山東省重點(diǎn)礦山地下采礦排水引起環(huán)境效應(yīng)研究

中圖分類號：P66 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2025.07.004

0引言

省作為礦產(chǎn)資源大省，其開發(fā)歷史悠久。多年來由于礦業(yè)經(jīng)濟(jì)活動的迅速發(fā)展和礦產(chǎn)資源開發(fā)規(guī)模的日益增大，導(dǎo)致了各類礦山地質(zhì)環(huán)境問題的發(fā)生，如煤、鐵、金等礦山地質(zhì)災(zāi)害、土地資源、水資源和水環(huán)境破壞等，尤其是地下采礦長期的礦坑疏干排水，造成的礦區(qū)及周圍區(qū)域地下含水層結(jié)構(gòu)破壞、水位下降、甚至枯竭，地下水和地表水體污染等，已嚴(yán)重影響人們的正常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[1-6]本文通過對省重點(diǎn)礦山地質(zhì)環(huán)境的調(diào)查，查明礦坑水水質(zhì)及對地質(zhì)環(huán)境的影響情況，為保護(hù)區(qū)域地質(zhì)環(huán)境，合理開發(fā)利用和保護(hù)水資源，促進(jìn)礦業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)位于魯西南煤礦分布區(qū)、魯中煤礦和鐵礦分布區(qū)、魯東金礦分布區(qū)。主要工作區(qū)為濟(jì)寧市金橋煤礦、泰安市華豐煤礦、市谷家臺鐵礦、淄博市灃水煤礦，萊州市焦家金礦，礦區(qū)面積約71.6km² ，研究區(qū)面積約 500km² 。

1.2 區(qū)域地質(zhì)和水文地質(zhì)簡述

1.2.1 魯西南煤礦分布區(qū)

該區(qū)域?qū)亵斘鞯貙臃謪^(qū)，出露地層主要為新生代第四系，地層自老至新依次為：寒武系、奧陶紀(jì)馬家溝組、石炭紀(jì)本溪組、太原組、二疊紀(jì)山西組、石盒子組、侏羅紀(jì)三臺組，第四紀(jì)黃河組；大地構(gòu)造位于魯西南潛隆起，區(qū)內(nèi)構(gòu)造以斷裂為主，且較為發(fā)育，以EW向和SN向?yàn)橹鳎饕雄菙嗔选ⅧD山斷裂、濟(jì)寧斷裂、孫氏店斷裂、峰山斷裂等。濟(jì)寧市金橋煤礦位于該區(qū)內(nèi)。該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，常被斷裂切割成一些獨(dú)立的斷塊，使各煤田之間以斷裂為界自成相對獨(dú)立的水文地質(zhì)系統(tǒng)。與煤礦關(guān)系密切的含水層主要有奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r裂隙巖溶水，廣泛分布于石炭系煤系地層底部和邊緣，地表、地下巖溶發(fā)育，富水性強(qiáng)，局部區(qū)域受構(gòu)造、巖槳巖控制，含水層富水性變化較大，在構(gòu)造發(fā)育地段或人為采動破壞影響下，易對煤礦生產(chǎn)構(gòu)成巨大威脅。

1.2.2 魯中煤礦和鐵礦分布區(qū)

該區(qū)域?qū)亵斘鞯貙臃謪^(qū)，出露地層較全，寒武系、中奧陶系、石炭-二疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系、第四系均有分布；魯中南隆起東以沂沐斷裂帶與魯東迭臺隆為界，北以齊河-廣饒斷裂，西以聊考斷裂與華北臺坳為界。泰安市華豐煤礦，市谷家臺、業(yè)莊鐵礦，淄博市灃水煤礦位于該區(qū)內(nèi)。該區(qū)域鐵礦成因類型較多，水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙水為熱液交代鐵礦和接觸交代型鐵礦礦床的直接充水水源，分布面積廣，含水層裂隙巖溶發(fā)育，含水豐富，疏干排水對區(qū)域巖溶水資源影響顯著，極易引發(fā)水資源的供需矛盾；基巖裂隙水為變質(zhì)沉積鐵礦的直接充水水源，地下水分布于變質(zhì)巖及巖槳巖風(fēng)化裂隙內(nèi)，富水性受季節(jié)控制，變化較大，水文地質(zhì)條件簡單；第四系孔隙水含水層以沖洪積物為主，廣泛分布于山前平原及現(xiàn)代河谷內(nèi)，含水層沿河谷呈帶狀分布，富水性受大氣降水影響，變化較大，豐水期地下水及地表水常沿河谷“天窗”發(fā)育地段滲入礦坑。

1.2.3 魯東金礦分布區(qū)

該區(qū)域?qū)亵敄|地層分區(qū)、膠北地層小區(qū)，出露地層主要為新生代第四系、太古代膠東群、元古代的粉子山群、白堊系、古近系、新近系、第四系；大地構(gòu)造位于膠北隆起的西緣，區(qū)內(nèi)構(gòu)造以斷裂為主，且較為發(fā)育，以NE向?yàn)橹鳌ＨR州市焦家金礦位于該區(qū)內(nèi)。該區(qū)域金礦分布于剝蝕低山丘陵區(qū)，基巖裸露，溝谷發(fā)育，出露地層主要為變質(zhì)巖類及燕山期花崗巖，礦區(qū)地下水以花崗巖風(fēng)化裂隙水為主，由于礦區(qū)溝谷發(fā)育，大氣降水因地形陡而很快流失，含水層補(bǔ)給源貧乏，富水性普遍較差；其次為第四系孔隙水，巖組由坡積、沖洪積層組成，礦床地段多不發(fā)育，含水層富水性明顯受大氣降水控制，水文地質(zhì)條件簡單。

2礦坑水化學(xué)特征與評價(jià)

以研究區(qū)為基本分區(qū)，以重點(diǎn)礦山為基本單元，在充分收集相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，通過水樣、土樣的采集與測試，地下水動態(tài)監(jiān)測等，研究區(qū)內(nèi)礦坑水的水化學(xué)特征，開展礦坑水水質(zhì)評價(jià)，重點(diǎn)礦山水文地質(zhì)要素詳見圖1。

2.1 礦坑水的水化學(xué)特征

2.1.1 煤礦礦坑水的水化學(xué)特征

煤田礦井排水水源主要有：煤層頂板砂巖裂隙水、煤層頂板薄層灰?guī)r巖溶裂隙水、石炭系中統(tǒng)徐家莊灰?guī)r巖溶裂隙水、奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r巖溶水。第四系覆蓋的隱伏煤田，第四系砂礫石層孔隙水通過半疏干的煤系砂巖等充水巖層間接進(jìn)人礦井，成為礦坑水間接水源。濟(jì)寧礦坑水化學(xué)類型以 SO₄ 鹽型和 SO₄?HCO₃ 鹽型水為主，以 HCO₃?ΔSO₄ 鹽型和 ΔHCO₃ 鹽型水為輔， SO₄^2- 含量為 30～ 2430mg/L ，礦化度為 100～2740mg/L ，總硬度為94～1981mg/L ，在各礦山經(jīng)過一級處理后的外排水中懸浮物含量為 3～60mg/L ，化學(xué)需氧量含量為 10～130mg/L^[7] 。淄博市礦坑水化學(xué)類型較復(fù)雜，以 SO₄?HCO₃ 為主，其次為 SO₄?HCO₃- Ca?Mg，SO₄-Ca?Na，SO₄?HCO₃-Ca?Na 或SO₄?HCO₃-Na?Ca 型， SO₄^2- 含量介于 374.96～ 2326mg/L 之間，收集的灃水煤礦礦坑水水化學(xué)離子含量情況詳見表1。

2.1.2 鐵礦礦坑水的水化學(xué)特征

區(qū)域內(nèi)鐵礦礦床大都沿火成巖侵入體與奧陶系灰?guī)r接觸帶分布，奧陶系石灰?guī)r和大理巖裂隙巖溶水為礦床直接充水水源。裂隙巖溶發(fā)育，含水豐富，灰?guī)r巖溶水水質(zhì)大都良好，大多是大、中型供水水源的所在地。礦山采礦井大量排水，使礦區(qū)巖溶水資源量大量減少，加劇了供排矛盾。從業(yè)莊鐵礦、溫石埠鐵礦、杜官莊鐵礦收集的礦坑水全分析資料（表1）分析， SO₄^2- 含量為 77.16～514.37mg/L ，總硬度為 236.46～360.52mg/L ，水化學(xué)類型主要為 SO₄- Ca?Mg 型。

2.1.3 金礦礦坑水的水化學(xué)特征

區(qū)域內(nèi)金礦礦區(qū)水文地質(zhì)條件簡單，礦井充水水源為礦床脈狀構(gòu)造裂隙水和少量上部圍巖裂隙水，其補(bǔ)給源貧乏，富水性差，且不同礦脈構(gòu)造裂隙水含水層之間無水力聯(lián)系。礦山處于低山丘陵區(qū)，地形坡度較大，地下水礦化度多小于 1000mg/L 。礦坑水化學(xué)類型為 Cl?HCO₃ 1 Ca?Na 、Cl-Ca?Na 型、 Cl-Na 型，常量組分中陰離子依次為C1^- 、 HCO₃^- 、 SO₄^2- ，陽離子為 Na⁺?Ca²⁺?K⁺?Mg²⁺ ，占礦物含量的 95% 以上，礦化度1 800～ 5800mg/L ，總硬度為 1232.73～2160.42mg/L 。

但是局部地段受到礦井排水長期影響，礦井水中的Zn、Pb、Cd等微量元素不同程度地超過國家地表水質(zhì)IV標(biāo)準(zhǔn)，其中Pb最大超標(biāo)倍數(shù)達(dá) 113.4^[8]

2.2 重點(diǎn)礦山礦坑水水質(zhì)評價(jià)

2.2.1 礦坑水質(zhì)量評價(jià)（1）評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及方法

礦坑水質(zhì)量評價(jià)采用《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14848—2017）[9作為本次評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，地下水質(zhì)量按地下水的優(yōu)劣分為5類：I類、Ⅱ類適用于各種用途；Ⅲ類地下水化學(xué)組分含量中等，以人體健康基準(zhǔn)值為依據(jù)，主要適用于集中式生活飲用水水源及工農(nóng)業(yè)用水；Ⅳ類地下水化學(xué)組分含量較高，以農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水質(zhì)量要求及一定水平的人體健康風(fēng)險(xiǎn)為依據(jù)，適用于農(nóng)業(yè)和部分工業(yè)用水，適當(dāng)處理后可做生活飲用水；V類地下水化學(xué)組分含量高，不宜作為生活飲用水源，其他用水可根據(jù)使用目的選用。

本次礦坑水水質(zhì)評價(jià)采用的是全分析結(jié)果，測試單位為省地質(zhì)科學(xué)研究院，評價(jià)因子選取pH 、總硬度、礦化度、 SO₄^2- 、 C1^- 、 NO₂^- 、 NO₃^- 、 F^- 、 Hg 、As、 Cr⁶⁺ 、Cd、Pb等13項(xiàng)。

本次評價(jià)采用評分法。首先進(jìn)行各單項(xiàng)組分評價(jià)，劃分組分所屬質(zhì)量類別，單項(xiàng)組分評價(jià)分值 F_i 分為5類，I類為0，Ⅱ類為1，Ⅲ類為3，Ⅳ類為6，V類為10。重點(diǎn)礦山單項(xiàng)組分評價(jià)結(jié)果見表2。

綜合評價(jià)分值 F 的計(jì)算見式（1）、式（2）：

式中： F_o 一單項(xiàng)組分評分值 F_i 的平均值; F_max 一各單項(xiàng)組分評分值 F_i 的最大值； n 一參評因子數(shù)。

根據(jù) F 值，礦坑水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)級別 lt;0.80 為優(yōu)良； 0.80?Flt;2.50 為良好； 2.50?Flt;4.25 為一般；4.25?Flt;7.20 為較差； ?7.20 為極差。

（2）評價(jià)結(jié)果

除鐵礦礦坑水為良好外，其余礦坑水均為極差水，結(jié)果見表3。

2.2.2 礦坑水用途評價(jià)

按照《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749—2022）[10]，選擇 C1^-，SO₄^2-，F(xiàn)^-，NO₃^- 、總硬度、礦化度、 .pH 等7項(xiàng)指標(biāo)作為評價(jià)因子；按照《農(nóng)田灌溉用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（ GB5084-2021）^[11] ，選擇 、As、 .Cr，CN，F(xiàn)^- 、礦化度、 Δ?pH 等8項(xiàng)指標(biāo)作為評價(jià)因子；按照《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB11607—89）[12]，選取Hg，As，Cr，CN，F(xiàn)^-，pH 等6項(xiàng)指標(biāo)作為評價(jià)因子；

按照《工業(yè)循環(huán)冷卻用水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50050—2017）[13]，采用間冷開式系統(tǒng)循環(huán)冷卻水標(biāo)準(zhǔn)，選取 C1^- 、 SO₄^2-+Cl^- 、 Fe²⁺ 、鈣硬度 + 全堿度、 ?pH 等5個指標(biāo)作為評價(jià)因子，通過計(jì)算評價(jià)因子測試值與標(biāo)準(zhǔn)界限值的比值（即評價(jià)系數(shù)），礦坑水中 C1^- 、 SO₄^2- 、總硬度、礦化度、 NO₃^- 、 Hg 等評價(jià)因子的評價(jià)系數(shù)大于1（圖2），不適合人類生活飲用，適合農(nóng)田灌溉（煤礦礦坑水除外），符合漁業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)（金橋煤礦除外），可作為間冷開式系統(tǒng)循環(huán)冷卻水使用。

3礦山排水引發(fā)的環(huán)境效應(yīng)分析

3.1 重點(diǎn)礦山礦坑水灌溉對土壤的影響

3.1.1 綜合評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及方法

采用內(nèi)梅羅（N.L.Nemerow）綜合指數(shù)模式，采用公式（3）（4）（5）計(jì)算：

P_i=C_i/S_i

式中： P 一土壤污染物綜合指數(shù)； P₀ 一各污染物指數(shù)P_i 的平均值； P_max —土壤中各污染物分指數(shù) P_i 的最大值； P_i 一 ?i 污染物的分指數(shù)； C_i 一 ?i 污染物的實(shí)測值； S_i 一 i 污染物土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值，參見《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB15618—2018）[14]水田類風(fēng)險(xiǎn)篩選值（最高級別）。

根據(jù)污染程度 P 值， Plt;1.0 時(shí)，環(huán)境質(zhì)量級別為I級； 1.0?Plt;2.0 時(shí)，土壤環(huán)境質(zhì)量級別為Ⅱ級； 2.0?Plt;6.0 時(shí)，環(huán)境質(zhì)量級別為Ⅲ級； ?6.0 時(shí)，土壤環(huán)境質(zhì)量級別為 IV 級。

3.1.2 評價(jià)結(jié)果

本次所取樣品分別代表不同礦區(qū)不同地段的環(huán)境質(zhì)量狀況，從綜合評價(jià)結(jié)果看（表4），金橋煤礦TW4的Cd超過風(fēng)險(xiǎn)篩選值（低于風(fēng)險(xiǎn)控制值1.5），可以采取農(nóng)藝調(diào)控、替代種植等安全利用措施；其余土壤未受污染，質(zhì)量優(yōu)良，土壤污染風(fēng)險(xiǎn)低，一般情況下可忽略。

3.2 重點(diǎn)礦山礦坑水對周圍水環(huán)境影響

3.2.1 金橋煤礦水環(huán)境影響

礦山排水不可避免地造成一定范圍內(nèi)的煤系地層裂隙水水位下降（或疏干），影響范圍為礦區(qū)及外圍較近地區(qū)。由于開采水平較深，且有較大厚度煤系地層的阻隔，孔隙水與裂隙水連通性較差，正常生產(chǎn)條件下，孔水補(bǔ)給量較小，礦坑水水源主要是奧灰?guī)r溶水。礦山排水對區(qū)域第四系淺層地下水水位影響較嚴(yán)重，已經(jīng)形成降落漏斗區(qū)（圖3），地下水含水層結(jié)構(gòu)破壞。采空塌陷和礦坑排水形成的地表積水區(qū)容易與地下含水層聯(lián)通，增加了地下水污染風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.2谷家臺-業(yè)莊鐵礦水環(huán)境影響

礦山鐵礦礦體賦存于礦山背斜兩翼燕山期巖漿巖與奧陶系碳酸鹽類巖石接觸帶附近，充水水源為水水源主要是奧陶系碳酸鹽巖裂隙巖溶水，礦坑排水導(dǎo)致水位大幅度下降，2個礦區(qū)周圍形成了呈SE—NW向弧形帶狀分布的巖溶水漏斗區(qū)，漏斗最高水位標(biāo)高 195m ，中心水位標(biāo)高約 170m ，落差約25m ，影響面積約 27.08km² ，最大影響距離3.5km 。由于鐵礦區(qū)周圍同時(shí)又是工業(yè)用水、城市生活用水的水源地，礦坑排水和水源地開采兩方面因素疊加，加劇了巖溶水水頭損失程度。采礦過程中的礦井大量排水，致使礦區(qū)巖溶水資源量銳減，又改變了地下水的天然流場，加劇了供、排水矛盾，對地下水資源量影響較大。

3.2.3 焦家金礦水環(huán)境影響

金礦排水導(dǎo)致水位下降，礦區(qū)周圍形成了呈近SN向條帶狀分布的淺層地下水漏斗區(qū)，漏斗最高水位標(biāo)高 12m ，中心水位標(biāo)高約 - 10m ，落差約22m ，影響面積約為 38.8km² ，最大影響距離 6.5km （圖3）。

金礦排水減少了區(qū)內(nèi)地下水資源，改變了局部地下水流向，對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響較大。選礦生產(chǎn)形成點(diǎn)圓狀污染，有機(jī)污染物主要是礦山廢水池和尾礦池中植物的腐爛，或者來自選礦廠廢水中含有的酚、甲酚、萘酚、油類等有機(jī)物；無機(jī)物污染包括重金屬離子、無機(jī)鹽等物質(zhì)。對于黃金礦山來說，氰化物的污染十分普遍，但均采取一定的保護(hù)措施，其生產(chǎn)活動對地下水環(huán)境的破壞較輕，影響小。焦家金礦建成了綜合污水處理站，對生活污水、工業(yè)廢水進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)氰化物零排放。

4結(jié)論

（1）鐵礦礦坑水水質(zhì)普遍較好，優(yōu)于金礦和煤 礦；大多數(shù)煤礦礦坑水質(zhì)較差， SO₄^2- 含量、總硬度、 礦化度偏高；魯東濱海金礦區(qū)總硬度、礦化度及氯化 物含量偏高。

（2）礦坑水不適合作為生活飲用水，在農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域均有利用價(jià)值；煤礦、金礦的礦坑水水質(zhì)較差，個別煤礦礦坑水灌溉區(qū)土壤污染風(fēng)險(xiǎn)較高，需采取一定的安全利用措施。

（3）長期的礦山井下疏干排水，導(dǎo)致礦區(qū)及其附近地區(qū)地下水位的大幅度下降，形成以礦井為中心的大面積疏干漏斗，并誘發(fā)淺層地下水資源枯竭、地下水含水層結(jié)構(gòu)破壞、供水井干枯、水質(zhì)惡化、海（咸）水入侵等環(huán)境效應(yīng)，對周邊土壤也產(chǎn)生一定的污染。

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Abstract：As a province with abundant mineral resources，due to long-term dewatering and drainage of underground mining pits，frequent geological and environmental problems in mining areas and surrounding areas happened in Shandong province. Through water use investigation of key mines in the coal mine distribution area in southwest，central and eastern Shandong provice，the quality of mine water and the resulting environmental efects have been found out. It is showed that long term underground dewatering and drainage in mines have led to a significant decrease in groundwater levels in the mining area and its surrounding areas，formed a large scale dewatering funnel centered on the mine，and induced environmental effects，such as depletion of shallow groundwater resources， structural damage to groundwater aquifers， and deterioration of water quality.Mine water is not suitable as drinking water for daily life. It has practical value in agriculture，fisheries，industry and other fields. Coal mines and gold mines have relatively poor water quality compared to iron mines，and some coal mine water irrigation areas have a higher risk of soil pollution.Certain safety coutermeasures should be carried out for utilization. The research results will provide a scientific basis for rational development and utilization of mine water， solving water scarcity and mine water environmental pollution，and achieving the coordinated and unified development of mineral resources and the environment.

Key words： Underground mining drainage;environmental effect;quality of mine water; Shandong province