胡君春，郭純青

(1.云南省煤炭地質勘查院，云南 昆明 650218;2.桂林理工大學 資源科學與工程學院，廣西 桂林 541004)

中國西南四省(貴州、云南、四川和西藏)查明煤炭資源量達888.11億 t，預測煤炭資源量達 2 646.65億 t，探采面積達 57 571.16 km2，占中國煤炭資源量的 5.82%(表 1)［1］;較中國北方地區(qū)為稀少，在中國西南地區(qū)至關重要，尤其西部大開發(fā)的進程中，煤炭資源能源效應舉足輕重。當煤炭資源取得巨大經(jīng)濟效益時，煤礦區(qū)水資源水環(huán)境問題也日趨嚴峻，并制約區(qū)域經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。西南四省煤炭資源的蘊藏經(jīng)濟巨大，未來將長期探、采，對水資源水環(huán)境影響與破壞嚴重。本文根據(jù)四省水資源匱乏和水環(huán)境惡化的特征，分析研究過去煤炭資源開采對水資源水環(huán)境的影響特征，為煤礦區(qū)水資源開發(fā)、水環(huán)境保護和水生態(tài)恢復重建提供參考，尤其為亟待開發(fā)的煤礦區(qū)水資源規(guī)劃、水環(huán)境保護、數(shù)字煤礦和綠色礦山建設等提供技術支撐。

中國西南四省地處邊陲，其共有的特征為:(1)地貌類型復雜多樣、地形起伏大、地形坡度大;(2)河網(wǎng)和巖溶發(fā)育;(3)土地資源匱乏、土壤覆蓋薄、耕地零星分散;(4)降水充沛、水土侵蝕和流失嚴重;(5)交通網(wǎng)欠發(fā)達、經(jīng)濟條件相對落后等區(qū)域分異明顯。水資源、水生態(tài)環(huán)境與地質環(huán)境呈現(xiàn)脆弱性、多變性與復雜性，加之煤炭資源大規(guī)模探采的劇烈工程活動誘發(fā)地質環(huán)境問題多，演化為多災種群發(fā)、突發(fā)和漸變的復式地質災害。這些問題是西南四省煤炭資源開發(fā)不可回避的問題，不能走較發(fā)達地區(qū)的重復路線，是未來煤炭資源開發(fā)必須關注和解決的水資源水環(huán)境問題。

1 煤炭資源開發(fā)利用不同階段水資源與水環(huán)境破壞程度對比

煤礦床是一種沉積礦床、礦產(chǎn)儲量、開采規(guī)模、開采強度及產(chǎn)量均居中國各種礦床首位。開采深度和開采面積越大，礦床水文地質條件具有許多特殊性和復雜性［2］。中國西南四省在未來探采深度和面積加大，在采前、采中和采后的不同階段中均對礦區(qū)水資源、水環(huán)境和礦山環(huán)境地質有不同程度的影響(表2)。采前為探明煤炭資源儲量，密集的鉆孔揭露或貫穿不同含、隔水層，對水資源水環(huán)境影響的主要原因為封孔不良的鉆孔，溝通不同含水層的水體，并加強不同水體之間的水力聯(lián)系;鉆孔沖洗液的排放污染地表、地下水體，其影響程度低。采中為煤炭采掘過程，煤炭巷道、豎井等設施揭露、溝通不同地層，尤其煤系地層中的水，含氟、硫、磷和砷等有害元素，在不同水體之間產(chǎn)生水力聯(lián)系的同時，煤礦區(qū)整個地下水系統(tǒng)遭受不同程度的污染，隨開采面積擴大和開采深度的逐漸加深，則污染進一步加劇。采后為煤炭資源開發(fā)利用過程中所誘發(fā)的各類災害的集中體現(xiàn)。地下水系統(tǒng)和地下含水系統(tǒng)的污染、水環(huán)境的破壞和礦山地質環(huán)境的破壞呈梯次出現(xiàn)，并受時間、空間的限制，具有潛伏性、危害性、突發(fā)性、群發(fā)性和漸變性等特征。

表1 中國西南煤炭資源統(tǒng)計［1］

表2 煤炭資源開發(fā)利用各階段對比

2 煤炭資源開采條件下水資源水環(huán)境影響趨勢

煤炭開采需強排地下水，對煤礦區(qū)地下水的補給、徑流、排泄加于干擾和控制，同時加速地下水循環(huán)速度和縮短地下水循環(huán)周期，強烈控制煤礦區(qū)地下水流動系統(tǒng)和地下水含水系統(tǒng)，打破地下水天然徑流場模式。煤系地層中賦水含氟、硫、磷和砷等有害元素，呈酸性特征。煤礦井長期大量排水、老窯積水、固體廢棄物長期淋漓和浸泡過程中的有害元素長期參與地下水的補給、徑流和排泄等水文循環(huán)的每個過程。隨著時間和空間上推移，大量煤礦排水和老窯積水進入煤礦區(qū)地下水流動系統(tǒng)和地下水含水系統(tǒng)中，滲入不同含水層，造成地下水污染，致使有限的地下淡水資源造污染。其污染程度受開采面積、開采深度和開采強度控制，加大恢復治理難度，增高治理費用，加劇各類供水矛盾，致使煤礦區(qū)下游流域的水生態(tài)、水安全、水管理和水權均受到不同程度的破壞。

煤礦排水呈酸性，含氟、硫、磷和砷等有害元素;老窯積水呈酸性，富含大量有害元素和懸浮廢棄物質;大量尾礦、煤矸石和其其它固體廢棄物在長期淋漓和浸泡過程中富含有害元素。上述三類水體在煤炭資源開采過程中滲入不同含水層，流入礦區(qū)不同的地表水體，與煤礦區(qū)不同水體參與水文循環(huán)，進入地表水系和地下水系統(tǒng)，污染地表水系統(tǒng)和地下水系統(tǒng)，對煤礦水環(huán)境造成不同程度的破壞。

煤礦區(qū)長期呈現(xiàn):一邊是水資源匱乏、水土侵蝕流失;一邊是煤礦長期集中強排地下水和礦坑突水，水“利”和水“害”共存。如何實現(xiàn)“水－煤”共采，合理交叉開發(fā)、集成集中開采利用是21世紀面臨的焦點問題?如何達到防治煤礦涌水和水環(huán)境保護?如何將排水變?yōu)樗Y源，做到以采煤為中心，水資源和煤炭資源共采，注重水利水害，邊采邊測邊規(guī)劃。如何充分認識到煤是戰(zhàn)略性基礎性資源，水資源也是戰(zhàn)略性基礎性資源?這些問題日益突出，是西部煤炭資源在將來大規(guī)模開采過程中不可不解決的問題。

3 煤炭資源開采條件下地下水的運動特征

煤炭資源開采需要劃分區(qū)塊，以煤田、礦區(qū)、礦井(井田)為單元，每天個單元的組合形成煤炭基地。其煤炭基地面積大(0.2～500 km2)，甚至上千平方公里。不同煤炭基地的礦井單位在連續(xù)開采過程中，形成煤炭基地區(qū)域內(nèi)地下水不同補給、徑流和排泄模式，多形成以礦井為地下水降落漏斗中心，致使煤炭基地內(nèi)地下水降落漏斗數(shù)與礦井數(shù)相同。隨開采面積擴大、開采煤層數(shù)增加、開采深度加深和開采厚度控制，加之自然因素。各礦井的地下水流動系統(tǒng)和地下水含水系統(tǒng)變異，以地下水的“源”、“流”、“場”、“蓄”、“排”均發(fā)生突變或變異(表3和圖1)為特性，隨開采規(guī)模擴大與開采年限加長，最終導致煤炭基地地下水流場變異，并擴大至一個水文地質單元或幾個水文地質單元，形成受人工控制地下水流場和巨大地下水降落漏斗的特征。

煤田區(qū)群礦采煤在開發(fā)利用煤炭資源的不同階段地下水流特征不同(圖1)。在采前階段，煤田區(qū)地下水補給、徑流和排泄屬于天然水文循環(huán)狀態(tài);在采中階段，煤田區(qū)不同礦井同時開采，隨時間的推移、開采深度加深、開采面積逐年擴大、礦井數(shù)的增加，形成以礦井中心為地下水降落漏斗中心的地下水徑流模式，并逐漸演化為以礦區(qū)為地下水降落漏斗中心的地下水徑流模式，即煤田區(qū)地下水降落漏斗數(shù)與煤田區(qū)礦井數(shù)相當;在采后階段，煤炭區(qū)所有煤層采空，則形成以煤層埋深最大的點為地下水降落漏斗中心的匯流模式，整個煤炭區(qū)形成一個巨大的地下水降落漏斗，煤田區(qū)小型水文地質單元即將被疏干，煤田區(qū)水文地質單元結構被徹底改變。

煤田區(qū)采空煤層后:地下水流方向改為向煤層埋深最深的地方匯流;因形成巨大的地下水降落漏斗，地下水水力坡度陡增，徑流強度加大;徑流條件和徑流量也隨之改變。含水系統(tǒng)中水頭重新分布，形成心的徑流系統(tǒng)，采前的補給區(qū)和排泄區(qū)相互易位(圖1)。

4 煤炭資源開采過程中對“四圈”破壞或重組及水資源水環(huán)境的影響

煤炭資源開采屬劇烈人類工程活動，尤其煤田區(qū)群礦采煤對煤田區(qū)巖石圈、生物圈、大氣圈和水圈(簡稱“四圈”)的影響和破壞嚴重(圖2)，也對“四圈”進行人為重組，對水資源與水環(huán)境的承載體和傳輸介質進行干擾和破壞。首先煤礦區(qū)煤系地層遭受采空或破壞，致使巖石力學性質變化和應力場不穩(wěn)定，接著巖石裂隙數(shù)增加和縫寬擴大;地下含水系統(tǒng)和地下水流動系統(tǒng)發(fā)生變異(圖1)，致使淺層地下水被疏干，地表植被水份不足而枯萎，地表向荒漠方向發(fā)展;煤田區(qū)煤層自燃，測定在自燃區(qū)附近地空(離地面高1.6 m)有害氣體超標70多倍［3］，煤矸石山長期露天堆放，會發(fā)生氧化、風化和自燃，產(chǎn)生大量的楊塵和有毒氣體，對礦區(qū)大氣造成嚴重污染［4］，即對大氣圈的破壞嚴重;廢棄礦山所誘發(fā)區(qū)域性大面積地下水、地表水于嚴重污染;礦區(qū)低洼處遭污水淹沒或沼澤化;災害的影響面積達，隱蔽性強，潛伏期長等［5］，水圈遭受破壞與重組。因此，煤炭資源開采對煤田區(qū)巖石圈、生物圈、大氣圈和水圈破壞和影響深遠，其誘發(fā)一連串的各類災害，次生災害頻發(fā)，隨時間的推移，不同災害頻發(fā)，并長期不斷的累積、持續(xù)性強，具有群發(fā)性和潛伏性。

煤炭資源開發(fā)利用對煤礦區(qū)“四圈”進行干擾、破壞和重組，尤其煤系水、煤矸石淋漓(或浸泡)水與不同巖體、不同水體和不同土體之間將發(fā)生化學的(沉淀、水化、溶解、脫硫酸等)、物理的(巖土體壓實、巖土摩擦力降低等)及動力的(水分、鹽分與能量的傳輸與交換)相互作用，而這些作用隨煤開采深度加深、面積加大和時間推移逐漸惡化，并加劇，煤礦區(qū)水資源和水環(huán)境將惡性循環(huán)。

圖1 煤田區(qū)群礦采煤條件下水文循環(huán)示意圖

表3 煤炭資源開采不同階段的地下水流的特征

圖2 煤炭資源開采對“四圈”的破壞與重組循環(huán)圖

5 結語

煤礦床是一種沉積礦床、礦產(chǎn)儲量、開采規(guī)模、開采強度及產(chǎn)量均各種礦床首位，隨開采面積逐年擴大、開采深度逐年加深、開采強度和開采速度加大，其誘發(fā)的地質災害類型多，并演化為多災種復合頻發(fā)，其破壞強度加大。尤其在上萬平方公里的煤田區(qū)，呈現(xiàn)多層采空區(qū)，水文地質結構遭不同程度的破壞和重組，地下水流動系統(tǒng)和地下水含水系統(tǒng)在區(qū)域上發(fā)生變異，對煤礦區(qū)及周邊地區(qū)水資源和水環(huán)境影響深遠，水資源水環(huán)境問題嚴峻，煤田區(qū)含水層疏干和含水層修復，是未來地下水環(huán)境修復的重要領域。

(1)中國西南尚未開發(fā)的煤炭資源量大，地形地質條件復雜多樣，生態(tài)環(huán)境與地質環(huán)境脆弱，應總結已閉坑煤礦經(jīng)驗，重新審視煤炭開采所誘發(fā)的一系列水資源水環(huán)境問題，認識到煤是資源、水是資源、氣(煤層氣)也是資源，在水、煤與氣(煤層氣)等資源互耗基礎上，提出水、煤和氣(煤層氣)三種基礎戰(zhàn)略性資源同步利用的理念，合理開發(fā)利用水資源，遏制水環(huán)境惡化是今后西南地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展亟待解決的問題。

(2)中國西南煤炭資源在未來大開發(fā)中應做到采前勘察詳細、預測準確和規(guī)劃保護合理，準確定位水資源水環(huán)境問題的可防性、可控性、可治性;采中治理和防治措施(或方案)到位;采后做到水資源效益、水環(huán)境效益、經(jīng)濟效益和社會效益可觀。

(3)煤炭開采對煤田區(qū)的“四圈”進行大規(guī)模、長期持續(xù)的干擾、破壞與重組，嚴重破壞人居環(huán)境，人地關系在煤炭采掘中逐漸惡化，對子孫后代造成重大災難。長期、高強度、大面積開采地下煤炭資源，直接或間接誘發(fā)的水資源水環(huán)境問題愈演愈烈。開采所帶來的一系列問題也在中國各種礦床的前列，政府應加大對水文地質的工作力度，建立健全煤礦水資源合理開發(fā)和水環(huán)境保護的示范性區(qū)，探索煤炭資源采前、采中和采后不同階段的影響，尤其是采后長期監(jiān)測、恢復治理和保護的方案及其效果，為即將采煤礦區(qū)提供技術支撐。

(4)煤炭資源開采致使煤礦礦井水污染的地表水灌溉入滲中發(fā)生可溶鹽作用、離子交換作用和水巖作用等［6］、煤矸石周圍土壤中微量元素的含量遠遠高于土壤背景值［7］，含水層被污染，也是未來煤田區(qū)含水層修復和地下水環(huán)境修復的重要領域。

(5)煤炭資源巨大的經(jīng)濟效益促使煤炭探采相關工作的不重視，尤其水文地質、工程地質 和環(huán)境地質工作。甚至在采前階段無相關技術員的條件下進行探煤，在開采過程中對水資源水環(huán)境也沒有足夠重視，增加煤礦礦山地質環(huán)境保護和恢復治理工作難度。尤其采煤過程中誘發(fā)的系列災害具有潛伏性、長期性、突發(fā)性、群發(fā)性和次生災害多等特征，而這些特征多數(shù)在閉坑后長期潛伏，其政府追究責任困難。為緩解人地關系，營造良好的人居環(huán)境，應在煤炭資源開采的各個環(huán)節(jié)增強水文地質、工程地質和環(huán)境地質的工作深度，實現(xiàn)水資源開發(fā)和水環(huán)境保護的科學化、定量化和規(guī)范化。

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