煤礦開采對地下水水量及水化學環境的影響分析

劉璐琦

(中晉環境科技有限公司，山西 太原 030000)

煤炭的開采與我國經濟發展息息相關。露天煤礦開采是目前最常用的一種煤礦開采方式，但煤炭資源在露天開采的過程中，可能會對地下水環境造成一定的影響，使之出現水量減少和水質變差的問題。因此在進行煤礦開采前夕進行煤礦開采對地下水影響分析是目前較為重要的一項研究課題。以伊敏露天煤礦為例子，證實煤炭開采對地下水存在潛在性、長期性和累積性的影響；則以伊敏露天煤礦為主要研究對象，運用流場對比、數理統計、Piper三線圖、庫爾洛夫式等對礦區地下水流場和水化學場的時空演化規律進行研究，揭示強烈人工干預下草原礦區地下水環境的變化。以上學者的研究成果證實了，煤炭的開采對地下水環境產生一定影響。為了更好地研究露天煤礦開采對地下水環境的產生的影響，本文通過建立地下水數值模型，提前進行煤礦開采對地下水環境預估和計算，為后期露天煤礦開采項目的地下水資源保護工作提供一些參考。

1 工程概況

1.1 工程地質條件

礦區地理位置

煤礦礦區位于山西大同境內，海拔約為1 140～1 270 m。

氣象水文條件

礦區位于北溫帶的大陸干旱氣候區，資料顯示，該地年平均降雨量大約為157.4 mm。降雨量變化特征為：6～9月為降雨量的豐水季，占全年降水量的73.91%；3～5月為平水季，占全年降水量的20.88%；1月和11月為枯水季，僅占全年降水量的5.20%。該地年平均蒸發量約為3 348.7 mm，蒸發量大約為降水量的21倍。地下水主要起將水補給的作用，受季節影響，在豐水季地下水位最高。對礦區內進行調查，礦區內僅在6～9月偶爾有雨洪徑流補給，其余時間一般為干枯無水。

水文地質條件

礦區溶水主要分為相對獨立的水循環系統，分別為桌子山南段巖、桌子山北段巖、崗德爾山和千里山巖溶水子系統。

1.2 礦區地下水數值模型建立

數字模型

本文選擇的數據模型為MODFLOW 模型，根據實際情況選擇參數。通過河流、補給和井流等因素，利用 MODFLOW 模型水流系統的影響，進而預測地下水流場和水位，對地下水進行均衡計算。以礦區地質水文特征為依據，建立地下水非恒定流三維數學模型，概化地下水系統，進而建立三維地下水系統分析地下水補給和排泄。具體建模為：

式中：表示潛水含水層在潛水面上重力給水度；表示含水層的初始水位；表示滲透區域；、、分別表示、、各方向滲透系數；表示地下水自由表面；表示含水層源匯項，即單位面積、時間垂向流入或排出的水量；表示各含水層高度；表示邊界的流量寬度，流入為正，流出為負；表示潛水面的蒸發和降水入滲強度；表示滲流區域下邊界側向；?表示邊界面的法線方向；表示自由面以下含水層儲水系數。

模型初始參數設置

(1)地下水補給水文參數設置。巖溶水的補給主要為大氣降水入滲和礦區東部地下水徑流。在礦區東北部，有4.22 km巖溶露出地表。該區域為大氣降水補給的主要區域，因此需要對參數進行設置。在礦區內，年平均降水量為150 mm，多以暴雨形式出現，補充提供了水源。在構建模型時，將風積砂層和風積黃土入滲系數分別設置為0.30～0.36和0.12～0.18；

(2)地下水排泄水文參數設置。巖溶水的排泄方式主要為礦井排水和礦區西南側順層弱徑流排泄，礦區最南端礦井外排涌水量約為40 m/d；礦區西南側煤礦礦井外排涌水量約為1 230 m/d，即礦區礦井總涌水量總計1 270 m/d。在模型中設置地下水排泄參數為1 300 m/d；

(3)地下水徑流水文參數設置。第4系含水層賦存特征控制第4系松散層地下水徑流，其徑流趨勢為順溝谷由上向下。

1.3 地下水環境水質監測布點

地下水水位布點方案

(1)地下水水位布點方案。根據《環境影響評價技術導則-地下水環境》，分別在豐水季、枯水季和平水季進行巖溶地下水水位監測，具體監測點如圖1所示；

(2)地下水水質監測布點方案。分別在平水季和豐水季對水質進行監測，水質監測布點共計9個，其中qpj1號監測點和qpj4號監測點對礦井涌水水質進行監測，其余7個監測點對巖溶水質進行監測。以環境保護目標巖溶地下水和礦井涌水的控制為目的對地下水水質監測點進行布置。

圖1 水質監測分布點Fig.1 Distribution points of water quality monitoring

地下水環境水質分析

表1為本研究地下水化學和污染特征的項目與分析方法。

表1 水質監測項目分析方法Tab.1 Analysis method of water quality monitoring items mg/L

2 礦區地下水水位水量數值模擬計算

2.1 地下水數值模型對巖溶水資源量劑水均衡計算

在礦區內，基于地下水數值模擬計算巖溶地下水資源均衡結果如表2所示；巖溶地下水資源總補給量分布結果如圖2所示。

表2 基于地下水數值模擬計算巖溶地下水資源均衡結果Tab.2 Calculation results of karst groundwater resource balance based on groundwater numerical simulation

由圖2對礦區場地含水層和包氣帶結構進行分析可知，就算污水產生一定泄漏，受二疊系中部隔水層阻隔，污水無法排入地下水；因此巖溶地下水不會受到污染。

2.2 露天煤礦建設期對地下水環境影響分析

建設期產生的污水主要是沖洗和清洗施工設備的廢水。經過計算，煤礦建設期生活污水排放總量約為51.66 m/d，礦坑涌水約為200 m/d；在項目建設時，對生活污水進行處理后用于工業場地綠化和降塵灑水，不對外排放，因此在無事故時，生活污水不對地下水環境造成影響；但在生活污水的處理過程中，若污水調節池出現泄漏情況，則會對地下水水質產生一定影響。

圖2 巖溶地下水資源總補給量分布Fig.2 Distribution of total recharge of karst groundwater resources

2.3 露天煤礦運行期對地下水環境影響分析

煤矸石浸溶試驗成果分析

對煤矸石樣品進行浸溶試驗，用于分析預測廢棄煤矸石樣品經過大氣降水濾淋對地下水環境影響，結果如表3所示。

由表3可知，在煤矸石浸出液中， 鉻、鉛、鎘、銅、鎳、鋅、銀等重金屬元素濃度較小，均低于其檢出限；氯化物、硫酸鹽、氰化物、砷、汞、鋇等污染物含量較低。氟濃度略有超標，硒質量濃度達到0.109 2 mg/L；而國家地下水Ⅲ類水標準中規定硒質量濃度不超過0.001 mg/L。因此，硒濃度屬于嚴重超標，需要進一步進行處理。這就說明煤矸石堆放受水浸淋后，會析出有毒有害成分，對地下水環境會造成一定影響。

排土場對巖溶地下水環境影響分析及預測

通過上面的結果可知， 煤矸石的堆積可能會對地下水環境造成一定影響，其中超標較為嚴重的為硒元素。因此，選擇硒元素為評價因子，采用CMS中的MT3D模塊進行預測。以礦區內穩定水流模型為基礎，根據《水文地質手冊》選擇巖溶含水層空隙度為16.9%，彌散系數取值為8。污染物的遷移主要受對流、彌散等因素的影響。根據上面的結果得出，將大氣降水入滲量作為滲濾液入滲量，硒質量濃度和入滲強度分別為0.109 2 mg/L、0.000 238 m/d。

預測主要分為短期預測和長期預測2個階段：短期預測時間段為7年；長期預測時間段為100年。對煤矸石淋濾液中硒暈染進行統計，統計結果如表4所示。

表3 煤矸石浸溶試驗成果表Tab.3 Results of coal gangue leaching test

表4 煤矸石淋濾液巖溶水硒污染暈統計Tab.4 Statistics of selenium pollution halo in karst water of coal gangue leachate

由表4可知，浸出液進入巖溶含水層后，硒元素含量在對流和彌散共同作用下，最高質量濃度僅為0.000 76 mg/L左右，也就是說經過對流和彌散作用，硒含量已經遠低于Ⅲ類水質量標準要求。這表明即使煤矸石淋濾液進入溶巖含水層，仍舊不會對地下水環境造成影響。

2.4 露天煤礦服務期滿對地下水環境影響分析

煤礦礦田開采結束后，在礦區內出現漏斗，改變了地下水動力。此時地下水運動變為垂直運動，慢慢形成“人工地下水庫”。結合上述結果可知，煤矸石浸溶液除氟元素稍微超標，硒元素超標外，其余元素皆滿足Ⅲ類水標準。污水進入人工地下水庫后， 在大氣降水的作用下，超標元素含量因為稀釋而降低；因此對地下水水質不產生影響。

3 結語

(1)通過對礦區內巖溶含水層系統邊界結構和巖溶地下水賦存特征建立相應地下水數值模型，經對比模型模擬監測點水位的監測值與實際地下水監測值，證實了本文構建數值模型的可靠性。在礦區內巖溶水補給主要來自北部邊界與東部邊界南端，排泄方式為巖溶水突水，因此進行露天煤礦開采時不會直接對地下水環境造成影響；

(2)在露天煤礦建設期，將污水進行處理，不對外排放，在無事故狀態下，不對地下水環境產生影響。在露天煤礦運行期，煤矸石堆放受水浸淋后，浸出液硒成分嚴重超標，會對地下水造成一定污染，但是經過對流和彌散的作用，可使其含量達到Ⅲ類水治療標準。在露天煤礦服務期滿后，礦田形成“人工地下水庫”，煤矸石浸出液中氟和硒元素在大氣降水作用下被稀釋而導致濃度降低，不對巖溶水水質產生影響。