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煤炭开采对水资源的影响

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摘要:山西省多年来煤炭开采带来了巨大利润的同时,造成了大量的环境地质问题,尤其是对水资源的破坏,严重影响到经济可持续发展。面对山西省水资源短缺的现状,从煤炭开采对地下水系统、地下水资源量、地表水污染、岩溶大泉污染四个方面进行分析,通过水样采集、测试结果来说明山西省煤炭开采对水资源产生了巨大影响及破坏。

关键词:地下水;煤炭开采;破坏水资源

根据山西省2014统计年鉴,截止到2010年山西的水资源总量占国家总量的0.50%,约为120亿m3,地下水占90亿m3,地表水占其中的70亿m3,山西省人均占有水资源量为全国人均占有量的21%,根据国际制定的通用标准来判断山西省的缺水程度,山西处于极度缺水的等级[1]。在此情形下,大规模的煤炭开发以极大的触动力影响了水资源系统、水资源环境,尤其是对水文地质环境产生了极为明显的不可逆作用,破坏了地下水资源的自然赋存条件,影响了矿区水资源的质量。

1煤炭开采对地下水系统的影响

煤炭开采对地下水系统的正常循环破坏严重。煤炭开采后形成了大面积的采空区,采空区上覆岩层的沉陷及裂缝破坏了地下水系统,造成地下水的渗漏和水位下降,而这种破坏所产生的影响更具有广泛性和深远性。

1.1地下水均衡遭破坏

煤炭资源和水资源原本处于平衡的生态系统中,在自然条件下各自有其固有的存在状态和变化条件。煤矿开采打破了地下水本身的平衡状态,使采空区上覆的岩层形成较为明显的冒落带、裂隙带、整体移动带,变了原有的补径排条件,使地下水流加快,水位下降,贮存量减少,从而破坏了地下水均衡。

1.2改变降水、地表水及地下水的转换关系

在天然条件下,地表水、地下水及降水(以下简称为“三水”)存在着稳定的补给关系。但是因为煤矿开采后矿井排水在较浅的地段,导致三种状态的水相互连通,地表水渗入地下成为地下水,之后倒灌进矿坑再排出后变为地表水。这种相互转化与相互补给的补排关系,改变了原有的“三水”转化过程,使水资源得不到充分利用,同时造成大量水资源受到矿井污染。

1.3带来严重的突水事故

全国目前至少14个省(区)出现过坑道(主要是煤矿)突水事故。山西省是坑道突水较为严重的省份,六大煤田有五个发生过突水事故。山西主要可采煤层是石炭系、二叠系及侏罗系煤层,采掘的煤层大多位于当地侵蚀基准面和奥陶系岩溶水位之上,采掘容易造成严重的突水事件,其水源主要是煤系地层本身的碎屑岩裂隙水、石炭系层间石灰岩岩溶水及上覆松散岩系的孔隙水,煤炭开采破坏了储水构造,改变了地下水径流路线,造成了严重的坑下突水。

2煤炭开采对地下水资源量的影响

根据山西的煤炭开采历史,以及开采过程中影响排水量的因素和矿坑排水量的变化规律,参考煤层与含水层组合的特点,从地下水静储量与动储量两个角度进行分析。静储量是指本来赋存于含水层中的水,因为煤炭开采后的顶板垮塌导致采空区上部覆盖的含水层被破坏,该含水层中的水因此被迅速排空。静储量是固定量,与该含水层本身结构有关,由煤层开采带来的破坏结果具有一次性的特点[2]。山西省内的六大煤田除河东煤田以单斜构造产出外,其它五大煤田皆为向斜构造。山西组的砂岩含水层和太原组的砂岩、灰岩含水层与主要煤层间距都很小,目前一般矿井的开采深度都在300m以浅。据此,目前开采破坏静储量应是主采煤层埋藏在300m以内含水层中的水。根据含水层的厚度、分布面积、给水度及静储量计算公式,在主采煤层300m内,破坏地下水静储量为71388万m3。需要特别指出的是:这种破坏对含水层的影响是永久性的、不可逆的。恰巧此层位又是山西省农村饮水的主要含水层,这种破坏带来的水位下降,导致水井枯竭,树木枯死,土地荒芜。地下水动储量是指采煤造成上覆含水层被破坏,短时间内矿井中涌水量突然增大,经过一段时间的排水,水量趋于相对稳定。这个相对稳定的量就是动储量。动储量受到煤层埋藏深度、开采方法、地质构造、降水量等因素的影响,对其破坏带来的后果也是永久性不可逆的[3]。煤矿开采后的冒裂高度一般为150m,也就是说最上层的首层厚煤层采后破坏高度为150m,当埋藏深度小于150m,矿井排水量与降水及地表水体有关,当埋藏深度大于150m时,开采煤层仅破坏两煤层间含水层内的静储量,而与地表水体及降水无影响。据此,按照统计的埋藏深度为150m以内的采空区面积及各煤田开采破坏的地下水模数,将计算的山西省各煤田破坏的动储量如表2所示。从计算结果可以看出,煤炭开采对动储量的破坏量为68370m3/h(7.8亿m3/a)。

3煤炭开采对地表水的污染

煤炭开采不仅影响、破坏了水资源系统及水资源量,其矿坑排水更污染了矿区水资源质量。通过对煤矿地表水样的采集、分析,检测结果表明,山西省煤矿区地表水主要污染因子有Mn、NH4+、Cl-、SO42-、NO2-、F-、酚、氰、P、Pb。按地面水环境质量标准Ⅴ类水进行评价:Mn超标率25%,NH4+超标率为85.7%,Cl-超标率为19.1%,SO42-超标率为66.7%,NO2-超标率为25.0%,F-超标率为5.9%,酚超标率为21.4%,P超标率为80.0%,Pb超标率为30.0%。山西煤矿区地表水污染最为严重的是霍西矿区介休—灵石—霍州的汾河段,该段汾河Mn、NH4+、Cl-、SO42-、F-、酚、氰、P、Pb等污染因子均超标,且最大超标倍数基本都出现在该段汾河,这与实地调查到的大量的矿山污水排入该段汾河的结果是一致的[4]。

4煤炭开采对岩溶大泉的污染

在全省岩溶大泉中,被检测出的主要污染有铁、硫酸盐、矿化度、总硬度、有机物、蓄积性毒物及氰化物、氟污染。17个岩溶大泉的平均含铁量除洪山、广胜寺、下马圈、古堆泉外,其余铁含量超标率达14.3%~100%,超标倍数0.028倍~3.44倍;硫酸盐超标的有古堆泉、龙子祠泉、郭庄泉、娘子关泉,超标率16.7%~100%;总硬度超标的有三姑泉、龙子祠泉、郭庄泉、娘子关泉、晋祠泉、洪山泉,超标率为9.09%~100%;矿化度超标的有柳林泉、晋祠泉。有机物仅有坪上泉、辛安泉COD超标,晋祠泉DO超标,娘子关泉NO3-超标;神头泉NO2-超标。蓄积性毒物包括有Pb、Cd、Hg、As、Cr6+等,在19个大泉中Pb超标的有晋祠泉、柳林泉、龙子祠泉和三姑泉,最大超标0.11倍~1.16倍,平均超标0.11倍~0.621倍,Hg含量大于0.2ug/L的有兰村、晋祠、郭庄和辛安泉四个泉域。As、Cr6+在各泉域的检出含量中,绝大部分低于标准值的20%,检出率也相当低;在天然条件下,岩溶水中不含氰化物,但17个大泉中检出率为97.35%,检出含量一般为0.002mg/L~0.01mg/L,大于0.01mg/L的有娘子关、下马圈、神头、红石楞、坪上泉,但超标的只有娘子关泉,超标率33.3%,污染范围50km2以上;在天然状态下,氟含量也较低,一般在0.2mg/L~0.6mg/L之间,受污染最大泉的氟含量高达2.0mg/L,超标一倍。有超标污染的泉域为晋祠泉、古堆泉、郭庄泉、柳林泉,平均超标在1倍以内。

5结束语

山西省煤炭开采对水资源造成的危害具有不可逆性,对生态环境的影响具有代际延续性,其所造成的严重后果将在今后逐渐显现出来,应当及时制定相应的防治体系,合理布局煤炭工业,促进煤炭工业健康可持续发展。

参考文献:

[1]王芳.山西煤炭开采对水资源的影响研究[J].河南水利与南水北调,2015(19):50-51.

[2]曹金亮.山西省煤矿开采对水资源的影响分析[J].华北国土资源,2008(4):18-20.

[3]时红,张永波.论煤炭开采对地下水资源量的破坏影响[J].山西科技,2011,26(1):36-37.

[4]山西省地质环境监测中心.山西省矿山地质环境调查与评估报告[R].太原:山西省地质环境监测中心,2003.

作者:秦润嫱1,2 单位:1.太原理工大学,2.山西地质博物馆

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