山西省煤炭開采對水資源的影響

秦潤嬙

(1.太原理工大學 礦業工程學院,太原 030024;2.山西地質博物館,太原 030024)

根據山西省2014統計年鑒,截止到2010年山西的水資源總量占國家總量的0.50%,約為120億m3,地下水占90億m3,地表水占其中的70億m3,山西省人均占有水資源量為全國人均占有量的21%,根據國際制定的通用標準來判斷山西省的缺水程度,山西處于極度缺水的等級[1]。在此情形下,大規模的煤炭開發以極大的觸動力影響了水資源系統、水資源環境,尤其是對水文地質環境產生了極為明顯的不可逆作用,破壞了地下水資源的自然賦存條件,影響了礦區水資源的質量。

1 煤炭開采對地下水系統的影響

煤炭開采對地下水系統的正常循環破壞嚴重。煤炭開采后形成了大面積的采空區,采空區上覆巖層的沉陷及裂縫破壞了地下水系統,造成地下水的滲漏和水位下降, 而這種破壞所產生的影響更具有廣泛性和深遠性。

1.1 地下水均衡遭破壞

煤炭資源和水資源原本處于平衡的生態系統中,在自然條件下各自有其固有的存在狀態和變化條件。煤礦開采打破了地下水本身的平衡狀態,使采空區上覆的巖層形成較為明顯的冒落帶、裂隙帶、整體移動帶，變了原有的補徑排條件,使地下水流加快,水位下降,貯存量減少,從而破壞了地下水均衡。

1.2 改變降水、地表水及地下水的轉換關系

在天然條件下,地表水、地下水及降水 (以下簡稱為“三水”) 存在著穩定的補給關系。但是因為煤礦開采后礦井排水在較淺的地段,導致三種狀態的水相互連通,地表水滲入地下成為地下水,之后倒灌進礦坑再排出后變為地表水。這種相互轉化與相互補給的補排關系,改變了原有的“三水”轉化過程,使水資源得不到充分利用,同時造成大量水資源受到礦井污染。

1.3 帶來嚴重的突水事故

全國目前至少14個省(區)出現過坑道(主要是煤礦)突水事故。山西省是坑道突水較為嚴重的省份,六大煤田有五個發生過突水事故。山西主要可采煤層是石炭系、二疊系及侏羅系煤層,采掘的煤層大多位于當地侵蝕基準面和奧陶系巖溶水位之上,采掘容易造成嚴重的突水事件,其水源主要是煤系地層本身的碎屑巖裂隙水、石炭系層間石灰巖巖溶水及上覆松散巖系的孔隙水,煤炭開采破壞了儲水構造,改變了地下水徑流路線,造成了嚴重的坑下突水。

2 煤炭開采對地下水資源量的影響

根據山西的煤炭開采歷史,以及開采過程中影響排水量的因素和礦坑排水量的變化規律,參考煤層與含水層組合的特點,從地下水靜儲量與動儲量兩個角度進行分析。

靜儲量是指本來賦存于含水層中的水,因為煤炭開采后的頂板垮塌導致采空區上部覆蓋的含水層被破壞,該含水層中的水因此被迅速排空。靜儲量是固定量,與該含水層本身結構有關,由煤層開采帶來的破壞結果具有一次性的特點[2]。山西省內的六大煤田除河東煤田以單斜構造產出外,其它五大煤田皆為向斜構造。山西組的砂巖含水層和太原組的砂巖、灰巖含水層與主要煤層間距都很小,目前一般礦井的開采深度都在300 m以淺。據此,目前開采破壞靜儲量應是主采煤層埋藏在300 m以內含水層中的水。根據含水層的厚度、分布面積、給水

度及靜儲量計算公式,在主采煤層300 m內,破壞地下水靜儲量為71 388萬m3。全省六大煤田及煤產地煤礦開采破壞的地下水靜儲量如表1所示。

表1 山西省各煤田采煤破壞地下水靜儲量計算結果表Table 1 Groundwater static reserves damaged by coal mining in Shanxi

需要特別指出的是:這種破壞對含水層的影響是永久性的、不可逆的。恰巧此層位又是山西省農村飲水的主要含水層,這種破壞帶來的水位下降,導致水井枯竭,樹木枯死,土地荒蕪。

地下水動儲量是指采煤造成上覆含水層被破壞,短時間內礦井中涌水量突然增大,經過一段時間的排水,水量趨于相對穩定。這個相對穩定的量就是動儲量。動儲量受到煤層埋藏深度、開采方法、地質構造、降水量等因素的影響,對其破壞帶來的后果也是永久性不可逆的[3]。煤礦開采后的冒裂高度一般為150 m,也就是說最上層的首層厚煤層采后破壞高度為150 m,當埋藏深度小于150 m,礦井排水量與降水及地表水體有關,當埋藏深度大于150 m時,開采煤層僅破壞兩煤層間含水層內的靜儲量,而與地表水體及降水無影響。據此,按照統計的埋藏深度為150 m以內的采空區面積及各煤田開采破壞的地下水模數,將計算的山西省各煤田破壞的動儲量如表2所示。從計算結果可以看出,煤炭開采對動儲量的破壞量為68 370 m3/h(7.8億m3/a)。

3 煤炭開采對地表水的污染

煤炭開采不僅影響、破壞了水資源系統及水資源量,其礦坑排水更污染了礦區水資源質量。通過對煤礦地表水樣的采集、分析,檢測結果表明,山西省煤礦區地表水主要污染因子有Mn、NH4+、Cl-、SO42-、NO2-、F-、酚、氰、P、Pb。按地面水環境質量標準Ⅴ類水進行評價:Mn超標率25%, NH4+超標率為85.7%, Cl-超標率為19.1%, SO42-超標率為66.7%, NO2-超標率為25.0%, F-超標率為5.9%, 酚超標率為21.4%, P超標率為80.0%, Pb超標率為30.0%。

山西煤礦區地表水污染最為嚴重的是霍西礦區介休—靈石—霍州的汾河段,該段汾河Mn、NH4+、Cl-、SO42-、F-、酚、氰、P、Pb等污染因子均超標,且最大超標倍數基本都出現在該段汾河,這與實地調查到的大量的礦山污水排入該段汾河的結果是一致的[4]。

4 煤炭開采對巖溶大泉的污染

在全省巖溶大泉中,被檢測出的主要污染有鐵、硫酸鹽、礦化度、總硬度、有機物、蓄積性毒物及氰化物、氟污染。

17個巖溶大泉的平均含鐵量除洪山、廣勝寺、下馬圈、古堆泉外,其余鐵含量超標率達14.3%～100%,超標倍數0.028倍～3.44倍;硫酸鹽超標的有古堆泉、龍子祠泉、郭莊泉、娘子關泉,超標率16.7%～100%;總硬度超標的有三姑泉、龍子祠泉、郭莊泉、娘子關泉、晉祠泉、洪山泉,超標率為9.09%～100%;礦化度超標的有柳林泉、晉祠泉。有機物僅有坪上泉、辛安泉COD超標,晉祠泉DO超標,娘子關泉NO3-超標;神頭泉NO2-超標。蓄積性毒物包括有Pb、Cd、Hg、As、Cr6+等,在19個大泉中Pb超標的有晉祠泉、柳林泉、龍子祠泉和三姑泉,最大超標0.11倍～1.16倍,平均超標0.11倍～0.621倍,Hg含量大于0.2 ug/L的有蘭村、晉祠、郭莊和辛安泉四個泉域。As、Cr6+在各泉域的檢出含量中,絕大部分低于標準值的20%,檢出率也相當低;在天然條件下,巖溶水中不含氰化物,但17個大泉中檢出率為97.35%,檢出含量一般為0.002 mg/L～0.01 mg/L,大于0.01 mg/L的有娘子關、下馬圈、神頭、紅石楞、坪上泉,但超標的只有娘子關泉,超標率33.3%,污染范圍50 km2以上;在天然狀態下,氟含量也較低,一般在0.2 mg/L～0.6 mg/L之間,受污染最大泉的氟含量高達2.0 mg/L,超標一倍。有超標污染的泉域為晉祠泉、古堆泉、郭莊泉、柳林泉,平均超標在1倍以內。

5 結束語

山西省煤炭開采對水資源造成的危害具有不可逆性,對生態環境的影響具有代際延續性，其所造成的嚴重后果將在今后逐漸顯現出來,應當及時制定相應的防治體系,合理布局煤炭工業,促進煤炭工業健康可持續發展。

[1] 王芳. 山西煤炭開采對水資源的影響研究[J].河南水利與南水北調,2015(19):50-51.

[2] 曹金亮.山西省煤礦開采對水資源的影響分析[J].華北國土資源,2008(4):18-20.

[3] 時紅,張永波.論煤炭開采對地下水資源量的破壞影響[J].山西科技,2011,26(1):36-37. SHI Hong,ZHANG Yongbo.Destructive Effect of Coal Mining on Groundwater Resources[J].Shanxi Science and Technology,2011,26(1):36-37.

[4] 山西省地質環境監測中心.山西省礦山地質環境調查與評估報告[R].太原:山西省地質環境監測中心,2003.