煤礦開采對水資源及生態環境的影響分析

班操

（貴州省煤田地質局 水源隊，貴州 貴陽 550000）

煤礦開采活動對區域生態環境及地質環境造成巨大影響，尤其是地下水系統。礦山開采活動將大量的對地下水進行抽排，改變含水層水文地質、工程地質條件，使地下水原本的補、徑、排條件發生改變，水資源遭受污染，生態環境被破壞，影響人類正常生產生活[1-3]。本文通過對青龍煤礦水文地質調查以及收集礦區各階段勘探等地質資料，運用數學方法分析煤礦開采對礦區內水資源的破壞和影響，并對水環境的破壞可能帶來的環境影響進行分析，以便為礦區內水資源及環境的保護和治理決策提供依據。

1 礦區概況

青龍煤礦位于貴州省黔西縣谷里鎮，鎮內煤炭資源豐富，探明煤炭儲量達4 億t 以上，有多家不同規模的煤礦企業，最大的年產量超過100 萬t，煤礦開采產生的礦渣、矸石直接裸露堆放于地表，采空區塌陷、地面變形開裂、泉水干涸、地表水污染等問題對環境及水資源造成嚴重影響。

1.1 地形地貌

礦區內地形條件總體上受區域性地質構造和巖性控制，地貌屬高原中山丘陵地貌。礦區內的地形與巖性、構造、風化剝蝕相關，碳酸鹽巖地層呈溶蝕洼地峰叢地貌，碎屑巖地層則表現為長梁山、沖溝發育。西北部較陡峻，溶斗、溶溝等喀斯特地貌較發育。區內最高海拔+1 474.20 m（營盤山），最低海拔+1 155.00 m（中寨馱煤河一帶），為區內最低侵蝕基準點。

1.2 巖層富水性

礦區內出露的地層自老至新有，二迭系中統茅口組（P2m）、上統峨眉山玄武巖組（P3β）、龍潭組（P31）、長興組（P3c）、三迭系下統夜郎組（T1y）、茅草鋪組（T1m）、第四系（Q）。

（1） 第四系（Q）：主要由坡積物、殘積物組成，一般厚度約5.00 m。含少量孔隙水，富水性弱。

（2） 三迭系下統夜郎組玉龍山段（T1y2）：巖性主要為灰—淺灰色細晶灰巖、泥晶灰巖，底部夾淺灰色薄層泥灰巖，一般厚度約275.00 m。含巖溶裂隙水，富水性中等。

（3） 三迭系下統夜郎組沙堡灣段（T1y1）：巖性主要為淺黃、黃褐、灰黃色薄層泥巖、泥質粉砂巖，局部夾薄層泥質灰巖，一般厚度約6.60 m。含基巖裂隙水，富水性弱，為區內相對隔水層。

（4） 二迭系上統長興組（P3c）：巖性上部為淺灰色細晶灰巖，含泥質條帶及燧石團塊，下部為淺灰—深灰色中厚層微晶灰巖，含燧石結核。一般厚度約20.03 m。含巖溶裂隙水，富水性中等。

（5） 二迭系上統龍潭組（P3l）：主要為一套含煤地層，巖性為黑色泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、粉砂巖夾薄層灰巖、多層煤層及煤線，一般厚度約172.00 m。含基巖裂隙水，富水性弱。

1.3 水文地質條件

區內地下水主要接受大氣降水補給。大氣降水大部分直接通過坡面流匯入地表沖溝排泄出區外，小部分則沿著巖石孔隙、裂隙、溶溶裂隙、巖溶漏斗、地表落水洞、暗河天窗、暗河入口及構造裂隙等通道灌入或滲入補給地下水。然后經過地下水錯綜復雜的曲折徑流、分散或匯合于洼地、河溪兩側、斷裂帶、透水層與隔水層接觸面等有利地段或形成巖溶大泉、暗河出口等水點，流出地表，變為地表水、補給地表水。

2 煤礦開采對水資源的影響評價

2.1 采煤沉陷對含水層的影響評價

礦區主要可采煤層為16、17、18 煤層，煤層頂板巖性主要為頁巖、砂巖、灰巖，飽和單軸抗壓強度12.46 ～88.72 MPa，平均49.79 MPa，巖石軟弱至堅硬，煤層傾角7°～10°。根據《礦區水文地質工程地質勘查規范》GB/T 12719-2021，該區煤礦開采的導水裂隙帶（包括冒落帶） 最大高度計算公式確定見式（1）。

式中：∑M 為累計采厚，m，取7.16 m。

經計算，礦區煤層開采后，導水裂隙帶最大高度為76.50 m，為采煤厚度的10 倍左右。16 煤層上距長興組（P3c） 底界29.65 ～68.74 m，平均47.93 m，距玉龍山段（T1y2） 底界平均厚度74.56 m。由計算結果可知，煤層開采形成的導水裂隙帶直接延伸至玉龍山段含水巖組，致使沙堡灣段（T1y1） 隔水巖組失去隔水能力，玉龍山段富水巖層與煤系地層水力聯系增加，從而使得煤層開采后上覆地層的地下水位下降，甚至疏干。

2.2 排水疏干評價

區內地層傾角較緩，煤層開采后，其影響范圍內的上部含水層可視作近水平含水層，因此，礦井排水影響范圍可簡化為礦井抽水試驗影響半徑計算公式（式（2）） 初略估算。

式中：S為水位降深（靜水位與疏干水位的高差），m；K為滲透系數，m/d。

根據收集的礦區鉆孔抽水資料，帶入計算公式計算出煤礦排水影響范圍（表1）。

表1 鉆孔抽水試驗計算成果Table 1 Table of calculation results of drilling hole pumping test

青龍煤礦2003 年6 月開始建井，表1 的試驗計算結果表明，2002 年未建井前，含水層未受到破壞，受上覆夜郎組沙堡灣段（T1y1） 隔水層的阻隔作用，P3l+c 含水巖組主要受側向地下水的補給，巖層滲透系數和涌水量處于正常水平，其排水疏干的影響范圍也較小，經過近20 年的煤炭開采活動，2021 年時，P3l+c 含水巖組的涌水量增加了十數倍，巖層滲透系數及排水疏干的影響范圍增加了數十倍，這客觀說明，隨著區內采空面積的不斷增加，煤層頂板冒落，破壞了巖層的穩定性，使巖層裂隙率不斷增加，原本的相對隔水層遭到破壞，各含水巖層間的水力聯系增加，改變了原來含水層之間的相互關系，致使上覆富水性較強的含水層可以直接越過隔水層垂向補給下伏含水巖組。同時，在調查時發現，隨著煤礦的開采、勘探活動，原本出露地表泉點部分已經干涸，也印證了含水層因煤礦開采而受到破壞，這將不利于區內地表水的儲集和地下水的賦存。

2.3 水資源質量評價

2.3.1 地下水質量評價

通過對礦區內不同時期水質化驗資料進行整理，以SO42-、HCO3-、Cl-、Ca2+、K++Na+、硬 度、礦化度7 種指標作為評價因子對水資源質量進行評價，參照國家《地下水質量標準》 （GB/T 14848-2017），將地下水劃分為5 個水質等級（表2），按單指標評價結果最差的類別對水質類別進行確定評價。

表2 地下水質量分類標準（mg/L）Table 2 The standard of groundwater quality classification(mg/L)

具體評價結果見表3。

表3 地下水質量評價（mg/L）Table 3 The table of groundwater quality evaluation(mg/L)

結果表明，煤系上覆地層，特別是郎組沙堡灣段（T1y1） 隔水層之上的地層水質基本正常，能作為生產生活只用，煤系地層水質超標，不能直接作為生產生活用水。另外，根據表3 中相同含水層不同水樣類型的化驗數據對比分析發現，煤系上覆地層中不同年份的數據中水樣的SO42-和礦化度的數值有了很大量的增加，而煤系地層中SO42-和礦化度的數值僅有小幅度變化。而高礦化度礦井水是地下水與煤系地層中碳酸鹽類巖層及硫酸巖層接觸，該類礦物溶解于水的結果。使礦井水中Ca2+、Mg2+、HCO3-、CO32-、SO42-增多，有的酸性礦井水與碳酸鹽類巖層中和，導致礦化度增高。說明隨著煤礦的不斷開采，各含水層之間的水力聯系得到了加強。

2.3.2 地表水質量評價

在地面調查過程中發現礦區周邊的部分溪溝有較多淺黃色硫化物沉淀，且水體有少量的肉眼可見物，近距離可聞見異味，說明此類地表水水質較差，不可直接作為生產生活用水。調查發現此類地表水都有一個共同的特點：其補給源要么有老窯水，要么周邊具有礦渣或矸石堆積。老窯水本身硫化物含量較高且水質差，而煤矸石中硫(主要賦存在黃鐵礦中)的質量分數為0.28%～2.9%，是重要的水質污染源，在大氣降水的不斷沖刷下煤矸石中的有害礦物溶解于水，造成地表水水質變差。

3 煤礦開采對生態環境的影響分析

隨著煤礦開采活動的不斷進行，地下采空區面積不斷增大，排水疏干的影響范圍也將擴大，地下水位持續下降，將會加劇地面沉降、地裂縫的形成，以及煤矸石的堆放等都將改變原本的地形地貌形態，大量礦井水、老窯水向外排放，將對地表水水質造成嚴重污染，這些變化可能會造成土地旱化、荒漠化，土壤酸化、鹽漬化等，對生態環境造成持續的不可逆的影響。

4 結 論

（1） 煤礦開采對地下水系統造成嚴重破壞，含水層性質發生變化，區域地下水補、徑、排條件也隨之改變，地下采空區的存在，致使煤礦開采結束后很長時間地下水也將難以恢復。

（2） 煤礦開采對水資源水質造成嚴重影響，礦區附近地下水、地表水水質超標嚴重，無法直接作為人類生產生活用水，給人類生活帶來極大制約。

（3） 煤礦開采造成的地面沉降、地裂縫使區內微地形地貌發生改變，水資源的變化導致土地、土壤類型發生改變，各方面均對區內生態環境造成了較大的影響。

（4） 水資源具有重要的資源價值和環境功能，建議在煤礦開采過程中要加強對水環境的保護和監測，在礦區及周邊建立監測網絡，對水環境變化進行實時監控。同時，加強對礦井水、老窯水處理，做到不達標不外排，避免水資源的惡性循環。

（5） 煤礦開采應積極運用新型高效合理的開采技術，減少對含水巖組的破壞，盡量減輕煤礦開采造成的不良影響。