煤層氣地面開采中潛在的生態環境影響分析

李沿英 康靜文

（太原理工大學環境科學與工程學院，山西省太原市，030024）

煤層氣開采方式主要包括井下抽采和地面開采兩種方式。地面開采是通過在地面垂直或定向鉆井來開采目標煤層中的煤層氣，抽采率可達78%以上，是我國煤層氣開發利用的主要開采方式。地面開采煤層氣的過程中會對區域生態環境帶來一些潛在的影響，其影響的顯現具有滯后性，容易被輕視，一旦顯現，其后果不但嚴重而且很難恢復。因此，對潛在的生態環境影響進行預測研究，提出預防措施具有重要意義。

1 地面開采的工程組成及影響生態環境的環節

1.1 地面工程組成及工序

煤層氣地面開采工程主要包括鉆井工程、排采工程和集輸工程 （管網、集氣站及中央處理站等）。

鉆井工程工序為鉆井—固井—完井。目前常用的井型有垂直井、多分支水平井和叢式井等。固井一般利用水泥漿封固氣井，最后采用套管、裸眼完井等技術使井筒、煤層和煤層裂隙之間建立起有效的溝通方式，使產出的煤層氣順利進入井筒。

排采工程首先大量抽排煤層水降低儲層壓力，使煤層氣從煤基質的孔隙壁面上解吸出來成為自由氣并滲流入井筒，然后利用磕頭機從井筒中抽出煤層氣。

集輸工程是將井筒采出的煤層氣經采氣管線抽采進入集氣站，經凈化、分離、增壓后進入中央處理站進行脫水和加壓處理，最后將處理好的煤層氣外輸使用。煤層氣地面開采的工藝流程如圖1所示。

1.2 生態環境影響環節

煤層氣單井的產氣量一般較低，為提高采氣量需布置高密度井網 （井距為200～300m），相應集輸工程的建設也會比較密集，從而會對地表造成劇烈擾動。其擾動活動包括開鉆、開挖、剝離、運移、堆墊、填方、棄土棄渣和平整等，會潛在影響區域水土平衡和氣候變化。

圖1 煤層氣地面開采工藝流程圖

在煤層氣排采期，伴隨煤層氣的采出水以Cl-HCO3-Na型、Cl-Na型和HCO3-Ka+Na型等為主，大多具有高礦化度的特征，會對區域土壤和植物造成潛在影響。由于抽排煤層水是一個長期持續的過程，會影響區域地下水和地表環境，甚至誘發環境地質問題。

2 煤層氣開采潛在的生態環境影響

以山西沁水盆地鄭莊區塊產能9億m3／a煤層氣開采區為例進行研究。鄭莊區塊位于沁水盆地東南部，開采范圍為427km2，建設期為3年，鉆井數為567口，其中直井采用井距為300m 的梅花型井網開發，集氣站5座，中央處理站1座，集輸管線長度約為270km。

2.1 建設期潛在的生態影響

2.1.1 新增水土流失

鄭莊區塊建設期對地表的擾動面積約為462.66hm2。擾動將破壞地表土壤和植被、改變區域地形地貌、破壞巖土層的平衡狀態并造成局部地質構造的改變，最終使區域下墊面條件發生改變，從而間接破壞區域原有的水土平衡，再加之受到降雨、大風等外營力因素作用，將潛在引起新增水土流失。侵蝕方式主要有水力侵蝕、風蝕和重力侵蝕。新增水土流失計算公式：

式中：ΔW——新增水土流失量，t；

Ws1——擾動后土壤侵蝕量，t；

Ws——原地貌土壤侵蝕量，t；

Si——土壤侵蝕面積，hm2；

Ai——土壤侵蝕模數，t／hm2·a；

Ti——預測時段，a；

i——不同的地貌單元。

根據山西沁水鄭莊區塊土壤侵蝕現狀和當地氣候、土壤等自然條件，鄭莊塊區北部煤層氣開采建設期間各單元水土流失量計算結果見表1。新增土壤侵蝕量約為31648.32t，占擾動區土壤侵蝕總量的77.09%。水土流失將影響區域的水資源環境，使土地生產能力和利用價值降低，植被覆蓋率與生物量遞減。

2.1.2 區域氣候干燥

建設期將破壞地表植被，造成大面積的裸露地表，由于直接受到陽光的輻射，與植被覆蓋度高的地面相比，近地面溫度將增加5.4℃～11.6℃，同時會與周圍的冷空氣產生對流，區域風速將增大，并且將加快地表水分的蒸發。植被大量破壞，將使空氣中水汽運移的速度增加，相對濕度降低，最終導致區域氣候變干燥。

表1 各單元水土流失量匯總

2.2 高礦化度煤層采出水潛在的生態影響

具有高礦化度的煤層水若進入到區域土壤環境中將增加其可容性鹽的濃度，潛在引起土壤鹽漬化。按照我國土壤鹽漬化程度劃分指標，當土壤中全鹽量為1～3g／kg和3～6g／kg時分別為輕度和中度鹽化土，全鹽量大于6g／kg時為重度鹽化土，pH 值大于8.5時為堿化土。

2.2.1 土壤鹽漬化

根據鄭莊區塊晉試5號～13號井3＃煤層水中鹽離子含量為：K++Na+平均含量為1797.8mg／L，Mg2+平均含量為5.6mg／L，Ca2+平均含量為26.3mg／L，Cl-平均含量為2126.1mg／L，SO42-平均含量為4.4 mg／L，HCO2-平均含量為1200 mg／L，CO32-平均含量為8.6mg／L。其中，陽離子中K++Na+含量最高；陰離子中Cl-含量高，HCO2-次之；平均礦化度為5169.8 mg／L，其中晉試5號井煤層水的礦化度就高達8002.1mg／L。按照地下水礦化度分類標準，礦化度為3～10g／L的地下水為咸水，因此，鄭莊塊區多數煤層采出水為咸水。

近年來，中國的現代有軌電車建設逐漸興起，目前已有約11個城市通車運營，運營里程達 210 km，在建的約有17個城市，建設里程達 350 km。

沁水鄭莊區域土壤以褐土性土壤為主，pH 值為7.0 ～8.2，土壤中可溶性鹽含量范圍為1～4g／kg，平均可溶性鹽含量為3.4g／kg。可見，區域部分土壤已發生輕度鹽化，若再接受到平均礦化度大于5g／L 的煤層采出水，將導致局部土壤重度鹽漬化。

鹽漬化土壤中高鹽分環境將使土壤的持水能力發生變化。另外，鈉鹽含量的增加會使粘粒膨脹和分散性增加，致使土壤表層孔隙的孔徑變小或被堵塞，造成土壤團聚體的崩解而阻礙水氣的運動，降低土壤的水力傳導度。因此，土壤鹽漬化會惡化土壤的結構性質，使土壤發生漬水和侵蝕，生產能力降低，影響植物的生長發育等。

2.2.2 植物遭受鹽脅迫

高鹽量的土壤環境會對植物產生鹽脅迫作用，進而使植物逐漸遭受滲透脅迫、離子毒害和氧脅迫，導致植物水勢降低、植物組織的分化和生長受到抑制、生長速率降低等，影響其生長發育。

有關研究數據表明，利用礦化度大于5g／L的咸水進行灌溉會抑制多數植物的生長。因此，鄭莊區塊煤層采出水澆灌區域土壤后，原先鹽敏感的甜土植物將會受到鹽脅迫作用而不斷減少，而一些外來物種如耐鹽的鹽生植物則會不斷增加，逐漸成為優勢物種，從而潛在的影響區域物種的多樣性及均勻度。例如美國波德河盆地土壤受煤層采出水灌溉后，土壤發生了鹽漬化，導致本地植物的生長表現出一定的差異并逐漸減少，而一些外來物種則顯著增加。

2.3 抽排煤層水潛在的生態影響

2.3.1 地下水位下降

長時間地抽排煤層水將會使區域地下水的補給、排泄和徑流條件發生改變，打破原先地下水文系統的平衡，從而可能會引起區域地下水位下降，并且形成以氣井為中心的降水漏斗區。地下水位變化幅度計算公式如下：

式中：ΔQ——均衡區域地下水儲存量的變化量，m3／d；

∑Q補——地下水各種補給量之和，m3／d；

Q開——地下水排采總量，m3／d；

ΔH——均衡區域地下水位變化幅度，m；

μ＊——承壓含水層釋水系數；

F——均衡區域面積，m2。

鄭莊區塊3＃煤層開采初期排水量較高，單井最大產水量約為40m3／d，平均產水量約為6m3／d，產氣穩定時期產水量為1～4 m3／d，按單井產氣量2.5m3／d計算，運行天數為330 天，450 口直井和117口水平井的平均服務年限分別為15年和8年，則Q開為634.1萬m3。由于區域3＃煤系含水層與周圍各含水層間基本沒有水力聯系，為獨立的水動力承壓系統，通常可近似認為ΔQ=-Q開=-634.1萬m3。3＃煤層充水含水層釋水系數μ＊=0.0048，均衡區面積為427km2。根據公式 （3）、（4）計算，ΔH 為-3.09m。

2.3.2 土地沙化

區域地下水位下降后會降低土壤水分含量，并且會縮短土壤保持較高水分的時間，影響植物的生存環境條件，植物缺水干枯致死，導致地表植被大量退化，從而又影響到大氣與地表界面的水、熱循環系統，引起地表溫差變大，進一步減少土壤含水量，加重土地沙化。

2.3.3 環境地質問題

區域地下水水位下降后會破壞上覆沉積物與地下水的壓力平衡，孔隙水壓力減小，松散沉積物被壓縮從而引發地面沉降。地面沉降或塌陷等地質問題累積到一定程度時其危害才能顯現出來，將會破壞地表形態，影響動植物的棲息環境。

2.4 其他潛在的生態影響

煤層采出水中還可能含有少量的重金屬元素，若直接排入到自然環境中，所含重金屬很難被降解，其生物有效性、存在形態和毒性等也會不斷的發生變化，如金屬鎘轉變為化合物時的毒性將變強，無機汞在微生物作用下可轉變為毒性較強的甲基汞，重金屬還會通過食物鏈進行生物富集，最終危害到動植物的生長和人類的健康。

煤層水的抽排會引起地下含水層水頭下降，若煤層氣開采區承壓含水層與上覆潛水層或地表水系存在水力聯系，則劣質潛水或地表污水會沿水頭勢差向降水漏斗區進行補給，導致地下水污染，潛在影響區域土壤和動植物生長。

3 防治措施

（1）煤層氣的開采工藝要優化選擇，如鉆井方法可選用單井產氣量相對較高的水平分支井，從而減少鉆井數量，減輕對地殼的擾動。

（2）要合理施工并嚴格控制作業帶面積，減少對地表土壤和植被的破壞。施工結束后，應恢復地貌原狀，并充分利用空地進行綠化。

（3）具有高礦化度或含有重金屬的煤層采出水必須經過處理，達標后再依據各地區情況進行綜合利用。

（4）政府部門要完善與煤層氣開發相關的監督管理制度，建設單位要強化監管監察，并定期對地下水水位、采出水水質等環境敏感要素進行監測。

4 結論

（1）煤層氣開采工程建設期將會對區域地表及地下造成劇烈的擾動，使區域下墊面條件發生改變，潛在引起新增水土流失，并影響區域環境和氣候。

（2）具有高礦化度的煤層采出水進入到土壤中將潛在影響區域土壤和植被。使土壤發生鹽漬化，使植物遭受鹽脅迫，導致鹽敏感植物減少而耐鹽植物增加，影響區域物種的多樣性及均勻度。含重金屬的煤層采出水也會危害到動植物的生長和人類的健康。

（3）大量的抽排煤層水會改變區域地下水的補給、排泄和徑流平衡，逐漸降低區域地下水水位，影響地下水水質，使土地沙化，并誘發地面沉降或塌陷。

（4）煤層氣開采造成的潛在生態影響，其潛伏期很難預測，必須采取有效的防治措施以減輕對生態環境造成的危害。

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