王桃良

(山西陽泉市水務(wù)局，山西 陽泉045000)

1 娘子關(guān)泉域概況

娘子關(guān)泉域總面積7 217 km2，其中煤系地層在泉域內(nèi)的分布面積達(dá)4 500 km2，占泉域總面積的60%以上。泉域內(nèi)的煤炭開采有100多年的歷史，上世紀(jì)70年代以前煤炭開采規(guī)模在1 000萬 t/a以下，改革開放以后，尤其是進(jìn)入本世紀(jì)后，開采量以突飛猛進(jìn)的速度增長(zhǎng)，到2012年，總開采量已超過8 300萬t/a以上，其中陽泉市煤礦開采量就達(dá)6 093萬 t/a，累計(jì)開采15多億 t，是我國(guó)最大的無煙煤生產(chǎn)基地。

娘子關(guān)泉域位于沁水向斜東北部，從西向東、從南向北地層由老至新，從二疊系、石炭系的煤系地層到奧陶系、寒武系巖溶地層。煤系地層為海陸交換相或陸相沉積，除了煤層外，還有碳酸鹽巖夾層、砂巖、頁巖等，碳酸鹽巖夾層以及砂巖構(gòu)成夾層式巖溶含水層和碎屑巖裂隙水含水層，由于其底部石炭系本溪組為一套風(fēng)化殘積泥巖和頁巖層，因此，通常情況下阻隔其中地下水與下伏奧陶系、寒武系巖溶地下水的垂向水量交換，構(gòu)成泉域內(nèi)部具有相對(duì)獨(dú)立循環(huán)的重要水資源要素，一般稱為煤系地層碎屑巖類基巖裂隙水。天然條件下，煤層與頁巖層都是良好的隔水層，地下水主要在石灰?guī)r夾層以及砂巖中運(yùn)移，多以小泉小水的形式排泄，總體上地下水水質(zhì)比較好，地下水水化學(xué)類型一般為HCO3·SO4－Ca·Mg型水，礦化度一般小于5 00 mg/L，總硬度一般小于350 mg/L。

2 煤礦開采對(duì)娘子關(guān)泉域巖溶地下水水質(zhì)的影響

煤礦開采對(duì)巖溶水水質(zhì)影響可分為煤礦開采期影響和煤礦閉坑后影響兩個(gè)階段。

2.1 煤礦開采期對(duì)巖溶水的水質(zhì)影響

在煤礦開采中，隨著礦井的不斷開挖延伸，造成地面塌陷、裂縫及地形地貌變化等，引起地表滲透條件變化，煤系地層隔水層被破壞，各含水層發(fā)生水力聯(lián)系，地下水由水平運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向垂向運(yùn)動(dòng)為主滲入礦坑，為了煤炭的正常生產(chǎn)，礦坑水被排出地表，形成了一個(gè)與天然狀態(tài)下截然不同的礦坑水補(bǔ)、徑、排系統(tǒng)。與此同時(shí)，地下水與煤層及其圍巖的接觸的過程中受到污染，被污染的礦坑水排出地表，成為地表水和地下水的污染源。

煤系地層中常含有較多的硫化礦物，主要是硫鐵礦，多呈結(jié)核狀分布于煤層及其圍巖地層中，在自然狀態(tài)下處于封閉還原狀態(tài)。在煤礦開采以后，由于煤層的開采，礦坑頂部產(chǎn)生冒裂帶，底板及其兩側(cè)也會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)裂隙，硫鐵礦就會(huì)暴露于裂隙中，由原來的封閉狀態(tài)變?yōu)殚_放狀態(tài)，在水中氧和空氣中氧的作用下，硫鐵礦發(fā)生氧化和水解反應(yīng)，使SO42－、Fe3+、Ca2+、Mg2+等離子進(jìn)入礦坑水中，導(dǎo)致礦坑水的SO42－、總硬度、礦化度較天然狀態(tài)下的地下水普遍增高。如果礦坑水在井下滯留時(shí)間過長(zhǎng)，化學(xué)與水解反應(yīng)充分，則礦坑水就會(huì)形成硫酸酸性水，在酸性條件下地層中有更多金屬元素和微量元素溶解于水中，礦坑水的礦化度、總硬度會(huì)更高。以陽泉郊區(qū)山底河流域燕龕煤礦為例，2013年礦坑水取樣化驗(yàn)結(jié)果，SO42－含量 923 mg/L，總硬度含 1 158 mg/L，礦化度含量1 530 mg/L。

根據(jù)陽泉市2013年煤礦礦坑水排水量調(diào)查，全市市營(yíng)53座煤礦和陽煤集團(tuán)所屬煤礦10座煤礦，礦坑水年排水量達(dá)2 400萬 m3，除少部分用于井下除塵、洗選煤回用外，大部分就近排入河溝，進(jìn)入地表河流，在河流流經(jīng)碳酸鹽巖裸露河道時(shí)，大量滲漏造成了娘子關(guān)泉域巖溶地下水的污染。

2.2 采煤閉坑后對(duì)巖溶水的水質(zhì)影響

在煤礦關(guān)閉或部分采區(qū)停采后，由于停止抽排礦坑水，礦坑水便在礦坑逐步蓄積成為“地下水庫”，這部分礦井積水稱為“老窯水”。

“老窯水”長(zhǎng)期貯存在處于封閉狀態(tài)的井下，水循環(huán)交替緩慢，為各類物質(zhì)提供了充分的化學(xué)反應(yīng)時(shí)間，逐漸形成了一種不同于一般生產(chǎn)礦井排水水質(zhì)，具有“三高”既SO42－、礦化度和總硬度含量高的特點(diǎn)。老窯水“的化學(xué)成分很復(fù)雜，它取決于地下水的補(bǔ)給、排泄條件，老窯的深度，老窯所開采煤層的煤質(zhì)及頂、底板巖性和氧化條件，蓄積時(shí)間等多種因素。在通常氧化環(huán)境下，煤中硫鐵礦氧化成硫酸，礦坑水被酸化(式1)，pH值的降低進(jìn)一步增強(qiáng)了水的溶解能力，使礦坑水溶解更多的煤層以及圍巖物質(zhì)，因此將極大地提高其礦化度和總硬度的含量。當(dāng)?shù)V井圍巖有碳酸鹽巖存在時(shí)，水中硫酸將被中和(式1)，這種水pH值變高，有降低溶解性的作用，但會(huì)增加Ca2+、Mg2+，使礦坑水的總硬度會(huì)加大;“老窯水”的另外一種情況是在封閉弱氧化或還原環(huán)境下，氧氣得不到足夠補(bǔ)充，那么黃鐵礦形成FeSO4后氧化作用不再繼續(xù)，所形成的游離硫酸與碳酸鹽巖中和后，形成Ca2+、Mg2+及 SO42－離子，同時(shí)CO2與碳酸鹽巖作用生成易溶的重碳酸鈣、重碳酸鎂，此時(shí)，老窯中將形成SO4·HCO3—Ca·Mg水。在有碳源供體和適宜的溫度、pH等特定條件下，SO42－還有可能在硫酸鹽還原菌的作用下被還原成H2S氣體，一些老礦井中常有刺鼻的氣味往往是該種環(huán)境條件所致。

陽泉市目前多數(shù)煤礦還在開采階段，圍繞礦坑系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)的地下水還處于相對(duì)積極的循環(huán)狀態(tài)，“老窯水”對(duì)水環(huán)境的污染還不明顯，但部分礦井由于資源枯竭或在煤礦合并重組中被關(guān)停，“老窯水”對(duì)環(huán)境的影響已開始顯現(xiàn)。如陽泉郊區(qū)山底河流域煤礦，在2009年煤礦整合中有十幾座村辦小煤礦被關(guān)閉，在2013年發(fā)現(xiàn)有的關(guān)閉的礦坑“老窯水”溢出地表流入河道，實(shí)測(cè)流量達(dá)2 900 m3/d，取樣分析結(jié)果，SO42－含量5 781 mg/L，總硬度含量4 870 mg/L，礦化度含量8 272 mg/L，上述三項(xiàng)指標(biāo)比該流域生產(chǎn)的的燕龕煤礦礦坑水水質(zhì)分別高出6.2倍、4.2倍和5.4倍。

據(jù)陽泉市國(guó)土局資料，全市煤礦、鐵礦、硫鐵礦、石膏礦采空區(qū)已達(dá)371 km2，煤炭開采量累計(jì)達(dá)14億 t，如煤的容重按1.8 t/m3、煤巷體積按采煤體積5%計(jì)，估算多年來采煤形成的地下采空區(qū)總體積在8.17億 m3，而且按照現(xiàn)狀開采量，每年尚有3 500萬m3的采空區(qū)體積在增加。陽泉市多數(shù)礦井預(yù)計(jì)在未來10～15 a逐步進(jìn)入閉坑階段，這些地下采空區(qū)絕大部分在煤礦停采后將被地下水充填形成“老窯水”，隨著“老窯水”蓄積量的增加，充滿后必將流出地表，進(jìn)入下游的碳酸鹽巖裸露區(qū)后大量漏失，對(duì)巖溶地下水造成嚴(yán)重污染，未來娘子關(guān)泉域面臨的水環(huán)境形式將非常嚴(yán)峻。

3 礦坑水對(duì)巖溶水的污染途徑

礦坑污水進(jìn)入巖溶含水層的主要途徑有三條，分別是河流的滲漏、垂向越流和鉆孔串層污染。

3.1 河流的滲漏

河水滲漏是娘子關(guān)泉域巖溶水的重要補(bǔ)給源，根據(jù)第二次水資源評(píng)價(jià)結(jié)果，河流對(duì)巖溶水的多年平均滲漏補(bǔ)給量為6 511萬 m3/a(2.06 m3/s)，占到泉域巖溶水補(bǔ)給總量的18.2%，其中陽泉市內(nèi)的河流滲漏補(bǔ)給量為5 100萬 m3/a。

由于娘子關(guān)泉域特定的自然地理?xiàng)l件，河流上游為煤系地層分布區(qū)，煤礦均處于河流的上游地區(qū)，而下游為碳酸鹽巖裸露分布區(qū)，煤礦礦坑排水最終都會(huì)進(jìn)入下游碳酸裸露河道大量滲漏補(bǔ)給巖溶地下水，是造成巖溶水污染最主要的污染途徑。

3.2 垂向越流

陽泉市煤系地層底部本溪組泥頁巖厚度有45 m為良好的隔水層，通常條件下，煤系地層中地下水在垂向上無法向下滲透，因此能構(gòu)成相對(duì)獨(dú)立的循環(huán)。但是，由于煤礦開采形成的變形和破裂，部分地區(qū)隔水層的隔水性能被破壞，形成了礦井水向下伏巖溶水越流的區(qū)域，導(dǎo)致巖溶水的污染;還有有些煤礦在斷層構(gòu)造地帶或是陷落柱，本溪組泥頁巖隔水層被破壞，溝通了與下伏奧陶系碳酸鹽巖含水層的聯(lián)系，存在礦坑水向下部滲漏的可能。

3.3 鉆孔串層污染

分布在煤系地層地區(qū)的一些深層巖溶水開采井以煤礦勘探孔，揭穿了煤系地層和下伏巖溶含水層，成井時(shí)為防止兩個(gè)含水層間水量交換，一般都做了止水處理，但隨著時(shí)間推移，特別是煤礦開采后生成大量酸性水，對(duì)鉆孔套管井長(zhǎng)期腐蝕，止水性能失效，導(dǎo)致上部礦坑水通過井孔下滲進(jìn)入巖溶含水層。據(jù)初步調(diào)查，陽泉市上世紀(jì)90年代在煤系地層鑿成的60多眼巖溶井，大都存在礦坑水沿井壁管向下漏失的現(xiàn)象。

4 結(jié)語

煤礦開采對(duì)巖溶地下水水質(zhì)的影響可分為開采期影響和閉坑后期的影響兩個(gè)階段。在煤礦開采期間，由于煤層及周圍地層中硫鐵礦發(fā)生氧化和水解反應(yīng)，礦坑水中硫酸根離子、總硬度、礦化度含量均比天然狀態(tài)下地下水增高;煤礦閉坑后，在礦坑內(nèi)積蓄成“老窖水”，由于其水循環(huán)交替緩慢，為各類物質(zhì)提供了充分的氧化反應(yīng)時(shí)間，形成高SO42－、高礦化度、高硬度的酸性礦坑水。礦坑水對(duì)娘子關(guān)泉域巖溶地下水的污染途徑主要有三條，分別是河流的滲漏、垂向越流和鉆孔串層污染，其中河流的滲漏是造成巖溶水污染最主要的污染途徑。娘子關(guān)泉域多數(shù)礦井在未來10～15 a將逐步進(jìn)入閉坑階段，隨著關(guān)閉煤礦的增多，“老窖水”將是娘子關(guān)泉域面臨越來越嚴(yán)重的水環(huán)境問題，為此，對(duì)關(guān)閉煤礦“老窯水”的污染問題必須給予足夠的重視，盡快實(shí)施“老窯水”的治理，保護(hù)娘子關(guān)泉域巖溶地下水已刻不容緩。