近30年煤礦開采影響下峰峰礦區(qū)巖溶地下水水化學(xué)特征的演變

郝春明，孫 偉，何培雍，李 成

(1.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 100081；2.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，陜西 西安710054)

近30年煤礦開采影響下峰峰礦區(qū)巖溶地下水水化學(xué)特征的演變

郝春明1，孫 偉1，何培雍1，李 成2

(1.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 100081；2.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，陜西 西安710054)

煤礦開采；水化學(xué)類型；水流系統(tǒng)；礦物溶解能力；重金屬元素；氫氧同位素

峰峰煤炭礦區(qū)巖溶水系統(tǒng)屬于邯邢南單元黑龍洞泉域，形成以西部山區(qū)和中部灰?guī)r裸露區(qū)為補(bǔ)給區(qū)，構(gòu)造斷陷盆地為徑流區(qū)，泉群排泄為主的水文地質(zhì)單元，流域面積2410km2。含水介質(zhì)為一套碳酸鹽巖海相沉積地層，以角礫狀灰?guī)r、厚層花斑灰?guī)r、純灰?guī)r、薄層灰?guī)r和泥灰?guī)r等組成，局部富含石膏，總厚度470～584m，裂隙發(fā)育，以溶孔和溶隙為主。

礦區(qū)主要開采石炭和二疊系煤層，因煤層底板巖溶地下水補(bǔ)給條件好，富水性強(qiáng)，水頭壓力大，為防止煤層底板突水，多采用疏水降壓的被動(dòng)方式。近30年的人工疏水降壓已使巖溶地下水的水位大幅下降，閆玉梅等[1]經(jīng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)90年代后，水位年平均衰減1.5m左右，徑流區(qū)水位標(biāo)高由原來的130～139m降至110m左右。與此同時(shí)，巖溶水化學(xué)場(chǎng)是否也發(fā)生了巨大的變化，值得擔(dān)憂。為此，吳振嶺，白喜慶等[2]曾研究過該地區(qū)近30年來巖溶水流場(chǎng)，水化學(xué)等的變化，但方法過于簡(jiǎn)單，很難全面掌握水環(huán)境的演變。王焰新、韓寶平、孫林華等[3-7]分別針對(duì)煤礦開采誘發(fā)的水環(huán)境問題研究均進(jìn)行過不同方式的嘗試，為評(píng)估采煤對(duì)水環(huán)境的影響提供了新的方法和思路。

筆者通過收集煤礦開采前巖溶水水化學(xué)背景資料和采集分析開采30年后的水樣品，嘗試運(yùn)用水化學(xué)特征對(duì)比的方法，較系統(tǒng)和全面的分析采煤活動(dòng)對(duì)巖溶水化學(xué)場(chǎng)的影響，對(duì)重新論證和評(píng)估采煤活動(dòng)對(duì)區(qū)域巖溶地下水環(huán)境造成的影響提供了重要的依據(jù)。

1 取樣與測(cè)試

2012年10月共采集了水樣品44件，其中巖溶水樣品28件，孔隙水樣品3件，礦坑水樣品8件，地表水1件，煤系基巖裂隙水4件，巖溶樣品點(diǎn)分布如圖1所示。

部分測(cè)試結(jié)果見表1，1980年背景數(shù)據(jù)見表2。

樣品采集前，先用蒸餾水洗滌2～3遍，再用樣品水涮洗2～3遍，最后再將采集的水樣過濾后裝入1000ml玻璃瓶中。每個(gè)樣品采集4瓶，其中原水樣品，加酸(稀HNO3)樣品，加堿(NaOH)樣品和穩(wěn)定同位素樣品各一瓶。pH、TDS、Eh、溫度和DO野外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。系統(tǒng)編號(hào)后送往河北省水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中心實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。原水樣品控制從采樣到測(cè)定的時(shí)間不超過30天，酸化和堿化水樣分別控制不超過10天和2天。為監(jiān)控采樣質(zhì)量，按不低于5%的采樣比例采集平行樣；每批次樣品均按比例插入標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，重復(fù)試樣和空白樣，同時(shí)隨機(jī)抽取20%的試樣作為檢查分析樣，確保每批次重復(fù)分析相對(duì)偏差合格率不低于90%。

2 結(jié)果與討論

2.1 水化學(xué)類型

煤礦開采前后的巖溶水水化學(xué)piper圖如圖2所示。煤礦開采前后的巖溶水均落于三線圖的左上角，水化學(xué)類型變化不大，仍主要為HCO3—Ca.Mg(Ca)，HCO3.SO4—Ca.Mg(Ca)，SO4.HCO3—Ca.Mg型水，說明采礦活動(dòng)并未造成其化學(xué)場(chǎng)發(fā)生根本變化。

圖2 不同時(shí)期巖溶水水化學(xué)三線圖

2.2 水質(zhì)污染

2.3 巖溶水水流系統(tǒng)

煤礦開采前后巖溶水的水流速度明顯存在差異。開采前的巖溶水流速代表了背景流速，遍布A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)，具有復(fù)雜的水動(dòng)力背景特征，這與該地區(qū)巖溶水存在三個(gè)不同特征的徑流帶[10]有關(guān)。開采后的巖溶水多落于B區(qū)、B1和B4區(qū)，均反映為中等徑流區(qū)特征，說明煤礦開采已破壞了巖溶水原有水流系統(tǒng)，由復(fù)雜化的水流系統(tǒng)演變呈單一水流系統(tǒng)，強(qiáng)徑流帶消失，中等徑流帶和弱徑流帶發(fā)育。煤礦開采促使巖溶水流率呈變慢，水力梯度呈變大趨勢(shì)發(fā)展，這與開采強(qiáng)化疏水形成眾多的降落漏斗有直接的關(guān)系，翟立娟[11]經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)該地區(qū)巖溶地下水流場(chǎng)已演變成以礦井排水點(diǎn)為中心的若干個(gè)降落漏斗型水流系統(tǒng)。地下水漏斗的發(fā)育，改變了巖溶水徑流方向，造成局部地下水流系統(tǒng)發(fā)育，流速變慢，水力梯度變大。

圖6 不同時(shí)期的巖溶水礦化度與Cl-關(guān)系圖

2.4 礦物溶解

2.5 重金屬元素檢出

煤礦開采前巖溶水檢出重金屬元素為Hg、Fe和Zn，檢出率分別為16.73%、52.48%和16.25%；開采后檢出的重金屬元素明顯增多，為Hg、Fe、Zn、Cr和Mn，且檢出率也明顯提升，分別提高至40.91%、68.18%、18.18%、13.63%和18.18%。檢出濃度也隨采礦時(shí)間呈正比增長(zhǎng)關(guān)系，以Hg為例，1980年巖溶水檢出濃度最高值為0.0002mg/L，平均濃度為0.00012 mg/L；采礦近30年后，2012年檢出濃度最高值為0.0006mg/L，平均0.00018mg/L。

2.6 含水層間的水力聯(lián)系

醫(yī)院藥品費(fèi)用是一個(gè)復(fù)雜的研究對(duì)象，筆者運(yùn)用層次分析法建立醫(yī)院藥品費(fèi)用影響因素評(píng)價(jià)指標(biāo)分層模型，擬建了醫(yī)院藥品費(fèi)用影響因素指標(biāo)體系。對(duì)醫(yī)院藥品費(fèi)用的影響因素進(jìn)行定性和定量研究；根據(jù)醫(yī)院藥品費(fèi)用影響因素指標(biāo)體系建立了控制監(jiān)督評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，將醫(yī)院藥品費(fèi)用控制監(jiān)督評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)例結(jié)合，用以評(píng)價(jià)醫(yī)療機(jī)構(gòu)的藥品費(fèi)用控制水平，該評(píng)價(jià)指標(biāo)才更能體現(xiàn)出現(xiàn)實(shí)意義。

圖9 重金屬元素檢出率

圖10 重金屬元素檢出濃度(除Hg單位為ppb外，其余均為ppm)

不同的含水層因溫度和補(bǔ)給高程的不同，氫氧同位素應(yīng)存有明顯的差異[14-15]。巖溶水的氫氧同位素δD值介于-70.0‰～-63.0‰，δ(18O)值介于-8.7‰～-9.7‰；孔隙水δD值介于-65.0‰～-59.0‰，δ(18O)值介于-8.9‰～-8.2‰；煤系基巖水δD值介于-77.0‰～-70.0‰，δ(18O)值介于-9.6‰～-10.0‰(圖10)。

設(shè)定巖溶水δD和δ(18O)的背景范圍(1987年袁志梅等[16])為δD值介于-70.0‰～-66.0‰，δ(18O)值介于-9.4‰～-9.0‰，該部分巖溶水直接來源于高海拔基巖裸露區(qū)的降雨入滲補(bǔ)給(圖11)。

圖11 煤礦開采后礦區(qū)地下水氫氧同位素分布圖

部分巖溶水與礦井水，部分孔隙水和煤系基巖水混在一起，說明煤礦開采造成了各含水層間水力聯(lián)系明顯加大。其中位于左下方的巖溶水明顯受到了煤系基巖水的補(bǔ)給，與煤系砂巖水水力聯(lián)系加大。傳統(tǒng)觀念普遍[17-18]認(rèn)為：該地區(qū)巖溶水為典型的“單斜構(gòu)造分散徑流集中排泄巖溶水系統(tǒng)”， 巖溶水水位遠(yuǎn)高于煤層，水壓大。井田內(nèi)承壓區(qū)煤系水一般不會(huì)向下伏奧灰?guī)r溶裂隙含水巖組徑流，即煤系砂巖水不可能補(bǔ)給巖溶水。事實(shí)明顯與傳統(tǒng)觀念相違背，可能由于煤層的長(zhǎng)期大規(guī)模開采，采空塌陷造成下覆底板的原有裂隙進(jìn)一步發(fā)育，當(dāng)巖溶水水位持續(xù)下降到低于煤層造成煤系基巖水反向補(bǔ)給巖溶水。

滏陽河水也與巖溶水混合在一起，同時(shí)位于背景區(qū)間右上方的巖溶水也孔隙水等混合，說明巖溶水與河水，孔隙水等也存有明顯的水力聯(lián)系，說明煤礦開采造成區(qū)域含水層結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，間接頂板含水層(孔隙水)和河水也伴隨其水位的下降開始反向補(bǔ)給巖溶水。

3 結(jié)論

[1] 閆玉梅，秦鵬，吳振嶺，等.峰峰礦區(qū)煤炭開采對(duì)巖溶地下水環(huán)境的影響研究[J].中國(guó)礦業(yè)，2010，19(12)：120-125.

[2] 吳振嶺，白喜慶.峰峰煤礦區(qū)巖溶地下水流場(chǎng)演化規(guī)律[J].地下水，2009，31(2)：23-27.

[3] 王焰新，孫連發(fā)，羅朝暉，等.指示娘子關(guān)泉群水動(dòng)力環(huán)境的水化學(xué)-同位素信息分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1997(3):1-5.

[4] 王焰新，高旭波.人類活動(dòng)影響下娘子關(guān)巖溶水系統(tǒng)地球化學(xué)演化[J].中國(guó)巖溶，2009，28(2)：103-122.

[5] 韓寶平，鄭世書.煤礦開采誘發(fā)的水文地質(zhì)效應(yīng)研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，23(3)：70-77.

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[10] 杜淑英，郝旭，王進(jìn)杰.峰峰黑龍洞泉域地質(zhì)構(gòu)造對(duì)基巖地下水的控制作用[J].河北煤炭建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1994，1(1)：17-23.

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The impact of nearly 30 years mining activities on the hydrochemistry characteristic of karst groundwater in Fengfeng coal mining area

HAO Chun-ming1,SUN Wei1,HE Pei-yong1,LI Cheng2

(1.China Institude of Geo-Environment Monitoring, Beijing 100081,China;2.Shanxi Institute of Geo-Environment Monitoring, Xi’an 710054,China)

coal mining；karst groundwater；hydrochemistry type；flow system；mineral dissolving capacity；heavy metals；hydrogen oxygen isotopes

2014-02-05

國(guó)家級(jí)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)專項(xiàng)資助(編號(hào)：1210800-000022-6)；資源城市地下水基礎(chǔ)環(huán)境狀況調(diào)查與評(píng)估項(xiàng)目資助(編號(hào)：2011A113)

郝春明(1978- )，男，高工，博士，研究方向?yàn)榈V山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查與監(jiān)測(cè)。E-mail:Haocm@mail.cigem.gov.cn。

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1004-4051(2015)01-0045-07