近30年煤礦開采影響下峰峰礦區巖溶地下水水化學特征的演變

郝春明，孫 偉，何培雍，李 成

(1.中國地質環境監測院，北京 100081；2.陜西省地質環境監測總站，陜西 西安710054)

近30年煤礦開采影響下峰峰礦區巖溶地下水水化學特征的演變

郝春明1，孫 偉1，何培雍1，李 成2

(1.中國地質環境監測院，北京 100081；2.陜西省地質環境監測總站，陜西 西安710054)

煤礦開采；水化學類型；水流系統；礦物溶解能力；重金屬元素；氫氧同位素

峰峰煤炭礦區巖溶水系統屬于邯邢南單元黑龍洞泉域，形成以西部山區和中部灰巖裸露區為補給區，構造斷陷盆地為徑流區，泉群排泄為主的水文地質單元，流域面積2410km2。含水介質為一套碳酸鹽巖海相沉積地層，以角礫狀灰巖、厚層花斑灰巖、純灰巖、薄層灰巖和泥灰巖等組成，局部富含石膏，總厚度470～584m，裂隙發育，以溶孔和溶隙為主。

礦區主要開采石炭和二疊系煤層，因煤層底板巖溶地下水補給條件好，富水性強，水頭壓力大，為防止煤層底板突水，多采用疏水降壓的被動方式。近30年的人工疏水降壓已使巖溶地下水的水位大幅下降，閆玉梅等[1]經長期監測發現20世紀90年代后，水位年平均衰減1.5m左右，徑流區水位標高由原來的130～139m降至110m左右。與此同時，巖溶水化學場是否也發生了巨大的變化，值得擔憂。為此，吳振嶺，白喜慶等[2]曾研究過該地區近30年來巖溶水流場，水化學等的變化，但方法過于簡單，很難全面掌握水環境的演變。王焰新、韓寶平、孫林華等[3-7]分別針對煤礦開采誘發的水環境問題研究均進行過不同方式的嘗試，為評估采煤對水環境的影響提供了新的方法和思路。

筆者通過收集煤礦開采前巖溶水水化學背景資料和采集分析開采30年后的水樣品，嘗試運用水化學特征對比的方法，較系統和全面的分析采煤活動對巖溶水化學場的影響，對重新論證和評估采煤活動對區域巖溶地下水環境造成的影響提供了重要的依據。

1 取樣與測試

2012年10月共采集了水樣品44件，其中巖溶水樣品28件，孔隙水樣品3件，礦坑水樣品8件，地表水1件，煤系基巖裂隙水4件，巖溶樣品點分布如圖1所示。

部分測試結果見表1，1980年背景數據見表2。

樣品采集前，先用蒸餾水洗滌2～3遍，再用樣品水涮洗2～3遍，最后再將采集的水樣過濾后裝入1000ml玻璃瓶中。每個樣品采集4瓶，其中原水樣品，加酸(稀HNO3)樣品，加堿(NaOH)樣品和穩定同位素樣品各一瓶。pH、TDS、Eh、溫度和DO野外現場測定。系統編號后送往河北省水環境監測實驗中心實驗室測試。原水樣品控制從采樣到測定的時間不超過30天，酸化和堿化水樣分別控制不超過10天和2天。為監控采樣質量，按不低于5%的采樣比例采集平行樣；每批次樣品均按比例插入標準物質，重復試樣和空白樣，同時隨機抽取20%的試樣作為檢查分析樣，確保每批次重復分析相對偏差合格率不低于90%。

2 結果與討論

2.1 水化學類型

煤礦開采前后的巖溶水水化學piper圖如圖2所示。煤礦開采前后的巖溶水均落于三線圖的左上角，水化學類型變化不大，仍主要為HCO3—Ca.Mg(Ca)，HCO3.SO4—Ca.Mg(Ca)，SO4.HCO3—Ca.Mg型水，說明采礦活動并未造成其化學場發生根本變化。

圖2 不同時期巖溶水水化學三線圖

2.2 水質污染

2.3 巖溶水水流系統

煤礦開采前后巖溶水的水流速度明顯存在差異。開采前的巖溶水流速代表了背景流速，遍布A區、B區和C區，具有復雜的水動力背景特征，這與該地區巖溶水存在三個不同特征的徑流帶[10]有關。開采后的巖溶水多落于B區、B1和B4區，均反映為中等徑流區特征，說明煤礦開采已破壞了巖溶水原有水流系統，由復雜化的水流系統演變呈單一水流系統，強徑流帶消失，中等徑流帶和弱徑流帶發育。煤礦開采促使巖溶水流率呈變慢，水力梯度呈變大趨勢發展，這與開采強化疏水形成眾多的降落漏斗有直接的關系，翟立娟[11]經調查發現該地區巖溶地下水流場已演變成以礦井排水點為中心的若干個降落漏斗型水流系統。地下水漏斗的發育，改變了巖溶水徑流方向，造成局部地下水流系統發育，流速變慢，水力梯度變大。

圖6 不同時期的巖溶水礦化度與Cl-關系圖

2.4 礦物溶解

2.5 重金屬元素檢出

煤礦開采前巖溶水檢出重金屬元素為Hg、Fe和Zn，檢出率分別為16.73%、52.48%和16.25%；開采后檢出的重金屬元素明顯增多，為Hg、Fe、Zn、Cr和Mn，且檢出率也明顯提升，分別提高至40.91%、68.18%、18.18%、13.63%和18.18%。檢出濃度也隨采礦時間呈正比增長關系，以Hg為例，1980年巖溶水檢出濃度最高值為0.0002mg/L，平均濃度為0.00012 mg/L；采礦近30年后，2012年檢出濃度最高值為0.0006mg/L，平均0.00018mg/L。

2.6 含水層間的水力聯系

醫院藥品費用是一個復雜的研究對象，筆者運用層次分析法建立醫院藥品費用影響因素評價指標分層模型，擬建了醫院藥品費用影響因素指標體系。對醫院藥品費用的影響因素進行定性和定量研究；根據醫院藥品費用影響因素指標體系建立了控制監督評分標準。同時，將醫院藥品費用控制監督評分標準與實例結合，用以評價醫療機構的藥品費用控制水平，該評價指標才更能體現出現實意義。

圖9 重金屬元素檢出率

圖10 重金屬元素檢出濃度(除Hg單位為ppb外，其余均為ppm)

不同的含水層因溫度和補給高程的不同，氫氧同位素應存有明顯的差異[14-15]。巖溶水的氫氧同位素δD值介于-70.0‰～-63.0‰，δ(18O)值介于-8.7‰～-9.7‰；孔隙水δD值介于-65.0‰～-59.0‰，δ(18O)值介于-8.9‰～-8.2‰；煤系基巖水δD值介于-77.0‰～-70.0‰，δ(18O)值介于-9.6‰～-10.0‰(圖10)。

設定巖溶水δD和δ(18O)的背景范圍(1987年袁志梅等[16])為δD值介于-70.0‰～-66.0‰，δ(18O)值介于-9.4‰～-9.0‰，該部分巖溶水直接來源于高海拔基巖裸露區的降雨入滲補給(圖11)。

圖11 煤礦開采后礦區地下水氫氧同位素分布圖

部分巖溶水與礦井水，部分孔隙水和煤系基巖水混在一起，說明煤礦開采造成了各含水層間水力聯系明顯加大。其中位于左下方的巖溶水明顯受到了煤系基巖水的補給，與煤系砂巖水水力聯系加大。傳統觀念普遍[17-18]認為：該地區巖溶水為典型的“單斜構造分散徑流集中排泄巖溶水系統”， 巖溶水水位遠高于煤層，水壓大。井田內承壓區煤系水一般不會向下伏奧灰巖溶裂隙含水巖組徑流，即煤系砂巖水不可能補給巖溶水。事實明顯與傳統觀念相違背，可能由于煤層的長期大規模開采，采空塌陷造成下覆底板的原有裂隙進一步發育，當巖溶水水位持續下降到低于煤層造成煤系基巖水反向補給巖溶水。

滏陽河水也與巖溶水混合在一起，同時位于背景區間右上方的巖溶水也孔隙水等混合，說明巖溶水與河水，孔隙水等也存有明顯的水力聯系，說明煤礦開采造成區域含水層結構嚴重破壞，間接頂板含水層(孔隙水)和河水也伴隨其水位的下降開始反向補給巖溶水。

3 結論

[1] 閆玉梅，秦鵬，吳振嶺，等.峰峰礦區煤炭開采對巖溶地下水環境的影響研究[J].中國礦業，2010，19(12)：120-125.

[2] 吳振嶺，白喜慶.峰峰煤礦區巖溶地下水流場演化規律[J].地下水，2009，31(2)：23-27.

[3] 王焰新，孫連發，羅朝暉，等.指示娘子關泉群水動力環境的水化學-同位素信息分析[J].水文地質工程地質，1997(3):1-5.

[4] 王焰新，高旭波.人類活動影響下娘子關巖溶水系統地球化學演化[J].中國巖溶，2009，28(2)：103-122.

[5] 韓寶平，鄭世書.煤礦開采誘發的水文地質效應研究[J].中國礦業大學學報，1994，23(3)：70-77.

[6] Xiaojuan Qiao, Guomin Li,Ming Li, et al. Influence of coal mining on regional karst groundwater system: a case study in West Mountain area of Taiyuan City, northern China[J].Environmental Earth Sciences,2011,64(6):1525-1535.

[7] Lin hua Sun,Herong Gui,et al.Geochemistry of rare earth elements in groundwater from deep seated limestone aquifer in Renlou Coal Mine, Anhui Province, China[J].Journal of Central South University,2011,18(5):1646-1653.

[8] 陳仁舜，韓惠中，劉瑛，等.邯鄲環境水文地質研究資料集[R].1988.

[9] 林曾平，胡寬瑢.峰峰水文地質單元中奧陶統灰巖水文地質分區和開發治理規劃的建議[R].邯鄲環境水文地質研究資料集，1988.

[10] 杜淑英，郝旭，王進杰.峰峰黑龍洞泉域地質構造對基巖地下水的控制作用[J].河北煤炭建筑工程學院學報，1994，1(1)：17-23.

[11] 翟立娟.華北型煤田煤炭開采對巖溶水影響方法探討[J].中國煤炭地質，2012，24(11)：30-35.

[12] 錢會，馬致遠.水文地球化學[M].北京：地質出版社，2005:25-88.

[13] 楊策，鐘寧寧，陳黨義.煤礦開采過程中地下水地球化學環境變遷機制探討[J].礦業安全與環保，2006，33(2)：30-35.

[14] Ian D,Peter F.張慧(譯).水文地質學中的環境同位素[M].鄭州：黃河水利出版社,200:28-46.

[15] 陳駿,王鶴年.地球化學[M].北京：科學出版社,2004:115-120.

[16] 袁志梅,王懷穎,王瑞久.邯邢地區巖溶地下水系研究[R].1988.

[17] 中國煤炭地質總局水文地質局.我國大型煤炭基地區域含水層保護戰略研究[R].2011.

[18] 方向清，傅耀軍.采煤對峰峰礦區黑龍洞泉巖溶水系統影響程度評價[J].中國煤炭地質，2012，24(3)：25-30.

The impact of nearly 30 years mining activities on the hydrochemistry characteristic of karst groundwater in Fengfeng coal mining area

HAO Chun-ming1,SUN Wei1,HE Pei-yong1,LI Cheng2

(1.China Institude of Geo-Environment Monitoring, Beijing 100081,China;2.Shanxi Institute of Geo-Environment Monitoring, Xi’an 710054,China)

coal mining；karst groundwater；hydrochemistry type；flow system；mineral dissolving capacity；heavy metals；hydrogen oxygen isotopes

2014-02-05

國家級地質環境監測與預報專項資助(編號：1210800-000022-6)；資源城市地下水基礎環境狀況調查與評估項目資助(編號：2011A113)

郝春明(1978- )，男，高工，博士，研究方向為礦山地質環境調查與監測。E-mail:Haocm@mail.cigem.gov.cn。

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1004-4051(2015)01-0045-07