山東省重點礦山地下采礦排水引起環境效應研究

中圖分類號：P66 文獻標識碼：A doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2025.07.004

0引言

省作為礦產資源大省，其開發歷史悠久。多年來由于礦業經濟活動的迅速發展和礦產資源開發規模的日益增大，導致了各類礦山地質環境問題的發生，如煤、鐵、金等礦山地質災害、土地資源、水資源和水環境破壞等，尤其是地下采礦長期的礦坑疏干排水，造成的礦區及周圍區域地下含水層結構破壞、水位下降、甚至枯竭，地下水和地表水體污染等，已嚴重影響人們的正常生活和工農業生產[1-6]本文通過對省重點礦山地質環境的調查，查明礦坑水水質及對地質環境的影響情況，為保護區域地質環境，合理開發利用和保護水資源，促進礦業經濟發展提供科學依據。

研究區概況

1.1 研究區域

研究區位于魯西南煤礦分布區、魯中煤礦和鐵礦分布區、魯東金礦分布區。主要工作區為濟寧市金橋煤礦、泰安市華豐煤礦、市谷家臺鐵礦、淄博市灃水煤礦，萊州市焦家金礦，礦區面積約71.6km² ，研究區面積約 500km² 。

1.2 區域地質和水文地質簡述

1.2.1 魯西南煤礦分布區

該區域屬魯西地層分區，出露地層主要為新生代第四系，地層自老至新依次為：寒武系、奧陶紀馬家溝組、石炭紀本溪組、太原組、二疊紀山西組、石盒子組、侏羅紀三臺組，第四紀黃河組；大地構造位于魯西南潛隆起，區內構造以斷裂為主，且較為發育，以EW向和SN向為主，主要有郛城斷裂、鳧山斷裂、濟寧斷裂、孫氏店斷裂、峰山斷裂等。濟寧市金橋煤礦位于該區內。該區域地質構造復雜，常被斷裂切割成一些獨立的斷塊，使各煤田之間以斷裂為界自成相對獨立的水文地質系統。與煤礦關系密切的含水層主要有奧陶系中統灰巖裂隙巖溶水，廣泛分布于石炭系煤系地層底部和邊緣，地表、地下巖溶發育，富水性強，局部區域受構造、巖槳巖控制，含水層富水性變化較大，在構造發育地段或人為采動破壞影響下，易對煤礦生產構成巨大威脅。

1.2.2 魯中煤礦和鐵礦分布區

該區域屬魯西地層分區，出露地層較全，寒武系、中奧陶系、石炭-二疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系、第四系均有分布；魯中南隆起東以沂沐斷裂帶與魯東迭臺隆為界，北以齊河-廣饒斷裂，西以聊考斷裂與華北臺坳為界。泰安市華豐煤礦，市谷家臺、業莊鐵礦，淄博市灃水煤礦位于該區內。該區域鐵礦成因類型較多，水文地質條件較復雜，奧陶系中統灰巖巖溶裂隙水為熱液交代鐵礦和接觸交代型鐵礦礦床的直接充水水源，分布面積廣，含水層裂隙巖溶發育，含水豐富，疏干排水對區域巖溶水資源影響顯著，極易引發水資源的供需矛盾；基巖裂隙水為變質沉積鐵礦的直接充水水源，地下水分布于變質巖及巖槳巖風化裂隙內，富水性受季節控制，變化較大，水文地質條件簡單；第四系孔隙水含水層以沖洪積物為主，廣泛分布于山前平原及現代河谷內，含水層沿河谷呈帶狀分布，富水性受大氣降水影響，變化較大，豐水期地下水及地表水常沿河谷“天窗”發育地段滲入礦坑。

1.2.3 魯東金礦分布區

該區域屬魯東地層分區、膠北地層小區，出露地層主要為新生代第四系、太古代膠東群、元古代的粉子山群、白堊系、古近系、新近系、第四系；大地構造位于膠北隆起的西緣，區內構造以斷裂為主，且較為發育，以NE向為主。萊州市焦家金礦位于該區內。該區域金礦分布于剝蝕低山丘陵區，基巖裸露，溝谷發育，出露地層主要為變質巖類及燕山期花崗巖，礦區地下水以花崗巖風化裂隙水為主，由于礦區溝谷發育，大氣降水因地形陡而很快流失，含水層補給源貧乏，富水性普遍較差；其次為第四系孔隙水，巖組由坡積、沖洪積層組成，礦床地段多不發育，含水層富水性明顯受大氣降水控制，水文地質條件簡單。

2礦坑水化學特征與評價

以研究區為基本分區，以重點礦山為基本單元，在充分收集相關資料的基礎上，通過水樣、土樣的采集與測試，地下水動態監測等，研究區內礦坑水的水化學特征，開展礦坑水水質評價，重點礦山水文地質要素詳見圖1。

2.1 礦坑水的水化學特征

2.1.1 煤礦礦坑水的水化學特征

煤田礦井排水水源主要有：煤層頂板砂巖裂隙水、煤層頂板薄層灰巖巖溶裂隙水、石炭系中統徐家莊灰巖巖溶裂隙水、奧陶系中統灰巖巖溶水。第四系覆蓋的隱伏煤田，第四系砂礫石層孔隙水通過半疏干的煤系砂巖等充水巖層間接進人礦井，成為礦坑水間接水源。濟寧礦坑水化學類型以 SO₄ 鹽型和 SO₄?HCO₃ 鹽型水為主，以 HCO₃?ΔSO₄ 鹽型和 ΔHCO₃ 鹽型水為輔， SO₄^2- 含量為 30～ 2430mg/L ，礦化度為 100～2740mg/L ，總硬度為94～1981mg/L ，在各礦山經過一級處理后的外排水中懸浮物含量為 3～60mg/L ，化學需氧量含量為 10～130mg/L^[7] 。淄博市礦坑水化學類型較復雜，以 SO₄?HCO₃ 為主，其次為 SO₄?HCO₃- Ca?Mg，SO₄-Ca?Na，SO₄?HCO₃-Ca?Na 或SO₄?HCO₃-Na?Ca 型， SO₄^2- 含量介于 374.96～ 2326mg/L 之間，收集的灃水煤礦礦坑水水化學離子含量情況詳見表1。

2.1.2 鐵礦礦坑水的水化學特征

區域內鐵礦礦床大都沿火成巖侵入體與奧陶系灰巖接觸帶分布，奧陶系石灰巖和大理巖裂隙巖溶水為礦床直接充水水源。裂隙巖溶發育，含水豐富，灰巖巖溶水水質大都良好，大多是大、中型供水水源的所在地。礦山采礦井大量排水，使礦區巖溶水資源量大量減少，加劇了供排矛盾。從業莊鐵礦、溫石埠鐵礦、杜官莊鐵礦收集的礦坑水全分析資料（表1）分析， SO₄^2- 含量為 77.16～514.37mg/L ，總硬度為 236.46～360.52mg/L ，水化學類型主要為 SO₄- Ca?Mg 型。

2.1.3 金礦礦坑水的水化學特征

區域內金礦礦區水文地質條件簡單，礦井充水水源為礦床脈狀構造裂隙水和少量上部圍巖裂隙水，其補給源貧乏，富水性差，且不同礦脈構造裂隙水含水層之間無水力聯系。礦山處于低山丘陵區，地形坡度較大，地下水礦化度多小于 1000mg/L 。礦坑水化學類型為 Cl?HCO₃ 1 Ca?Na 、Cl-Ca?Na 型、 Cl-Na 型，常量組分中陰離子依次為C1^- 、 HCO₃^- 、 SO₄^2- ，陽離子為 Na⁺?Ca²⁺?K⁺?Mg²⁺ ，占礦物含量的 95% 以上，礦化度1 800～ 5800mg/L ，總硬度為 1232.73～2160.42mg/L 。

但是局部地段受到礦井排水長期影響，礦井水中的Zn、Pb、Cd等微量元素不同程度地超過國家地表水質IV標準，其中Pb最大超標倍數達 113.4^[8]

2.2 重點礦山礦坑水水質評價

2.2.1 礦坑水質量評價（1）評價標準及方法

礦坑水質量評價采用《地下水質量標準》（GB/T14848—2017）[9作為本次評價標準，地下水質量按地下水的優劣分為5類：I類、Ⅱ類適用于各種用途；Ⅲ類地下水化學組分含量中等，以人體健康基準值為依據，主要適用于集中式生活飲用水水源及工農業用水；Ⅳ類地下水化學組分含量較高，以農業和工業用水質量要求及一定水平的人體健康風險為依據，適用于農業和部分工業用水，適當處理后可做生活飲用水；V類地下水化學組分含量高，不宜作為生活飲用水源，其他用水可根據使用目的選用。

本次礦坑水水質評價采用的是全分析結果，測試單位為省地質科學研究院，評價因子選取pH 、總硬度、礦化度、 SO₄^2- 、 C1^- 、 NO₂^- 、 NO₃^- 、 F^- 、 Hg 、As、 Cr⁶⁺ 、Cd、Pb等13項。

本次評價采用評分法。首先進行各單項組分評價，劃分組分所屬質量類別，單項組分評價分值 F_i 分為5類，I類為0，Ⅱ類為1，Ⅲ類為3，Ⅳ類為6，V類為10。重點礦山單項組分評價結果見表2。

綜合評價分值 F 的計算見式（1）、式（2）：

式中： F_o 一單項組分評分值 F_i 的平均值; F_max 一各單項組分評分值 F_i 的最大值； n 一參評因子數。

根據 F 值，礦坑水質量標準級別 lt;0.80 為優良； 0.80?Flt;2.50 為良好； 2.50?Flt;4.25 為一般；4.25?Flt;7.20 為較差； ?7.20 為極差。

（2）評價結果

除鐵礦礦坑水為良好外，其余礦坑水均為極差水，結果見表3。

2.2.2 礦坑水用途評價

按照《生活飲用水衛生標準》（GB5749—2022）[10]，選擇 C1^-，SO₄^2-，F^-，NO₃^- 、總硬度、礦化度、 .pH 等7項指標作為評價因子；按照《農田灌溉用水質標準》（ GB5084-2021）^[11] ，選擇 、As、 .Cr，CN，F^- 、礦化度、 Δ?pH 等8項指標作為評價因子；按照《漁業水質標準》（GB11607—89）[12]，選取Hg，As，Cr，CN，F^-，pH 等6項指標作為評價因子；

按照《工業循環冷卻用水處理設計規范》（GB50050—2017）[13]，采用間冷開式系統循環冷卻水標準，選取 C1^- 、 SO₄^2-+Cl^- 、 Fe²⁺ 、鈣硬度 + 全堿度、 ?pH 等5個指標作為評價因子，通過計算評價因子測試值與標準界限值的比值（即評價系數），礦坑水中 C1^- 、 SO₄^2- 、總硬度、礦化度、 NO₃^- 、 Hg 等評價因子的評價系數大于1（圖2），不適合人類生活飲用，適合農田灌溉（煤礦礦坑水除外），符合漁業用水標準（金橋煤礦除外），可作為間冷開式系統循環冷卻水使用。

3礦山排水引發的環境效應分析

3.1 重點礦山礦坑水灌溉對土壤的影響

3.1.1 綜合評價標準及方法

采用內梅羅（N.L.Nemerow）綜合指數模式，采用公式（3）（4）（5）計算：

P_i=C_i/S_i

式中： P 一土壤污染物綜合指數； P₀ 一各污染物指數P_i 的平均值； P_max —土壤中各污染物分指數 P_i 的最大值； P_i 一 ?i 污染物的分指數； C_i 一 ?i 污染物的實測值； S_i 一 i 污染物土壤環境質量標準值，參見《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB15618—2018）[14]水田類風險篩選值（最高級別）。

根據污染程度 P 值， Plt;1.0 時，環境質量級別為I級； 1.0?Plt;2.0 時，土壤環境質量級別為Ⅱ級； 2.0?Plt;6.0 時，環境質量級別為Ⅲ級； ?6.0 時，土壤環境質量級別為 IV 級。

3.1.2 評價結果

本次所取樣品分別代表不同礦區不同地段的環境質量狀況，從綜合評價結果看（表4），金橋煤礦TW4的Cd超過風險篩選值（低于風險控制值1.5），可以采取農藝調控、替代種植等安全利用措施；其余土壤未受污染，質量優良，土壤污染風險低，一般情況下可忽略。

3.2 重點礦山礦坑水對周圍水環境影響

3.2.1 金橋煤礦水環境影響

礦山排水不可避免地造成一定范圍內的煤系地層裂隙水水位下降（或疏干），影響范圍為礦區及外圍較近地區。由于開采水平較深，且有較大厚度煤系地層的阻隔，孔隙水與裂隙水連通性較差，正常生產條件下，孔水補給量較小，礦坑水水源主要是奧灰巖溶水。礦山排水對區域第四系淺層地下水水位影響較嚴重，已經形成降落漏斗區（圖3），地下水含水層結構破壞。采空塌陷和礦坑排水形成的地表積水區容易與地下含水層聯通，增加了地下水污染風險。

3.2.2谷家臺-業莊鐵礦水環境影響

礦山鐵礦礦體賦存于礦山背斜兩翼燕山期巖漿巖與奧陶系碳酸鹽類巖石接觸帶附近，充水水源為水水源主要是奧陶系碳酸鹽巖裂隙巖溶水，礦坑排水導致水位大幅度下降，2個礦區周圍形成了呈SE—NW向弧形帶狀分布的巖溶水漏斗區，漏斗最高水位標高 195m ，中心水位標高約 170m ，落差約25m ，影響面積約 27.08km² ，最大影響距離3.5km 。由于鐵礦區周圍同時又是工業用水、城市生活用水的水源地，礦坑排水和水源地開采兩方面因素疊加，加劇了巖溶水水頭損失程度。采礦過程中的礦井大量排水，致使礦區巖溶水資源量銳減，又改變了地下水的天然流場，加劇了供、排水矛盾，對地下水資源量影響較大。

3.2.3 焦家金礦水環境影響

金礦排水導致水位下降，礦區周圍形成了呈近SN向條帶狀分布的淺層地下水漏斗區，漏斗最高水位標高 12m ，中心水位標高約 - 10m ，落差約22m ，影響面積約為 38.8km² ，最大影響距離 6.5km （圖3）。

金礦排水減少了區內地下水資源，改變了局部地下水流向，對當地農業生產影響較大。選礦生產形成點圓狀污染，有機污染物主要是礦山廢水池和尾礦池中植物的腐爛，或者來自選礦廠廢水中含有的酚、甲酚、萘酚、油類等有機物；無機物污染包括重金屬離子、無機鹽等物質。對于黃金礦山來說，氰化物的污染十分普遍，但均采取一定的保護措施，其生產活動對地下水環境的破壞較輕，影響小。焦家金礦建成了綜合污水處理站，對生活污水、工業廢水進行處理，實現氰化物零排放。

4結論

（1）鐵礦礦坑水水質普遍較好，優于金礦和煤 礦；大多數煤礦礦坑水質較差， SO₄^2- 含量、總硬度、 礦化度偏高；魯東濱海金礦區總硬度、礦化度及氯化 物含量偏高。

（2）礦坑水不適合作為生活飲用水，在農業、漁業、工業等領域均有利用價值；煤礦、金礦的礦坑水水質較差，個別煤礦礦坑水灌溉區土壤污染風險較高，需采取一定的安全利用措施。

（3）長期的礦山井下疏干排水，導致礦區及其附近地區地下水位的大幅度下降，形成以礦井為中心的大面積疏干漏斗，并誘發淺層地下水資源枯竭、地下水含水層結構破壞、供水井干枯、水質惡化、海（咸）水入侵等環境效應，對周邊土壤也產生一定的污染。

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[14] GB15618-2018.土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）[S].

Abstract：As a province with abundant mineral resources，due to long-term dewatering and drainage of underground mining pits，frequent geological and environmental problems in mining areas and surrounding areas happened in Shandong province. Through water use investigation of key mines in the coal mine distribution area in southwest，central and eastern Shandong provice，the quality of mine water and the resulting environmental efects have been found out. It is showed that long term underground dewatering and drainage in mines have led to a significant decrease in groundwater levels in the mining area and its surrounding areas，formed a large scale dewatering funnel centered on the mine，and induced environmental effects，such as depletion of shallow groundwater resources， structural damage to groundwater aquifers， and deterioration of water quality.Mine water is not suitable as drinking water for daily life. It has practical value in agriculture，fisheries，industry and other fields. Coal mines and gold mines have relatively poor water quality compared to iron mines，and some coal mine water irrigation areas have a higher risk of soil pollution.Certain safety coutermeasures should be carried out for utilization. The research results will provide a scientific basis for rational development and utilization of mine water， solving water scarcity and mine water environmental pollution，and achieving the coordinated and unified development of mineral resources and the environment.

Key words： Underground mining drainage;environmental effect;quality of mine water; Shandong province