李喜林，王來(lái)貴，苑 輝，李建新

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，遼寧阜新 123000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧阜新 123000；3.天津市濱海新區(qū)管委會(huì) 土地整理儲(chǔ)備中心，天津 300450）

全球礦山經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間過(guò)度的、與環(huán)境不協(xié)調(diào)開(kāi)采后，廢棄礦山迅速增加，所伴隨的特有的環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害正在發(fā)生或處于潛在的發(fā)展之中。俄羅斯近年關(guān)閉數(shù)百座非贏利性虧損煤礦，造成大面積地下水和地表水污染［1］；美國(guó)馬里蘭州的大約450個(gè)煤礦中，近150個(gè)煤礦外排酸性礦井水污染河流，造成當(dāng)?shù)貏?dòng)植物大量死亡［2］；我國(guó)兩淮、唐山、鐵法、雙鴨山等地，采礦破壞了地表、地下水系，形成了大面積低洼區(qū)，成為污垢匯集之地；阜新市由于采礦誘發(fā)水資源流失，目前市區(qū)人均占有水資源量?jī)H為220 m3/（人年），不足全國(guó)平均水平的 1/10［3］。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在中國(guó)現(xiàn)有的426座礦業(yè)城鎮(zhèn)中，成長(zhǎng)期有84個(gè)，占19.7％；鼎盛期291個(gè)，占68.3％；衰退期51個(gè)，占12％。繼2007年國(guó)家確定首批12個(gè)資源枯竭城市之后，2009年又確定了第二批32個(gè)資源枯竭城市。據(jù)專家預(yù)測(cè)，在未來(lái)的二十年內(nèi)，我國(guó)各類礦山又將有近百座礦區(qū)城市（鎮(zhèn)）資源枯竭［4］。由于長(zhǎng)時(shí)間大面積開(kāi)采，致使在漫長(zhǎng)地質(zhì)年代中形成的原始地層結(jié)構(gòu)，水、氣循環(huán)系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞，水資源大量流失，水污染日益加劇。

阜新是我國(guó)典型的礦業(yè)資源枯竭型城市。阜新新邱煤礦區(qū)是阜新八大煤田之一，是阜新煤田礦山環(huán)境及地質(zhì)災(zāi)害的重災(zāi)區(qū)。該區(qū)開(kāi)采歷史悠久，自1897年開(kāi)采至今，已有100余年歷史。研究新邱礦區(qū)水環(huán)境災(zāi)害特征及防治措施，無(wú)疑對(duì)我國(guó)廢棄礦區(qū)水環(huán)境災(zāi)害治理具有重要的參考價(jià)值和實(shí)際意義。

1 新邱礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

阜新新邱礦區(qū)介于醫(yī)巫閭山山脈和小松嶺山脈之間狹長(zhǎng)盆地的東部邊緣，境內(nèi)地形起伏較大，為低緩丘陵地貌，屬中生代成煤盆地沉積區(qū)的東部邊緣，礦區(qū)全貌如圖1所示。該區(qū)為中生界白堊系上統(tǒng)阜新組含煤地層，巖性多為淺灰色，灰色及灰白色砂巖，砂礫巖、灰黑色頁(yè)巖、砂頁(yè)巖等。含有六個(gè)可采煤層群，由老至新為下層群、中層群，上層群、最上層群和新層群等，共計(jì)29個(gè)可采煤層。下伏九佛堂組含煤地層，上覆第四系坡洪積及沖洪積層，為松散的砂及亞砂土，亞粘土等堆積的表土層，厚4.0～15.0m。礦區(qū)內(nèi)地下水為第四系松散巖類孔隙水及基巖裂隙水兩種類型。含水層主要受大氣降水補(bǔ)給，地下徑流及礦坑抽水方式排泄。由于礦坑排水影響，區(qū)內(nèi)第四系水已被疏干。通過(guò)對(duì)所搜集資料統(tǒng)計(jì)，整個(gè)露天礦坑涌水量一般在100～150m3/h。從多年的生產(chǎn)實(shí)踐看，井田局部有裂隙水存在，實(shí)際采掘過(guò)程中所見(jiàn)的裂隙水，都不大，而且裂隙是局部的，在未采動(dòng)前，并不與外界相通。

圖1 新邱礦區(qū)全貌Fig.1 Panorama of Xinqiu mine area

2 水環(huán)境災(zāi)害類型及特征

新邱礦區(qū)始采于1887年，至1988年閉坑，有100余年開(kāi)采歷史，在露天煤礦周邊范圍內(nèi)形成14km2的礦山地質(zhì)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境極其惡劣地帶。礦區(qū)目前已進(jìn)入資源枯竭期，大面積衍生水環(huán)境災(zāi)害頻發(fā)、蔓延，地下采礦形成立體交錯(cuò)的硐室，引起地面沉降、塌陷、地裂縫等變形、破壞，占用和毀壞山林、草場(chǎng)和耕地等。即使在停采后，地層結(jié)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間不穩(wěn)定，繼續(xù)大規(guī)模變形、破壞等地層結(jié)構(gòu)演化。在地層沉陷過(guò)程中，相應(yīng)伴生水系調(diào)整和水體污染，影響面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)沉陷區(qū)存在的空間范圍。主要水環(huán)境災(zāi)害類型有水資源流失、廢舊地下采場(chǎng)和露天礦坑積水、地下和地表水質(zhì)污染等。

2.1 水資源流失

新邱礦區(qū)礦床開(kāi)采方式包括露天開(kāi)采和地下開(kāi)采兩種。露天采礦導(dǎo)致邊幫變形、松動(dòng)、水資源流失，地采引起地層冒落、裂縫、變形、松動(dòng)等形成降水漏斗。采礦破壞了地下蓄水構(gòu)造，降低了地下水調(diào)蓄能力；隨著采礦向縱深發(fā)展，上含水層地下水被疏干，形成了降落漏斗，地下水位大幅度下降。新邱露天礦坑內(nèi)部呈不規(guī)則盆地，最低處標(biāo)高為+3.7m，礦區(qū)地面標(biāo)高211m，露天礦坑地下疏干水位 2006年已達(dá)-20m。新邱露天礦及周邊地下開(kāi)采停止后，不再進(jìn)行強(qiáng)排地下水，地下水位將逐漸上升。沿礦坑煤巖層走向方向作一剖面，其概化與剖分模型如圖2所示。

圖2 滲流區(qū)域剖分圖Fig.2 Subdivision graph of in filtration area

在描述采動(dòng)地層水系流動(dòng)時(shí)，仍認(rèn)為地層為連續(xù)介質(zhì)，滲流符合達(dá)西定律，水流為飽和流，則描述采動(dòng)地層水系流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型為［5］：

初始條件為

式中：H——總水頭；

K——滲透系數(shù)；

μ——貯水系數(shù)；

S1和 S2——已知邊界。

（1）～（4）式組成數(shù)學(xué)模型。

根據(jù)近年監(jiān)測(cè)水位變化，以2006年為起點(diǎn)，依據(jù)建立的采動(dòng)地層水系流動(dòng)數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)未來(lái)二十年地下水位的發(fā)展趨勢(shì)。初始總水頭變化見(jiàn)圖3，五年總水頭變化見(jiàn)圖4。2011年6月現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)顯示，礦坑內(nèi)地下水位恢復(fù)至0.09m，與圖4預(yù)測(cè)結(jié)果吻合良好，可以看出預(yù)測(cè)模型的可靠性。由此，預(yù)測(cè)20年水頭變化，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯?0年后地下水位能恢復(fù)到+30m左右。

圖3 初始總水頭變化Fig.3 The initial total head change

圖4 五年總水頭變化圖Fig.4 The total head of 5 years change

圖5 二十年總水頭變化Fig.5 The total head of 20 years change

地下水位的大幅上升，需要我們?cè)趶U棄礦坑利用時(shí)做好預(yù)測(cè)和評(píng)估工作，采取有效措施，防止次生災(zāi)害的發(fā)生。例如，目前某煤化工項(xiàng)目年排放粉煤灰渣280×104m3，擬將礦坑作為灰渣堆存場(chǎng)，以取得礦坑回填和灰渣堆存的雙贏，筆者認(rèn)為其中關(guān)鍵問(wèn)題之一便是防滲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以防地下水位上升形成浸泡及大氣降水淋溶，造成地下水更嚴(yán)重污染。

2.2 廢舊地下采場(chǎng)和露天礦坑積水

新邱露天礦生產(chǎn)過(guò)程中，每年花費(fèi)大量的資金攔截疏導(dǎo)地表水，聚集在坑底的積水通過(guò)排水系統(tǒng)疏干。露天礦閉坑后，坑內(nèi)水源主要由大氣降雨、地表水滲流、河流滲透、工業(yè)和民用廢水排放及地下水進(jìn)行補(bǔ)給，形成人工湖泊，可能并發(fā)地下水質(zhì)污染、邊坡巖石軟化、誘發(fā)礦區(qū)地震等相關(guān)災(zāi)害。露天礦坑南部一積水坑如圖6所示。露天采場(chǎng)深部的積水，還可能造成采礦井突水被淹、冒頂、片幫等事故災(zāi)難，引起露天開(kāi)采邊坡和矸石山的滑坡、崩塌、失穩(wěn)，巖體滑移，甚至誘發(fā)礦震等一系列的礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，直接影響采場(chǎng)周邊井工煤礦的正常的安全生產(chǎn)，需要采取有效措施預(yù)防災(zāi)害的發(fā)生。

圖6 露天礦坑南部積水Fig.6 Water accumulated in the south of open pit coal mine

另外，在大面積采動(dòng)影響下，地層、巖層結(jié)構(gòu)破壞形成不同尺度的裂紋、裂隙和斷裂并貫通，揭露和串通了許多個(gè)不同的含水層。礦山廢棄后，地層結(jié)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間不穩(wěn)定，繼續(xù)大規(guī)模變形、破壞等地層結(jié)構(gòu)演化，地下水動(dòng)力場(chǎng)將變得異常復(fù)雜，采礦導(dǎo)致的塌陷及斷裂、裂隙，溝通了地表徑流、地下蓄水構(gòu)造與礦坑、上含水層與礦坑之間的水力聯(lián)系，使地表、地下徑流滲透匯集到廢舊采空區(qū)，形成地下暗湖。新邱礦區(qū)采礦遺留下的廢舊采場(chǎng)、巷道等地下空間達(dá)1×108m3以上。積水中的酸性、堿性、毒性、含重金屬礦物、有機(jī)物、微生物等通過(guò)采動(dòng)造成的裂隙擴(kuò)展連通、人為施工的各類井孔以及斷層構(gòu)造形成串層污染。圖7為通過(guò)室內(nèi)土柱實(shí)驗(yàn)?zāi)M的廢棄煤礦礦井水通過(guò)飽和煤巖體入滲對(duì)地下水污染機(jī)理研究中，礦井水淋濾試驗(yàn)滲出液各離子濃度變化曲線。從圖7可以看出，淋濾滲出液中總硬度、硫酸根、氯離子最初濃度較低，隨后濃度值升高，出現(xiàn)最大值后開(kāi)始下降，最后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值與所用淋溶礦井水濃度相當(dāng)，說(shuō)明土柱對(duì)污染物失去截留能力。用水巖作用機(jī)理分析可知，硬度、硫酸鹽、氯化物在開(kāi)始時(shí)都先被巖石吸附，進(jìn)行運(yùn)移累積，很快達(dá)到吸附平衡后，發(fā)生溶解和解析作用；硬度曲線達(dá)到最高點(diǎn)后的降低，體現(xiàn)出了離子交換作用［6］。

圖7 礦井水淋濾試驗(yàn)滲出液各離子濃度變化圖Fig.7 The exudate ionic concentration change chart under the condition of mine water leaching

2.3 礦區(qū)地表和地下水質(zhì)污染

表1為新邱礦區(qū)2007年測(cè)得礦井抽排水和河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，監(jiān)測(cè)點(diǎn)包括新邱露天礦坑（1#）、大崗崗礦排水口（2#）、長(zhǎng)興礦排水口（3#）和南湖水庫(kù)（4#）。

表1 研究區(qū)域各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Table 1 Data of water quality of supervised points in investigated section

從表1可以看出，按《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14848-93）中Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染物相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值不同程度超標(biāo)［7］。其中，總硬度最大超標(biāo)值19.3％，氯化物最大超標(biāo)值68％，硫酸鹽最大超標(biāo)值169.6％，總鐵最大超標(biāo)值163.3％，錳最大超標(biāo)值570％，氟化物最大超標(biāo)值80％，礦化度最大超標(biāo)值363.6％。

在新邱礦區(qū)，礦區(qū)內(nèi)礦井水污染物來(lái)源于煤巖體與水發(fā)生水巖作用溶出污染，井下糞便的污染，煤、砂塵的污染，廢坑木的腐爛污染，廢機(jī)油、廢酸液的污染，井下灑水及防火灌漿水的污染等。污染的礦井水外排后，在地表徑流過(guò)程中，造成地表水體污染，污染的地表水體在其徑流途徑中又滲透補(bǔ)給地下水引起地下水的污染。

礦區(qū)內(nèi)水質(zhì)污染的原因，除了礦井水引起之外，煤矸石和尾礦淋溶液的滲入也是影響水污染的主要因素。新邱礦區(qū)有大面積的矸石山和尾礦。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前新邱礦區(qū)累計(jì)煤矸石堆積量2.5×108m3，壓占土地20km2，由采礦形成的矸石遍布全區(qū)［8］。這些煤矸石在淋濾作用下滲入地下、地表沉陷區(qū)、露天礦坑和地下廢舊采場(chǎng)，同時(shí)尾礦庫(kù)所溶解大量的劇毒物質(zhì)也將進(jìn)入地下水系，形成污染。由于污染嚴(yán)重，新邱市政供水水源地早已被迫關(guān)閉，現(xiàn)利用東部大巴鄉(xiāng)八道河周邊地下水供城鎮(zhèn)居民飲用，上述狀況涉及和影響區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)井田分布的范圍。雖然目前礦山已廢棄，但地層結(jié)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間不穩(wěn)定，可能會(huì)繼續(xù)大規(guī)模變形、破壞，從而影響地下水資源和地下水循環(huán)系統(tǒng)，未來(lái)地下水水質(zhì)污染可能不會(huì)減輕。美國(guó)阿巴拉契亞地區(qū)因廢棄礦井造成4000km2的地下水流域受到污染便是最好的例子［9］。

3 防治建議

（1）積極申請(qǐng)國(guó)家礦山地質(zhì)環(huán)境治理資金，進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害治理工作。具體工作包括：將礦區(qū)內(nèi)（包括河道附近）煤矸石、生活垃圾、建筑瓦礫進(jìn)行清理，回填塌陷坑，植樹造林，進(jìn)行生態(tài)環(huán)境重建，以使包括水環(huán)境在內(nèi)的礦區(qū)環(huán)境得到改善。

（2）利用某煤化工企業(yè)大量廢灰渣無(wú)處堆放機(jī)會(huì)，積極和企業(yè)協(xié)商，用灰渣回填廢棄礦坑，以解決礦坑回填物需用量大問(wèn)題，從而達(dá)到雙贏，但要特別注意做好灰渣場(chǎng)地層防滲設(shè)計(jì)和施工工作，以防造成礦區(qū)水體更大污染。

（3）針對(duì)礦井水外排造成的水資源浪費(fèi)和水環(huán)境污染，新建防排水設(shè)施及凈水廠，對(duì)礦井水進(jìn)行處理，為礦區(qū)復(fù)懇綠化、植被恢復(fù)、生態(tài)重建提供充分的水源。

（4）充分依靠利用遼寧省、阜新市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)站對(duì)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和積累的地表水環(huán)境、地下水動(dòng)態(tài)、地下水環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)變等方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)手段，對(duì)地表水、地下水、大氣、土壤、巖石的環(huán)境污染進(jìn)行監(jiān)測(cè)，建立環(huán)境保護(hù)和災(zāi)害防治方面的地理信息系統(tǒng)（GIS），為礦區(qū)環(huán)境治理提供可靠參考數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

阜新新邱礦區(qū)露天煤礦周邊范圍內(nèi)形成14km2的礦山地質(zhì)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境極其惡劣地帶，屬于大面積采動(dòng)礦區(qū)。區(qū)內(nèi)伴生主要水環(huán)境災(zāi)害類型有水資源流失、廢舊地下采場(chǎng)和露天礦坑積水、地下和地表水質(zhì)污染等。從水資源流失角度，礦區(qū)內(nèi)降水漏斗形成明顯，目前正在逐漸恢復(fù)，經(jīng)預(yù)測(cè)，20年地下水位能從-20m恢復(fù)到+30m左右；露天礦坑和地下采空區(qū)形成積水，積水中的污染物在入滲過(guò)程中，通過(guò)運(yùn)移累積、吸附轉(zhuǎn)化、溶解解析和離子交換等水巖作用對(duì)地下水產(chǎn)生污染；礦區(qū)內(nèi)地表水和地下水污染嚴(yán)重，造成新邱市政供水水源地關(guān)閉，當(dāng)?shù)鼐用裰荒墚惖厝∷Ｒ虼?，?duì)新邱礦區(qū)進(jìn)行水環(huán)境災(zāi)害治理具有很強(qiáng)的必要性和緊迫性，建議采用礦山地質(zhì)環(huán)境治理、和企業(yè)合作、修建防排水及凈水設(shè)施、水環(huán)境監(jiān)測(cè)等手段，以使礦區(qū)環(huán)境得到根本改善。

［1］虎維岳，李忠明，王成緒.廢棄礦山引起的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2002，30（4）：33-35.HU Weiyue，LI Zhongming，WANG Chengxu.Geological environmental hazards caused by abandoned m ine［J］.Coal Geology ＆ Exploration，2002，30（4）：33-35.

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