、老窑水处理，做到不达标不外排，避免水资源的恶性循环。

（5） 煤矿开采应积极运用新型高效合理的开采技术，减少对含水岩组的破坏，尽量减轻煤矿开采造成的不良影响。