废弃煤矿诱发地下水体污染研究.pdfVIP

环境与健康 废弃煤矿诱发地下水体污染研究 冯美生∽ 张红珠2 王来贵1 1．辽宁工程技术大学工程力学研究所 123000 2．山西大同大学土木建筑工程系037003 摘 要 废弃煤矿井是工程活动留在地表以下深部的垃圾场。矿山关闭后，水动力状 态由疏干型转为补给型，提供了矿坑水对地下水体污染的条件。针对已闭井的洪山、寨里矿 区存在的地下水被污染的事实，探讨采动造成的含水层变化；基于闭井后的水文地质条件， 建立了三维水流和水质仿真模型，预测某老窖污染发生的范围、污染物浓度变化以及sO。2一 离子的迁移路径。结果表明：矿区东北部的某老窖以串层方式污染奥灰水的最大污染半径 值浓度可近879．86mg／L。 关键词 矿井关闭 含水介质 矿坑水地下水污染 空隙分类 引言 采矿活动的范围内。受采矿活动影响，这些地区的地下水系统及水资源的天然平衡和补径 排条件发生了一定程度的破坏或者重大变化。矿山开采期间，与整个矿区有水力联系的各 个含水层都维持一种疏干型的动力状态，但矿山闭坑以后，停止疏排矿坑水，势必导致矿坑 水的大量蓄积，水位大幅上升，原有的水动力条件被破坏，当矿坑水位升高到一定程度，高于 与之有水力联系的其他含水层，即会对这些含水层产生反向补给，进而造成这些含水层水质 的变化，导致含水层水体污染的发生。同时采矿活动及井下灾害(突水、冲击地压、瓦斯爆 炸等)造成了岩层的大面积位移、变形、岩体裂隙的扩展，这些外在动力因素为水体污染提 供了水力联系条件。英国在20世纪80年代后期就开始在达勒姆群矿区开始大规模试验研 究，分析该地区矿坑水的污染范围及水质变化。20世纪80年代中期，美国的阿巴拉契亚地 区因废弃矿井造成4000kin2的地下水流域受到污染，水文地质和环境学家开始有针对性的 试验、监控、治理研究。俄罗斯基泽尔煤田矿井闭坑后对喀斯特水的污染监测资料表明，该 地地下水的污染深度可达l000m，平面污染半径大于25kin。如今，这类环境地质灾害正在 华北地区的一些老矿区变为现实。在山东的淄博、枣庄等矿区，由于大量废弃的煤矿矿井没 有采取及时封堵措施，从煤层以下透出的水源，经煤矿坑道后受到污染，水质中含有的硫酸 钙等矿物质增加，渗透进饮用水井后带来水源污染，致使这些矿区的人畜吃水困难。 1 废弃矿井地下水运动特征 1．1含水介质分类 废弃矿井与自然状况下的含水介质具有不同的水动力学特征，其含水空隙不仅包含孔 ·178· 废弃煤矿诱发地下水体污染研究 隙和裂隙(原生裂隙、采矿工程扰动形成的裂隙区域)，还包含管道(巷道网)；其水流不仅存 在层流流态(含水层、采动区)，还存在紊流流态(管道水流)。各种级次的空隙组合、连通， 构成了矿区复杂的含水层介质。总的来说，按水流形态及水动力特征将空隙分为3类，见 表1。 表1空隙分类 介质分类 组成 特征 储水介质 煤层顶底板砂岩、第四系松散层及其他含水介质 流速小、孔隙发育 导水介质 原生及采矿次生的各种构造裂隙、破裂带 流速较快、张开度大 控水介质 巷道网、大空隙、断层带 流速快、控制水流方向 因此，刻画废弃矿井含水介质的地下水运动，应反映其三重介质特征及各种介质之间联 系，反映人为形成的巷道及采动区域的水体运动形态。总之，地表水、地下不同含水层、采矿 扰动带的水体形成复杂的补给排关系，并最终形成不同于开采阶段的地下水动态平衡。 1．2地下水运动规律 矿井关闭后，生产排水停止，地下水在初期仍保持向矿井排泄的趋势，形成矿井采空空 间的地下水回灌，但由于含水层结构的破坏，将形成复杂的水流场和水动力特征。矿井中存 在达西流(在裂隙和孔隙中出现)和非达西流(在管道和大空隙中出现)。当矿区地下水接 受下覆含水层越流补给及区域层间补给后，先在巷道及采动裂隙中形成水流。由于阻力小， 水流以管道流状态存在。由于水力梯度的作用，初期水流大、流速快，巷道中水