煤礦開采對水環(huán)境的影響及水資源保護對策

周 瑞

（山西省霍州煤電集團 辛置煤礦，山西 霍州 031412）

隨著現(xiàn)代化高產(chǎn)高效大型礦井的建設(shè)，礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題也日益凸顯。煤炭資源的開采破壞了地下水循環(huán)系統(tǒng)，同時污染了地表水，使得大部分礦區(qū)面臨著水害威脅、水資源緊缺和生態(tài)環(huán)境惡化等問題，嚴重影響了人們的生產(chǎn)生活和生態(tài)平衡［1］。因此，應(yīng)對礦區(qū)水資源合理處理利用，加強水資源的保護，尤其對干旱缺水的西部礦區(qū)，水資源的保護更為迫切。

1 煤礦開采對礦區(qū)水資源的影響

1.1 煤礦開采對地表水的影響

雖然地表水系徑流量減少的影響因素較多，但近年來煤炭資源的高產(chǎn)高效大規(guī)模開采無疑是其主要因素之一。在煤炭大規(guī)模開采前，礦區(qū)周邊的河流常年有水，而大規(guī)模開采后，大部分河流變成了季節(jié)性的河段，僅有部分能接收到大量礦井水的河段才能出現(xiàn)常年水流。地表水系流動的變化直觀反映了煤礦開采對地表水資源的影響。

煤炭資源的開采，使上覆含水層遭到破壞，水資源進入采空區(qū)，而由于生產(chǎn)排水需要，采空區(qū)的水又迅速排出礦井，使得地下水調(diào)儲不均衡，破壞了水資源的空間分布。隨著煤層開采范圍的不斷擴大，采空區(qū)面積也逐漸增大，必然導致地表大面積沉陷，出現(xiàn)裂縫，破壞了地表水土保持條件，使得水土流失加重。另外，由于煤礦開采和礦井排水疏干，地表水系徑流大幅度減少，河流的稀釋自凈作用也將大幅度減弱，地表水環(huán)境逐漸變差。

煤礦開采過程中，還會使礦區(qū)水資源的水質(zhì)遭到破壞。雖然礦井水資源的水質(zhì)與礦區(qū)地下水的水質(zhì)基本一致，但礦井水帶有明顯的煤炭行業(yè)特點，水中含有大量的煤粉、懸浮物以及微生物等，且大多數(shù)的礦井廢水的懸浮物含量高于地表水，有的還含有SS、化學耗氧量(COD)等物質(zhì)。如果礦井廢水不處理就排到礦區(qū)水環(huán)境中，會造成地表水資源的污染、環(huán)境惡化等嚴重的環(huán)境生態(tài)問題。

1.2 煤礦開采對地下水的影響

在自然條件下，地下水資源處于補給、徑流、儲水、排泄等的循環(huán)過程中。煤炭資源開采前，一個地下水循環(huán)系統(tǒng)單元中，地質(zhì)環(huán)境條件不變時，徑流和儲水條件也不發(fā)生變化，整個水資源以補給量控制排泄量的過程進行循環(huán)。而煤礦開采過程中，由于礦井排水疏干及采空區(qū)垮落沉陷，改變了周圍含水巖層水資源的補給、徑流、排泄方式，導致礦區(qū)地下水循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生了變化。

（1）開采對地下水資源運動狀態(tài)的影響

煤層開采形成的井筒、巷道及垮落采空區(qū)相互貫通，穿越了地下含水層和隔水層，溝通了地下含水層和松散巖系含水層間的水力聯(lián)系，改變了地下水系運動狀態(tài)。隨著工作面的推進，采空區(qū)頂板垮落，上覆巖層出現(xiàn)裂隙帶，且不斷向高處發(fā)展，甚至有的裂隙直接與地表貫通，在地面形成裂縫，為地下含水層中水的加速滲漏提供了通道。煤層開采前地下水埋藏較淺且以橫向流動為主，受地下儲水的調(diào)節(jié)作用，流動緩慢，從水資源的補給到排泄過程較長，有利于地表的保水。煤層開采后，由于礦井水不斷疏干，地下水資源儲水量減少，埋藏深度加大，浸潤線比降不斷加大，地下水流動加快，且其流動由橫向逐漸改為垂向流動，受采動裂隙的影響，地表水向地下水轉(zhuǎn)變加快，不利于地表的保水。

（2）開采對地下水資源循環(huán)方式的影響

在煤炭資源開采前，地下水資源的補給主要是大氣降水，雨水以天然裂隙為通道由高到低徑流的方式補給地下水。煤炭開采后，采空區(qū)沉陷形成了大量裂隙，為煤系地層及上覆含水層裂隙水涌入礦井提供了條件，同時為地表水進入礦井提供了通道。由于地表沉陷及裂隙的存在，使地表水大量流向礦井，破壞了原有條件下的大氣降水、地表水及地下水之間的循環(huán)狀態(tài)。地表水、基流及潛流水中的一部分或全部流入礦井轉(zhuǎn)化為礦井水，地下水由自然狀態(tài)下的基流和潛流排泄轉(zhuǎn)變?yōu)橐缘V井廢水的方式排泄。而地下水資源的補給和排泄條件變化，加快了原有條件的水循環(huán)，使地下水資源迅速轉(zhuǎn)化為地表水，地表水又快速疏干。在煤礦開采的影響下，地下水循環(huán)方式發(fā)生了變化，導致地表生態(tài)破壞，礦區(qū)水資源短缺。

（3）開采對地下水資源水質(zhì)的影響

煤層開采打破了原有地層的力學平衡，使上覆巖層產(chǎn)生垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。上覆巖層的破壞，使地下水水位下降，改變了水資源的循環(huán)方式，而且還加快了水質(zhì)的循環(huán)過程，使“水、巖”的作用環(huán)境發(fā)生了變化。礦井水的大量排出加快了地表水的滲漏及地下含水層水的徑流，部分排出的礦井水又通過裂隙補給地下水，破壞了水循環(huán)過程中的水化學平衡。經(jīng)過原有“水、巖”循環(huán)的地下水資源礦化度適中，滿足人們的生活用水要求，有利于生態(tài)環(huán)境的平衡。而煤礦開采加速了水的循環(huán)，也加快了水在巖層中的離子交換，提高了水資源的礦化度，導致礦區(qū)地下水資源水質(zhì)的惡化。

2 礦區(qū)水資源保護對策

通過對我國目前礦區(qū)水資源受煤炭資源的影響分析，揭示了煤礦開采對礦區(qū)水資源的地表水的流失、污染和地下水循環(huán)方式、運動狀態(tài)、水質(zhì)凈化能力的變化。針對礦區(qū)水環(huán)境所處的狀態(tài)，我國專家學者一直都在努力改善，就當前及不斷探索發(fā)展的礦區(qū)水資源的利用和保護措施可以分為以下幾個方面。

2.1 “煤-水”雙資源型煤礦開采技術(shù)

為實現(xiàn)煤炭資源安全綠色開采、礦區(qū)水資源供給、生態(tài)環(huán)境環(huán)保之間的協(xié)調(diào)發(fā)展，我國學者提出了 “煤-水”雙資源型礦井開采技術(shù)，其主要是以礦井開采煤層的具體充水水文地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，選取適合的開采方法和參數(shù)工藝優(yōu)化相結(jié)合，礦井下潔、污水分流分排等“煤-水”雙資源型內(nèi)涵的開采技術(shù)［2］。

在地下煤炭資源開采中，以“煤-水”雙資源型礦井開采為理念，將地下水也視為資源，采用合適的開采技術(shù)方法對礦井水資源化利用，使地下水消除水害屬性，表現(xiàn)出資源屬性。針對不同地質(zhì)條件的礦井，采用不同的模式進行開采。

① 對于可疏性的礦井，適合采用礦井排水、供水、生態(tài)環(huán)?！叭灰惑w”優(yōu)化結(jié)合模式，其主要工藝技術(shù)為礦井疏排水，再經(jīng)過分級礦井廢水資源化處理，最后作為礦區(qū)供水水源應(yīng)用于礦區(qū)用水。該模式在保證地下水壓降到安全開采條件的同時，為礦區(qū)提供了一定的水量，還不影響水環(huán)境的質(zhì)量；

② 對于可疏性差的礦井，適合使用地下水控制、利用、生態(tài)環(huán)?！叭灰惑w”優(yōu)化結(jié)合模式，其主要是最大限度控制補給地下水水源、減少礦井涌水量，并對有限的礦井水分質(zhì)資源化處理后加以利用。該模式對礦井水有效控制和利用，避免了地下水位下降及水資源的浪費；

③ 對于適宜回灌的礦井,適合采用礦井水控制、處理、利用、回灌、生態(tài)環(huán)保的“五位一體”優(yōu)化結(jié)合模式，其實質(zhì)是在礦井地下水控制、利用、生態(tài)環(huán)?！叭灰惑w”模式基礎(chǔ)上，將分質(zhì)資源化處理后剩余的礦井水回灌到具有一定厚度和透水性的不影響煤層安全開采的含水層，有效減小了地下水水位下降。在對礦井水文地質(zhì)條件充分調(diào)查的基礎(chǔ)上，制定合適的“煤-水”雙資源型礦井開采模式，實現(xiàn)礦井水資源的有效利用，不僅保護了礦區(qū)水環(huán)境，同時實現(xiàn)了煤炭資源綠色開采。

2.2 煤礦地下水庫技術(shù)

隨著高產(chǎn)高效礦井的建設(shè)，雖然采用充填和限高開采方法能有效保護礦區(qū)水環(huán)境，但降低了開采效率和采出率，難以大規(guī)模推廣實施。而在地面建設(shè)儲水設(shè)施，需要大面積的土地，還面臨水資源的蒸發(fā)和污染的技術(shù)難題。由此，神華集團拋開傳統(tǒng)的建設(shè)理念，進行了采空區(qū)儲水的探索，逐步構(gòu)建了煤礦地下水庫技術(shù)體系，其關(guān)鍵技術(shù)主要有水源預(yù)測、水庫選址、庫容設(shè)計、壩體構(gòu)筑、安全監(jiān)控和水質(zhì)控制等6個方面［3］。

煤礦地下水庫建設(shè)技術(shù)涉及到采礦、地質(zhì)、水利和環(huán)境工程等多個學科，是一項學科交叉的復(fù)雜系統(tǒng)工程。該技術(shù)通過神華集團的一些礦區(qū)進行了工業(yè)實驗。實踐表明，煤礦地下水庫的建設(shè)充分利用了煤炭開采的地下空間，并利用天然條件儲存和凈化礦井水，形成了礦區(qū)安全、低成本、規(guī)?；膬λ夹g(shù)，為煤炭開采水資源保護利用開辟了新的途徑，也為其他礦區(qū)地下水資源保護利用提供了有效技術(shù)支撐。該技術(shù)目前已在神東礦區(qū)全面展開，并將在西部其他礦區(qū)推廣應(yīng)用。雖然一些礦區(qū)進行了應(yīng)用，但當前該技術(shù)還面臨著較多難題，如水資源的預(yù)測、地下水庫的選址及規(guī)劃、壩體設(shè)計、煤炭開采的采動“三場”（應(yīng)力場、裂隙場和滲流場）關(guān)系及演化機理、防滲措施、礦井水資源化處理等基礎(chǔ)和應(yīng)用難題，在未來還應(yīng)加強對煤礦地下水庫建設(shè)過程中的技術(shù)難題進行科學細致的研究，為煤炭資源綠色開采、水資源的保護提供理論支撐。

2.3 保水采煤技術(shù)

由于煤層開采造成圍巖破壞，裂隙發(fā)育，破壞含水層底板結(jié)構(gòu)，使對水循環(huán)及儲水起重要作用的含水層喪失功能，破壞了地下水系的平衡。為保護水資源及水環(huán)境，保水開采技術(shù)應(yīng)運而生，其主要是抑制巖層導水裂隙帶的發(fā)育高度，確保隔水巖層的穩(wěn)定，保護具有供水意義和生態(tài)價值的強富水性地下含水層結(jié)構(gòu)完整，使整個礦區(qū)地下水系穩(wěn)定，實現(xiàn)礦區(qū)采煤保水的目的［4］。

保水采煤技術(shù)是基于巖層控制理論，控制導水裂隙帶發(fā)育高度的采煤技術(shù)，而其采煤技術(shù)，主要是通過調(diào)整采煤高度和工作面尺寸實現(xiàn)巖層控制，減小導水裂隙帶發(fā)育高度和底板巖層破壞深度。根據(jù)目前的開采方法，能實現(xiàn)保水采煤的方法有：限厚開采、條帶開采、充填開采和局部充填開采等。雖然有多種開采方法能滿足保水開采的要求，但保水采煤技術(shù)也面臨著眾多的難題，如充填開采需要研發(fā)低成本，易輸送的充填材料和工藝，實現(xiàn)低成本、高采出率的充填保水開采技術(shù)；針對淺埋煤層巖層控制保證含水層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定雖然取得了重要進展，仍有許多難題需要攻關(guān);對于煤層埋深較大的礦區(qū)，由于開采巖層沉陷引起的潛水位埋深變淺引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題，也是保水采煤急需解決的難題。因此，應(yīng)繼續(xù)深入研究保水采煤技術(shù)方法。

3 結(jié)語

煤礦開采引起礦區(qū)水資源環(huán)境惡化，導致礦區(qū)面臨缺水和生態(tài)環(huán)境問題。通過分析煤礦開采對地表水、地下水資源的影響因素，探討了目前具有代表性的“煤-水”雙資源型煤礦開采技術(shù)、煤礦地下水庫技術(shù)、保水采煤技術(shù)三種礦區(qū)保水技術(shù)措施，并分析了其面臨的技術(shù)難題。礦區(qū)水資源保護技術(shù)的發(fā)展，提高了礦區(qū)水資源利用效率，加強了水環(huán)境保護。