煤炭大省,拿什么来拯救绿水青山? 如何拯救山西未来地下水资源 ---采煤对地下水资源的破坏及污染不容忽视 李振拴 (山西省煤炭地质局 山西 太原 030006) 摘要:山西煤炭资源储量大、分布广、品种全、质量优,开采技术条件简单,开采历史悠久。但山西地处黄土高原,水资源贫乏,有“山西之长在于煤,山西之短在于水”的称谓。采煤对地表及地下水的破坏不仅在数量上,更为严重的是对地下水的污染是永久的,无法治理及不可恢复的,需引起高度重视。 一、山西煤炭资源分布及开采情况 山西煤炭资源储量大、分布广,含煤面积6.2万平方公里,占国土面积的40.4%;119个县(市、区)中94个有煤炭资源。全省2000米以浅煤炭预测资源储量6652亿吨;探明保有资源储量2674.3亿吨,约占全国的1/4。煤种齐全,形成以大同、宁煤田为主的动力煤、河东、西山、霍西煤田为主的焦煤、沁水煤田为主的无烟煤三大基地。露天、井工开采方式均有。山西地处全国中部,交通便利,便于供往全国。 山西煤炭开采历史悠久,光绪33年,山西商办全省保晋矿务局在太原创办,专营煤炭;1913年成立平定建昌公司; 1915年晋煤参加巴拿马国际博览会,被称为“煤中皇后”,誉满全球。 1937年日本侵入山西,大量开采,煤矿431处,劫运山西煤炭2000多万t;至1949年,据不完全统计,共开采1亿t。到2017年底,全省共计开采原煤185亿吨。 1982年以前,仅有八大矿务局,44座煤矿。1982年“有水快流”以来,煤矿数量猛增,2000年关闭整顿小煤矿前全省有证煤矿9800多座,关闭整顿后6183座;2005年第一轮整合重组后,留有2598座;2009年第二轮整合重组后,截至2015年底,共有煤矿1078座,能力14.6亿吨/年。兼并重组后的煤矿除少部分被利用外,其他煤矿关闭后不在排水,矿井涌水积存在井下,形成老空水。 二、 山西水资源分布及特点 山西是一个水资源非常紧缺的省份, 第一次(1956—1979)水资源评价,全省水资源总量142亿m3。人均(1980年人口2496.46万)574m3。相当于世界的3.8%、亚洲的7.3%、全国的19%。 第二次(1980—2000年)水资源评价,全省水资源总量109.3m3,比第一次少23%,人均(2000年人口3247.8万)381m3,20年来,人均占有水量减少33.63%。 山西地势东、西、南三面低,地表、地下水出境流量大,1956—2000年入境水量仅1.08亿m3,而出境水量73.92亿m3;降水量483.2mm、降水集中于每年的7—9月、且分布不均综合利用较难;人均水资源量仅381m3 ,按照国际划分标准,山西属于极度缺水地区(小于500m3)。 山西裸露及隐伏岩溶面积11.3万km2,占全省面积的75.2%,70年代全省大于0.01m3/s的泉共有256个,总流量118.33m3/s(37.31亿m3/a);其中大于0.1m3/s的泉有86个,大于1m3/s的泉有24个。总流量为88.2~107.8m3/s。(27.8~34 亿m3/a),占全省地表径流总量114 亿m3的24.3~29.8%。 由于大量开采,现在有多处断流,如兰村、晋祠、古堆、洪山等。岩溶水是山西生活、生产的主要供水水源。 三、煤炭开采对地表及地下水资源的破坏 由于含水层与煤层共生于同一地质体中及煤炭开采产生的上、下三带作用,破坏了原始含水层的结构,导致含水层中的水在流动过程中遇到采掘破坏区不能连续流动,流入采掘空间,形成矿井涌水或突水。根据本人2001年《山西省煤炭开采对水资源的破坏影响及评价》,山西自煤炭开采以来破坏煤系地层地下水静储量71388万m3,破坏煤系地层地下水动储量71370m3/h,按照2000年煤炭产量24611万吨计算,吨煤破坏水资源2.54m3。 煤炭开采产生的地表裂缝,导致浅层含水层水被疏干,原有的可供当地居民生活用水的小泉小水断流,不得不打深井开采奥陶系岩溶水,这样更加剧了岩溶泉水出流量的减少及断流。 例1、兴县马圐圙煤矿破坏地表水 河东煤田兴县马圐圙煤矿在开采厚度为13.94m 的13号煤层时,由于采煤产生的导水裂缝带发育到地表,2007年7月22日在暴雨的作用下,引起麻焉塔沟发生地面塌陷(见下图),导致几百余万m3洪水灌入井下,将地表水转换形成矿坑积水。 兴县马圐圙煤矿地面塌陷照片 例2、左权县城关第二煤矿破坏地表水 该矿在后峪沟挡水坝下开采4号煤层时,产生的导水裂缝带达到水体底部,2017年5月18日,井下发现出水 5-6m3/h,2017年5月19日涌水量增大到30m3/h,5月25日达到峰值271m3/h,地面调查发现后峪沟挡水坝内原有的2.8万m3水体干涸及后峪沟溪流断流。 例3、太原东山煤矿六斜坡底板突奥陶系岩溶水, 东山煤矿1982年10月19日在一采区六斜坡开采15号煤层探水时,遇F11断层使煤层与奥陶系灰岩对接,在奥灰水1.76MPa的水压作用下发生了突水,从19日16时到25日,不到六天时间,就淹没了整个一采区,水位从699m上升到760m,突水7万余m3。经测算,当初突水量达540m3/h,之后稳定在近500m3/h左右,后来由于枣沟水源地的建立及观孟前水源地的开采,使水量逐渐下降,自1995年至今,突水量基本稳定在250m3/h左右,在堵水无效的情况下,为了不浪费水资源,修建了坑口发电厂。 例4、介休一些煤矿底板突奥陶系岩溶水 介休鑫峪沟现状开采5#、9#煤层。矿井设计生产能力为90万t/a。井田岩溶地下水水位912m,9#煤层采煤工作面标高600m,为带压开采。2017年6月22日下午6时, 90101综采工作面在安装调试过程中,底板发生突水,突水量600m3/h。2017年9月矿方与冀中能源防治水中心、河北煤炭科学研究院签订了合同,自2017年10月至2018年4月,开始向奥陶系含水层注浆,欲将奥陶系含水层改造成隔水层,已达到封堵得目的,半年时间向奥陶系含水层内注粘土、煤粉灰、水泥、干料等107294m3。 2018年6月14日下午,水利厅调研组在排水现场实测,排水量达720m3/h。 由于突水点距洪山泉排泄点较近,对洪山泉影响较大。 2018、10、14日,介休左则沟煤矿突奥陶系岩溶水水,1000m3/h。 四、 煤炭开采对地下水的污染 煤中含有有机硫、无机硫及元素硫及为了防火安全,井下不容许使用可燃的木材,改用金属材料,顶板维护、运输、采掘均使用金属设备,及采矿用的各种金属设备,他们在遇到矿井水是,硫、铁会溶解于水中,使水中硫酸根、铁离子增加,在开采期间由于不断的排水,大量的硫、铁不会溶解于水中,水中含量不会太高,水质经处理后还可以回用,但矿井闭坑后,不再排水,水可以长时间对它们进行溶解,导致水中硫酸盐、铁含量大幅度增加,对地下水造成极大污染。 例5、阳泉山底河小流域被污染 山底河流域面积58km2,位于山西省阳泉市,在娘子关泉域内,流域内原有28座煤矿,2005年通过煤矿整合为目前7座煤矿,北部所有小煤矿关闭。到2009年,流域煤系地层地下水开始从山底村通过闭坑矿井和石炭系底部K1砂岩出流地表,并很快进入下游碳酸盐岩渗漏区。 经2014年7月21日自2015年2月25日取样分析,水中TDS=4974.54mg/l、最大8946 mg/l;平均SO42--=3570.29mg/l,最大6227 mg/l;HB=2590.13mg/l,最大3798 mg/l;pH值=3.56,最低2.67。其流量平均值为7842.79m3/d;最大量为119806.3m3/d, 阳泉山底河关闭矿井排水照片 山底河位于娘子关泉域,娘子关泉域是我国北方最大的岩溶泉域之一,泉域总面积7436 km2。上世纪80年代前娘子关泉水的多年平均流量为12.6m3/s,是山西省阳泉市最主要的供水水源,担负着全市约80万人口的供水任务。矿坑排水在下游流过奥陶系灰岩裸露区,必将对岩溶水造成污染。 例6、太原西山牛家口污染地表水 矿井关闭多年,老窑水从夏石村附近出流,2016年5月2日取样分析,TDS=4475mg/L,HB=1885mg/L,SO42-=3256mg/L,pH=4.522。该矿下游就是著名的晋祠名胜风景区,皆为奥陶系灰岩出露区。 太原西山牛家口附近关闭矿井排水照片 例7、太原西山胡家咀煤矿老空水水质 2017年10月26日,西曲矿在西1072运输大巷架空线475#处探放的原胡家咀4#煤小窑老空水,化验结果:PH=2.64;Fe3+=1258mg/l;Fe2+=1036mg/l;SO42-=10819.69mg/l;TDS=13886mg/l;HB=2056.53mg/l;;HCO3-=0 mg/l;电导率8550µs/cm。 例8、山西柳林楼俊集团赵家庄煤矿老空水水质 赵家庄煤矿在2018年8月17日对1989-1997年期间形成的采空区积水委托山西省地质矿产研究院进行了分析,分析结果:PH=2.42 Fe3+=5778.5mg/l;SO42-=18029mg/l;AI3+=360mg/l;NH4+=400mg/l;TDS=22507mg/l;Mn=189.45mg/l;HCO3-=0 mg/l。对照(GB5749-2006)生活饮用水标准,铁超标19261倍,锰超标1893.5倍,硫酸根超标71倍,矿化度超标21.5倍,铝超标1799倍。 山西于2009年进行煤矿兼并重组,大量煤矿真正关闭也是在该时期,距今将近10年,在这期间,原有采空区空间小的矿井,积水已充满采掘空间,流出地面;采空区空间大的矿井,积水还未充满,随着时间的延续,关闭的矿井积水都将会充满地下采掘空间而流出地表。如果山西的煤炭资源被采空后,40%的国土面积上都流出这种高度污染的水,山西将会呈现一种什么样的局面。到那时,地表水干涸了,煤系砂岩水被变成了高度污染的矿坑水,流出的矿坑水又污染了岩溶地下水,山西人民在这片国土上将如何生存。 五、建议 1、规划好山西经济发展与煤炭开采的关系,对煤炭开采破坏水资源严重的区域严禁开采。 2、现开采条件下,加大对矿坑排水的处理及利用,严禁矿坑水不处理外排,而打深井开采岩溶地下水。 3、开采过程中使用的金属设施、设备,随着回采全部回收,不得遗留井下。 4、不得开采高硫煤。 5、煤矿闭坑后,一定要开采利用矿坑水,在地面向井下易积水的部位打开采井,不断的抽取积水,导致其循环加快,使水质不易变坏;抽出的水可以作为生产、灌溉、生态用水,缓解我省水资源紧缺的状况。 6、大力开展种树种草及水土保持工作及在灰岩地区打渗水井,提高入渗率及回灌水量,增加地下水储存量。 7、加强地下水净化技术的研究工作,提高矿坑水的处理率及降低处理成本。 作者简介:李振拴 山西静乐人 1956年生,教授级高工,山西省煤炭地质局原副总工程师,山西省委联系的高级专家。 参考文献: 牛仁亮、李振拴 2003 山西省煤炭开采对水资源的破坏及评价 中国科学技术出版社 李振拴 山西省煤炭开采对上覆裂隙水破坏及其利用研究 中国煤炭地质 2007 第19卷 第五期 p35-37 范堆相 山西省水资源评价 中国水利出版社 2005 韩行瑞 鲁荣安 李庆松 1993 岩溶水系统 山西岩溶大全研究 地质出版社 山西省煤炭工业局 山西省煤炭志 山西煤炭工业局 1985 山西省煤炭工业局 山西省煤炭统计年鉴 山西煤炭工业厅2005 山西省煤田地质局 山西省煤炭资源评价 1995 山西省水利厅、中国地质科学院岩溶地质研究所、山西省水资源管理委员会 2008 山西省岩溶泉域水资源保护 中国水利水电出版社 山西晋柳能源楼俊集团赵家庄煤矿9401工作面防治水工作汇报材料 2018 生活饮用水卫生标准 (GB5947-2006) 梁永平 娘子关泉域和山底河流域概况 2018 山西省水资源管理委员会 山西水资源 山西人民出版社 1993 13、《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006) 14、《关于洪山泉水干涸断流情况的调研报告》山西省水利厅 2018、6 15、西山煤电水化学实验室西曲矿水质检测分析报告2017、10、26 16、山西省地质矿产研究院 山西楼俊集团赵家庄水质检测报告 2018、8、17 |
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