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邯邢煤矿区矿床水环境问题调查评价
2015-03-26
邯邢煤矿区是我国华北地区的重要煤炭基地之一，煤炭资源丰富，开采历史悠久。邯邢煤矿区是典型的岩溶大水矿床，长期面临“煤水共存”的问题，水环境问题十分突出。特别是近年来随着开采深度的增加，矿井为防止奥灰水突水，大量疏排地下水，致使地下水水位大幅度下降，造成泉群断流、水质污染、水资源浪费、当地供水短缺等一系列水环境问题。这引起国家决策部门和有关专家的高度重视，客观现实要求必须系统总结研究矿区及区域水文地质条件及其水环境变化，查明煤矿开采引发的主要水环境问题，评价煤矿开采对矿区、区域地下水系统和地下水资源的影响，为科学论证研究煤炭资源开采和地下水资源合理开发利用方案、保障可持续发展提供基础资料。
由中国煤炭地质总局水文地质局勘查院承担的地质大调查项目“邯邢煤矿区矿床水环境问题调查评价”，在充分收集前人工作成果的基础上，以现在地下水系统理论、地质环境等地学理论为指导，采用“3S”（RS、GIS、GPS）等新技术、新方法，通过SPOT5遥感解译和1:5万、1:2.5万实地调查相结合的方法，辅以适当的室内外测试、环境地质监测等手段，在查明矿区存在的主要水环境和其他地质环境问题的基础上，通过研究分析邯邢煤矿区及所处岩溶水系统地下水变化规律和地质环境问题变化情况，对煤矿开采历史、水环境问题、矿井涌突水量、地下水开采量、地下水水位动态、泉流量等进行了动态对比分析、相关分析研究，查明了矿区煤炭开采与地下水之间的相互制约与影响关系，特别是对奥陶系岩溶裂隙地下水的影响程度，运用MODEL FLOW数值模拟软件对煤矿开采条件下奥陶系岩溶地下水流场变化趋势进行了预测评价，提出了煤矿开采水资源综合利用和区域地下水资源保护对策和措施。该项目工作历时2年（2007～2009年），主要完成人有白喜庆、沈智慧、吴振岭、李连娟、秦鹏、段建华、石少洲、王炳强、许超、陈峰。项目成果获2014年度河北省煤炭工业科学技术一等奖。
一、主要成果
项目组共收集各类勘探研究成果57份、地表地下水监测资料108个点（1965～2008年），1:2.5万遥感解译
1．查明了峰峰矿区、邢台矿区所处岩溶水系统资源量
峰峰矿区地处黑龙洞岩溶水系统，岩溶水系统岩溶地下水年平均资源量为：1959～1979年38027.40×
2．查明了邯邢煤矿区的主要水环境问题
矿井疏排水量大，利用率低，浪费水资源；泉流量逐年减小至断流、干枯，供水井吊泵、报废引发工农业供水矛盾；岩溶塌陷地质灾害危险性增大，生态环境退化；岩溶地下水水位大幅下降，形成多个区域性降落漏斗，改变了岩溶地下水补、径、排条件，缩短了岩溶地下水径流途径，导致岩溶水系统调节功能衰退；矿井水及煤矸石堆淋滤污染水、土环境。
3．研究了煤、铁矿开采对岩溶地下水的影响
煤、铁矿开采直接或间接疏排岩溶地下水，对岩溶地下水影响大，并有随开采规模增大，开采深度加深，呈影响增大的趋势。其中，黑龙洞岩溶水系统主要受煤炭开采影响较大，受铁矿开采影响较小；百泉岩溶水系统主要受铁矿开采影响较大，其次为煤炭开采影响。
4．邯邢煤矿区煤炭开采对岩溶地下水资源的影响主要通道是断层，次为陷落柱、采动裂隙
断层主要是通过勾通岩溶水与煤系含水层，间接或切割破坏煤层底板直接疏排岩溶地下水。据统计，与断层有关的涌突水次数，峰峰矿区占总突水次数的90%以上；邢台矿区占总突水次数的60%以上；陷落柱突水在邯邢煤矿区虽不多见，但其突水规模大，影响也大。控制、影响矿井涌突水量和突水危险性的主要因素为水头压力、底板隔水层厚度、水头压力、富水性、开采深度、开采强度等。邯邢煤矿区煤炭资源主要分部于岩溶水系统径流区，可采煤层埋藏较深、水头压力大、富水性强，煤矿井普遍涌水量大，突水危险性大。特别进入21世纪以后，相对较浅的上组煤炭资源逐渐减少，开采深度逐年增加，矿井涌突水量、突水危险性越来越大。
5．查明了岩溶水主要污染源
主要污染源为工业废水（包括煤矿及相关产业），次为生活污水、农业退水。其中与煤炭有关的污染源为矿井水、炼焦冲焦水、洗煤水、电厂废水。2007年峰峰矿区矿井排水总量达120531.2万m3，煤矸石堆存量9855.33万吨，占地面积
6．查明了岩溶水系统流场特征
（1）黑龙洞岩溶水系统为一包括黑龙洞、白龙洞、紫山三个子泉域在内的既有水力联系又有各自排泄泉点的统一岩溶地下水系统。受煤铁矿和人工开采的影响，白龙洞泉、紫山泉、黑龙洞泉断流、干枯，形成三个完全独立的岩溶水系统，地下水排泄方式转为以人工开采和矿井疏排为主。百泉岩溶水系统为一具有统一排泄途径的独立岩溶水系统，受煤铁矿和人工开采的影响，泉群断流干枯，形成南北两个相对独立的人工漏斗, 地下水排泄方式完全转为人工开采和矿井疏排。受排泄条件变化的影响，地下水径流途径变短，径流方向改变。
（2）受大气降水影响控制，岩溶地下水动态大约每十年为一个大周期，每一年为一个小周期，相对大气降水有一定的滞后性，具有集中补给、长期消耗、周而复始的周期性变化特点。天然状态下，地下水水位、泉流量多年相对稳定，在一定的范围内波动，一般山区滞后降水10～30天，径流区滞后2～3个月左右，呈相对稳定的周期性变化，属于典型的气象型动态。受煤矿、铁矿和人工开采的影响，岩溶地下水水位逐年下降，径流区滞后时间缩短为1～2个月，呈衰减状态下的周期性变化，转变为人工–气象型动态。现峰峰矿区南部矿井疏排水漏斗中心水位已低于黑龙洞泉群出露标高，邢台矿区径流区水位已普遍低于泉群出露标高30～50m。
（3）20世纪80年代以前，岩溶地下水流场反映的是补给与泉排关系为主要矛盾的自然流场形态，形成以泉群为中心的区域性岩溶洞地下水水位降落漏斗，流场形态主要受地形地貌、地质构造和水动力条件等自然因素的制约；20世纪80年代以后，随着煤矿、铁矿疏排水量和人工开采量的急剧增加，围绕煤矿、铁矿和集中开采水源地逐渐形成人工降落漏斗，降落漏斗随矿井数量和人工开采水源地的增加而逐年增多，影响范围及降深逐年增大，岩溶地下水流场逐渐由天然流场演变为人工开采型地下水流场。
9．分析研究了岩溶水系统水化学特征
（1）受煤矿开采影响，岩溶地下水矿化度、总硬度值总体呈升高的趋势，水化学类型趋于多样化、复杂化。
（2）地表水、第四系孔隙水污染严重，奥陶系岩溶裂隙水污染轻。奥陶系岩溶裂隙水除个别点为人为污染外，主要是受滞流区地下水的影响。
10．对岩溶水地下水发展变化趋势进行了定性预测
根据当地地下水和煤炭开采、开发规划（至2018年）预测，黑龙洞泉域岩溶地下水动态总体较稳定，水位、泉流量稳中有升，岩溶地下水环境有向好发展的趋势。其中，矿区北部矿井关闭水位回升；中部黄沙矿、孙庄矿、九龙矿和小屯矿减产，水位略有回升；南部煤矿开采规模扩大，水位持续下降，岩溶地下水环境有变差的趋势。百泉泉域岩溶地下水位总体较稳定，随铁矿减产水位缓慢回升，回升幅度大约为
二、项目创新点
1．通过长系列岩溶地下水位动态观测、泉流量变化、煤炭开发情况、煤矸石堆存资料、多期遥感解译和化验测试成果进行分析对比，研究总结了邯邢煤矿区地下水环境的演化过程、形成机理和影响因素。
2．运用综合指数法、动态对比分析法、多元线性回归分析、MODFLOW地下水流动三维有限差分数值模型等方法，对矿区岩溶地下水水环境进行了现状评价和发展趋势预测。
3．建立了常用功能上的岩溶矿山水环境调查评价空间数据库，形成了邯邢煤矿区矿床水环境问题调查评价数据库、图形库、图像库和应用库，并将其有机地挂接和关联，具有数据录入、存储、查询、统计分析、打印输出等功能，满足相同类型矿床水环境调查、评价和预测工作的需要。
4．完成了以该项目为依托的《煤矿区水环境调查评价方法研究》科研项目。该科研项目获2013年度中国煤炭地质总局科学技术二等奖、2013年度河北省煤炭工业科学技术二等奖。
三、项目成果的意义
项目首次系统总结归纳、分析研究了我国岩溶水煤矿区水环境调查评价方法，提出了岩溶地下水煤矿区水环境调查评价的工作模式，为煤矿区地水环境地质调查评价标准及技术要求的制定提供了科学的依据，为推动全国岩溶矿床地下水环境调查工作向系统化、科学化迈进积累了丰富的野外工作经验和扎实的理论评价方法基础，对促进矿山水环境可持续发展和政府实施矿山水环境治理具有重要意义。
