小说屋

废弃煤矿诱发地下水体污染研究（第1页）

废弃煤矿诱发地下水体污染研究

冯美生1，2张红珠2王来贵1

（1辽宁工程技术大学工程力学研究所，辽宁阜新123000，2山西大同大学土木建筑工程系，山西大同037003）

摘要：废弃煤矿井是工程活动留在地表以下深部的垃圾场。矿山关闭后，水动力状态由疏干型转为补给型，提供了矿坑水对地下水体污染的条件。针对已闭井的洪山、寨里矿区存在的地下水被污染的事实，探讨采动造成的含水层变化；基于闭井后的水文地质条件，建立了三维水流和水质仿真模型，预测某老窖污染发生的范围、污染物浓度变化以及SO42-离子的迁移路径。结果表明：矿区东北部的某老窖以串层方式污染奥灰水的最大污染半径是3。8km，有效污染面积可达38。46km2，约是初始污染面积2。54km2的40倍，SO42-最高峰值浓度可近879。86mgL。

关键词：矿井关闭含水介质矿坑水地下水污染。空隙分类

0引言：中国北方约7Gm3a的地下水径流系统中，有约2。7Gm3a的地下水系统处于人类各种采矿活动的范围内[1]。受采矿活动影响，这些地区的地下水系统及水资源的天然平衡和补径排条件发生了一定程度的破坏或者重大变化。矿山开采期间，与整个矿区有水力联系的各个含水层都维持一种疏干型的动力状态，但矿山闭坑以后，停止疏排矿坑水，势必导致矿坑水的大量蓄积，水位大幅上升，原有的水动力条件被破坏，当矿坑水位升高到一定程度，高于与之有水力联系的其它含水层，即会对这些含水层产生反向补给，进而造成这些含水层水质的变化，导致含水层水体污染的发生。同时采矿活动及井下灾害（突水、冲击地压、瓦斯爆炸等）造成了岩层的大面积位移、变形、岩体裂隙的扩展，这些外在动力因素为水体污染提供了水力联系条件。英国在20世纪80年代后期就开始在达勒姆群矿区开始大规模试验研究，分析该地区矿坑水的污染范围及水质变化[2]。20世纪80年代中期，美国的阿巴拉契亚地区因废弃矿井造成4000km2的地下水流域受到污染，水文地质和环境学家开始有针对性的试验、监控、治理研究。俄罗斯基泽尔煤田矿井闭坑后对喀斯特水的污染监测资料表明，该地地下水的污染深度可达1000m，平面污染半径大于25km。如今，这类环境地质灾害正在华北地区的一些老矿区变为现实[3，4]。在山东的淄博、枣庄等矿区，由于大量废弃的煤矿矿井没有采取及时封堵措施，从煤层以下透出的水源，经煤矿坑道后受到污染，水质中含有的硫酸钙等矿物质增加，渗透进饮用水井后带来水源污染，致使这些矿区的人畜吃水困难。

1废弃矿井地下水运动特征

1。1含水介质分类

废弃矿井与自然状况下的含水介质具有不同的水动力学特征[5，6，7]，其含水空隙不仅包含孔隙和裂隙（原生裂隙、采矿工程扰动形成的裂隙区域），还包含管道（巷道网）；其水流不仅存在层流流态（含水层、采动区），还存在紊流流态（管道水流）。各种级次的空隙组合、连通，构成了矿区复杂的含水层介质。总的来说，按水流形态及水动力特征将空隙分为3类，见表1。

介质分类组成特征

储水介质煤层顶底板砂岩、第四系松散层及其它含水介质流速小、孔隙发育

导水介质原生及采矿次生的各种构造裂隙、破裂带流速较快、张开度大

控水介质巷道网、大空隙、断层带流速快、控制水流方向

因此，刻画废弃矿井含水介质的地下水运动，应反映其三重介质特征及各种介质之间联系，反映人为形成的巷道及采动区域的水体运动形态。总之，地表水、地下不同含水层、采矿扰动带的水体形成复杂的补给排关系，并最终形成不同于开采阶段的地下水动态平衡。

1。2地下水运动规律

矿井关闭后，生产排水停止，地下水在初期仍保持向矿井排泄的趋势，形成矿井采空空间的地下水回灌，但由于含水层结构的破坏，将形成复杂的水流场和水动力特征。矿井中存在达西流（在裂隙和孔隙中出现）和非达西流（在管道和大空隙中出现）。当矿区地下水接受下覆含水层越流补给及区域层间补给后，先在巷道及采动裂隙中形成水流。由于阻力小，水流以管道流状态存在。由于水力梯度的作用，初期水流大、流速快，巷道中水位上升快，后期随着水位上身，水力梯度的减小，巷道接受的补给量减少。然后巷道网中的水流加强了对周围岩体的入渗，直到采掘空间与围岩之间的水力梯度平衡。

2老窖诱发下覆奥灰水污染

废弃矿井对地下水的污染，定义为在已关闭矿井的矿区，废弃巷道和老窖的高硬度、酸性矿井水通过各种方式进入目的含水层（目的含水层指人类工农业取水含水层），并使该层水水质发生恶化，影响其使用性。

洪山、寨里煤矿区隐伏的奥陶系灰岩裂隙岩溶水污染严重，水质污染突发于矿坑全面闭坑以后，污染范围与老窖积水区一致，地下水污染组份与老窖水的高含量组份相同；在采矿条件下，煤系地层的砂、页岩裂隙水基本被疏干，奥灰水以顶托补给的形式进入矿坑，其补给量占矿坑排水量的30％左右，说明这两含水岩组之间存在丰富的水力联系通道。由此可见：在矿井闭坑条件下，煤矿停止排水，老窿积水水位迅速回升，当老空水位高于奥灰水位时，老空水通过连同部位补给奥灰水，这种补给随着水位的升高而加剧，使奥灰水水质恶化，造成串层污染。其污染类型为越流型污染，污染物通过层间越流的形式转移进其他含水层，这种转移是通过水文地质“天窗”，或人为途径（结构不合理的井管、破损的老井管等），或者是人为的采矿活动引起的地下水水动力条件的变化而改变了越流的方向，使污染物通过大面积的弱隔水层越流转移到其他含水层，其污染源就是老窖水或废巷水。

3老窖造成的越流污染模拟

3。1水文地质条件概化

洪山矿95年雨季前全部撤出停止排水后，矿坑水以0。35md的速度由-200米回升，截止95年初己回升到+35m左右，高出奥灰水10～20m。故建立水流模型时，认为回灌阶段已经结束，即采动区与其他含水介质看做等效连续介质[8，9]。研究闭坑后煤系地层的污染水向奥灰含水层的迁移过程，可视为溶质在饱和模型中的运移[10，11]。该水文地质单元位于淄博向斜盆地腹部，其南部边界为大土屋侵入岩脉，北部边界为漫泗河断层，东部边界为地下水分水岭，西部边界为煤系地层，地势东高西低。该含水水文地质单元，包括第四系松散岩类孔隙含水岩组（其中第四系孔隙水由于富水性低，只在局部地段渗漏补给下部碎屑岩裂隙水，不参与主要的水动力系统，本次研究不考虑该含水岩组）、石炭——二叠系的薄层灰岩及砂岩裂隙承压水（标记为Ⅰ）是矿坑水的主要供水含水组；矿坑含水岩组（标记为Ⅱ）是主要的污染源；矿坑含水岩组与奥陶灰岩之间的夹层砂页岩相对隔水岩组（标记为Ⅲ）；奥陶系灰岩承压水（标记为IV）是当地生活和工农业生产最主要的供水水源，矿山闭坑造成的水污染就是指矿坑水对该层水的污染。概化计算中以上含水层均概化为非均质各向同性含水层[12，13]，由于研究问题的目的主要在于Ⅱ、Ⅲ、IV含水层，所以将Ⅰ作为对Ⅱ的补给源处理，固在水文模型中建立分三层，包含Ⅱ、Ⅲ、IV含水岩组的概念模型，见图1。研究区域地下水具有补、径、排的完整系统。其补给有：Ⅰ层含水组接受大气降水补给及第四系松散岩类空隙水的补给；IV层含水组在东南山区接受降水入渗补给。排泄为：IV层含水组的人工开采及泉水形式排泄以及第Ⅰ、Ⅱ层含水组向西部边界孝妇河的排泄，研究区内由于地下水埋深较大，蒸发量接近于零。水力联系：闭坑后，Ⅱ与IV通过Ⅲ层中的开采遗留通道（采动裂隙、断层构造的揭露）发生水力联系。

3。2模拟结果

（1）2006年污染区监测浓度值与模拟浓度值对比图

通过研究区内2000-2006年的现有监测资料，建立SO42-对流、扩散、线性等温吸附运移模型，采用MT3D求解后，对比研究区内109＃、126＃、127＃、128＃，129＃，131＃，132＃，133＃，156＃，194＃观测井2006年的浓度值，其数量关系见图2，SO42-监测值与模拟值最大绝对差值为200。8mgL，为该处监测值1320。8mgL的15。21％；最大的差值占其对应监测值的百分比值最大的为22。04％；第二最大百分比值为15。21％；最小百分比值为1。21％。以上数据表明，模拟模型基本上是可靠的。

（2）奥灰水的流场分布及SO42-迁移路径

研究区西部边界是地下水排泄区，水文资料表明，研究区内地下水水流方向为由东南方向向西北方向。仿真后，2000-2006年的流场分布结果也符合事实，见图3。溶质从污染区始发，扩散至水力联系区后，沿水流方向向下游（排泄区）移动见图4。

3预测奥灰水20年内可能被污染的区域

本次计算中，污染源SO42-离子的初始浓度值，由实际的监测资料得到，取值1076。18mgL。奥灰水中SO42-离子的背景浓度取均值310。3mgL。预测已经查明的位于矿区东北部某老窖20年后对奥灰水的最大污染半径为3。8km，有效污染面积可达38。46km2，约是初始污染面积2。54km2的40倍，污染区中SO42-最高峰值浓度可近879。86mgL，超出国家饮用水标准（250mgL）的251。9%，见图5。

4结论：煤炭开采直接改变了矿区地下水循环条件、赋存环境；矿井关闭诱发二次变化，原有的井巷由

排泄区变为补给源，采空区不仅接受高水位含水层的补给，同时也作为一种补给源，补给其他含水层，这样给地下水体污染提供了条件。尽早地对废弃矿区地下水污染特征、机理、水动力学特征、地球化学特征，进行监测和防治技术的理论与实践的研究，具有十分重要的理论意义和现实意义。

。