趙慶奎

(山西省平陸縣水資辦,山西 平陸 044308)

山西省是我國(guó)巖溶分布最廣泛的省份之一,據(jù)統(tǒng)計(jì),山西境內(nèi)流量大于 1.0 m3/s泉水共有 18處,總流量達(dá) 107.8 m3/s,合34億 m3/a。巖溶地下水在山西人民生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及能源基地的建設(shè)和文化建設(shè)中起著舉足輕重的作用。山西省的煤田主要采自石炭、二疊系的煤系地層中,而這些含煤地層又都覆蓋于寒武、奧陶系巖溶地層之上。即煤田與巖溶泉域大都重疊在一起,形成了煤、水共存的系統(tǒng)。大規(guī)模采煤必然對(duì)巖溶水環(huán)境產(chǎn)生巨大的影響。

1 煤水疊置關(guān)系

從煤炭資源與巖溶水的疊置關(guān)系上,可以分為下述兩種主要類(lèi)型。

1.1 裸露山區(qū)“逆置式”疊置結(jié)構(gòu)

“逆置式”疊置的特征是:地質(zhì)結(jié)構(gòu)上為向上游反傾的單斜構(gòu)造,上游是石炭、二疊系的含煤地層,下游是寒武、奧陶系的可溶巖地層。寒武、奧陶系的可溶巖為主要的含水地層,接受大氣降水、地表水、第四系孔隙水及石炭、二疊系裂隙水的補(bǔ)給,組成統(tǒng)一的水循環(huán)系統(tǒng)(如圖 1)。娘子關(guān)、辛安、三姑、延河等巖溶大泉均屬此類(lèi)結(jié)構(gòu)。

圖1 裸露山區(qū)“逆置式”疊置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 裸露山區(qū)“順置式”疊置結(jié)構(gòu)

“順置式”疊置的特征是:地質(zhì)結(jié)構(gòu)上為向下游順傾的單斜構(gòu)造或斷塊構(gòu)造,下游是石炭、二疊系的含煤地層,形成阻水帶,上游是寒武、奧陶系的可溶巖地層。巖溶水往往處于承壓狀態(tài),與地表水、孔隙水有水力聯(lián)系(如圖 2)。柳林、洪山、天橋、下馬圈和霍泉均屬此類(lèi)。

2 采煤對(duì)巖溶水環(huán)境的影響

2.1 對(duì)巖溶水環(huán)境結(jié)構(gòu)及水循環(huán)條件的影響

煤礦采煤主要分掘進(jìn)和回采兩大階段,由于回采工作的跨度遠(yuǎn)大于掘迸巷道,因而其礦山壓力和工作面的變形或破壞等現(xiàn)象十分強(qiáng)烈,當(dāng)巷道掘進(jìn)和回采后,采空區(qū)圍巖原應(yīng)力平衡被打破,周?chē)鷰r層出現(xiàn)礦山壓力現(xiàn)象,產(chǎn)生底板鼓起,頂板及周?chē)鷰r石變形以致斷裂、坍塌等。在煤系地層被影響破壞的同時(shí),該地區(qū)的水資源系統(tǒng)也直接受到破壞。

對(duì)“逆置式”疊置結(jié)構(gòu)的裸露巖溶山區(qū)來(lái)說(shuō),由于采煤對(duì)圍巖的破壞,破壞了巖溶水的頂板結(jié)構(gòu),造成了第四系沖積層孔隙水,石炭,二疊系砂巖裂隙水,石炭系層間裂隙巖溶水等含水層,由原來(lái)的水平運(yùn)動(dòng),變成了垂向運(yùn)動(dòng),最終通過(guò)采煤巷道的礦坑排水排出地表,或通過(guò)斷層等構(gòu)造直接補(bǔ)給下層巖溶水。水質(zhì)也由原來(lái)的潔凈水變成了礦坑水。

對(duì)“順置式”疊置結(jié)構(gòu)的裸露巖溶山區(qū)來(lái)說(shuō),由于采煤對(duì)圍巖的破壞,破壞了巖溶水的底板結(jié)構(gòu),造成了巖溶水直接補(bǔ)給在其下游的第四系沖積層孔隙水,石炭,二疊系砂巖裂隙水,石炭系層間裂隙巖溶水等含水層,最終通過(guò)采煤巷道的礦坑排水排出地表。水質(zhì)也由原來(lái)的潔凈水變成了礦坑水。

圖2 裸露山區(qū)“順置式”疊置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 對(duì)巖溶水水資源量的影響

采煤對(duì)奧陶系巖溶水的影響可分為兩種情況:巖溶水補(bǔ)給量的減少和巖溶水靜儲(chǔ)量的減少。

對(duì)于裸露山區(qū)“逆置式”疊置結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),主要是影響巖溶水的補(bǔ)給量。由于礦坑水的大量排泄,也使得巖溶水的補(bǔ)給量大大減少,從而也大大減少了對(duì)奧陶系巖溶地下水的補(bǔ)給。例如,在天然情況下,娘子關(guān)泉 1/5的補(bǔ)給來(lái)自上游煤系地層區(qū)的地表水及淺層地下水的補(bǔ)給,近 30年來(lái)由于采煤業(yè)的發(fā)展,使娘子關(guān)泉水補(bǔ)給大為減少,使區(qū)域地下水位連續(xù)下降。據(jù)初步估計(jì),山西省主要巖溶泉域由于采煤對(duì)地表徑流、淺層地下水資源的影響,使泉域巖溶地下水的補(bǔ)給量減少 20%～40%。

對(duì)于裸露山區(qū)“順置式”疊置結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),主要是影響巖溶水的靜儲(chǔ)量。當(dāng)采煤深度達(dá)到巖溶地下水位以下,即所謂帶壓開(kāi)采時(shí),就可能造成巖溶地下水直接通過(guò)斷層或其他途徑向礦井涌水。礦井排水相當(dāng)于直接抽排巖溶地下水。大量礦井抽排水可以形成巨大的降落漏斗。

由表1可以看出,全省各泉域內(nèi)煤礦平均采煤排水系數(shù)為0.84,其中蘭村、娘子關(guān)、柳林、洪山、延河、三姑、辛安、古堆、堆泉泉域內(nèi)的采煤排水系數(shù)均大于 1。最大的堆泉泉域采煤排水系數(shù)達(dá)到 2.22。2001年全省 19個(gè)泉域內(nèi) 5100個(gè)各種屬性的煤礦共產(chǎn)煤 2.54億 m3,占全省產(chǎn)煤總量的 96%,而煤礦總的排水量 2.22億 m3,相當(dāng)于 7.04 m3/s。全省的煤礦分布范圍和全省19個(gè)重點(diǎn)的巖溶范圍疊置率在 95%以上,可以說(shuō)全省煤礦的開(kāi)采,基本上都是在巖溶泉域范圍內(nèi)開(kāi)采,礦坑排水雖然不全是巖溶地下水,但對(duì)巖溶地下水的必然會(huì)生產(chǎn)很大程度上的影響。

表1 山西省巖溶泉域煤礦排水調(diào)查統(tǒng)計(jì)(2001年)

2.3 采煤對(duì)巖溶地下水水質(zhì)的影響

在山西巖溶大泉中,引起巖溶水污染的途徑主要有以下幾種:

(1)被污染的地表水在流經(jīng)裸露巖溶區(qū)段,通過(guò)巖溶裂隙呈線(xiàn)狀滲漏污染。該途徑主要存在于“逆置式”疊置結(jié)構(gòu)中。目前,全省主要河道 70%以上明顯受污染,其中 454 k m的河段水質(zhì)超過(guò)“三廢”排放標(biāo)準(zhǔn)。如汾河古交段對(duì)晉祠泉及靈石段對(duì)郭莊泉的污染,桃河水在陽(yáng)泉到西武莊沿途滲漏污染娘子關(guān)泉,造成近 100 k m2的污染暈,數(shù) 10 k m2內(nèi)受氰化物嚴(yán)重污染。

(2)排污場(chǎng)地污染物垂直下滲污染巖溶水。在巖溶地區(qū),裸露或淺覆蓋條件下,無(wú)襯砌或襯砌不好的選洗礦污水池和尾礦池,工廠(chǎng)排污塘或洗池、礦渣場(chǎng)、電廠(chǎng)灰場(chǎng)、城市垃圾堆放場(chǎng)等地,污染物由污水或大氣降水淋濾,攜帶滲入巖溶含水層造成污染。

(3)礦坑、鉆孔等人工通道導(dǎo)入污水。山西煤礦大部分采區(qū)在巖溶泉域的補(bǔ)給、徑流區(qū),受到影響較大的有娘子關(guān)泉、辛安泉、延河泉、龍子祠泉、郭莊泉、晉祠、柳林泉及神頭泉等。

(4)區(qū)域性降水入滲污染。被污染的大氣,隨降水將污染物帶到地表,產(chǎn)生地表徑流,流經(jīng)或入滲進(jìn)入巖溶含水層造成污染。

目前,在全省巖溶水中,被檢測(cè)出的主要污染物及其水平如下:

鐵:除洪山、廣勝寺、下馬圈、古堆泉外,其余大泉的鐵含量超標(biāo)率達(dá)14.3%～100%;

硫酸鹽:檢出超標(biāo)的有古堆泉、龍子祠泉、郭莊泉、娘子關(guān)泉,超標(biāo)率 16.7%～100%;

總硬度:超標(biāo)的有柳林泉、三姑泉、龍子祠泉、郭莊泉、娘子關(guān)泉、晉祠泉、洪山泉,超標(biāo)率為 9.09%～100%;

礦化度:超標(biāo)的有柳林泉、晉祠泉。

有機(jī)物:大部分的有機(jī)污染程度低,僅有坪上泉、辛安泉C O D超標(biāo),晉祠泉 D O超標(biāo),娘子關(guān)泉 N O-3超標(biāo);神頭泉 N O-2超標(biāo)。

蓄積性毒物:蓄積性毒物包括有 P b、C d、Hg、A s、C r6+等。在19個(gè)大泉中 P b超標(biāo)的有晉祠泉、柳林泉、龍子祠泉和三姑泉,最大超標(biāo) 0.11～1.16倍,平均超標(biāo) 0.11～0.621倍。H g含量大于0.2 p p b的有蘭村、晉祠、郭莊和辛安泉四個(gè)泉域。

氰化物:在天然條件下,巖溶水中不含氰化物,但 19個(gè)大泉中檢出率為 97.35%,檢出含量一般為 0.002～0.01 mg/L,目前超標(biāo)的只有娘子關(guān)泉,超標(biāo)率 33.3%,最大超標(biāo) 16.2倍,平均6.78倍,污染范圍 5 k m2以上。

氟污染:在天然狀態(tài)下,氟含量較低,一般在 0.2～0.6 m g/L之間,受污染最大高達(dá) 2.0 m g/L,超標(biāo)一倍。有超標(biāo)污染的泉域?yàn)闀x祠泉、古堆泉、郭莊泉、柳林泉,平均超標(biāo)在一倍以?xún)?nèi)。

3 對(duì)巖溶水的保護(hù)措施

(1)應(yīng)科學(xué)評(píng)估巖溶地下水環(huán)境對(duì)煤炭開(kāi)采的承載能力,合理開(kāi)發(fā)利用各類(lèi)地質(zhì)環(huán)境資源,凡新建、改建、擴(kuò)建煤礦時(shí),均應(yīng)進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境影響的評(píng)價(jià)工作,嚴(yán)格遵守《礦產(chǎn)資源法》、《水法》、《環(huán)境保護(hù)法》等有關(guān)法規(guī),并提出保護(hù)措施,防止地質(zhì)環(huán)境的惡化。

(2)合理規(guī)劃和調(diào)整現(xiàn)有煤礦生產(chǎn)布局,對(duì)于布局不合理,礦井過(guò)密,導(dǎo)致安全生產(chǎn)差和地下水資源破壞嚴(yán)重的小礦,應(yīng)堅(jiān)決關(guān)停并轉(zhuǎn)。

(3)實(shí)施礦井水處理回用工程,提高水資源綜合利用率。對(duì)礦坑水實(shí)行綜合治理、清污分流、按質(zhì)供水、分級(jí)利用。盡量減少礦坑水外排帶來(lái)的巖溶水污染。