采煤对水资源的影响评价及防治对策.pdf

[收稿日期 ] 2009- 08- 13[修回日期 ]2009- 11- 24 [作者简介 ]王启亮, 男, 1964年生, 副教授, 硕士, 研究方向为环境地质。 1006- 8139 2010 01- 14- 03 采煤对水资源的影响评价及防治对策 王启亮 山西水利职业技术学院, 山西运城044004 摘 要 通过分析山西煤矿床的水文地质特征、 采煤对水资源的影响及表现形式得出 采 煤破坏了含水层位, 打破了地下水原有的补、 径、 排条件, 不仅导致水质、 水量发生变化, 而且破坏了水的动态平衡, 给水资源带来严重影响。针对采煤对水资源的影响情况, 提出 了相应的防治对策, 以有效保护水资源和实施煤炭工业的可持续发展。 关键词 采煤; 水资源; 影响; 防治对策; 山西 中图分类号 TV213 文献标识码 B 山西是我国重要的能源重化工基地, 煤炭资源丰富, 而 水资源匮乏, 同时还面临着河川径流量衰减、 河道断流、 水质 恶化等严重问题。随着采煤量的增加, 开采速度的不断加 快, 对水资源的影响也在不断加剧。山西目前采煤生产中, 吨煤开采破坏地下水的静储量为 1 . 07m3。近 20年来, 山西 煤炭开采对水资源造成的破坏累计经济损失占山西省 GDP 总和的 2. 8 [ 1]。所以, 研究采煤对水资源的影响, 对实施山 西经济和煤炭工业的可持续发展具有重要意义。 1 山西煤矿床的水文地质特征 山西煤系地层以石炭系、 二迭系分布最广, 其次为侏罗 系。与煤矿关系密切的主要含水岩组可分为三类。 1. 1松散岩类孔隙水含水岩组 松散岩类主要分布于现代河谷、 沟谷以及山间盆地。岩 性为冲洪积砂砾及各种粒级的砂层, 厚度在十余米至几十米 之间。此类含水岩组地区的特点是煤矿一般位于半坡、 山沟 和当地侵蚀面或浅层地下水位以下, 无构造破碎带, 地层连 续性完好, 含水层水量小。对煤矿床的充水, 主要决定于孔 隙水的富水性及含水层孔隙的发育程度。 1. 2层间裂隙水含水岩组 煤系地层一般夹有灰岩, 不同地区的灰岩层数、 厚度各 不相同, 这些灰岩与石炭、 二迭系地层中的砂岩构成裂隙水 含水岩组, 其富水程度取决于灰岩和砂岩的厚度以及裂隙发 育程度等因素, 而这些因素又决定该类含水岩组对煤矿床的 充水能力。 1. 3碳酸盐岩岩溶水含水岩组 一般分布于煤系地层边缘和底部。含水岩组在裸露和 埋藏较浅的条件下, 岩溶裂隙发育, 则富水性强, 其对煤矿 床的充水, 主要取决于岩溶水位与煤矿开采层底板的相对高 程以及隔水层厚度和断裂发育程度 [ 2]。 2 采煤对水资源的影响分析 采煤排水打破了地下水原有的补、 径、 排条件, 使地下水 向矿坑汇流, 采煤时还会疏干地下水, 这不仅影响了地下水 资源的数量和质量, 而且破坏了水的动态平衡和生态环境。 采煤过程中的矿井水和矸石淋溶水等未经净化处理就被直 接排放 , 对周围水资源造成了严重的污染。随着采煤强度和 延伸速度的不断加大提高 , 矿区地下水位大面积下降 , 使缺 水矿区供水更为紧张 , 以致影响当地居民正常的生产和生 活。另一方面 , 大量地下水资源因煤系地层破坏而渗漏矿井 并被排出 , 对矿区周边环境又造成新的污染 。 2. 1对地表水的影响 煤、 水资源共存于一个地质体中, 天然条件下, 各有自身 的赋存条件和变化规律, 降水、 地表水和地下水存在一定的 补排关系, 地表裂隙的产生增加了大气降水的渗入量, 减少 了地表径流量, 裂缝通过河流时使河水直接渗入地下。矿坑 排水在浅部地段导致 三带 连通, 使地表水转化为地下水, 涌入矿坑后再排出, 在下游又转化为地表水。如位于平朔矿 区西部的七里河, 自北向南流经刘家口矿至朔县汇入恢河, 1990年前河床常年有水, 现已断流。现在河床中的水主要为 煤矿矿坑排水。由于本区煤层埋藏浅, 距地面 50 150m, 厚 度达 20 30m, 所以开采后形成裂隙导水带与地面贯通, 使 地表水与地下水直接发生水力联系, 结果形成地表水渗入矿坑后再人为排出地表, 再渗入再 排出的恶性循环状况。 2. 2对浅、 中层地下水的影响 煤系地层一般为砂岩、 页岩、 灰岩、 煤层互层的地层组 合, 而煤层又属相对隔水层, 浅、 中层地下水是工业用水和生 活用水的主要水源, 由于采煤的影响, 导致煤系地层以上裂 隙水受到明显破坏, 使原有含水层变为透水层。采煤将形成 采空空间, 加之回采放顶、 放炮震动, 导致矿坑上、 下伏岩层 的破裂, 促使原有的断层、 裂隙进一步扩展, 造成地表破裂 与塌陷, 而煤系地层中的水, 松散岩类地层中的水均快速地 向下渗透, 形成了区域性地下水位降落漏斗。在其影响半径 之内, 地下水流动加快, 水位下降, 储存量减少, 局部由承压 14 第 1期 总第 175期 2010年 2月 山西水利科技 SHANXIHYDROTECHN ICS NO. 1Total No. 175 Feb . 2010 转为无压, 地下水逐渐被疏干。如太原西山冶峪一带出露的 小泉水, 由于西峪煤矿的开采, 地下水位下降, 泉水全部干 枯, 后来打的深井, 随着采煤的发展, 井水位连续下降, 出 水量不断减少。又如宁武矿区年采地下水 624万 m3, 矿坑 排水 487万 m3, 过量的开采和排水使 19处泉水断流, 7 处 泉水流量减少, 浅井大部分干涸 [3]。 2. 3对深层地下水的影响 深层地下水补给来源广, 埋藏深, 径流条件好, 地下水 储量丰富, 含水层水压高, 一些地区还会高出煤系地层。煤 矿在开采过程中, 为了维持采矿的正常进行及采煤工作面的 横向和纵向发展, 必须将工作面周围的水或潜在的水排出。 随开采深度的加大, 深层各含水层水被截留, 转化为矿坑水 排出, 导致深层地下水位下降, 还将会减少泉水的补给, 严重 时会造成泉水断流。当上层组煤开采到一定程度后, 下层组 煤接着开采, 此时, 矿坑排水除了上层组煤以上的疏干补给 和地表水入渗补给外, 尚增加了相邻两组煤层之间地下水含 水层的疏干补给, 下层煤开采程度越深, 增加的疏干补给越 大。据晋祠水源保护办公室调查结果, 风峪沟内乡镇煤矿采 煤破坏了煤系地层的岩溶水, 影响了晋祠泉的出水量。 2. 4采煤对水质的影响 矿坑排水中含有毒物质, 如酚、 CN - 、 Hg 、 Cr 6- 、 As 、S2- 等, 检出率均很高, 矿坑水的排放势必影响地表水及地下水 水质。按国家饮用水水质标准评价, 宁武煤田六亩地矿存在 矿化度、 挥发性酚、 硫酸盐等项目超标, 其中挥发性酚为标准 的 10倍; 刘家梁矿也是挥发性酚超标, 为标准的 515倍; 下 窑矿 Hg超标, 为标准的 317倍。清水流量小并接纳矿坑排 水的河流, 如七里河、 马关河, 其水质特征与矿坑水质类似。 对清水流量较大的河流, 由于矿坑水的排放, 其水质也会受 污染, 如阳武河, 在上游清洁区采样与矿区下游下马圈泉附 近河水采样对比, 结果 SO2- 4 由 43 mg/L增加到 168 mg /L , Cl-由 20 mg/L 增加到 59 mg/L , 挥发性酚、 CN-、 Hg等含量 均有增加, 表明矿井排水已对河流产生了明显影响。采煤对 地下水水质的影响也是严重的。表 1为山西省部分地区矿 坑排水水质检测成果表, 由表可知亚硝酸氮 致癌物 、 酚和 汞 剧毒物 是矿坑排水中最主要的污染物, 其次还有化学耗 氧量, 氨氮和硫酸盐等污染物 [ 4]。 表 1 山西省部分地区矿坑排水水质检测成果 单位 mg /L 取样地点p H矿化度总硬度COD氯化物氨氮亚硝酸氮酚汞硫酸盐砷氰 大同矿 新白洞 8. 14590733 . 5/1 . 9 15 . 84 /3. 011. 35∀∀0 . 00050. 0057/4 . 7∀∀0. 0004 西山镇 城底35井 7. 97313∀14 . 16 /2. 537. 05. 53/10 . 1 0 . 485 /47 . 5∀0. 0001268/0 . 1 0. 0120. 0004 西山西 曲51井 7. 14634445 . 8/0 . 8∀13. 018/2 . 61 . 006 /99 . 6∀0. 0003910. 0140. 0004 阳泉荫 营矿 7. 2797 . 5391 . 0/0 . 6 48 . 2/11. 150. 04. 82/8 . 6∀0. 103/50. 50. 0002647/1 . 600 . 014 孟县乌 玉矿 7. 0677 . 7294 . 2/0 . 21 . 512. 80. 6/0 . 2∀0 . 007/2. 5 0. 0068/5 . 8 337/0 . 300 西山马 兰 111井 7. 7∀∀1 . 76182. 5/4 . 00 . 8 /790. 0025/0. 30. 000051250. 0025 0. 0164 国家饮用 水标准 6. 5 8 . 5100025042500 . 50. 010 . 0020. 0012500. 050 . 05 注 表中分子为污染物浓度 mg /L, 分母为超标倍数, 无斜线者为未超标项目。 3 采煤对水资源影响的表现形式 采煤时不仅会破坏含水层位, 还会导致水质、 水量发生 变化, 结果是形成区域降落漏斗, 局部地区发生水力联系形 成导水带, 造成地下水的渗漏。在采区范围内引起地表沉 陷、 产生裂隙, 使煤层以上的含水层遭到破坏, 含水大幅度 下降, 甚至造成局部水量疏干, 给当地供水造成一定困难 等。以下按水文地质条件复杂程度进行分析。 3. 1简单地区 在此地区煤层开采时, 会因井巷布置不当, 破坏底板, 如开采到构造破碎带, 使具有承压性含水层的水涌入矿井, 造成矿井突水。如平朔煤田北部矿区, 煤层基本位于岩溶水 水位以上, 没有底板突水威胁, 地质构造简单, 断层稀少, 矿床主要为煤系砂岩裂隙水, 含水层厚度小, 含水性弱, 地 下水补给以降水入渗为主, 没有侧向补给来源, 上覆冲积层 很薄, 区内河流为季节性河流, 矿井排水量小于 100 m3/d, 基本不外排, 主要供井内洒水, 故影响较小。 3. 2中等地区 该区地质构造不太复杂, 断层中等, 落差一般在 50m 以 下, 含水层为砂岩, 厚度变化大, 含水性中等, 主要可采煤层 位于河床和当地侵蚀面以下 100m 150 m, 大部分煤层位于 岩溶水位以上, 仅局部低于岩溶水位。矿井充水以裂隙水为 主, 局部断裂带与岩溶水有间接水力联系, 一般不会发生底 板突水事故。地下水补给以大气降水为主, 局部地段与河水 有水力联系, 矿井排水量 100 m3/d 500 m3/d, 如宁武煤田 北中部阳方口矿、 朔州下窑矿等, 对水资源影响明显 [ 5]。 15 第 1期 总第 175期 2010年 2月 王启亮 采煤对水资源的影响评价及防治对策 NO. 1 Total No . 175 Feb . 2010 3. 3复杂地区 该区主要煤层位于奥陶系岩溶水位以下 200 m以上, 当 地河流侵蚀面以下 100 m 200m , 上覆第四系松散层厚度 大, 含水层含水性强, 煤矿充水有底板岩溶水、 顶部孔隙水 和煤系地层裂隙水, 矿井排水量大于 500m3/d。据调查统计, 位于霍西煤田中部霍州矿区, 区内断裂构造发育, 主要有 NE、 NW、 NEE和 NS共 4组, 而且成组出现, 互相切割, 把矿 区分割成大小不等的断块, 截至目前, 已发生底板奥灰岩溶 水突水 4次, 其原因均为巷道小断层和柱状陷落破碎带造 成, 可见断层对地下水起有重要控制作用 其中圣佛矿 2次, 初始突水量为 5 280 19 890m3/a , 白龙矿投产不久就发生 2 次, 初始突水量为 5 280 7 200 m3/a , 单点突水量为 200 400m3/h, 这将对水资源造成严重影响。 4 防治对策 4. 1加强法制建设, 完善水资源保护立法 作为国家传统的能源基地的山西, 现阶段煤炭的规模开 采仍是必需的。但在开采煤炭的同时 , 应考虑其对水资源的 破坏和污染问题 , 使采煤对生态环境的破坏减少到最低限 度。因此 , 应坚决贯彻执行国家的矿产资源法 ∃、 水法 ∃、 环境保护法 ∃等法律法规。全面规划 , 统一布局 , 合理开 发, 综合利用。通过采取资源整合、 建设大型现代化煤矿、 严 格控制小型煤矿生产等一系列措施 , 提高煤炭生产集约化水 平 , 力争做到既要合理开发煤炭资源 , 又要保护水资源。 4. 2加强矿坑水的综合利用 针对山西天然水资源严重不足的现实 , 加大处理回用矿 坑排水的综合利用力度。据调查统计和测算 , 在目前条件 下, 山西煤矿矿坑排水量每年为 3 .0亿 m3左右。该水量除 小部分 约 30 被矿井生产利用外 , 绝大部分 约 70 外 排到附近沟谷和河道。既浪费了宝贵的水资源 , 又破坏了周 围的水坏境。目前正在建设的坑口电厂 和煤化工项目, 完全 可以利用矿坑的排水解决建设项目的生产用水。 4. 3加强煤矿生产水资源评价工作 煤和水共存于地下岩层中 , 一方面采煤、 加工需要用水, 另一方面 , 采煤对水资源的影响和破坏是非常严重的。为保 持煤炭工业的可持续发展 , 尽量降低采煤对水资源的影响破 坏程度, 根据 2002年水利部、 国家计委颁布实施的第 15号 令建设项目水资源论证管理办法 ∃要求 , 必须对煤炭工业 建设项目进行水资源论证 , 其论证范围为新建、 改建、 扩建的 煤炭工业建设项目。论证内容包括井田位置、 面积、 煤炭储 存量、 开采年限、 开采层位、 开采和加工取用水量、 矿坑排水 量、 对水资源的影响及其防治措施等 [ 6]。 4. 4优化设计 , 减少水资源破坏 按照科学发展观的要求 , 依靠技术进步 , 采用新工艺、 新设备、 新材料 , 优化煤矿和选煤厂设计 , 在生产全过程中 , 减少地下水渗漏、 矿井水产生量、 地表沉陷等。所有矿区开 采凡牵涉到当地供水的含水层时都要考虑采矿对水资源的 影响, 如何还水或是弃矿保水等问题; 采用保水开采技术, 对 位于奥陶系灰岩水位以下, 岩溶水丰富, 水压很高的带压开 采矿区, 为防止矿坑突水, 可考虑超前疏干降压与供水结合, 建立水厂, 既能保证煤矿安全生产, 又能充分利用优质岩溶 水源。 4. 5全面开展采煤对水资源影响的监控工作 采煤势必影响、 破坏水资源, 但必须将其影响和破坏程 度减少到最低。要想达到这一目标 , 最基础的工作就是要对 正在生产的、 准备改扩建的和新开发的大、 中、 小型煤矿生产 过程中对水资源影响和破坏程度进行实时监控 , 提出和采取 相应的保护措施。 4. 6建立采煤对水资源影响的补偿机制 中华人民共和国水法 ∃第三十一条规定 开采矿藏或 建设地下工程 , 因疏干排水导致地下水水位下降、 水源枯竭 或者地面塌陷 , 采矿单位或者建设单位应当采取补救措施; 对他人生活和生产造成损失的 , 依法给予补偿。 据此 , 必须 建立采煤对水资源影响破坏的补偿机制 , 明确企业和政府的 治理责任 , 制订专项规划 , 加大生态环境治理投入。 [参考文献 ] [ 1]王晓宇. 山西煤炭开采对水资源的影响分析及对策研究 [ J]. 科技情报开发与经济, 2003 12 107- 109. [ 2]冀涛. 山西水资源与煤矿开采的若干问题及对策 [ J]. 山 西煤焦科技, 2008、 01 10- 12. [ 3]吴玉生等. 煤矿开采对地下水资源的影响 [ J]. 能源环境 保护 , 2004, 18 6 1- 3. [ 4]王宏等. 浅谈山西省煤矿开采区的环境问题 [ J]. 山西水 利科技, 1999, 125 1 47- 49 . [ 5]苏彩霞等. 宁武煤田采煤对水资源的影响与对策 [ J]. 山 西煤炭, 1998, 18 1 49- 52. [ 6]孟凡生等. 煤矿开采环境影响评价中地下水问题探析 [ J]. 地下水, 2007 , 01 81- 84 . uation on Influences ofCoalM ining forW aterResources and ControlM easures WANG Q i- liang Abstract By analyzing the hydrological characteristics of Shanxi coalbed,the influence of coalm ining on water re sources and itsmanifestation, the article concludes that coalm in ing destroies the aquifer ,and breaks the original recharge , runof, fdrainage of groundwater . It not only leads to changes ofwater quality and quantity , but also breaks thedyna m ic bal ance ofwater , and brings serious m i pact on water resources . Accord ing to this ,the papergives correspond ing controlmeas ures to protectwater resources and realize sustainable development of coal industry . K eywords coalm in ing waterresourcesm i pactcontrolmeasures Shanxi 16 第 1期 总第 175期 2010年 2月 山西水利科技 SHANXIHYDROTECHN ICS NO. 1Total No. 175 Feb . 2010