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煤矿开采排水对岩溶水水质的影响研究——以山西省为例

更新时间：2020-08-22　点击量：1199

　　摘要：岩溶泉水是山西省重要的供水水源之一。近年来岩溶泉水普遍受到污染，煤矿开采排水是岩溶泉水污染的一个重要原因。本文在论述岩溶泉域水文地质特征和岩溶泉域系统中煤系地层的分布特征的基础上，分析了煤矿开采排水对岩溶水的污染成因和煤矿开采对岩溶水的污染形式。提出岩溶水水质的保护措施

　　关键词：岩溶泉域; 水质污染; 管理保护;山西省

　　山西岩溶作为中国北方岩溶之代表，岩溶区分布范围广，裸露岩溶区面积大为2.6×104 km2,占全省国土面积的17.5%,加上隐伏岩溶区,总面积为11.3×104km2,占全省国土面积的75.2%，是我国北大的岩溶区。得天独厚的地质条件使得岩溶泉在全省均有出露。岩溶水，尤其岩溶泉水是山西省重要的供水水源之一。山西是煤炭大省，含煤面积达5.7万km2，占全省总面积的37.5%，探明储量、产煤量、外调量均居全国。山西省煤矿平均开采吨煤排放矿坑水0.88 m3，全省煤矿开采现状年矿坑水排放量约3亿m3，占全省工业总取用水量的25%。如此大量的煤矿排水一方面也减少了水资源的可利用量，另一方面对地下水水质尤其是对岩溶泉的水质造成污染，进一步加剧了山西省水资源严重紧缺的程。在全省19个岩溶大泉都不同程度的遭到污染，不仅严重的影响到工业生产和人民生活，而且构成了对生态环境的隐患。加强对煤矿开采对岩溶泉域水质影响的研究具有十分重要的意义。

　　一、岩溶泉域水文地质特征

　　山西省内广泛分布的寒武、奥陶系碳酸盐岩是主要的岩溶发育层和岩溶含水层。随着岩溶水系统的发育演化,形成了多个水流传输相对独立的岩溶泉域系统，岩溶地下水的补给主要分为以下三种形式:

　　1为裸露岩溶区降水入渗补给。其补给量一般占天然资源量的70%。裸露可溶岩主要分布于吕梁山中南段、霍山东侧、太行山中南段及晋西北偏关、保德、岢岚、神池、五寨，太原的东山、西山等地区。沉积厚度可达千余米。沉积稳定，地层产状平缓。岩性以厚层纯灰岩及泥灰岩为主，主要含水岩组为中奥陶统灰岩，富水性头泉域等。

　　二、岩溶泉域系统中煤系地层的分布特征

　　岩溶泉域系统都有煤系地层分布,主要为石炭二叠系煤层。其中在补给径流区大面积连续分布的有晋祠泉、兰村、龙子祠泉、延河泉、三姑泉;分布于径流区的有洪山泉,广胜寺泉;分布于径流排泄区的有柳林泉;郭庄泉泉域系统内分布较广,补、径、排区均有,而老牛湾泉和天桥泉泉域分布较少,仅在径流排泄区局部范围分布。在垂向上,岩溶含水层位于煤系地层之下,底部可采煤层与中奥陶统岩溶含水层之间相距不大,存在以砂、页岩及泥岩为主的隔水层,其厚度不稳定。在太原盆地一般厚40~60m,往南、往西变薄，多为15~30m。

　　三、煤矿开采对岩溶泉域水质的影响

　　山西省内八大统配煤矿，有七家位于岩溶泉域。煤矸石堆和选洗矿厂的尾矿场、废水池大部分分布在区内的采矿塌坑和沟谷中，接近下伏岩溶地层，污染物易下渗污染岩溶水。受采煤影响较大的泉域有娘子关、辛安、三姑、延河、龙子祠、郭庄、晋祠、柳林、神头等泉。

　　1煤矿开采排水的水质特征

　　岩溶泉域水污染源主要来自煤矿开采外排的矿井水、洗(选)煤水、焦化厂废水和矿区生活污水。每生产一吨煤，矿坑排水量为0.88 m3 。据不*统计,我国煤矿井年排水量达22亿m3洗(选)煤厂煤水和焦化厂废水2亿m3,煤矿生活废水2亿m3。其中煤矿开采排水占污水比重，故此也是本文论述的重点。

　　煤矿开采排水是受自然和人为影响二形成的具有复杂成分的*水体。其产出，赋存受煤炭成分，围岩岩性，采矿工艺，排水措施等因素的影响。其水质特性除具备一般地下水的特性外还具有以下特征：

　　1总悬浮颗粒严重超标。

　　2煤矿开采排水PH值多有超标，且均为酸性水。由于煤地层中硫含量高，且有硫铁矿在煤层中广有分布，在天然状态下含水层水体与煤系地层相隔，煤矿开采后，在人为的氧化环境中，氧化成酸过程大大加快而形成酸性水，硫酸根离子含量增高。

　　3总硬度大矿坑水在氧化成酸的过程中对含水体围岩不断溶蚀，使水中Ca2+、Mg2+离子的含量增加，硬度增大。

　　4矿化度高。天然水的矿化度大多小于1000mg/L，但矿坑水大量溶解煤层中矿化物，有的可达2000一5000mg/L。

　　5铁离子含量高，天然水中铁离子含量一般较低，采煤条件下，煤系地层中的硫铁矿氧化形成铁的可溶化合物而加入矿坑水，使铁离子的含量增高。

　　6毒理学成分增高。

　　2煤矿开采排水对岩溶水的污染成因

　　煤矿的开采对于岩溶水的破话主要通过含水层破坏或边界条件改变,产生人为导水通道,增大含水层间的水力,地下水地含水系统水文地质条件发生根本的变化，这种变化的实质是使天然状态下的多含水层，以水平运动为主的地下水系统变为以垂直运动为主的“矿坑水化”系统。根据采煤前后储水介质的特征和地下水的补给、径流、储存和排泄条件，原水资源系统的四层次结构:即地表水; 第四系孔隙水;石炭、二叠系砂岩裂隙水;奥陶系岩溶裂隙水变为新的四层次结构，即:地表水; 第四系孔隙水;石炭、二叠系碎屑岩一矿坑储水系统;和奥陶系岩溶裂隙水系统。地下水的补给、径流、调蓄、排泄条件也发生了相应变化，含水层的补给主要通过破坏产生的导水裂隙带运移，补给径流以垂向运动为主。同时，大量矿坑水补给地表水以及地下水体，从而使各含水体逐渐呈现矿坑水的特征，即水体“矿坑水化”。又分以下两种情况。

　　若开采标高高于深部岩溶水位标高时，储水仓及老窑中汇集的矿坑水沿着断裂构造与裂隙的沟通以及坑道、巷道、井下钻孔及采矿产生的裂隙为采矿废水提供下渗通道进入岩溶水系统，对岩溶水直接污染。如娘子关泉域上游的平定一阳泉矿区，石炭系层间岩溶水涌入矿坑后，除少数大矿井人工排出地表外大部分通过采矿坑道和裂隙渗入下伏奥陶系含水层造成平定一阳泉矿区下游数百平方公里水中矿化度、总硬度、硫酸根离子含量明显增高。

　　若开采标高低于深部岩溶水位标高时，由于断裂构造与裂隙的沟通以及坑道、巷道、井下钻孔及采矿产生的裂隙为采矿废水提供下渗通道，下组煤系地层裂隙水的疏干，造成裂隙水和岩溶水之间的水动力平衡破坏。上述因素会造成岩溶水在局部有利地段向上越流的条件，因而个别矿井开采到一定水平时，煤矿在疏排裂隙水的同时，也在间接排放深部岩溶水。如太原西山矿区的西曲矿、东曲矿、屯兰矿、马兰矿和镇城底矿井，大部分地区煤层埋藏位置低于奥灰水位数十至数百米，同时由于该区普遍发育有断裂构造及岩溶陷落柱，岩溶水沿裂隙排出，部分岩溶承压水脱离顶板，为矿坑水向下越层污染提供了条件，对岩溶水水质污染构成隐患。

　　3煤矿开采对岩溶水的污染形式

　　根据煤矿开采排水与岩溶水的水力和岩溶水污染的方式可将污染原因发分为直接污染和间接污染。

　　1直接污染

　　煤矿开采造成含水层破坏或边界条件改变,产生人为导水通道,增大含水层间的水力。由于煤矿开采，煤层底板遭到破坏，矿坑中大量有害物质将通过地下水流迁移，污染深层岩溶水。若煤矿开采层位高于岩溶水水位时，将通过采煤截取补给岩溶水的水量，使得岩溶泉水衰减。以娘子关泉为例，娘子关泉域范围内，有大小煤矿317座，年产煤3000万吨以上。随着采空区的扩大，矿坑塌陷及地表裂隙不断增多，对水资源破坏日益严重。矿区石炭系层间裂隙岩溶水水位普遍大幅度下降，部分区域含水层已被疏干。据不*统计，本市矿区共有石炭系管井235眼，由于煤矿开采增加，管井水位普遍下降，出水量日趋减少。目前98%管井水位下降，60%管井干枯无水。根据对我国北方以排放岩溶水为主的32个矿区的统计,矿井总排水量高达253m3 /min,其中60%为岩溶水,约占矿区所处岩溶水系统水资源量的19%。这些都为矿坑水的越层补给岩溶水造成了有力的条件。

　　2间接污染

　　矿坑排水未经任何处理，排出井外，汇入地表河系，造成地表水的污染。如口泉河、十里河、桃河、汾河的古交段、介休段、临汾段，桑干河上游，沁丹河，漳河以及地下水都不同程度地受到煤矿矿坑水的污染。浅层煤矿区大规模巷道开挖造成地表植被的破坏、岩溶塌陷、地面塌陷及裂缝等相应引起地表渗透条件变化，使得被污染的地表水对岩溶水的额补给加强，通过地表污水河渠侧方补给污染地下水。以娘子关泉域为例，70年代以后，矿区内河川径流量的减少，研究表明不仅仅是由于降雨量的减少，人类活动也是重要影响因素，其中采煤加大了河流对岩溶水的补给，也是影响是本地区径流量减少尤为重要的原因，地表径流的减少从一格侧面反映了地表水与地下水的水利的加强。

　　四、煤矿井排水对岩溶水质的影响趋势

　　煤矿排水量与开采每天的数量成正比，随着国民经济的快速发展，对于煤炭的需求也逐年递增。因此对于岩溶水质的破坏也呈逐年递增的趋势。20世纪80年代中期,采煤区岩溶水检出溶解性总固体、总硬度、硫酸盐和铁等污染物均有超标的岩溶泉域为柳林泉、兰村—晋祠泉两个泉域。近年来增多到包括三姑泉、龙子祠泉和郭庄泉的五个岩溶泉域。超标污染点增多,分布范围由邻近矿区的局部地段扩大形成连片较大面积污染晕区。据污染点分布圈定,其中柳林泉约有280km2 、兰村—晋祠泉约300 km2 、郭庄泉约590 km2 、龙子祠泉约430 km2 。天桥泉泉域,近期也出现因采煤造成局部地段岩溶水超标污染。说明岩溶水的污染已经到了十分严重的地步。

　　五、岩溶水水质的保护措施

　　要解决矿坑排水对岩溶水水质的影响，根本的一条就是要减少矿坑水的排放。矿坑水是岩溶水的主要污染源，无论是通过排泄到地表水系，通过地表水系简介的污染岩溶水的水质，或者是通过人为造成的地下水通道直接的污染地下水的水质都必须有一定的矿坑水的存在。减少矿坑水的排放是*污染的有效途径。这就要求在煤矿的开采中采用*施工工艺，减少矿坑对围岩的破坏，采用必要的止水措施等等来减少矿坑水的排放量。

　　同时在条件允许的情况下，可以对矿坑排水的水质进行一定的去污处理，减少污染物的排放总量也是治理污染的很好的途径。改进地下废弃物的排放工艺,修建防渗集水系统,把矿坑水全部排到地面处理回用,以抑制采区暴露面的水—岩作用,防止污染物转入水体下渗污染岩溶水。

　　为了减少矿坑水直接向下伏岩溶水的越界补给，一定要预留一定的保护层。建立岩溶水环境保护区。对现有水源地作为长期水源地必须留设一定的保水煤柱；健全水源地或泉域环境管理与监测系统,对水源地、上游岩溶水强径流带和邻近水源地的裸露岩溶区及岩溶沟谷,作为重点管理区域，应减少矿坑水的排放。

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RS485竖直地埋管地源热泵温度监测系统【产品介绍】

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RS485竖直地埋管地源热泵温度监测系统：

1. 地埋管回填材料与地源热泵地下温度场的测试分析

2. U型垂直埋管换热器管群间热干扰的研究

3. U型管地源热泵系统性能及地下温度场的研究

4. 地源热泵地埋管的传热性能实验研究

5. 地源热泵地埋管换热器传热研究

6. 埋地换热器含水层内传热的数值模拟与实验研究，埋地换热器含水层内传热的数值模拟与实验研究。

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针对U型管口径小的问题，本系统是传统铂电阻测温系统理想的替代品. 可应用于：

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本系统技术参数：支持传感器：18B20高精度深井水温数字传感器，测井深：1000米，传感器耐压能力：5Mpa ,配置设备：远距离温度采集模块＋测井电缆＋传感器，

RS485竖直地埋管地源热泵温度监测系统系统功能：

1、温度在线监测

2、报警功能

3、数据存储

4、定时保存设置

5、历史数据报表打印

6、历史曲线查询等功能。

【技术参数】

1、温度测量范围：-10℃ ～ +100℃

2、温度精度：正负0.5℃ (-10℃ ～ +80℃)

3、分辨率： 0.1℃

4、采样点数：小于128

5、巡检周期：小于3s（可设置）

6、传输技术： RS485、RF(射频技术)、GPRS

7、测点线长：小于350米

8、供电方式： AC220V /内置锂电池可供电1-3年

9、工作温度： -30℃ ～ +80℃

10、工作湿度：小于90%RH

11、电缆防护等级：IP66

使用注意事项：

防水感温电缆经测试与检测，具备一定的防水和耐水压能力，使用时，请按以下方法操作与使用：
1．使用时，建议将感温电缆置于U形管内以方便后期维护。
若置与U形管外，请小心操作，做好电缆防护，防止在安装过程中电缆被划伤，以保持电缆的耐水压能力和使用寿命。
2. 电缆中不锈钢体为传感器所在位置，因温度为缓慢变化量，正常使用时，请等待测物热平衡后再进行测量。
3. 电缆采用三线制总线方式，红色为电源正，建议电源为3-5V DC，黑色为电源负，兰色为信号线。请严格按照此说明接线操作。
4. 系统理论上支持180个节点，实际使用应该限制在150个节点以内。
5.系统具备一定的纠错能力，但总线不能短路。
6. 系统供电，当总线距离在200米以内，则可以采用DC9V给现场模块供电，当距离在500米之内，可以采用DC12V给系统供电。

【北京鸿鸥成运仪器设备有限公司提供定制各个领域用的测温线缆产品介绍】

由北京鸿鸥成运仪器设备有限公司推出的地源热泵温度场测控系统，硬件采取*ARM技术；上位机软件使用编程语言技术设计，富有人性、直观明了；测温传感器直接封装在电缆内部，根据客户距离进行封装。目前该系统广泛应用于地源热泵地埋管、地源热泵温度场检测、地源热泵地埋换热井、地源热泵竖井及地源热泵温度场系统进行地温监测，本系统的可靠性和稳定性在诸多工程中已得到了验证并取得了较好的口啤。

地源热泵诊断中土壤温度的监测方法：
　　为了实现地源热泵系统的诊断，必须首先制定保证系统正常运行的合理的标准。在系统的设计阶段，地下土壤温度的初始值是一个重要的依据参数，它也是在系统运行过程中可能产生变化的参数。如果在一个或几个空调采暖周期（一般一个空调采暖周期为1年）后，系统的取热和放热严重不平衡，则这个初始温度会有较大的变化，将会大大降低系统的运行效率。所以设计选用土壤温度变化曲线作为诊断系统是否正常的标准。
　　首先对地源热泵系统所控制的建筑物进行全年动态能耗分析，即输入建筑物的条件，包括建筑的地理位置、朝向、外形尺寸、围护结构材料和房间功能等条件，计算出该区域全年供暖、制冷的负荷，我们根据该负荷，选择合适的系统配置，即地埋管数量以及必要的辅助冷热源，并动态模拟计算地源热泵植筋加固系统运行过程中土壤温度的变化情况，得到初始土壤温度标准曲线。采用满足土壤温度基本平衡要求的运行方案运行，同时系统实时监测土壤温度变化情况，即依靠埋置在地下的测温传感器监测土壤的温度，并且将测得的温度传递给地源热泵系统。

浅层地温能监测系统概况：

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为方便研究土壤、水质等环境对空调换热井能效等方面的可靠研究或温度测量，目前地源热泵地埋管测温电缆对于地埋换热井，有口径小，深度较深等特点的测温方式,如果测量地下120米的地源热泵井，要放12路线PT100传感器。12根测温线缆若平均放置，即10米放一个探头，则所需线材要1500米，在井上需配置一个至少12通道的巡检仪，若需接入电脑进行温度实时记录，该巡检仪要有RS232或RS485功能,根据以上成本估计，这口井进行地热测温至少成本在8000元，虽然选择高精度的PT100可提高系统的测温精度，但对模拟量数据采集，提供精度的有效办法是提供仪器的AD转换器的位数，即提供巡检仪的测量精度，若能够在长距离测温的条件下进行多点测温，能够做到0.5度的精度，则是非常不容易。针对这一需求，北京鸿鸥成运仪器设备有限公司推出“数字总线式地源热泵地埋管测温电缆”及相应系统。矿井深部地温监测，地源热泵温度监测研究，地源热泵温度测量系统，浅层地热测温系统。

地源热泵数字总线测温线缆与传统测温电缆对比分析：
传统的温度检测以热敏电阻、PT100或PT1000作为温度敏感元件，因其是模拟量，要对温度进行采集，若需较高精度，需要选择12位或以上的AD转换及信号处理电路，近距离时，其精度及可靠性受环境影响不大，但当大于30米距离传输时，宜采用三线制测方式，并需定期对温度进行校正。当进行多点采集时，需每个测温点放置一根电缆，因电阻作为模拟量及相互之间的干扰，其温度测量的准确度、系统的精度差，会受环境及时间的影响较大。模块量传感器在工作过程中都是以模拟信号的形式存在，而检测的环境往往存在电场、磁场等不确定因素，这些因素会对电信号产生较大的干扰，从而影响传感器实际的测量精度和系统的稳定性，每年需要进行校准，因而它们的使用有很大的局限性。

北京鸿鸥成运仪器设备有限公司研发的总线式数字温度传感器，具有防水、防腐蚀、抗拉、耐磨的特性，总线式数字温度传感器采用测温芯片作为感应元件，感应元件位于传感器头部，传感器的精度和稳定性决定于美国进口测温芯片的特性及精度级别，无需校正，因数据传输采用总线方式，总线电缆或传感器外径可做得很小，直径不大于12mm,且线路长短不会对传感器精度造成任何影响。这是传统热电阻测温系统*的优势。所以数字总线式测温电缆是地源热泵地埋管管测温、地温能深井和地层温度监测理想的设备。数字总线式数据传感器本身自带12位高精度数据转换器和现场总线管理器，直接将温度数据转换成适合远距离传输的数字信号，而每个传感器本身都有唯的识别ID，所以很多传感器可以直接挂接在总线上，从而实现一根电缆检测很多温度点的功能。

地源热泵大数据监控平台建设

一、系统介绍

1、建设自动监测监测平台，可监测大楼内室内温度；热泵机组空调侧和地源侧温度、

压力、流量；系统空调侧和地源侧温度、压力、流量；热泵机组和水泵的电压、电流、功率、

电量等参数；地温场的变化等，实现热泵机组运行情况 24 小时实时监测，异常情况预

警，做到真正的无人值守。可对热泵系统的长期运行稳定性、系统对地温场的影响以及能效

比等进行综合的科学评价，为进一步示范推广与系统优化的工作提供数据指导依据。

具体测量要求如下：

1）各热泵机组实时运行情况；

2）室内温度监测数据及变化曲线；

3）室外环境温度数据及变化曲线；

4）机房内空调侧出回水温度、压力、流量等监测数据及变化曲线；

5）机房内地埋管侧出回水温度、压力、流量等监测数据及变化曲线；

6）机房内用电设备的电流、电压、功率、电能等监测数据及变化曲线；

7）地温场内不同深度的地温监测数据及变化曲线；

8）能耗综合分析、系统 COP 分析以及系统节能量的评价分析。

2、自动监测平台建成以后可以对已经安装自动监测设备的地热井实施自动监测的数据分

析展示，可实现地热井和回灌井的水位、水温、流量实施传输分析，并可实现数据异常情况预

警，做到实时监管，有地热井运行的稳定性。

1）开采水量及回水水量的流量监测及变化曲线；

2）开采水温及回水水温的温度监测及变化曲线；

3）开采井井内水位监测及变化曲线；

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