馮克印，劉善軍，董強(qiáng)，齊孔讓

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083;2.山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，山東濟(jì)南 250014)

山東省主要礦山排水對(duì)地下水系統(tǒng)影響研究

馮克印1，2，劉善軍2，董強(qiáng)2，齊孔讓2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083;2.山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，山東濟(jì)南 250014)

山東省是一個(gè)礦業(yè)大省、經(jīng)濟(jì)大省，是我國(guó)重要的能源和黃金生產(chǎn)基地，同時(shí)也是水質(zhì)型缺水省份之一。礦產(chǎn)資源開采過程中，每年都有大量的井下礦坑水向外部環(huán)境排放，不但造成了地表水和淺層地下水污染，而且還引發(fā)了巖溶塌陷、海水入侵等次生地質(zhì)災(zāi)害。本文重點(diǎn)對(duì)山東省煤礦、鐵礦、金礦等主要的礦產(chǎn)資源開發(fā)引發(fā)的地下水系統(tǒng)影響進(jìn)行了研究，分析了主要開采礦山導(dǎo)致產(chǎn)生地下水疏干漏斗、引起區(qū)域地下水位持續(xù)下降，降低了地下水的調(diào)蓄能力，改變含水層的地球化學(xué)環(huán)境，地下水水質(zhì)進(jìn)一步惡化，致使地下水可利用資源量逐漸減少，該研究為有關(guān)政府部門督促礦山企業(yè)對(duì)礦坑水資源化綜合利用及水資源保護(hù)、減少礦山開采對(duì)地下水環(huán)境的影響提供參考。

采礦;疏干排水;地下水系統(tǒng);影響;山東省

0 引言

山東省礦山資源豐富，礦產(chǎn)種類較多，儲(chǔ)量大，分布廣，多年來，礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用為國(guó)家做出了巨大貢獻(xiàn)，同時(shí)也對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境造成巨大影響，隨著礦產(chǎn)資源開發(fā)規(guī)模和開發(fā)強(qiáng)度的增大，礦山環(huán)境地質(zhì)問題越發(fā)突出，地下采礦過程中的疏干排水及其對(duì)地下水系統(tǒng)的影響是其中比較突出的礦山地質(zhì)環(huán)境問題。礦山開采過程中，地下水可下降數(shù)十米甚至數(shù)百米，導(dǎo)致礦區(qū)及相鄰區(qū)地下水位大幅度下降，長(zhǎng)期的礦井疏干排水，形成以礦井為中心的大面積疏干漏斗區(qū)，致使采礦影響范圍內(nèi)的淺層地下水枯竭、泉水?dāng)嗔?、供水井干枯等環(huán)境地質(zhì)問題發(fā)生，嚴(yán)重影響人們的正常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，山東省煤、鐵、金及石膏礦等礦山排水量達(dá)3.82×108m3/a［1］。

1 山東省主要礦山分布概況

山東省礦產(chǎn)資源開發(fā)利用程度較高，開發(fā)利用的礦種主要為煤、鐵、金、石油等.截至2004年底，已累計(jì)發(fā)現(xiàn)礦產(chǎn)150種［2］，全省17個(gè)市毗鄰海域，均賦存有礦產(chǎn)資源，分布范圍十分廣泛。形成了棗莊－泰安－濟(jì)寧煤炭、膠東黃金、東營(yíng)－濱州油氣、淄博－濟(jì)南－萊蕪冶金以及膠東、魯中一些陶瓷和建材原料等礦業(yè)生產(chǎn)基地。其中含煤地層分布廣泛，主要集中分布于魯西隆起區(qū)，其次是魯東、膠濟(jì)鐵路沿線及濟(jì)南以西的黃河兩岸;鐵礦資源主要分布于魯中山地北緣，富鐵礦集中分布于萊蕪、金嶺、淄河、濟(jì)南等四大鐵礦區(qū);金礦產(chǎn)量居全國(guó)首位，主要分布于魯東地區(qū)的招遠(yuǎn)、萊州、平度、龍口、棲霞、蓬萊、乳山、牟平和魯中南地區(qū)的沂南、沂水、平邑等地，尤以招遠(yuǎn)－萊州地區(qū)金礦最多，儲(chǔ)量占膠東地區(qū)金礦總儲(chǔ)量的80%。

山東省煤田多分布于向斜盆地或凹陷沉積盆地內(nèi)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，煤田常被縱橫交錯(cuò)的斷裂切割成一些獨(dú)立的斷塊，地下水類型多樣，水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜;鐵礦成因類型較多，礦床的賦存方式、圍巖性質(zhì)以及構(gòu)造條件各異，水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度總體上較煤礦區(qū)次之;金礦產(chǎn)地分布于剝蝕低山丘陵區(qū)，基巖裸露，溝谷發(fā)育，出露地層主要為變質(zhì)巖類及燕山期花崗巖，礦區(qū)地下水類型單一，以花崗巖風(fēng)化裂隙水和金礦脈構(gòu)造裂隙水為主，礦山水文地質(zhì)條件最為簡(jiǎn)單。由于礦山水文地質(zhì)條件不同，因此，礦山開采排水對(duì)地下水系統(tǒng)造成的破壞和影響差別較大。本文以山東省主要的煤礦、鐵礦、金礦類型為例來分析礦山開采排水對(duì)地下水系統(tǒng)造成的影響。

2 主要礦產(chǎn)開發(fā)對(duì)地下水的影響分析

2.1 煤礦礦山排水對(duì)地下水系統(tǒng)的影響與破壞

煤田礦井排水水源主要包括下列充水巖層的水源:①煤層頂板砂巖裂隙水;②煤層頂板薄層灰?guī)r巖溶裂隙水;③石炭系中統(tǒng)徐家莊灰?guī)r巖溶裂隙水;④奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r巖溶水。第四系覆蓋的隱伏煤田，第四系砂礫石層孔隙水通過半疏干的煤系砂巖等充水巖層間接進(jìn)入礦井，成為礦坑水間接水源，其中礦井以疏干砂巖和薄層灰?guī)r涌水為主。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)［3］，全省煤礦礦井年均排水量約為3.7×108m3。其中疏干煤系含水層涌水量約占70%左右，奧灰水約占20%～30%，部分煤田區(qū)奧灰水排水量可達(dá)40%以上，如新汶礦區(qū)華豐礦的奧灰水疏干排水量為5.8m3/min，占礦區(qū)總排水量的43%。由于采煤的順序?yàn)樽陨隙麻_采，因此礦井不同開采層位下的礦井排水量將直接影響著其對(duì)礦區(qū)地下水資源的破壞程度。隨著采煤向縱深發(fā)展，上層各含水層的地下水儲(chǔ)量被疏干，形成不斷擴(kuò)大的地下水降落漏斗，因而浸潤(rùn)線的比降越來越大，礦坑的疏干能力和強(qiáng)度加大，降落漏斗影響范圍內(nèi)的含水層調(diào)蓄能力減弱，地下水位大幅度下降。當(dāng)煤層開采到一定深度后，礦井排水除了上層疏干補(bǔ)給外，尚增加了相鄰煤層之間的地下水含水層疏干補(bǔ)給量，下層煤開采程度越深，增加的補(bǔ)給量越大。長(zhǎng)期的大量排水，導(dǎo)致了以礦井為中心的疏干漏斗區(qū)，其影響范圍可達(dá)10km2至數(shù)10km2。如濰坊市坊子礦區(qū)的地下水疏干面積達(dá)15km2以上［3］。雖然煤層之上各含水層富水性大都較弱，不具備作為大、中型城鎮(zhèn)供水水源地能力，但可解決部分村鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)及生活的用水問題。特別是經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)較薄弱的地區(qū)，煤系含水層及第四系孔隙水可構(gòu)成其主要供水水源，因此，這部分水源減少或枯竭，將給礦區(qū)影響范圍內(nèi)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活帶來很大困難。如新泰市南鮑村，1971年前，村民飲水井地下水位埋深僅1～2m，局部有泉噴涌出，由于汶南礦的大量排水，礦區(qū)地下水位降至百米以下，致使泉水?dāng)嗔?，多處水井干涸，給當(dāng)?shù)厝罕姷纳詈娃r(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來諸多不便［3］。

煤礦礦井排水不僅對(duì)煤系含水層造成一定影響破壞，當(dāng)開采煤層達(dá)到一定深度時(shí)，將對(duì)下伏奧灰水(C～P型礦山)造成不同程度影響。一方面當(dāng)開采石炭系底部煤層時(shí)，為防止煤層底板突水，必須對(duì)徐家莊灰?guī)r含水層進(jìn)行降壓疏干，而長(zhǎng)期的疏放徐家莊灰?guī)r水，將會(huì)導(dǎo)致奧灰水由徐灰水涌入礦坑。在有斷裂、裂隙溝通的情況下，將產(chǎn)生巖溶水底板突水，其結(jié)果是在大量?jī)?yōu)良水轉(zhuǎn)化為礦坑水的同時(shí)，致使礦區(qū)地下水水位急劇下降。如1985年5月14日，淄博夏莊礦二井在－430m(埋深600m)水平遇斷層突水，瞬時(shí)突水量達(dá)3259.8m3/h，礦井涌水量由正常的2× 104m3/d增加到5×104m3/d，在距突水點(diǎn)370m處的34號(hào)觀測(cè)孔水位由101.72m降至－88.70m，最大降深達(dá)190m，118號(hào)孔水位亦比歷年同期水位下降30m，突水影響半徑達(dá)5.7km。城區(qū)部分自備井亦由于水位大幅度下降而不斷出現(xiàn)吊泵、枯井現(xiàn)象，城市供水系統(tǒng)遭到破壞，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1500萬元［4］。

另一方面，當(dāng)下伏巖溶水壓力水頭低于礦坑水位時(shí)，礦坑水將滲漏補(bǔ)給下伏巖溶水，從而對(duì)巖溶水造成“串層”污染［5］，使地下水可利用資源量減少。如淄博煤田，20世紀(jì)90年代末，國(guó)有煤礦相繼閉坑后，隨著礦山停止排水，洪山－寨里煤礦一帶礦坑水位急劇上升，巖溶水受到了明顯污染，面積達(dá)到50km2多。其中，洪山煤礦大吊橋133號(hào)孔成井時(shí)奧灰水中硫酸鹽含量為78mg/L，總硬度332mg/L，礦山閉坑停止排水后，含量分別急劇上升到1320.82mg/L和1664.0mg/L，對(duì)巖溶水造成了嚴(yán)重污染［3］。

2.2 鐵礦礦山排水對(duì)地下水系統(tǒng)的影響

省內(nèi)熱液交代式及接觸交代式鐵礦床大都沿火成巖侵入體與奧陶系灰?guī)r接觸帶分布，中奧陶系石灰?guī)r和大理巖裂隙巖溶水為礦床直接充水水源。裂隙巖溶發(fā)育，含水豐富，不但對(duì)采礦造成威脅，使大量鐵礦至今無法開采，而且采礦過程中的礦井大量排水又使礦區(qū)巖溶水資源量大量減少，加劇了供排矛盾。

灰?guī)r巖溶水水質(zhì)大都良好，是山東省城市和工礦企業(yè)的重要供水水源，而熱液交代式或接觸交代式鐵礦分布區(qū)又大多是大、中型供水水源的所在地，因此，礦井排水對(duì)水源地的正常運(yùn)行起著舉足輕重的作用。為既能采出地下礦產(chǎn)，又能最大限度保護(hù)地下水資源，濟(jì)南張馬屯鐵礦采用大型帷幕注漿工程，堵水90%以上，既有效的保護(hù)了地下水資源，又節(jié)約了采礦成本，礦區(qū)年均排水量?jī)H620×104m3，相比之下，萊蕪、淄博礦區(qū)采礦中主要采用全面疏干排水方式進(jìn)行開采，礦井排水對(duì)奧灰水影響較大，1988年淄博黑旺礦區(qū)在采深55m水平、排水量為1800×104m3/a時(shí)，地下水位即由采前(1959年)的140m左右降到55m，疏干降深達(dá)85m，并形成了NNE向約50km2的疏干漏斗區(qū)［4］。

萊蕪鐵礦諸礦區(qū)自20世紀(jì)50年代末相繼擴(kuò)建采礦以來，由于大量疏干巖溶地下水，導(dǎo)致礦區(qū)地下水位大幅度下降，并形成了以礦井為中心的大面積疏干漏斗區(qū)。在其影響范圍內(nèi)，不僅使淺層地下水資源枯竭，泉水干涸斷流，同時(shí)還誘發(fā)了一系列礦山環(huán)境地質(zhì)問題，如巖溶地面塌陷等［6］，礦區(qū)南部著名的郭娘泉群、牛王泉群等，早在20世紀(jì)70年代便相繼干涸。近年來，隨著礦山采掘規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，礦區(qū)巖溶水采排量與日俱增。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，礦區(qū)地下水采排量已達(dá)4401.9×104m3/a，其中礦井疏干排水量1922.17×104m3/a，約占43.7%。地下水超采使礦區(qū)地下水疏干漏斗范圍、地下水位埋深逐年增大，如葉莊礦區(qū)巖溶水漏斗中心水位埋深已達(dá)97.20m，僅葉莊礦－馬莊礦一帶就分布有自來水廠、鋼鐵公司、電廠等9個(gè)單位的20余眼供水井，日均采排地下水量11.82×104m3，其中兩礦的礦井疏干排放量居首位，達(dá)5.026×104m3/d，占該區(qū)地下水總開采量的42.5%［3］。因此，鐵礦礦井排水亦是礦區(qū)巖溶水水位下降的主要原因之一。

2.3 金礦礦山排水對(duì)地下水系統(tǒng)的影響

山東金礦主要分布于膠東低山丘陵區(qū)，礦區(qū)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，礦井坑道充水水源主要為礦脈構(gòu)造裂隙水，因其補(bǔ)給源貧乏，富水性差，且不同礦脈構(gòu)造裂隙水含水層之間無水力聯(lián)系，因此，金礦礦井排水對(duì)礦區(qū)地下水資源影響程度一般較輕。

綜上，在礦產(chǎn)資源的開發(fā)過程中，深部礦層的大規(guī)模開采，引起區(qū)域地下水位的持續(xù)下降，降低了地下水的調(diào)蓄能力，改變了地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄條件。地下水由采礦前的以水平運(yùn)動(dòng)為主，變?yōu)橐源瓜蜻\(yùn)動(dòng)為主。地下水動(dòng)力條件的改變以及疏干漏斗的擴(kuò)展和加深，導(dǎo)致了開采漏斗范圍內(nèi)的部分地下水蒸發(fā)量和排泄量轉(zhuǎn)化為礦坑水補(bǔ)給量，并增加奪取上游地區(qū)優(yōu)質(zhì)含水層的徑流量和相鄰含水層的部分越流量，致使地下水可利用資源量逐漸減少。山東省地下水資源供水狀況并不樂觀，大多數(shù)地區(qū)的地下水位持續(xù)下降，半數(shù)以上的城市供水告急。在工農(nóng)業(yè)爭(zhēng)水矛盾日益突出的情況下，全省每年約有2×108m3的礦井排水未受到合理利用，這對(duì)本已寶貴的地下水資源來說，無疑是一種莫大的浪費(fèi)和破壞。

此外，地下水位的大幅度下降將改變含水層的地球化學(xué)環(huán)境，導(dǎo)致地下水水質(zhì)的進(jìn)一步惡化。隨著地下水位的下降，空氣將進(jìn)入含水層被疏干地帶，促使巖層、礦層中硫、鐵等化合物的氧化作用加強(qiáng)。當(dāng)含水層被疏干后，硫氧菌類的出現(xiàn)，更加劇了金屬硫化物的氧化過程。如硫鐵礦在還原環(huán)境下很穩(wěn)定，幾乎不溶于水，但在氧化環(huán)境下則易于氧化溶解，硫化礦在氧化作用下生成硫酸根和重金屬離子含量極高的酸性礦坑水。如西河鎮(zhèn)西河礦礦坑水［4］:pH值為3.1，硫酸根和總鐵分別高達(dá)4352.33mg/L和404.75mg/L;招遠(yuǎn)玲瓏礦田西山礦坑水:pH值為2.15，Cu、Zn含量分別高達(dá)46.50mg/L和70.50mg/ L。而礦坑水中的H2SO4又是一種強(qiáng)氧化劑，它不僅將圍巖中的方解石、菱鐵礦、菱鎂礦等變得易于溶解，使地下水總硬度升高。同時(shí)，由礦井排至地表的酸性礦坑水，在通過飽氣帶入滲補(bǔ)給地下水的過程中，可與飽氣帶中的鈣、鎂碳酸鹽發(fā)生中和反應(yīng)，形成高硬度的水而污染地下水源，從而導(dǎo)致地下水水質(zhì)的進(jìn)一步惡化。

3 結(jié)論

山東省礦山疏干排水對(duì)地下水系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在二個(gè)方面，一是形成地下水疏干漏斗，引起區(qū)域地下水位持續(xù)下降，降低了地下水的調(diào)蓄能力;二是人為改變含水層的地球化學(xué)環(huán)境，導(dǎo)致地下水水質(zhì)進(jìn)一步惡化。因此，要實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源開采與地下水資源保護(hù)和諧規(guī)劃，首先要將礦產(chǎn)資源開采中的礦坑水視同共生礦產(chǎn)資源，從政策上要求實(shí)現(xiàn)礦坑水的資源化，提高礦坑水的綜合利用率，而不能僅僅作為礦井水害、水災(zāi)、污染水加以防治和任意排放;其次，對(duì)嚴(yán)重缺水、生態(tài)環(huán)境脆弱的礦區(qū)，不管預(yù)期的短期經(jīng)濟(jì)效益多大，均應(yīng)符合“保水為主、采礦為輔”的原則，在不破壞關(guān)鍵地下水資源的前提下，進(jìn)行礦產(chǎn)資源的適度開發(fā)。

［1］孔慶友，康鳳新，李守昌，等.山東省礦山主要地質(zhì)災(zāi)害及其防治對(duì)策［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2005，16 (1):72－76.

［2］彭方思.山東礦產(chǎn)資源現(xiàn)狀與對(duì)策分析［J］.山東國(guó)土資源，2005，21(12):40.

［3］董強(qiáng)，常允新，劉洪亮，等.山東省礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查與評(píng)估報(bào)告［R］.濟(jì)南:山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，2004.

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［6］常允新，王振濤，溫永泉，等.萊蕪市礦山排水對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響分析［J］.山東國(guó)土資源，2007，23(6):33－ 35.

Abstract:Shandong Province is a mining province，the great province and is an important base of energy and gold，also one of the provinces of a scarcity on clean water.A great volume of underground mine water is discharged to the external environment every year during mining of mineral resources.It not only made the surface water and shallow groundwater contaminated，but also led to collapses，sea water intrusion and other secondary geological disasters.The authors discussed the impacts on underground water system caused by development of coal，iron ore，gold and other major mineral resources in Shandong province，and analyzed that the major mining led to groundwater drainage funnel，caused the water table to decline，reduced regulation and storage capacity of groundwater，changed the geochemistry environment of aquifer to further deterioration of groundwater quality and the availability of groundwater resources decreased.The research provided references for the relevant government departments to urge mining enterprises to utilize the mine water，to protect water resources and to reduce groundwater mining impacts on the environment.

Key words:mining;mine water drainage;groundwater systems;Shandong Province

Mine drainage influence on groundwater systems to in Shandong Province

FENG Ke-yin1，2，LIU Shan-jun2，DONG Qiang2，QI Kong-rang2
(1.China University of Geosciences，Beijing100083，China; 2.Shandong Monitoring Center of Geological Environment，Jinan250014，China)

1003-8035(2010)03-0125-04

P641.5

A

2010-03-21;

2010-04-21

馮克印(1970—)，男，博士，研究員，從事水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)及地質(zhì)災(zāi)害勘查與研究。

E-mail:fengkeyin2006@126.com