大面积采动矿区水环境灾害特征及防治措施

李喜林，王来贵，苑 辉，李建新

（1.辽宁工程技术大学 建筑工程学院，辽宁阜新 123000；2.辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁阜新 123000；3.天津市滨海新区管委会 土地整理储备中心，天津 300450）

全球矿山经历长时间过度的、与环境不协调开采后，废弃矿山迅速增加，所伴随的特有的环境与地质灾害正在发生或处于潜在的发展之中。俄罗斯近年关闭数百座非赢利性亏损煤矿，造成大面积地下水和地表水污染［1］；美国马里兰州的大约450个煤矿中，近150个煤矿外排酸性矿井水污染河流，造成当地动植物大量死亡［2］；我国两淮、唐山、铁法、双鸭山等地，采矿破坏了地表、地下水系，形成了大面积低洼区，成为污垢汇集之地；阜新市由于采矿诱发水资源流失，目前市区人均占有水资源量仅为220 m3/（人年），不足全国平均水平的 1/10［3］。

据统计，在中国现有的426座矿业城镇中，成长期有84个，占19.7％；鼎盛期291个，占68.3％；衰退期51个，占12％。继2007年国家确定首批12个资源枯竭城市之后，2009年又确定了第二批32个资源枯竭城市。据专家预测，在未来的二十年内，我国各类矿山又将有近百座矿区城市（镇）资源枯竭［4］。由于长时间大面积开采，致使在漫长地质年代中形成的原始地层结构，水、气循环系统与生态环境系统遭到严重破坏，水资源大量流失，水污染日益加剧。

阜新是我国典型的矿业资源枯竭型城市。阜新新邱煤矿区是阜新八大煤田之一，是阜新煤田矿山环境及地质灾害的重灾区。该区开采历史悠久，自1897年开采至今，已有100余年历史。研究新邱矿区水环境灾害特征及防治措施，无疑对我国废弃矿区水环境灾害治理具有重要的参考价值和实际意义。

1 新邱矿区地质环境条件

阜新新邱矿区介于医巫闾山山脉和小松岭山脉之间狭长盆地的东部边缘，境内地形起伏较大，为低缓丘陵地貌，属中生代成煤盆地沉积区的东部边缘，矿区全貌如图1所示。该区为中生界白垩系上统阜新组含煤地层，岩性多为浅灰色，灰色及灰白色砂岩，砂砾岩、灰黑色页岩、砂页岩等。含有六个可采煤层群，由老至新为下层群、中层群，上层群、最上层群和新层群等，共计29个可采煤层。下伏九佛堂组含煤地层，上覆第四系坡洪积及冲洪积层，为松散的砂及亚砂土，亚粘土等堆积的表土层，厚4.0～15.0m。矿区内地下水为第四系松散岩类孔隙水及基岩裂隙水两种类型。含水层主要受大气降水补给，地下径流及矿坑抽水方式排泄。由于矿坑排水影响，区内第四系水已被疏干。通过对所搜集资料统计，整个露天矿坑涌水量一般在100～150m3/h。从多年的生产实践看，井田局部有裂隙水存在，实际采掘过程中所见的裂隙水，都不大，而且裂隙是局部的，在未采动前，并不与外界相通。

图1 新邱矿区全貌Fig.1 Panorama of Xinqiu mine area

2 水环境灾害类型及特征

新邱矿区始采于1887年，至1988年闭坑，有100余年开采历史，在露天煤矿周边范围内形成14km2的矿山地质环境、生态环境极其恶劣地带。矿区目前已进入资源枯竭期，大面积衍生水环境灾害频发、蔓延，地下采矿形成立体交错的硐室，引起地面沉降、塌陷、地裂缝等变形、破坏，占用和毁坏山林、草场和耕地等。即使在停采后，地层结构长时间不稳定，继续大规模变形、破坏等地层结构演化。在地层沉陷过程中，相应伴生水系调整和水体污染，影响面远远超过沉陷区存在的空间范围。主要水环境灾害类型有水资源流失、废旧地下采场和露天矿坑积水、地下和地表水质污染等。

2.1 水资源流失

新邱矿区矿床开采方式包括露天开采和地下开采两种。露天采矿导致边帮变形、松动、水资源流失，地采引起地层冒落、裂缝、变形、松动等形成降水漏斗。采矿破坏了地下蓄水构造，降低了地下水调蓄能力；随着采矿向纵深发展，上含水层地下水被疏干，形成了降落漏斗，地下水位大幅度下降。新邱露天矿坑内部呈不规则盆地，最低处标高为+3.7m，矿区地面标高211m，露天矿坑地下疏干水位 2006年已达-20m。新邱露天矿及周边地下开采停止后，不再进行强排地下水，地下水位将逐渐上升。沿矿坑煤岩层走向方向作一剖面，其概化与剖分模型如图2所示。

图2 渗流区域剖分图Fig.2 Subdivision graph of in filtration area

在描述采动地层水系流动时，仍认为地层为连续介质，渗流符合达西定律，水流为饱和流，则描述采动地层水系流动的数学模型为［5］：

初始条件为

式中：H——总水头；

K——渗透系数；

μ——贮水系数；

S1和 S2——已知边界。

（1）～（4）式组成数学模型。

根据近年监测水位变化，以2006年为起点，依据建立的采动地层水系流动数学模型预测未来二十年地下水位的发展趋势。初始总水头变化见图3，五年总水头变化见图4。2011年6月现场监测显示，矿坑内地下水位恢复至0.09m，与图4预测结果吻合良好，可以看出预测模型的可靠性。由此，预测20年水头变化，结果如图5所示。可以看出，20年后地下水位能恢复到+30m左右。

图3 初始总水头变化Fig.3 The initial total head change

图4 五年总水头变化图Fig.4 The total head of 5 years change

图5 二十年总水头变化Fig.5 The total head of 20 years change

地下水位的大幅上升，需要我们在废弃矿坑利用时做好预测和评估工作，采取有效措施，防止次生灾害的发生。例如，目前某煤化工项目年排放粉煤灰渣280×104m3，拟将矿坑作为灰渣堆存场，以取得矿坑回填和灰渣堆存的双赢，笔者认为其中关键问题之一便是防渗系统的设计，以防地下水位上升形成浸泡及大气降水淋溶，造成地下水更严重污染。

2.2 废旧地下采场和露天矿坑积水

新邱露天矿生产过程中，每年花费大量的资金拦截疏导地表水，聚集在坑底的积水通过排水系统疏干。露天矿闭坑后，坑内水源主要由大气降雨、地表水渗流、河流渗透、工业和民用废水排放及地下水进行补给，形成人工湖泊，可能并发地下水质污染、边坡岩石软化、诱发矿区地震等相关灾害。露天矿坑南部一积水坑如图6所示。露天采场深部的积水，还可能造成采矿井突水被淹、冒顶、片帮等事故灾难，引起露天开采边坡和矸石山的滑坡、崩塌、失稳，岩体滑移，甚至诱发矿震等一系列的矿山地质环境问题，直接影响采场周边井工煤矿的正常的安全生产，需要采取有效措施预防灾害的发生。

图6 露天矿坑南部积水Fig.6 Water accumulated in the south of open pit coal mine

另外，在大面积采动影响下，地层、岩层结构破坏形成不同尺度的裂纹、裂隙和断裂并贯通，揭露和串通了许多个不同的含水层。矿山废弃后，地层结构长时间不稳定，继续大规模变形、破坏等地层结构演化，地下水动力场将变得异常复杂，采矿导致的塌陷及断裂、裂隙，沟通了地表径流、地下蓄水构造与矿坑、上含水层与矿坑之间的水力联系，使地表、地下径流渗透汇集到废旧采空区，形成地下暗湖。新邱矿区采矿遗留下的废旧采场、巷道等地下空间达1×108m3以上。积水中的酸性、碱性、毒性、含重金属矿物、有机物、微生物等通过采动造成的裂隙扩展连通、人为施工的各类井孔以及断层构造形成串层污染。图7为通过室内土柱实验模拟的废弃煤矿矿井水通过饱和煤岩体入渗对地下水污染机理研究中，矿井水淋滤试验渗出液各离子浓度变化曲线。从图7可以看出，淋滤渗出液中总硬度、硫酸根、氯离子最初浓度较低，随后浓度值升高，出现最大值后开始下降，最后趋于稳定，稳定值与所用淋溶矿井水浓度相当，说明土柱对污染物失去截留能力。用水岩作用机理分析可知，硬度、硫酸盐、氯化物在开始时都先被岩石吸附，进行运移累积，很快达到吸附平衡后，发生溶解和解析作用；硬度曲线达到最高点后的降低，体现出了离子交换作用［6］。

图7 矿井水淋滤试验渗出液各离子浓度变化图Fig.7 The exudate ionic concentration change chart under the condition of mine water leaching

2.3 矿区地表和地下水质污染

表1为新邱矿区2007年测得矿井抽排水和河流水质监测结果，监测点包括新邱露天矿坑（1#）、大岗岗矿排水口（2#）、长兴矿排水口（3#）和南湖水库（4#）。

表1 研究区域各监测点水质监测数据Table 1 Data of water quality of supervised points in investigated section

从表1可以看出，按《地下水质量标准》（GB/T14848-93）中Ⅲ类水质标准评定，各监测点污染物相对标准值不同程度超标［7］。其中，总硬度最大超标值19.3％，氯化物最大超标值68％，硫酸盐最大超标值169.6％，总铁最大超标值163.3％，锰最大超标值570％，氟化物最大超标值80％，矿化度最大超标值363.6％。

在新邱矿区，矿区内矿井水污染物来源于煤岩体与水发生水岩作用溶出污染，井下粪便的污染，煤、砂尘的污染，废坑木的腐烂污染，废机油、废酸液的污染，井下洒水及防火灌浆水的污染等。污染的矿井水外排后，在地表径流过程中，造成地表水体污染，污染的地表水体在其径流途径中又渗透补给地下水引起地下水的污染。

矿区内水质污染的原因，除了矿井水引起之外，煤矸石和尾矿淋溶液的渗入也是影响水污染的主要因素。新邱矿区有大面积的矸石山和尾矿。据统计，目前新邱矿区累计煤矸石堆积量2.5×108m3，压占土地20km2，由采矿形成的矸石遍布全区［8］。这些煤矸石在淋滤作用下渗入地下、地表沉陷区、露天矿坑和地下废旧采场，同时尾矿库所溶解大量的剧毒物质也将进入地下水系，形成污染。由于污染严重，新邱市政供水水源地早已被迫关闭，现利用东部大巴乡八道河周边地下水供城镇居民饮用，上述状况涉及和影响区域远远超过井田分布的范围。虽然目前矿山已废弃，但地层结构长时间不稳定，可能会继续大规模变形、破坏，从而影响地下水资源和地下水循环系统，未来地下水水质污染可能不会减轻。美国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便是最好的例子［9］。

3 防治建议

（1）积极申请国家矿山地质环境治理资金，进行地质环境灾害治理工作。具体工作包括：将矿区内（包括河道附近）煤矸石、生活垃圾、建筑瓦砾进行清理，回填塌陷坑，植树造林，进行生态环境重建，以使包括水环境在内的矿区环境得到改善。

（2）利用某煤化工企业大量废灰渣无处堆放机会，积极和企业协商，用灰渣回填废弃矿坑，以解决矿坑回填物需用量大问题，从而达到双赢，但要特别注意做好灰渣场地层防渗设计和施工工作，以防造成矿区水体更大污染。

（3）针对矿井水外排造成的水资源浪费和水环境污染，新建防排水设施及净水厂，对矿井水进行处理，为矿区复恳绿化、植被恢复、生态重建提供充分的水源。

（4）充分依靠利用辽宁省、阜新市地质环境监测站对矿区地质环境长期监测和积累的地表水环境、地下水动态、地下水环境、地质灾变等方面的基础数据和监测手段，对地表水、地下水、大气、土壤、岩石的环境污染进行监测，建立环境保护和灾害防治方面的地理信息系统（GIS），为矿区环境治理提供可靠参考数据。

4 结论

阜新新邱矿区露天煤矿周边范围内形成14km2的矿山地质环境、生态环境极其恶劣地带，属于大面积采动矿区。区内伴生主要水环境灾害类型有水资源流失、废旧地下采场和露天矿坑积水、地下和地表水质污染等。从水资源流失角度，矿区内降水漏斗形成明显，目前正在逐渐恢复，经预测，20年地下水位能从-20m恢复到+30m左右；露天矿坑和地下采空区形成积水，积水中的污染物在入渗过程中，通过运移累积、吸附转化、溶解解析和离子交换等水岩作用对地下水产生污染；矿区内地表水和地下水污染严重，造成新邱市政供水水源地关闭，当地居民只能异地取水。因此，对新邱矿区进行水环境灾害治理具有很强的必要性和紧迫性，建议采用矿山地质环境治理、和企业合作、修建防排水及净水设施、水环境监测等手段，以使矿区环境得到根本改善。

［1］虎维岳，李忠明，王成绪.废弃矿山引起的环境地质灾害［J］.煤田地质与勘探，2002，30（4）：33-35.HU Weiyue，LI Zhongming，WANG Chengxu.Geological environmental hazards caused by abandoned m ine［J］.Coal Geology ＆ Exploration，2002，30（4）：33-35.

［2］Sowmya Bulusu，Ahmet H.Aydilek M.ASCE，et al.Remediation of abandoned mines using coal combustion byproducts ［ J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2005，131（8）：958-969.

［3］王来贵，潘一山，赵娜.废弃矿山的安全与环境灾害问题及其系统科学研究方法［J］.渤海大学学报（自然科学版），2007，28（2）：97-101.WANG，Laigui，PAN Yishan，ZHAO Na.Safety and environment hazard problem and research method of system science of discarded mine［J］.Journal of Bohai University（Natural Science Edition），2007，28（2）：97-101.

［4］王来贵，刘向峰，吕明海，等.资源枯竭城市衍生灾害中的环境岩石力学问题［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（15）：2715-2717.WANG Laigui，LIU Xiangfeng，LU Minghai，et al.Problems of environmental rock mechanics in derived calamities of resources exhaustion cities［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（15）：2715-2717.

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［7］GB/T14848-93，地下水质量标准［S］.GB/T14848-93，Quality standard for ground water［S］.

［8］赵明鹏.阜新地区矿山地质灾害及其防治对策［J］.中国地质灾害与防治学报，2000，11（4）：64-68.ZHAO Mingpeng.Mining geological hazard and its control countermeasure in Fuxin region［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2000，11（4）：64-68.

［9］P.Newbrough，C H Gammons.An experimental study of water-rock interaction and acid rock drainage in the Butte mining district，Montana ［J］.Environmental Geology，2002，41：705-719.