寧夏紅一煤礦開采對水環境影響分析與評價

王 鐸

(中煤科工集團北京華宇工程有限公司，北京 100120)

1 引言

生態文明建設，關系人民福祉，關乎民族未來。面對資源短缺，環境污染嚴重，生態系統退化，生物多樣性銳減，必須樹立尊重自然，順應自然，保護自然的生態文明理念。水是人類生存的重要資源，與人類生活有著密切的聯系[1，2]，水質安全關系著居民的健康。保障居民的用水安全，關鍵在于保護水源地[3]。水資源問題已經成為世界面臨最嚴重的問題之一，氣候變化及人類活動導致水資源空間分布格局的改變，進而影響人類的生存與生活方式[4]。煤炭資源的開采不僅破壞了地下水循環系統，而且對地表水水質產生了巨大影響，使得大部分礦區面臨著水資源緊缺和生態環境惡化等問題， 嚴重影響了生態平衡和人們的生產生活[5]。煤礦開采之后，采空區周圍的巖層發生位移，變形乃至破壞，上覆巖層根據變形和破壞的程度不同分為冒落、裂縫和彎曲三帶，其中裂縫帶又分為連通和非連通兩部分，通常將垮落帶和裂隙帶的連通部分稱為導水裂縫帶[6]。確定導水裂縫帶高度，對于礦井水害防治與保水采煤均有至關重要的作用[7]。

由于煤礦開采對地表生態環境的破壞[8]，煤礦沉陷區水污染十分嚴重[9]，地表-地下水系復雜，水域環境現狀堪憂。研究區位于銀川市河新區工業園區，通過現場調查、經驗公式、采樣監測、數據分析和化學分類等方法，對5個地下水質監測點的水質濃度、導水裂縫帶高度預測、礦井水和生活污水處理后的濃度進行評價與分析，研究紅一煤礦開采后地表水和地下水水質的影響，為進一步評價煤炭開采對當地水環境的分析評價提供依據。

2 研究區概況

研究區位于寧夏回族自治區銀川市興慶區(106°31′00″～106°34′46″E，38°21′37″～38°27′16″N)，南北長約9.5 km，東西寬約2～5 km，面積33.4907 km2。井田西距銀川市約30 km，東距內蒙古自治區鄂托克前旗約70 km，西南距臨河鎮約10 km。研究區屬于溫帶大陸性氣候，晝夜溫差大，年均氣溫8.5 ℃，年均日照時數2800～3000 h，年均降水量200 mm，年均蒸發量1600 mm，是年均降雨量的8倍，無霜期185 d左右。主要喬木林種有云杉(Piceaasperata)、油松(Pinustabuliformis)、山楊(Populusdavidiana)等，灌木有榆樹(UlmuspumilaL.)、山杏(Armeniacasibirica)、錦雞兒(Caraganasinica)等。土壤類型主要為山地灰鈣土、草甸土和灰褐土(圖1)。

3 研究方法

地下水水質監測：研究區內布設5個水質監測點進行水質現狀監測，為了更好的反映水質周期變化，對各水質監測點做了3次監測，分別為2017年4月15日、2017年9月10日和2017年12月19日，地下水監測共設5個監測點，分別為SW2、SW4、SW5、SW6、SW7。監測指標：硫酸根、氯離子、pH值、總硬度、溶解性總固體、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮、銅、鋅、鉛、砷、汞、鎘、鉻等14項，采用單因子標準指數法進行分析評價。

Pi=Ci/COi

(1)

式(1)中：Pi為第i項評價因子的單因子污染指數；Ci為第i項評價因子的實測濃度值，mg/L；COi為第i項評價因子的評價標準，mg/L。

SPH,j=(7.0-PHj)/(7.0-PHsd)PHj≤7.0

(2)

SPH,j=(PHj-7.0)/(PHsd-7.0)PHj≥7.0

(3)

式(2)、(3)中：SPH,j為PH在j點的標準指數；PHj為PH在j點的臨測值；PHsd為地下水水質標準中規定的pH值下限；PHsu為地下水水質標準中規定的pH值上限。

4 結果與分析

4.1 井田開采對地表水水質的影響與評價

本研究區工業場地生活污水在非采暖季全部回用，采暖季部分回用，剩余部分(570.1 m3/d)與處理后的礦井水混合后，用于銀川市濱河新區生態綠化、農業灌溉用水等用途，不外排。礦井水經處理后部分回用，剩余部分(15401.2 m3/d)經處理后要求達到《農田灌溉水質標準》(GB5084-2005)中鹽堿土地區灌溉用水水質標準，排入濱河新區的3個生態蓄水池(合計66萬m3)以及景城公園景觀湖(300萬m3)，最終進入濱河新區綠化灌溉管網，用于濱河新區生態綠化、農業灌溉用水等用途，礦井水全部利用不外排。根據《環境影響評價技術導則——地表水環境》(HJ2.3-2018)中水污染影響型建設項目評價等級判定方法，確定本研究區地表水影響評價等級為三級B(表1)。

表1 水污染影響型建設項目評價等級判定

4.1.1 井田開采對黃河水源的影響

黃河干流寧夏段共監測6個斷面，其中距離研究區最近的銀古公路橋斷面位于井田邊界西南11km處。根據《銀川市人民政府關于印發“藍天碧水·綠色城鄉”專項行動方案的通知》(銀政發〔2016〕225號)，確定銀古公路橋斷面水質目標為《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)中Ⅱ類標準。寧夏回族自治區生態環境廳公布的地表水水質月報顯示，2017年2月至2019年2月，除2017年3月和5月外，銀古公路橋斷面的水質均能達到《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)中Ⅱ類標準(表2)，說明2017～2018年期間銀古公路橋斷面水環境質量狀況良好，研究區排水對黃河及其兵溝等支流無影響。

4.1.2 生活污水處理措施及影響分析

本研究區生活污水產生量為1193.27 m3/d，在工業場地內建1座生活污水處理站，采用“混凝+沉淀+A2/O+瓷砂過濾+消毒”處理工藝，最終處理能力為60 m3/h(1200 m3/d)。其中，一期處理能力為40.0 m3/h，且已投入使用；二期處理能力為20.0 m3/h。由圖2可知，此工藝對主要污染物去除率一般可達到SS≥95%、BOD5≥86.4%、COD≥86.7%、氨氮≥80%。由圖3可知，經處理后水質可達到《城市污水再生利用 城市雜用水水質》(GB/T18920-2002)中綠化用水和道路清掃用水水質要求，可用于生產系統沖洗、工業場地綠化澆灑用水；達到《農田灌溉水質標準》(GB5084-2005)中旱作灌溉用水水質要求，可用于濱河新區生態灌溉用水。處理達標后的生活污水可利用水量為1143.0 m3/d，其中用于生產系統沖洗水約108 m3/d，生產系統轉載除塵207.36 m3/d，道路廣場澆灑用水54.76 m3/d(采暖季)/273.81 m3/d(非采暖季)，綠化用水64 m3/d(采暖季)/320 m3/d(非采暖季)，未預見用水138.82 m3/d(采暖季)和233.83 m3/d(非采暖季)，剩余570.1 m3/d(采暖季)與處理后的礦井水混合，用于濱河新區生態綠化、農業灌溉用水等用途，全部回用不外排。

表2 2017年2月至2019年2月黃河銀古公路橋斷面水質情況統計

圖2 煤礦生活污水處理站各工序去除率

4.1.3 礦井水處理措施及影響分析

礦井正常涌水量為14466 m3/d，回水量約為600 m3/d，礦井排水量為15066 m3/d。采用預處理(絮凝-沉淀-過濾)、深度處理(脫鹽)工藝和濃鹽水蒸發結晶工藝，由表3可知，對主要污染物去除率一般可達到SS≥90%、COD≥71.2%、溶解性總固體≥30%。由表4可知，處理后的礦井水水質滿足《煤炭工業給水排水設計規范》中防塵灑水用水水質標準和《農田灌溉水質標準》(GB5084-2005)中鹽堿土區灌溉用水水質標準要求。其中，礦井水處理站深度處理工程將分期建設，在一期工程單獨運行時和礦井水一、二期工程同時運行的情況下，處理后的礦井水水質均可滿足《農田灌溉水質標準》(GB5084-2005)中鹽堿土區灌溉用水水質標準要求。

圖3 煤礦生活污水水質情況一覽

本研究區井下排水經預處理后用于防火灌漿用水量為260.0 m3/d，用于深度處理段混合用水量為3606 m3/d；剩余水量經深度處理后用于井下灑水量為1743.0 m3/d，傳輸紅二煤礦用于井下消防灑水量為1474.4 m3/d，用于機械蒸發結晶的濃鹽水量為1000 m3/d，用于混合用脫鹽水量為5782.6 m3/d。紅二煤礦輸送至研究區預處理水量為6012.6 m3/d，將轉輸水池與研究區預處理水(3606 m3/d)及深度處理后脫鹽水(5782.6 m3/d)混合后，達到《農田灌溉水質標準》(GB5084-2005)中鹽堿土地區灌溉用水水質要求后綜合利用約15401.2 m3/d，礦井水可全部利用不外排。

表3 礦井水水質情況

4.2 井田開采對地下水水質的影響與評價

4.2.1 地下水水質現狀監測

表4 礦井水處理站各期工程礦井水水質情況

表5 地下水質量監測結果

4.2.2 煤炭開采對煤層各上覆含水層影響

本研究通過導水裂縫帶的高度計算，分析煤炭開采對煤層各上覆含水層的導通影響，定性和半定量分析對各含水層的影響程度，對地下水保護目標的影響進行分析。井下煤炭采出后，采空區周圍的巖層發生位移，變形乃至破壞，上覆巖層根據變形和破壞的程度不同分為冒落、裂縫和彎曲三帶，其中裂縫帶又分為連通和非連通兩部分，通常將垮落帶和裂隙帶的連通部分稱為導水裂縫帶。井下開采對上覆含水層的影響程度主要取決于覆巖破壞形成的導水裂縫帶高度是否波及水體。導水裂隙帶發育高度與煤層賦存地質條件、頂板巖性、煤層開采厚度等均有密切關系。根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》和《煤礦床水文地質、工程地質及環境地質勘查評價標準》計算煤層開采后導水裂縫帶高度。

據勘探調查可知，紅一井田主要含煤地層為二疊系山西組和石炭二疊系太原組，山西組和太原組地層總厚143.37～155.54 m，平均150.69 m，共含煤8～15層，含可采煤層6層，依次為4、5、5下、8、9、10煤，5煤和9煤為主要可采煤層，全區賦存且全區可采，煤層較穩定。導水裂縫帶發育高度與煤層賦存地質條件、頂板巖性、煤層開采厚度、采煤方法、頂板管理方法等均有密切關系，根據鉆孔煤層頂底板巖石物理力學樣測試成果確定開采煤層，頂板以粉砂巖為主，局部為泥巖、細砂巖為主，屬于中硬巖層，因此，可按照中硬巖層計算各可開采煤層導水裂縫帶高度。

由圖4可知，導水裂隙帶發育最大高度由煤層發育高度決定，因此采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》和《煤礦床水文地質、工程地質及環境地質勘查評價標準》，選取4條典型勘測線，分別為23勘探線、24勘探線、26勘探線以及走向勘探線作為典型剖面線，根據剖面線上的鉆孔資料對勘探線上的各鉆孔煤層分別運用兩種方法計算典型剖面導水裂隙帶發育高度。根據地質勘探調查可知，勘探區內煤層埋深在300～1405 m之間，由圖4可知，采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》計算的導水裂隙帶發育高度26.85～66.8 m，距第四系底板的距離158.7～634.9 m；采用《煤礦床水文地質、工程地質及環境地質勘查評價標準》計算的導水裂隙帶最大高度15.1～118.76 m，距第四系底板的距離171.8～644.9 m。從典型剖面上看各鉆孔的導水裂隙帶發育高度看，全部導通山西組、太原組煤系地層，部分導入二疊系石盒子組，未直接導通第四系松散類孔隙潛水含水層，不會發生第四系孔隙潛水向下伏含水巖段(組)直接滲漏的情況。

圖4 兩種計算方法下典型剖面導水裂隙帶發育高度

4.2.3 工業場地對地下水水質影響

工業場地主要污染水源有礦井排水和生活污水，這些污水采取不同深度處理后，達到水質要求，循環利用，不外排。本研究區礦井水中主要污染物為SS和COD。正常工況下，礦井水經“混凝沉淀+無閥過濾+多級反滲透脫鹽”后，達到《農田灌溉水質標準》(GB5084-2005)中鹽堿土區灌溉用水水質標準，排放至已經建成的3個生態供水池以及景城公園景觀湖(約11656.9 m3/d)，礦井水可全部利用不外排。生活污水主要來源于辦公樓、浴廁、洗衣房、食堂、單身宿舍等生活污水等，排水污染物主要為有機物及懸浮物。工業場地內設1座生活污水處理間，處理能力為1440 m3/d，采用A2/O工藝處理后，生活污水主要用于生產系統沖洗、綠化澆灑用水，不外排。研究區對污廢水處理站地面進行硬化等防滲處理，從而有效杜絕連接處污廢水的跑、冒、滴、漏入滲進入地下現象的發生。

本研究計算生活污水處理站、礦井水處理站由于工藝設備或地下水環境保護設施因系統老化、腐蝕等原因不能正常運行或保護效果達不到設計要求的時污染物運移的情況。生活污水處理站選用氨氮作為污染預測因子，礦井水處理站選用氟化物作為污染預測因子。研究區在非正常情況下如果生活污水泄露，50 d后廠界(37 m)處濃度為14.97 mg/L，運移160 m(即廠界外123 m處)氨氮濃度消減至0.42 mg/L，即廠界外小于《地下水質量標準》(GB14848-2017)中的Ⅲ類標準中0.5 mg/L；100 d后廠界處濃度為14.97 mg/L，運移260 m(即廠界外220 m處)氨氮濃度消減至0.43 mg/L，小于《地下水質量標準》(GB14848-2017)中的Ⅲ類標準中0.5 mg/L，廠界外為翻矸場，沒敏感保護目標分布，對潛水水質影響較小。研究區在非正常情況下礦井水泄露，50 d后廠界(52.8 m)處氟化物濃度為3.25 mg/L，運移115 m(即廠界外63 m處)氟化物濃度0.84 mg/L，小于《地下水質量標準》(GB14848-2017)中的Ⅲ類標準中1.0 mg/L，廠界外為翻矸場，沒敏感保護目標分布，對潛水水質影響較小(圖5、6)。

圖5 非正常狀況下生活污水氨氮在地下水中運移曲線圖

圖6 非正常狀況下礦井水氟化物在地下水中運移曲線圖

5 結論與討論

5.1 井田開采對地表水水質的影響

根據《環境影響評價技術導則——地表水環境》(HJ2.3-2018)中水污染影響型建設項目評價等級判定方法，確定研究區內地表水影響評價等級為三級B。井田及周邊地表水系不發育，常年地表徑流僅有井田外西側的黃河及井田北部的兵溝，兵溝在北側向西北流經，最后在兵溝附近注入黃河，黃河位于西側井田外。根據寧夏回族自治區生態環境廳公布的地表水水質檢測顯示，2017年2月至2019年2月，除2017年3月和5月外，銀古公路橋斷面的水質均能達到《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)中Ⅱ類標準，說明2017年至2018年期間銀古公路橋斷面水環境質量狀況良好，研究區內排水對黃河及其兵溝等支流無影響。

研究區生活污水產生量為1193.27 m3/d，在工業場地內建1座生活污水處理站，采用“混凝+沉淀+A2/O+瓷砂過濾+消毒”處理工藝，最終處理能力為60 m3/h(1200 m3/d)。其中，一期處理能力為40.0 m3/h，且已投入使用；二期處理能力為20.0 m3/h。主要污染物去除率一般可達到SS≥95%、BOD5≥86.4%、COD≥86.7%、氨氮≥80%。處理達標后的生活污水可用于濱河新區生態綠化、農業灌溉用水等用途，全部回用不外排。

礦井正常涌水量為14466 m3/d，回水量約為600 m3/d，礦井排水量為15066 m3/d。礦井水采用預處理(絮凝-沉淀-過濾)、深度處理(脫鹽)工藝和濃鹽水蒸發結晶，主要污染物去除率一般可達到SS≥90%、COD≥93.3%、溶解性總固體≥30%。礦井水經預處理(絮凝—沉淀—過濾)后用于防火灌漿用水；經過深度(脫鹽)處理用于井下生產用水；剩余預處理水與深度處理水混合后水質達到《農田灌溉水質標準》(GB5084-2005)中鹽堿土地區灌溉用水水質要求后綜合利用。

5.2 井田開采對地下水水質的影響

通過對典型導水裂縫帶的高度計算，分析煤炭開采對煤層各上覆含水層的導通影響，定性和半定量分析對各含水層的影響程度。結果表明，采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》計算的導水裂隙帶發育高度26.85～66.8 m，距第四系底板的距離158.7～634.9 m；采用《煤礦床水文地質、工程地質及環境地質勘查評價標準》計算的導水裂隙帶最大高度15.1～118.76 m，距第四系底板的距離171.8～644.9 m。從典型剖面的導水裂隙帶發育高度看，全部導通山西組、太原組煤系地層，部分導入二疊系石盒子組，未直接導通第四系松散類孔隙潛水含水層，不會發生第四系孔隙潛水向下伏含水巖段(組)直接滲漏的情況。井田煤系地層含水層主要為為山西組裂隙含水層和太原組砂巖裂隙含水層。山西組裂隙含水層在全區廣泛分布，厚度約在5～30 m，含3～9個子含水層，由陸相碎屑巖系的粗粒、中粒、細粒砂巖構成，分選磨圓中等，顆粒支撐，泥鈣質膠結，裂隙發育不均勻，其富水性一般為弱富水性，水位較深，具有承壓性，屬微咸水，該含水層為直接充水含水層。太原組裂隙含水層在全區廣泛分布，厚度約在10～35 m，含6個以上子含水層，由碎屑巖、碳酸巖的海陸互交相巖系的粗粒、中粒、細粒砂巖、灰巖構成，分選磨圓中等，顆粒支撐，泥鈣質膠結，裂隙發育不均勻，其富水性一般較弱，水位較深，具有承壓性，屬微咸水，該含水層為直接充水含水層。根據采煤沉陷導水裂縫帶高度可知，煤炭開采所形成的導水裂縫帶將會導通山西組裂隙含水層以及太原組砂巖裂隙含水層，上述含水層中的裂隙水將沿導水裂縫帶進入井內，該含水層水量隨著煤層的開采逐漸被疏干，煤炭開采后山西組及太原組裂隙含水層地下水的排泄將由原天然的順地層沿傾向方向轉變為以人工開采排泄為主，以礦井水的形式排至地面礦井水處理站。因此評價認為煤炭開采對山西組裂隙含水層和太原組砂巖裂隙含水層的影響較大。

工業場地主要污染水源有礦井排水和生活污水，這些污水采取不同深度處理后，達到水質要求，循環利用，不外排。礦井水主要污染物為SS和COD，經“混凝沉淀+無閥過濾+多級反滲透脫鹽”后，均達標，可用于鹽堿土區灌溉用水。在非正常情況下如果生活污水泄露，50 d后研究區(37 m)處濃度為14.97 mg/L，運移160 m(即研究區外123 m處)氨氮濃度消減至0.42 mg/L，即研究區外小于《地下水質量標準》(GB14848-2017)中的Ⅲ類標準中0.5 mg/L；100 d后研究區處濃度為14.97 mg/L，運移260 m(即研究區外220 m處)氨氮濃度消減至0.43 mg/L，小于《地下水質量標準》(GB14848-2017)中的Ⅲ類標準中0.5 mg/L，研究區外為翻矸場，沒敏感保護目標分布，對潛水水質影響較小。生過污水采用A2/O工藝處理后，主要用于生產系統沖洗、綠化澆灑用水，不外排。在非正常情況下礦井水泄露，50 d后廠界(52.8 m)處氟化物濃度為3.25 mg/L，運移115 m(即廠界外63 m處)氟化物濃度0.84 mg/L，小于《地下水質量標準》(GB14848-2017)中的Ⅲ類標準中1.0 mg/L，廠界外為翻矸場，沒敏感保護目標分布，對潛水水質影響較小。綜上所述，工業場地礦井排水和生活污水對研究區外地下水無明顯影響。