大面積采動礦區水環境災害特征及防治措施

李喜林，王來貴，苑 輝，李建新

（1.遼寧工程技術大學 建筑工程學院，遼寧阜新 123000；2.遼寧工程技術大學 力學與工程學院，遼寧阜新 123000；3.天津市濱海新區管委會 土地整理儲備中心，天津 300450）

全球礦山經歷長時間過度的、與環境不協調開采后，廢棄礦山迅速增加，所伴隨的特有的環境與地質災害正在發生或處于潛在的發展之中。俄羅斯近年關閉數百座非贏利性虧損煤礦，造成大面積地下水和地表水污染［1］；美國馬里蘭州的大約450個煤礦中，近150個煤礦外排酸性礦井水污染河流，造成當地動植物大量死亡［2］；我國兩淮、唐山、鐵法、雙鴨山等地，采礦破壞了地表、地下水系，形成了大面積低洼區，成為污垢匯集之地；阜新市由于采礦誘發水資源流失，目前市區人均占有水資源量僅為220 m3/（人年），不足全國平均水平的 1/10［3］。

據統計，在中國現有的426座礦業城鎮中，成長期有84個，占19.7％；鼎盛期291個，占68.3％；衰退期51個，占12％。繼2007年國家確定首批12個資源枯竭城市之后，2009年又確定了第二批32個資源枯竭城市。據專家預測，在未來的二十年內，我國各類礦山又將有近百座礦區城市（鎮）資源枯竭［4］。由于長時間大面積開采，致使在漫長地質年代中形成的原始地層結構，水、氣循環系統與生態環境系統遭到嚴重破壞，水資源大量流失，水污染日益加劇。

阜新是我國典型的礦業資源枯竭型城市。阜新新邱煤礦區是阜新八大煤田之一，是阜新煤田礦山環境及地質災害的重災區。該區開采歷史悠久，自1897年開采至今，已有100余年歷史。研究新邱礦區水環境災害特征及防治措施，無疑對我國廢棄礦區水環境災害治理具有重要的參考價值和實際意義。

1 新邱礦區地質環境條件

阜新新邱礦區介于醫巫閭山山脈和小松嶺山脈之間狹長盆地的東部邊緣，境內地形起伏較大，為低緩丘陵地貌，屬中生代成煤盆地沉積區的東部邊緣，礦區全貌如圖1所示。該區為中生界白堊系上統阜新組含煤地層，巖性多為淺灰色，灰色及灰白色砂巖，砂礫巖、灰黑色頁巖、砂頁巖等。含有六個可采煤層群，由老至新為下層群、中層群，上層群、最上層群和新層群等，共計29個可采煤層。下伏九佛堂組含煤地層，上覆第四系坡洪積及沖洪積層，為松散的砂及亞砂土，亞粘土等堆積的表土層，厚4.0～15.0m。礦區內地下水為第四系松散巖類孔隙水及基巖裂隙水兩種類型。含水層主要受大氣降水補給，地下徑流及礦坑抽水方式排泄。由于礦坑排水影響，區內第四系水已被疏干。通過對所搜集資料統計，整個露天礦坑涌水量一般在100～150m3/h。從多年的生產實踐看，井田局部有裂隙水存在，實際采掘過程中所見的裂隙水，都不大，而且裂隙是局部的，在未采動前，并不與外界相通。

圖1 新邱礦區全貌Fig.1 Panorama of Xinqiu mine area

2 水環境災害類型及特征

新邱礦區始采于1887年，至1988年閉坑，有100余年開采歷史，在露天煤礦周邊范圍內形成14km2的礦山地質環境、生態環境極其惡劣地帶。礦區目前已進入資源枯竭期，大面積衍生水環境災害頻發、蔓延，地下采礦形成立體交錯的硐室，引起地面沉降、塌陷、地裂縫等變形、破壞，占用和毀壞山林、草場和耕地等。即使在停采后，地層結構長時間不穩定，繼續大規模變形、破壞等地層結構演化。在地層沉陷過程中，相應伴生水系調整和水體污染，影響面遠遠超過沉陷區存在的空間范圍。主要水環境災害類型有水資源流失、廢舊地下采場和露天礦坑積水、地下和地表水質污染等。

2.1 水資源流失

新邱礦區礦床開采方式包括露天開采和地下開采兩種。露天采礦導致邊幫變形、松動、水資源流失，地采引起地層冒落、裂縫、變形、松動等形成降水漏斗。采礦破壞了地下蓄水構造，降低了地下水調蓄能力；隨著采礦向縱深發展，上含水層地下水被疏干，形成了降落漏斗，地下水位大幅度下降。新邱露天礦坑內部呈不規則盆地，最低處標高為+3.7m，礦區地面標高211m，露天礦坑地下疏干水位 2006年已達-20m。新邱露天礦及周邊地下開采停止后，不再進行強排地下水，地下水位將逐漸上升。沿礦坑煤巖層走向方向作一剖面，其概化與剖分模型如圖2所示。

圖2 滲流區域剖分圖Fig.2 Subdivision graph of in filtration area

在描述采動地層水系流動時，仍認為地層為連續介質，滲流符合達西定律，水流為飽和流，則描述采動地層水系流動的數學模型為［5］：

初始條件為

式中：H——總水頭；

K——滲透系數；

μ——貯水系數；

S1和 S2——已知邊界。

（1）～（4）式組成數學模型。

根據近年監測水位變化，以2006年為起點，依據建立的采動地層水系流動數學模型預測未來二十年地下水位的發展趨勢。初始總水頭變化見圖3，五年總水頭變化見圖4。2011年6月現場監測顯示，礦坑內地下水位恢復至0.09m，與圖4預測結果吻合良好，可以看出預測模型的可靠性。由此，預測20年水頭變化，結果如圖5所示。可以看出，20年后地下水位能恢復到+30m左右。

圖3 初始總水頭變化Fig.3 The initial total head change

圖4 五年總水頭變化圖Fig.4 The total head of 5 years change

圖5 二十年總水頭變化Fig.5 The total head of 20 years change

地下水位的大幅上升，需要我們在廢棄礦坑利用時做好預測和評估工作，采取有效措施，防止次生災害的發生。例如，目前某煤化工項目年排放粉煤灰渣280×104m3，擬將礦坑作為灰渣堆存場，以取得礦坑回填和灰渣堆存的雙贏，筆者認為其中關鍵問題之一便是防滲系統的設計，以防地下水位上升形成浸泡及大氣降水淋溶，造成地下水更嚴重污染。

2.2 廢舊地下采場和露天礦坑積水

新邱露天礦生產過程中，每年花費大量的資金攔截疏導地表水，聚集在坑底的積水通過排水系統疏干。露天礦閉坑后，坑內水源主要由大氣降雨、地表水滲流、河流滲透、工業和民用廢水排放及地下水進行補給，形成人工湖泊，可能并發地下水質污染、邊坡巖石軟化、誘發礦區地震等相關災害。露天礦坑南部一積水坑如圖6所示。露天采場深部的積水，還可能造成采礦井突水被淹、冒頂、片幫等事故災難，引起露天開采邊坡和矸石山的滑坡、崩塌、失穩，巖體滑移，甚至誘發礦震等一系列的礦山地質環境問題，直接影響采場周邊井工煤礦的正常的安全生產，需要采取有效措施預防災害的發生。

圖6 露天礦坑南部積水Fig.6 Water accumulated in the south of open pit coal mine

另外，在大面積采動影響下，地層、巖層結構破壞形成不同尺度的裂紋、裂隙和斷裂并貫通，揭露和串通了許多個不同的含水層。礦山廢棄后，地層結構長時間不穩定，繼續大規模變形、破壞等地層結構演化，地下水動力場將變得異常復雜，采礦導致的塌陷及斷裂、裂隙，溝通了地表徑流、地下蓄水構造與礦坑、上含水層與礦坑之間的水力聯系，使地表、地下徑流滲透匯集到廢舊采空區，形成地下暗湖。新邱礦區采礦遺留下的廢舊采場、巷道等地下空間達1×108m3以上。積水中的酸性、堿性、毒性、含重金屬礦物、有機物、微生物等通過采動造成的裂隙擴展連通、人為施工的各類井孔以及斷層構造形成串層污染。圖7為通過室內土柱實驗模擬的廢棄煤礦礦井水通過飽和煤巖體入滲對地下水污染機理研究中，礦井水淋濾試驗滲出液各離子濃度變化曲線。從圖7可以看出，淋濾滲出液中總硬度、硫酸根、氯離子最初濃度較低，隨后濃度值升高，出現最大值后開始下降，最后趨于穩定，穩定值與所用淋溶礦井水濃度相當，說明土柱對污染物失去截留能力。用水巖作用機理分析可知，硬度、硫酸鹽、氯化物在開始時都先被巖石吸附，進行運移累積，很快達到吸附平衡后，發生溶解和解析作用；硬度曲線達到最高點后的降低，體現出了離子交換作用［6］。

圖7 礦井水淋濾試驗滲出液各離子濃度變化圖Fig.7 The exudate ionic concentration change chart under the condition of mine water leaching

2.3 礦區地表和地下水質污染

表1為新邱礦區2007年測得礦井抽排水和河流水質監測結果，監測點包括新邱露天礦坑（1#）、大崗崗礦排水口（2#）、長興礦排水口（3#）和南湖水庫（4#）。

表1 研究區域各監測點水質監測數據Table 1 Data of water quality of supervised points in investigated section

從表1可以看出，按《地下水質量標準》（GB/T14848-93）中Ⅲ類水質標準評定，各監測點污染物相對標準值不同程度超標［7］。其中，總硬度最大超標值19.3％，氯化物最大超標值68％，硫酸鹽最大超標值169.6％，總鐵最大超標值163.3％，錳最大超標值570％，氟化物最大超標值80％，礦化度最大超標值363.6％。

在新邱礦區，礦區內礦井水污染物來源于煤巖體與水發生水巖作用溶出污染，井下糞便的污染，煤、砂塵的污染，廢坑木的腐爛污染，廢機油、廢酸液的污染，井下灑水及防火灌漿水的污染等。污染的礦井水外排后，在地表徑流過程中，造成地表水體污染，污染的地表水體在其徑流途徑中又滲透補給地下水引起地下水的污染。

礦區內水質污染的原因，除了礦井水引起之外，煤矸石和尾礦淋溶液的滲入也是影響水污染的主要因素。新邱礦區有大面積的矸石山和尾礦。據統計，目前新邱礦區累計煤矸石堆積量2.5×108m3，壓占土地20km2，由采礦形成的矸石遍布全區［8］。這些煤矸石在淋濾作用下滲入地下、地表沉陷區、露天礦坑和地下廢舊采場，同時尾礦庫所溶解大量的劇毒物質也將進入地下水系，形成污染。由于污染嚴重，新邱市政供水水源地早已被迫關閉，現利用東部大巴鄉八道河周邊地下水供城鎮居民飲用，上述狀況涉及和影響區域遠遠超過井田分布的范圍。雖然目前礦山已廢棄，但地層結構長時間不穩定，可能會繼續大規模變形、破壞，從而影響地下水資源和地下水循環系統，未來地下水水質污染可能不會減輕。美國阿巴拉契亞地區因廢棄礦井造成4000km2的地下水流域受到污染便是最好的例子［9］。

3 防治建議

（1）積極申請國家礦山地質環境治理資金，進行地質環境災害治理工作。具體工作包括：將礦區內（包括河道附近）煤矸石、生活垃圾、建筑瓦礫進行清理，回填塌陷坑，植樹造林，進行生態環境重建，以使包括水環境在內的礦區環境得到改善。

（2）利用某煤化工企業大量廢灰渣無處堆放機會，積極和企業協商，用灰渣回填廢棄礦坑，以解決礦坑回填物需用量大問題，從而達到雙贏，但要特別注意做好灰渣場地層防滲設計和施工工作，以防造成礦區水體更大污染。

（3）針對礦井水外排造成的水資源浪費和水環境污染，新建防排水設施及凈水廠，對礦井水進行處理，為礦區復懇綠化、植被恢復、生態重建提供充分的水源。

（4）充分依靠利用遼寧省、阜新市地質環境監測站對礦區地質環境長期監測和積累的地表水環境、地下水動態、地下水環境、地質災變等方面的基礎數據和監測手段，對地表水、地下水、大氣、土壤、巖石的環境污染進行監測，建立環境保護和災害防治方面的地理信息系統（GIS），為礦區環境治理提供可靠參考數據。

4 結論

阜新新邱礦區露天煤礦周邊范圍內形成14km2的礦山地質環境、生態環境極其惡劣地帶，屬于大面積采動礦區。區內伴生主要水環境災害類型有水資源流失、廢舊地下采場和露天礦坑積水、地下和地表水質污染等。從水資源流失角度，礦區內降水漏斗形成明顯，目前正在逐漸恢復，經預測，20年地下水位能從-20m恢復到+30m左右；露天礦坑和地下采空區形成積水，積水中的污染物在入滲過程中，通過運移累積、吸附轉化、溶解解析和離子交換等水巖作用對地下水產生污染；礦區內地表水和地下水污染嚴重，造成新邱市政供水水源地關閉，當地居民只能異地取水。因此，對新邱礦區進行水環境災害治理具有很強的必要性和緊迫性，建議采用礦山地質環境治理、和企業合作、修建防排水及凈水設施、水環境監測等手段，以使礦區環境得到根本改善。

［1］虎維岳，李忠明，王成緒.廢棄礦山引起的環境地質災害［J］.煤田地質與勘探，2002，30（4）：33-35.HU Weiyue，LI Zhongming，WANG Chengxu.Geological environmental hazards caused by abandoned m ine［J］.Coal Geology ＆ Exploration，2002，30（4）：33-35.

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［3］王來貴，潘一山，趙娜.廢棄礦山的安全與環境災害問題及其系統科學研究方法［J］.渤海大學學報（自然科學版），2007，28（2）：97-101.WANG，Laigui，PAN Yishan，ZHAO Na.Safety and environment hazard problem and research method of system science of discarded mine［J］.Journal of Bohai University（Natural Science Edition），2007，28（2）：97-101.

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［5］王來貴，劉向峰，呂明海.大面積采動地層水系調整的數學模型［J］.遼寧工程技術大學學報，2003，22（5）：583-584.WANG Laigui，LIU Xiangfeng，LU Minghai.Mathematical model of water resource adjustment in large area mining stratum［J］.Journal of Liaoning Technical University，2003，22（5）：583-584.

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［7］GB/T14848-93，地下水質量標準［S］.GB/T14848-93，Quality standard for ground water［S］.

［8］趙明鵬.阜新地區礦山地質災害及其防治對策［J］.中國地質災害與防治學報，2000，11（4）：64-68.ZHAO Mingpeng.Mining geological hazard and its control countermeasure in Fuxin region［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2000，11（4）：64-68.

［9］P.Newbrough，C H Gammons.An experimental study of water-rock interaction and acid rock drainage in the Butte mining district，Montana ［J］.Environmental Geology，2002，41：705-719.