新疆煤礦開采對周圍地下水的影響機理分析

古麗波斯坦吐遜江，尚彥軍，2，楊成，許濤

(1.新疆工程學院新疆地質災害防治重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830023；2.中國科學院地質與地球物理研究所，北京 100029)

隨著科技快速發展，人類對水資源需求量越來越大，水資源問題成為全球關注的重要環境問題之一[1]。我國水資源較貧乏且時空分布極不均勻，北方干旱-半干旱地區水資源匱乏問題突出，很多地區地下水是唯一可開采利用的水資源。據統計，我國有1/4地下水被過量開采無法恢復[2]。我國煤炭資源分布很不均勻，其與水資源分布特點相反，西部多、東部少、北部多、南部少。因此，我國西北干旱-半干旱地區煤炭資源開采對水資源破壞問題尤為突出[3]。長期以來，我國經濟穩定發展離不開煤炭資源的貢獻[4]，但大規模開發煤炭資源對自然生態環境產生極大擾動。開采煤層時疏干與煤層相連的含水層，對水質和水量產生不可逆作用，特別是改變了開采區域內的水文地質條件，嚴重破壞了地下水資源的自然賦存規律，使原本存在的區域水資源供需矛盾突出，且破壞開采區域生態平衡，造成了一系列難以恢復的不良后果[5-8]。

我國西部煤炭資源豐富，煤炭資源探明儲量約占全國的80%以上，為我國能源戰略中心。新疆煤炭資源占全國的40%以上，為我國第14個大型煤炭基地，是全國煤炭生產力西移的承接區[9]。新疆氣候干燥，降水量稀少，全區平均降水量不到200 mm，蒸發強烈，平均年蒸發量2 000 mm，植被覆蓋率低，生態環境脆弱，一旦破壞嚴重，將面臨恢復艱難或永久性破壞的后果。新疆礦區煤層埋藏較淺，含水層位于煤層上方，形成“生態-地下水資源-煤炭資源”系統。煤炭開采導致含水層破壞，表體植物死亡，地表荒漠化，生態平衡破壞問題凸顯。如何解決大規模煤炭開采與保護水資源間的矛盾，是亟需科技和工程解決的問題。

1 新疆水資源概況

新疆水力公報數據顯示，2019 年全疆年降水量2 871×108m3，地表水資源量829.7×108m3，地下水資源量508.5×108m3。扣除地下水資源與地表水資源重復計算量468×108m3，全疆水資源總量870.1×108m3，較多年平均值增加37.3×108m3。2019 年全疆用水總量為554.43×108m3，其中生產用水525.92×108m3，占用水總量的94.86%；生活用水12.79×108m3，占用水總量的2.31%；生態環境補水量15.72×108m3，占用水總量的2.83%。生產用水中，一產用水511.47×108m3，其中灌溉用水506.81×108m3，魚塘補水1.98×108m3，牲畜用水2.68×108m3；二產用水12.42×108m3，其中工業用水11.52×108m3，建筑用水0.90×108m3；三產即服務業用水為2.03×108m3（圖1）[10]。與2018年相比，2019 年用水總量增加5.66×108m3。其中生產用水增加2.31×108m3，生活用水增加0.12×108m3，生態環境補水量減少14.78×108m3[10]

圖1 2015—2019年全疆用水量、灌溉量、工業用水量、生活用水量Fig.1 Total water consumption,irrigation volume,industrial water and domestic water consumption in Xinjiang from 2015 to 2019

據新疆多年用水量數據，農業用水量占95%以上，部分地區采取的農業用水相關政策已取得良好效果[11]。2019年工業用水占非農業用水量的23%[10]，全疆煤炭生產占全疆總產能的87.9%。新疆發改委最新發布公告顯示，截至2021 年12 月底，全區共有生產煤礦64 處，產能24 054×104t/年。據環保組織綠色和平測算結果，每開采1 t煤破壞2.54 m3地下水資源，新疆每年開采煤炭資源將破壞6.109 7×108m3水資源。

2 新疆含煤層條件和水文地質條件

石炭至侏羅紀時期，新疆發生聚煤作用，其中早—中侏羅世聚煤盆地發育廣泛，為區內主要聚煤期，主要煤層為侏羅系八道灣組和西山窯組。

新疆煤炭資源主要分布于山前盆地或山前傾斜帶盆地邊緣。聚煤盆地受地形地貌、強烈地質構造運動、地層巖性及表層斷陷等控水作用影響，為大量匯集的地表水轉換到地下水的有利地帶，煤礦大多處于補給-徑流區域[12]。據聚煤特點，新疆正規化建成4大煤田（準東煤田、吐哈煤田、伊犁煤田、庫拜煤田）[13]。新疆煤系地層頂板含水層主要為侏羅系碎屑巖孔隙-裂隙含水層和覆蓋于上層的第四系松散巖孔隙含水層及隔水層，水文地質屬簡單-中等。煤礦區主要補給為大氣降水，少量為河水滲漏和含水層間的越流補給。內充水水源包括裂隙水、大氣降水及地表水，補給源條件差或一般。少量煤礦存在煤層頂板裂隙水、老空水和極端氣候條件下的地表洪流充水等水害威脅[14]。

3 新疆煤礦開采對地下水破壞機理

3.1 礦區地下水位動態變化

煤炭資源大規模開發對自然生態環境產生極大擾動，特別是對開采區域內水文地質環境產生不可逆作用，嚴重破壞地下水資源的自然賦存條件，使區域水資源供需矛盾更尖銳。煤炭開采與地下水資源緊密相連的煤層往往與地下含水層相鄰，采煤時疏干地下水不僅影響地下水資源數量和質量，且破壞水的動態平衡，對生態環境造成不良后果[11]。

新疆4 大煤礦區多年地下水監測數據顯示，水位具下降趨勢。分析近10 年哈密盆地地下水累計降深變化發現，1990—2008 年，地下水位普遍下降，最大累積下降深度超15 m[15]。據1988—2016 年吐魯番盆地地下水位動態數據分析，吐魯番地下水位變幅約5.5 m，長期處于下降趨勢[16]。鄰近奇臺綠洲的準東礦區，1983—2013 年地下水動態變化數據顯示，30 年間該地區地下水位下降15.3 m[17]。煤礦采區地下水位長期下降速率為10～50 cm/a。作為農業發展大區的阿克蘇市，2010—2015 年地下水埋深監測數據顯示，6年間地下水平均埋深增加1.77 m[18]。

3.1.1 煤礦開采對地下水含水層的破壞機理

侏羅系碎屑巖孔隙-裂隙含水層破壞自然條件下煤層上覆巖層原始應力處于平衡狀態。當采煤到一定程度后形成采空區，影響煤層上覆巖層的完整性和穩定性，上覆巖層應力平衡受到破壞。在采動影響下，煤層上覆隔水層變形破壞，形成由下至上發展的離層、破裂及垮落“三帶”，即冒落帶、裂隙帶及彎沉帶，冒落帶和裂隙帶統稱為導水裂隙帶。采煤導水裂隙帶導通上覆含水層，使原水文地質結構破壞，隔水層被導通。不同含水層和采空區間形成水力聯系，改變了地下水原有的徑流特性。在采煤影響范圍內，地下水通過導水裂隙進入礦井，導致含水層水位下降至被人為疏干。

第四系覆蓋層含水層破壞厚層覆蓋區發育埋藏較深的煤層。采煤形成的導水裂隙不會直接影響覆蓋層組成的松散含水層。采煤造成導水裂隙帶以下含水層水位下降，與松散含水層水頭差增加。雖導水裂隙帶到達松散含水層及隔水底板具一定距離，但在水頭壓力作用下，松散含水層地下水通過弱透水層以越流形式向下滲漏，導致含水層水位下降甚至被疏干，松散含水層的地下水遭破壞。

3.2 新疆煤礦開采對地下水水質影響

3.2.1 煤礦開采區地下水水質現狀

陳凱等對準東煤電二號礦井水檢測結果顯示[19]，該區地下水水質總體較差，水中溶解性總固體、pH值等11項評價因子超標。其中溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物等3項評價因子指標超標率為100%。王貫東等對伊犁能源四號礦礦井水進行檢測[20]，該區礦井水的pH值大于6.0，偏弱堿性，礦井水懸浮物超標率62.8%，化學耗氧量22.8%，礦化度超過1 g/l 的體積比為51.4%，總硬度超過450 mg/l 的為42.5%，多項指標超標。顧濤等對昌吉州5 縣2 市井采煤礦74 家煤礦廢水水質進行檢測[21]，所有煤礦廢水pH值為6.14～8.7，pH 為7.5 以上居多，總體偏弱堿性；化學耗氧量濃度為8～358 mg/l，多處于8～37.8 mg/L；懸浮物濃度16～2 378 mg/l，多處于76～2 378 mg/l。22家煤礦單位總懸浮物超標，占總量的62.8%。礦化度濃度410～21 404 mg/l，多處于1 194～2 1404 mg/l，18家煤礦礦井水中礦化度含量超過1 000 mg/l，占監測煤礦數量的51.4%。礦井水總硬度濃度90～2 920 mg/l，多處于497～2 920 mg/l，15家煤礦礦井水中總硬度含量超過450 mg/L，占總量的42.8%，3 家煤礦礦井水中硫酸鹽含量超過250 mg/l。拜城縣某礦礦井水水質，懸浮物100 mg/l，F含量0.3 mg/l，AS含量小于0.001 mg/L，總硬度440 mg/l，礦化度1 668 mg/l[22]。

上述檢測結果可知，新疆處理后礦井水礦化度偏高，pH值偏弱堿性，水中懸浮物超量。

3.2.2 煤礦開采對地下水水質影響機理

礦井水排放引起的地下水污染一般煤炭開采過程中會產生酸性礦井水中有毒污染物質包括：汞、鉛、鉻等重金屬；氟化物、氰化物等無機毒物及無機酸、鹽類和無機懸浮物。由于酸性礦井水在地下與圍巖裂隙水存在一定水力聯系，這些有害有毒物質的釋放將對地下水水質造成嚴重影響。

煤矸石固體廢物排放造成的地下水污染露天堆放的煤矸固體廢物在降水淋濾作用下，對其中化學物質進行溶解或發生化學反應，使毒有害物質(硫化物，碳酸鹽類混合物，可溶性無機鹽)在水動力作用影響下被帶入地下水，造成矸石周圍地區土壤和地下水的污染。

煤礦廢棄閉坑后造成的地下水污染礦井關閉后，大量采煤過程使礦井附近地下水條件發生改變，產生水力聯系更復雜的地下水環境。礦井形成的酸性環境和采煤過程中丟棄的垃圾，使老空水影響廢棄礦井的地下水水質。

4 煤礦開采對地下水破壞機理研究方法

張志祥在研究中提出煤礦開采對地下水的主要影響因素[23]；王曉霞等對山西省煤礦開采和水資源情況分析[24]，得出山西省69%河段受煤礦開采影響失去原有功能；高業新利用MODFLOW 模型進行抽水試驗水位-降深模擬[25]，獲得水文地質參數計算不同層位含水層組地下水的補給來源。李舒等采用SWAT-MODFLOW 模型[26]，計算出煤礦開采對年徑流減少的貢獻量為24.20 mm。雷宇昕采用半松散耦合SWAT模型與MODFLOW模型[27]，研究窟野河流礦區開采對水資源影響。結果顯示，煤炭開采使窟野河徑流量減少2.91×108m3，其中1.85×108m3通過導水裂隙帶滲入，潛水水位較模型初始水位下降3.60～7.16 m。2018 年煤炭開采對地下水影響量為9.79×108m3。

筆者參考國內研究方法，提出適合新疆煤礦礦區特點的采礦對地下水影響研究方法。新疆煤炭埋深較淺，煤礦開采引起上覆含水層破壞。采用MODFLOW模型對新疆煤炭開采對地下水影響程度進行分析，據礦區含水層數量設置模型。若礦區存在地表水，耦合SWAT模型，可研究煤炭開采對地下水水位、水量的影響程度，具體步驟見圖2。

圖2 新疆煤礦開采對地下水擾動研究數值模型流程圖Fig.2 Flow chart of numerical model for groundwater disturbance study of coal mining in Xinjiang

5 結語

目前新疆煤炭開采對地下水的擾動作用進行定量研究較少。據國內外研究現狀，煤礦開采對地下水的擾動影響較大，地下水水量和水質均受到不同程度影響，采礦開采對地下水擾動不容忽視。

對生態脆弱干旱地區，地下水資源的科學合理保護利用非常關鍵。新疆為我國重要煤炭生產基地，開采過程中對地下水產生不可忽視的擾動影響，應在重大礦區規劃和建設地下水立體監測網格，監測地下水位和水質的長期變化，更好地實現煤炭資源合理開采和水資源環境的積極保護。