松宜礦區(qū)尖巖河煤礦泉水分布特征及意義

羅 根 賈乾明

(湖北煤炭地質(zhì)局,湖北 武漢430070)

2017 年9 月15 日下午，洛溪河流域水體出現(xiàn)異常呈鐵紅色，并逐步加重向下游蔓延流入洈水河。造成洈水河沿岸的楊林市鎮(zhèn)石龍橋水廠、楊林市鎮(zhèn)赤膊洞水廠、紙廠河鎮(zhèn)馬放坪水廠3 個水廠停止供水，服務(wù)區(qū)內(nèi)7.3 萬名群眾生產(chǎn)生活受到影響。經(jīng)調(diào)查，洛溪河水體異常主要為PH 偏小，污染源頭主要為松宜礦區(qū)原尖巖河等煤礦。酸性廢水對環(huán)境的污染問題迫切需要解決。

我國各類礦山廢水的排放量巨大，礦山廢水中污染范圍最廣、危害程度最大的是礦山排放的酸性廢水[1]，目前，針對煤礦酸性廢水治理的辦法有多種，利用微生物處理，利用化學試劑、材料中和，利用生態(tài)濕地中的動植物處理等。尖巖河鄰近礦山曾采用中和法治理其酸性廢水，但由于該煤礦酸性廢水排放量大、治理成本較高、治理周期較長等問題，并且產(chǎn)生大量黃褐色沉淀，治理效果并不理想。本次研究工作，采用經(jīng)驗判斷、流量動態(tài)長觀、水質(zhì)監(jiān)測等方法開展尖巖河煤礦范圍內(nèi)地下水的天然露頭泉水基本情況調(diào)查，反應(yīng)研究區(qū)水文地質(zhì)特征，從而驗證擬采用水封法抬高地下水位治理研究區(qū)酸性廢水的可能性。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理

松宜礦區(qū)地處鄂西山地的東部邊緣向江漢平原過渡地帶，為低山丘陵地貌區(qū)（如圖1）。

區(qū)內(nèi)最高點為北西側(cè)的大坪垴，高程837.8m，最低點位于劉家場鎮(zhèn)洛溪河河床，高程131.2m。區(qū)內(nèi)地形起伏較大，坡角多在10°～30°之間，溝谷深切段多見高100～400m 的陡崖，地形復(fù)雜，地貌類型多樣。洛溪河發(fā)源于宜都市王畈鄉(xiāng)古水坪，屬常年性流。上河長15.1km，平均坡降3.18%，河床寬10～20m，“V”形河谷，河水補給地下水。洛溪河流量0.20～0.70m3/s，特大洪水期最大流量達500～600m3/s，平均流量500～600m3/s，匯水面積110km2（如圖2）。

1.2 水環(huán)境污染情況

酸性礦井水的成因是：在煤層及其圍巖中含有硫鐵礦，由于煤炭的開采破壞了煤層原有的還原環(huán)境，提供了氧化這些還原態(tài)硫化物所需的氧，地下水的滲出并與煤中的硫化物氧化成硫酸，進而使礦井水呈酸性[2]。

圖1 水文地質(zhì)略圖

2017 年3 月尖巖河煤礦風井閉坑后，至6 月礦井主平硐第一次涌水，礦井正常涌水量為3600m3/h。根據(jù)《煤炭工業(yè)污染物排放標準》（GB20426-2006）尖巖河煤礦礦井水COD、Hg、Cr6+等指標未超標，但PH、Fe、Mn 指標遠遠超過限定值。礦井水PH 在3～5 范圍內(nèi)，小于限定值6～9；Fe 含量在180～330mg/L 范圍內(nèi)，遠超過限定值6mg/L；Mn 含量在20～30mg/L 范圍內(nèi)，遠大于限定值5mg/L。尖巖河酸性廢水匯入洛溪河后，不僅影響河流中水植物和魚類的生長繁殖，同時礦井水中的鐵離子進入河流后，接觸空氣被氧化，導(dǎo)致水體發(fā)黃。

2 泉水分布特征

2.1 PH

根據(jù)調(diào)查研究，尖巖河煤礦范圍內(nèi)所分布的19 處泉水出露點PH 一般為7.0～8.5。這說明天然情況下，尖巖河煤礦范圍地下水為堿性。這是因為尖巖河煤礦大部分出露地層為灰?guī)r地層，灰?guī)r為以方解石為主要成分的碳酸鹽巖。有時含有白云石、粘土礦物和碎屑礦物。方解石、白云石均呈溶解反應(yīng)，其反應(yīng)方程分別為[3]：

圖2 松宜礦區(qū)地貌圖

圖3 洛溪河污染現(xiàn)狀

這些反應(yīng)均為消耗H+的反應(yīng)，其結(jié)果使地下水的PH 升高。但地下水的PH 值僅由7.0 上升到8.5，變化幅度很小，這是因為這一帶地下水處于相對開放的系統(tǒng)，地下水有CO2的不斷補充，CO2的溶解反應(yīng)為：

產(chǎn)生的H+對地下水進行了補充。使地下水PH 值變化維系在一個不大的范圍。尖巖河煤礦開采標高未70～330m 左右，根據(jù)PH 監(jiān)測結(jié)果，泉水點垂直距離采空區(qū)較遠時，水質(zhì)一般較好。本次研究發(fā)現(xiàn)，S17 泉水點PH 為6.6，主要原因為該泉水點靠近煤系，與采空區(qū)溝通，受采空區(qū)酸性廢水影響。

2.2 流量特征

本次研究發(fā)現(xiàn)，尖巖河煤礦范圍內(nèi)泉水流量為0.02～35L/s，泉水流量變化較大，巖溶含水介質(zhì)極不均勻，部分泉水流量較大，說明區(qū)內(nèi)含水層富水性較好，局部巖溶發(fā)育，導(dǎo)水性很好。根據(jù)對泉13 的長期觀測（2019 年11 月至2020 年10 月），豐水期最大流量為15.63L/S，枯水期最小流量為7.36L/S，動態(tài)變化系數(shù)為2.12。

2.3 泉水類型

尖巖河煤礦范圍內(nèi)泉水類型主要為巖溶泉，未發(fā)現(xiàn)斷層泉，說明尖巖河煤礦范圍內(nèi)雖然斷層發(fā)育，但斷層破碎帶不發(fā)育，或擠壓緊密、膠結(jié)較好、導(dǎo)水性差、富水性弱。根據(jù)歷史資料，松宜礦區(qū)在生產(chǎn)巷道中，井下多次揭露斷層，斷層破碎帶往往有滴水、淋水征兆，但未見較大涌水現(xiàn)象，井下揭露斷層破碎帶的膠結(jié)物多為泥質(zhì)。井下揭露斷層情況與地表泉水出露情況一致。

2.4 出露地層

尖巖河煤礦范圍內(nèi)開采煤層下伏C2hn 灰?guī)r出露面積較小，泉水發(fā)育地層主要為P1q、T1d，C2hn 地層未發(fā)現(xiàn)泉水點出露，說明煤層上覆地層P1q、T1d 灰?guī)r局部巖溶相對發(fā)育，開采煤層底板C2hn 灰?guī)r巖溶發(fā)育相對較差，導(dǎo)水性相對較差。

3 意義

根據(jù)區(qū)內(nèi)泉水流量特征，區(qū)內(nèi)富水性較好，礦坑酸性廢水排放量較大，如果采用中和法等末端治理的方式，周期長，后期處理運營費用巨大，不經(jīng)濟。根據(jù)泉水出露類型及出露地層特征，區(qū)內(nèi)斷層導(dǎo)水性較差，煤層底板導(dǎo)水性相對較差，煤層上覆P1q地層泉水出露點流量差異較大，主要是局部導(dǎo)水性較大，因此，對地表地勢較低的坑口及泉水點進行封堵是能夠抬升研究區(qū)地下水水位的。基于上述分析，本次研究建議封閉相對位置較低的排水點，抬高區(qū)內(nèi)地下水水位標高，改變采空區(qū)水環(huán)境，從而達到治理采空區(qū)地下水污染的目的。由于酸性廢水比重相對較大，且已經(jīng)充滿水的部位不易接受比它底的水體進入，隨著水位的提升，動態(tài)補給的新鮮水會在采空區(qū)污水上方徑流排出，采空區(qū)內(nèi)形成一個相對靜止的“死水庫”，從而減緩酸性廢水的流出速度，部分流出的酸性廢水可利用大量天然堿性地下水自然中和處理；另外，抬高水位，可以減少CO2對采空區(qū)廢水的補充，抑制CO2的溶解反應(yīng)，有利于方解石、白云石的溶解反應(yīng)消耗掉采空區(qū)污染水中的H+。

4 結(jié)論

4.1 松宜礦區(qū)尖巖河煤礦天然泉水呈弱堿性，泉水點垂直距離采空區(qū)較遠時，水質(zhì)一般較好。區(qū)內(nèi)含水層富水性較好，巖溶含水介質(zhì)極不均勻，斷層破碎帶不發(fā)育，或擠壓緊密、膠結(jié)較好、斷層導(dǎo)水性較差。煤層底板導(dǎo)水性相對較差，煤層上覆地層局部導(dǎo)水性較好，可對地勢較低的排水地段進行封堵、可抬高研究區(qū)地下水位。

4.2 通過抬高地下水水位能夠有效治理尖巖河煤礦酸性廢水污染地表水環(huán)境的問題。該方法成本低、見效快，可作為該區(qū)煤礦酸性廢水首選治理參考方案。