停排水矿井对水资源的影响分析

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  摘  要  冷水江利民煤矿停止矿井排水,造成矿坑地下水位回升自流,引发水污染突发事件。在充分认识矿区水文地质条件下,正确识别矿区涌水量与降水量之间关系,采取传统水文地质调查手段结合GIS技术,对煤矿区停排水前后地下水影响范围、水资源影响破坏情况等进行了阐述和分析,快速锁定了矿井污水排泄范围,为矿区水污染应急决策和高效处置提供了技术依据,对类似矿区的水污染防治具有参考价值。
  关键词  关闭矿井;矿井涌水量;水污染;影响范围
  中图分类号:P641;X523                         文献标识码:A
  Abstract: The coal mine drainage stopped in Limin Mining Area of Lengshuijiang, which caused the underground water level of the mine to rise, and caused water pollution emergencies. Understanding the hydrogeology of mining area, correctly identifying the relationship between water inflow and precipitation in mining area, adopting traditional hydrogeologic survey means and combining with GIS technology, this paper expounds and analyses the influence scope of groundwater and the damage situation of water resources before and after drainage stoppage in coal mining area, quickly locking the drainage scope of mine sewage, and making emergency decision and efficient disposal of water pollution in mining area. It provides technical basis and has reference value for the prevention and control of water pollution in similar mining areas.
  Keywords:  mine closure; mine water inflow; water pollution; influencing scope
  由于资源枯竭、产业结构调整等因素,近年来关闭矿井数量急增[1]。据湖南省煤炭管理局数据显示,2014-2018年,湖南省已关闭退出煤矿921处,全省保留煤矿总数控制在200处以内。采矿过程中,开采扰动改变了矿区原生地下水系统,影响地下水补径排关系[2-3];矿井停产闭坑停排水后,地下水位上涨,打破相对平衡的地下水动力场,对地下水化学场产生深刻影响,引发地下水质恶化;部分矿坑水沿斜井自流,污染了地表水,形成水源性、水质性缺水并存的局面[4-6]。目前,越来越多的煤矿区由于资源趋于枯竭而关闭,对矿区地下水系统产生的影响已不容忽视。
  1  矿区概况
  利民煤矿区位于冷水江东北部的渣渡矿区,区内分布有以利民井为主的大小9个煤矿,其中木瓜煤矿等7个小煤矿在2015年前已关闭,财神坑煤矿于2017年底关闭。利民井1969年建井,1974年投产,设计产能60万吨/年,為涟邵矿业集团有限公司所属国有企业,2003年破产关闭,2007年被湖南华润煤业有限公司购买后未进行开采,一直保持矿井通风和排水作业。
  区内煤层发育于石炭系测水组(C1c)内,其中3煤层全区可采,为主采煤层。利民井分+190 m、-140 m两个水平开采,均采用上、下山开采,至矿山关闭前,浅部已采至+50 m、深部采至-140 m,采空区面积约2.95 km2,+50 m以上资源储量已基本采完。利民井周边8个小煤矿均位于利民井西南部、沿煤层露头线一带分布,开采利民井浅部采空区残煤(+500 m~+65m),利民井与周边矿井水力联系密切。
  2016年7月利民井停止矿井排水,造成矿坑地下水位上升,淹没东南部地势较低的木瓜煤矿、财神坑煤矿等小煤矿,至2017年5月,利民井矿井口开始自流,大量未经处理的矿井水涌入附近溪流,引发水污染突发事件和强烈的社会反响。
  2  水文地质条件
  2.1 矿区水文地质条件
  利民矿区处于晏家铺向斜南端收敛部位,地下水由盆地周边向中心汇集。测水组基岩裂隙弱含水层是巷道的主要充水水源,各矿井东西两侧、煤层上下均有较为稳定的隔水层分布,为阻水边界,且各含水层之间无大的断裂构造沟通,地下水的补给来源主要是大气降水,补给条件差。自然状态下,地下水主要沿裂隙、层面由北西往南东迳流,以分散性点状井泉在溪沟和地势低洼处排泄;开采抽水状态下,煤系地层中的砂页岩裂隙含水层地下水流场发生改变,形成以采空巷道为中心的积水廊道,矿坑排水成为最主要排泄方式[7]。矿区水文地质条件简单。
  2.2 矿井水文地质条件
  利民矿区雨季在3~6月,年平均降雨量1418 mm,最大月降雨量473.0 mm。矿井充水因素主要是大气降水,通过地面变形裂缝、沉陷带、老窑、采煤层之上的砂岩层中的裂隙下渗进入巷道,形成矿坑水。本次确定矿井涌水量,主要依据利民井2013-2016年矿井涌水量统计数据(图1)。   利民井有主、副井一对,副斜井为主要排水口,井口标高+191 m,沿地层走向布置于煤层底板砂岩中,矿井在+50 m、-140 m水平均建有水仓,采用一级排水。在利民井停止抽排水前,地下水位降低至-140 m水平。利民井周边小煤矿都布置有独立的抽排水系统,承担了部分的井下排水工作,2015年以来小煤窑陆续关停,利民井涌水量随之增大,这也说明利民煤矿与周边矿井的水力联系十分密切。因此后来利民井的涌水量基本可以代表利民矿区的涌水量。
  选取2014年10月(大部分相邻矿井关闭后)至2016年7月(利民井停止抽排前)区间段数据统计,利民矿区矿井水位降至-140 m标高,其最小涌水量25m3/h,最大256m3/h,正常平均涌水量142.7m3/h,雨季平均涌水量205.8m3/h。矿井的水文地质条件属中等类型。
  3  矿井停排水前后地下水影响范围圈定
  3.1影响范围的确定
  确定利民矿区矿井停排水前后地下水影响范围,主要考虑以下因素:
  (1)综合考虑矿区采掘活动、矿井抽排水量、矿区水文地质条件及河流侵蚀基准面对地下水排泄的控制等。
  (2)结合地面水文地质调查成果,依据矿区及周边水文地质露头(泉井点、矿井口、老窑及地表水体等)在矿井未开采前和利民井停止抽水前、后三个时段的变化确定控制性边界点。
  3.2矿井停排水前地下水疏干影响范围的圈定
  矿井抽排水活动,形成以矿井为中心的地下水降落漏斗。矿区主采3煤层赋存在测水组下段,经计算,采煤后煤层顶板导水裂缝带高度为64.7m,测水组厚度约180m,一般情况下,导水裂隙带穿越测水组上段地层的可能性较小。受两侧隔水边界的限制,理想状态下降落漏斗将会沿煤层走向上延伸,且上游影响范围大于下游,呈东西向压缩、南北向延伸的区域。
  将历史上有流量、停止抽排前流量减少或断流,判定为受影响露头。北至S08号泉;南达S29号泉,溪水右岸为界;西侧以石蹬子组为影响边界,控制点有S05、S04、S45和S25号泉,大多分布在沟谷低洼地带;东侧以栗江溪和升平河左岸为界,控制性点有S09、S03和S18等。大部分受影响的井泉点位于测水系地层,最终确定的疏干影响范围平面上呈不规则“长条形”(图4),总面积6.73km2。
  3.3 利民井停排水后地下水位恢复影响范围的圈定
  2016年7月,利民井停止抽排水,地下水位逐渐上升。根据利民井副斜井(LM10)2016年9月至2017年5月水位实测记录(图2),至2017年5月,副斜井出现自流,水位稳定后,矿区地下水补排达到相对平衡的状态,利民井的涌水量为353m3/h,排泄点标高+191 m,水位抬升幅度达331 m。
  对2017年5月水位回升至+191 m以来的区内大气降水、抽排水情况、水文地质露头变化特征进行分析(图3、表1):2017年6月底至7月,冷水江市经历特大降雨过程,6月1日至7月1日累计降水量610.7 mm,其中7月1日降水量达147.6 mm。2017年7月利民矿区涌水量达到476 m3/h,大气降水的强力补给,抬升了区域地下水位。根据2018年1月调查访问,在矿井停排水后,区内原已经干涸的泉、民井、矿井和老窑等,少量复流并排放矿坑水,如LM02老窑口(标高+208 m)就大量涌出了红褐色矿井污水,此标高之下的LM03(标高+206 m)、S06(标高+198 m)号泉点也有污水流出,而与利民井水力联系密切的财神坑煤矿主井口(标高+213 m)在此时间段内无水流出。将矿井停排前流量减少或断流,停排后水位回升后复流、少量复流判定为地下水位回升影响露头,综合判断矿区丰水季地下水在位+210 m上下,不会超过+213 m。采用ArcGis 10.1 水淹分析模拟得出矿井水位回升影响范围:即矿井疏干排水影响边界线与+213 m排泄基准面围成的区间,面积约1.03 km2(图4)。
  4  矿井停排水前后水资源影响分析
  4.1 矿井停排水前水资源影响情况
  利民矿区在生产至停产时间的排水活动,使矿区内含水层水位下降、疏干,地下水形成了以矿井为中心的疏干漏斗,但疏干影响含水层局限于测水煤系地层中,地表疏干影响范围约6.73km2,造成煤层浅部采空区局部地段地表水漏失,沟渠、山塘、稻田蓄水能力差,泉井干涸或流量减少,其中受影响井泉主要以测水组为主,梓门桥组和壶天群集中分布在沟谷低洼地带、石蹬子组及分布于与测水组地层接触地带(表2)。
  4.2 矿井停排水后水资源影响情况
  利民矿区所采3煤层,属低硫、低磷煤,有害成份含量低,据2006年利民井恢复生产项目环境影响报告书(表3),矿井水pH=4.82呈酸性,悬浮物较高,按照《煤炭工业污染物排放标准》(GB20426-2006),主要污染物是铁,超标22倍;2016年6月利民井停排水前,矿井水pH值为2.84,呈强酸性,悬浮物、铁浓度均下降了较多。2016年7月,利民井停止抽水后,矿区地下水位上升,地下水体充满采矿空间,与围岩、采掘器具、煤层开采面接触,充分产生水岩作用(殷晓曦等,2017),溶解和析出铁、锰离子等污染物。据2017年7月利民矿井口自流水检测结果,悬浮物、铁、锰等污染浓度大大增加。
  利民矿区周边矿井、老窑、泉井较多,据前述调查及分析,矿区地下水位排泄标高达到+210m上下,影响范围1.03km2,該区域内地下水排泄点(泉井、矿井、老窑),可成为矿区及及周边地表水系的污染源;而矿井污水排入地表水系后,可沿着河流迁移或穿越地下水隔水层,在河流下游入渗污染其它含水层,造成串层污染。
  5  结论及建议
  (1)利民井停排水后,矿井地下水位抬升至矿井口自流,在充分认识利民矿井水文地质条件下识别矿区涌水量与降水量之间关系,得出矿区正常平均涌水量142.7m3/h,雨季平均涌水量205.8m3/h;采取传统水文地质调查方法结合GIS技术手段分析,快速圈定出矿井水位回升影响范围1.03km2,为下一步应急处置和决策指明了方向;地下水回灌至疏干的井巷-含水层系统,产生水岩作用,大量溶解和析出铁、锰等离子,其中铁离子浓度较矿井停排水前上升了150倍,造成矿区及周边地表水系污染,并在河流下游入渗污染其它含水层。
  (2)建议在开裂沉陷带、低洼的煤系地层露头外围修建截水沟,在横切煤系地层的溪沟修建防渗工程等,减少矿井水总补给量和污水排放总量;加强对水位回升影响区内矿井口、老窑、泉井点动态监测,进一步开展矿区地下水流数值模拟等工作,为下一步井口封堵方案提供技术依据。
  (3)建议尽快配套完善污水排放处理设施,并适当扩大应急水池容量应对汛期矿井污水排放量;要尽快制订好应急预案,加强汛期巡查,如遇险情及时启动应急预案,保障公众生命健康和环境安全;提出科学有效的治本之策,建立环保治污长效机制,矿山企业退出后,地方政府要成立专门机构、配齐人员、安排经费,确保环保设施正常运行。
  参考文献/References
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