煤礦開采對地下水環境的影響及防治措施研究

毛學紅

(河南省地質局生態環境地質服務中心,鄭州 450000)

0 引 言

近年來,隨著社會經濟的快速發展,煤炭需求量呈上升趨勢[1]。煤礦開采時,需要在地表開鑿一系列的礦井、巷道。礦井開采中,裂隙帶、斷裂、采空區引起的地表運動,將對礦井地下水的貯存環境造成較大影響[2]。此外,由于人類生產和生活所產生的各種污水會從地表縫隙中滲透,對地下水的水質、水量和補給帶來很大的負面影響[3]。因此,加強對煤炭資源地下水的保護具有十分重要的現實意義。

目前,由于開采技術和開采方式等多方因素的影響,使地下水環境評價工作面臨嚴峻的挑戰。為此,許多學者開展了相關研究。王立河[4]從水資源減少、水污染增加、地質儲水結構改變等方面,探討了煤炭開發對水資源的影響,并提出了相應的水環境治理與水資源保護對策。江建明等[5]利用水文地質比擬法和大井法,分別預測了礦坑涌水量,結果表明所提方法可以較好地預測地下水量和水位影響范圍。馬衛軍[6]對某地區重組小煤礦的開采現狀進行了分析,并提出了對異常體進行注漿加固、對回采影響范圍內的老空水提前排干等防治措施。本文從煤礦開采對地下水環境的影響機制以及地下水環境安全評價兩個角度出發,提出一種地下水環境安全評價模型。

1 煤礦開采對地下水環境的影響機制以及地下水環境安全評價模型

1.1 煤礦開采對地下水環境的影響機制研究

地下水流系統可以沿著一個統一的流向進行有規律的運動與演化,在時間和空間上均能表現出動態平衡性與規律性。圖1為地下水含水層與地下水流系統構造圖。由圖1可知,地下水流體系由3部分組成,即局部水流體系、中層水流體系和區域性水流體系。煤礦開采行為對地下水環境的影響具體表現為:破壞地下水的空間結構、改變地下水循環形態、影響地下水質量[7]。

圖1 地下水含水層與地下水流系統構造圖

煤層開采后,在工作面后方形成空隙,破壞了覆巖和圍巖原有的應力平衡,使其發生彎曲、變形和破壞。覆巖在縱向上的破壞與變形表現出由下至上的分帶性,即冒落帶、導水裂隙帶、彎沉帶。在煤層開采之后,覆巖會逐漸失去原來的應力平衡,直接從底巖層掉落,并逐步填滿整個采場[8]。冒落帶位于采空區覆巖的最底層,冒落帶內的巖體為碎裂的塊體,塊體之間有大量的空隙,是地下水及污染物質進入采空區的主要途徑。導水裂縫帶位于冒落帶和彎曲下沉帶的中間部位,在煤礦開采過程中,導水裂縫帶將持續發展,直至達到某一程度后不再生長。在此過程中,采空區內部及上面的巖層相互擠壓,使整個煤層的構造趨于穩定。但它仍有很高的滲透性,也是重要的涌水通道。彎曲下沉帶位于地面之下導水裂隙帶之上,即含水空間結構最上層。當導水裂縫發展到一定程度時,將引起彎曲下沉帶的沉降。隨著煤炭資源的大量開發和地層運動的影響,地層的位移幅度增大,彎曲下沉帶隨之生長,使地表發生較大形變,從而形成凹陷區域。當采空區的覆巖在開采過程中被破壞,并在開采過程中產生冒裂帶,并通過冒裂帶向上傳導,最終對含水層造成一定的影響,從而導致地下水沿著冒裂帶流入到礦井中[9]。

煤炭開采在一定程度上改變了地表水與地下水的轉換關系。地下水的轉化形態主要有3種:垂直向下的轉化形態、橫向補給的轉化形態以及兩者混合形態。在非旱期,地下水以降雨為主,并以江河作為補充;在干旱季節,地下水經常以降雨的形式流入河流[10]。我國對煤炭資源的不斷開發,改變了原有的水循環結構。這些干擾導致地表水、淺層地下水垂向滲入采空區,使地下水位持續降低,改變了沉陷區及周圍地區的水資源轉換關系,進而影響了沉陷區及周圍地區的水資源轉換。圖2為在自然狀態下和煤礦開采狀態下的地下水循環示意圖。

圖2 兩種狀態下的地下水循環示意圖

煤礦開采的井下作業,也影響著地下水的整體質量。煤礦開采使在自然條件下的地下水從以橫向循環為主,轉為縱向循環或混合型循環為主要方式。這種變化使地下水中的礦化度、 pH值、總硬度、重金屬等有害物質增加,對地下水質量產生一定的影響。另外,井下作業也會對地下含水體系及水循環造成一定的影響,從而引起地下水流量減少、水位下降等現象。機械機油、洗煤過程、井田區的廢棄炸藥殘渣以及生活垃圾等,都會造成地下水的污染。由于煤礦開采過程中會產生大量的廢水和廢氣,這些廢水和廢氣中含有大量的氨氮、氟化物、耗氧量、硫酸鹽、鐵、錳等一些常見離子,將對地下水質量產生較大程度的影響。

1.2 煤礦開采對地下水環境安全評價模型構建

研究分析煤礦開采對地下水環境的影響機制,為構建地下水環境的安全評價模型奠定基礎。地下水環境安全性是指地下水系統中,各主要動力元素的組成、結構、功能、調控能力等都處于一定的安全區間。對其進行安全評價是基于定量指標和定性標準的評價方法,對一個地區的地下水環境因素進行分析,并作出量化評價,以確定該地區的地下水安全狀態,以便更好地了解該地區的水資源現狀,為該地區煤炭資源的合理開發利用、地下水環境保護等方面的政策制定提供重要參考。

在進行地下水環境安全性評價時,可以采用多種定量和定性指標來判斷地下水水質狀況,如水質污染、水量變化等。此外,還可以采用相關模型來模擬不同因素對地下水質的影響,以便更準確地預測地下水環境狀況。在進行地下水環境安全評價時,需要遵循科學、整體性與相對獨立、可比性與可追溯性、可操作性、全面性等相關原則。對礦區地下水環境安全評價,首先要建立一套科學的指標體系。本次研究在評價的過程中,以環境工程等相關理論為基礎,以礦山的地形地貌、氣候條件為依據,構建地下水環境安全評價指標體系,見表1。在此基礎上,對礦區地下水環境進行全面深入的評價,并針對不同類型、不同規模、不同區域、不同地質條件、不同開采方式等情況進行分析。

表1 礦區地下水環境安全指標體系

表1中,“+”為正向指標,該值越大,影響效果越積極;“-”為負向指標,該值越大,影響效果越消極。地下水環境的條件指數、質量指數和承載力指數共同構成評價指標體系。地下水條件指數由降水、地下徑流深度和干旱度3個指標來體現。降水量是影響淺層地下水安全的重要因素。地下徑流深越大,對整個礦區地下水資源的再生能力越強,環境越安全。干旱指數越大,表明干旱程度就越嚴重,對淺層地下水環境的安全也就越不利。地下水質量指數即上文所提4種常見的污染較為嚴重的因子。在地下水承載能力的評價方面,選取兩個指標,即年累積水位變化值和污染半徑比。采煤過程中造成地下水結構被破壞,形成冒落帶與導水裂隙帶,使原本以橫向徑流為主導的淺水層變成沿著導水斷裂的垂直滲流,并最終轉變成礦井水而被棄用。同時,煤炭的開發也改變了原有地下水的補給、產排等條件,使地下水的流場和埋深都發生了變化。污徑比越大,地下水資源的破壞程度就越大,地下水承載力指數值相應就越小,對地下水環境安全越不利。

本試驗采用層次分析法與熵值法相結合的方法,來確定各項指標的權重。這兩種賦權法在理論上、側重上都有差異。層次分析法將被考察目標視為一個整體,使各指標之間的關聯性更強,但在權重的選取上具有很大的主觀性。熵值法是一種客觀賦權法,得出的權重值比較單一,不能凸顯超標嚴重的評價因子對總體的影響。因此,兩者結合能夠互相取長補短,實現更加合理的賦權。具體公式如下:

(1)

地下水環境安全評價公式如下:

(2)

式中:S為地下水環境安全總評分;si為每項指標的安全分數;ωi為每項指標所對應的權重。

由此,得到本次試驗根據煤礦開采對地下水環境的影響機制所構建的地下水環境安全評價模型。

2 地下水環境安全評價模型實證分析及防治措施

為了更好驗證安全評價模型的性能,以某地礦區為例,對其進行地下水安全環境評價。選擇某礦區8口觀測井進行仿真試驗,在此基礎上,運用層次分析法和熵值法對各指標進行權值確定,最后得到煤層地下水環境安全評價指標各評價指數的權重最終值。在進行煤層地下水環境安全評價時,采用層次分析法和熵值法的權重計算結果與一致性檢驗相符。該礦區的地下水環境安全指標權重值見表2。

表2 某礦區地下水環境安全評價指標權重值

根據上述計算結果,得出地下水的條件指數、質量指數和承載力指數隨時間的變化趨勢,見圖3。

圖3 地下水條件指數、質量指數和承載力指數隨時間的變化趨勢

由圖3(a)可知,地下水條件指數介于1.49～2.39,且隨時間的變化上下波動,但總體呈上升趨勢。2015-2016年,降雨強度、地下徑流深度、旱情等指標均有顯著提高,所以條件指數有較大提升。該指標在2016-2017年有一定的降低,但在2016-2020年期間繼續升高,并在2016年達到峰值。因為2021年的降水量和干旱指數都比較小,且隨著2022年地下徑流深和干旱指數的增加,2020-2022年的條件指數值呈現出先降低后攀升的趨勢。

由圖3(b)可知,2015-2022年,地下水承載力指數整體變化為下降、上升、再下降3階段,變化幅度較小,介于1.93～2.39。第一階段為2015-2017年,隨著地下水位的降低,承載力指數呈現出較大的降低,并在2017年達到低谷值1.95。第二階段為2017-2019年,隨著污徑比的降低,承載力指數大幅攀升,并于2019年達到峰值2.34。第三階段為2019-2022年,受地下水和污染直徑的影響,承載力指數逐漸降低。

由圖3(c)可知,2015-2022年地下水質量指數在2.49～3.59之間波動。2016-2017年,由于耗氧量和氟化物濃度降低,質量指數降幅最大,并在2018降至2.53的低谷值。在2018-2021年期間,質量指數持續升高,并在2021年達到3.21的峰值。2015-2022年期間,質量指數整體呈下降趨勢,表明該礦區水質呈現惡化趨勢。

從上述3種指數的評估來看,條件指數比較穩定,整體上處于中等水平;礦區整體水質偏好,因此質量指數最大;由于污徑比以及地下水的不穩定因素影響,承載力指數總體上最小,并具有較大的波動幅度。

對該地區的地下水環境進行安全評價,按照2.2一節所用方法,對該礦區2015-2022年的地下水安全值進行計算,結果見圖4。由圖4可知,2016-2017年的環境安全值明顯降低,并在2018年達到最低值2.43,地下水環境屬于不安全狀況。從地下條件、質量和承載能力等指數來看,2019年度地下水環境處于基本安全。2020年以來,我國地下水條件、承載能力等指數再次下降,環境安全值再次降至2.45,水環境安全從“基本安全”上升至“不安全”。2021年環境安全值為2.69,2022年為2.57,地下水環境基本安全。

圖4 地下水環境安全變化趨勢

因此,需要綜合考慮各方因素,提出相關防治措施,提高地下水環境安全。首先,要構建完善的水資源管理體系,明確各部門的責任和權力;在礦山建設過程中,要指定專門人員,對礦山建設過程中的地下水資源進行管理,使經濟效益、社會效益得到最大限度的發揮。其次,在開采過程中,要保證礦井水位保持在一個合理水平上,同時要保證含水層的穩定性,防止淺層地下水大量流失。另外,相關部門還應加強對水質與水量監測體系的建設,加強保護水質與水量的宣傳與教育。

3 結 論

本文以地質和環境科學為基礎,分析了煤礦開采對地下水環境的影響機制,并在此基礎上,構建了地下水環境安全評價模型。為了驗證安全評價模型的性能,試驗對某地礦區地下水的環境安全進行評價。結果顯示,該礦區地下水條件指數為1.49～2.39,總體呈上升趨勢;地下水質量指數為2.49～3.59,整體呈下降趨勢,該礦區水質呈惡化趨勢;該礦區地下水承載力指數為1.93～2.39,整體呈小幅度下降趨勢。地區地下水環境的安全評價結果顯示,近10年的地下水環境多數時間處于基本安全狀態。