矿井水净化站防渗破裂对地下...预测研究——以刘东煤矿为例_张乃丰.pdf

：矿矿井井水水净净化化站站防防渗渗破破裂裂对对地地下下水水环环境境污污染染预预测测研研究究 以刘东煤矿为例张乃丰，任红蕾（安徽省水利部淮河水利委员会水利科学研究院，安徽 合肥；水利水资源安徽省重点实验室，安徽 蚌埠；合肥工业大学，安徽 合肥）摘要在我国矿山开采过程中常出现许多生产安全、生态环境事故，如矿井涌水事故、地下水资源的浪费和污染等。因此，做好矿山开采过程中矿坑涌水量疏排及地下水环境防治工作具有重大的意义。以刘东煤矿为例，详细分析了研究区水文地质条件并对其进行了概化，利用 建立了刘东煤矿地下水流数值模型和溶质运移模型，模拟了矿井水净化站发生防渗破裂事故时，污染源特征物 和硫酸根的迁移范围以及对地下水水质的影响程度，计算结果显示，事故发生 后，的中心浓度由 降到 ，浓度为 的分布范围是 ；硫酸根的中心浓度由 降到 ，浓度为 的分布范围是 。两种污染物的浓度远低于地下水环境质量标准中三类水标准。研究表明刘东煤矿矿井水净化站范围内包气带隔水性较好，渗透系数较小，污染物扩散范围较小。本次矿井水污染预测过程和方法可为矿山地下水环境防治设计提供重要依据。关键词矿山开采；地下水环境防治；刘东煤矿；地下水水质中图分类号；文献标识码文章编号 （）收稿日期 基金项目国家自然科学基金项目（）；国家重点研发计划项目（）作者简介张乃丰（），男，辽宁抚顺人，工程师，主要从事水文水资源及地下水理论研究工作。o o ，（o ，；oo o o o o o，；o oo，）：o oo oo o o o ，oo o o o o，o o o o o o oo o o o o o o o ，ooo oo o ，o o o o o o o o o，o o o o，oo o oo o o o o，o o ，oo o o o ，o o oo o o o ，o o oo o o o o o o o o o o o o o o oo，o o o o o o o o oo o o o o oo o o o：；o o o；o o；o 年 月第 卷 第 期 地下水o ，o.引言煤炭开采过程中，为保证矿井的生产安全，必须及时把井下涌水排到地面，全国煤矿每年外排矿井水约 亿 。未经处理的矿井水中部分离子超标并含有大量粉尘、岩粉等悬浮物，水质较差，若发生矿井水净化站防渗破裂等事故，将导致矿井水下渗污染地下水，形成极大的环境污染。矿井水具有地下水的特征，但由于受到人为污染，又具有地表水的一些特点。矿井水的污染程度较其它工业废水轻，有机污染物较少，一般不含有毒物质，主要超标项目有酸度、悬浮物、浊度、硬度、矿化度、硫酸盐、氟化物等，适于做回用水水源。年美国首次颁布了相关环境法规，通过立法明确了需对矿山环境影响进行评价，后在全世界引起关注，至今，已有一 百 多 个 国 家 建 立 了 自 己 的 矿 山 环 境 影 响 评 价 体系 。国外最早是在 年开始运用数学模型进行地下水污染模拟研究。近几年，国内外在地下水溶质运移理论和试验研究领域也取得了重大突破，对污染物液相和固相浓度的相互转化关系进行了深入研究，并将吸附条件进行改进。徐良骥通过对淮南采矿塌陷区进行研究，分析了地下水中总氮、总磷等元素指标的演化规律。谢娟依托山东岱庄煤矿，进行地下水环境质量分析和同位素测试，研究了开采条件下不同含水层的水化学特征。王来贵等人在东北地区矿井水较多的代表性城市阜新某废弃煤矿进行了试验研究，研究了废弃矿山矿井水污染地下水的机理和规律，试验表明，与清水浸出工艺相比，矿井水浸出工艺污染物浓度变化趋势呈现不同特征，某些可溶性盐的溶解速率起初很高，但随着浸出时间的延长而降低。现阶段，基于地下水流数值模拟技术的推广，将溶质运移数值模型逐步应用于矿井水地下水环境预测工作中 。如张建立等以山东淄博煤田为例，分析了非正常工况下煤矿直排高硫酸根离子和高矿化度废水对矿区及其附近地下水的污染程度。综上所述，在研究矿井水环境影响评价过程中，现有文献多集中于研究正常矿山或废弃矿山矿井水直接排放造成的地下水污染，对于矿井水净化站防渗破裂等事故对地下水环境污染的预测研究较少。矿井水净化站防渗破裂等事故的发生，意味着矿井水未经处理而直接排放，既污染环境，又浪费了大量水资源。而有效预测该事故对矿区附近地下水污染的影响范围及污染程度，对于工业场区地下水环境重点防治区的规划、非正常情况发生的应急防治措施的制定、地下水水质监测点布设方案的实施等地下水动态监测方面的研究具有重要的现实意义。本文以安徽省刘东煤矿为例，利用 建立刘东煤矿地下水流数值模型和溶质运移模型，预测矿井水净化站发生防渗破裂等事故对地下水水质的影响程度及污染范围，为矿区制定地下水监测方案提供重要依据。研究区概况及水文地质条件分析刘东煤矿位于安徽省淮北市西南部，行政区划隶属于濉溪县，井田南北长约 ，东西宽约 ，面积 ，如图 所示。研究区地层属华北地层区，由老至新分别为寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系和第四系，主要含水层组包括太灰碳酸盐岩裂隙岩溶含水岩组、第四系松散岩类孔隙含水岩组、二叠系基岩裂隙含水岩组和奥灰碳酸盐裂隙岩溶含水岩组，主要隔水层组包括第四系一、二、三隔水层和二叠系、石炭系地层中泥岩、页岩。图 研究区位置示意图地下水环境污染模拟预测 水文地质概念模型在研究区地下水系统完整性和独立性的基础上，根据区内地下水的赋存条件以及运动特征，以矿区为中心，向四个方向各选取 的区域作为研究范围。井田东部为 断层，煤系地层与奥灰地层相接，“奥灰水”水位标高 ，可作为定水头补给边界（）；西部是 断层，错断在煤系地层中，该断层两边煤系地层水力联系弱，可作为阻水断层看待；南部与刘桥一矿相邻，煤系地层为连续整体，两矿排水相互干扰，两矿中间可设为零流量边界（）；北部煤系地层延伸很远，可作为无限边界。根据水文地质条件分析，将研究区第四系松散层含、隔水层共划分为 层。地下水流数学模型根据水文地质条件分析，将研究区概化为非均质、各项异性三维不稳定地下水流系统，可用如下偏微分方程及定解条件描述：()()()（，）（，）（，）（，）（，）（，）|（）式中：为含水层渗透系数，；为地下水水位，；为承压含水层厚度，；为单位体积流量，用以代表源或汇的水量，；为弹性释水系数；为地下水初始水位，；为模拟期边界处的地下水水位，；为时间，；为模拟区范围；为第一类边界；为第二类边界。对于每个网格单元，采用共轭梯度法，利用水均衡方程第 卷第 期地下水 年 月按照以下差分格式迭代计算水位：，（）用矩阵符号表示为：（）式中：为系数矩阵；为各单元格的水位矩阵；为流量，与给定水头边界条件及单元格的储水量有关。地下水流数值模型 空间离散以矿区为中心，南北向取 、东西向取 ，计算区面积约为 。水平、垂向网格离散情况分别见图、图。图 计算区水平空间剖分图 计算区垂向空间离散 模型识别根据研究区的水位观测资料，本次选择井田内“四含 煤系基岩裂隙水”观测孔 孔 年 月 年 月逐月水位观测数据，对模型进行识别，识别结果见图。经过上述模型的调试和识别，经优化后最终的相关参数赋值参见表。表 水文地质参数赋值分层水平向渗透系数 垂向渗透系数 给水度 弹性释水系数 一含 一隔 二含 二隔 三含 三隔 四含 溶质运移数学模型忽略污染物的吸附作用和化学反应，地下水溶质运移的三维水动力弥散方程的数学模型如下：()()()（）（）（）（，o）（，）（，），（）（，）（，），|（）式中：第一部分右边前三项是弥散项，后三项是对流项。其中：（）为溶质浓度；、（）为、三个主方向的弥散系数；、（）为、三个主方向的实际渗流速度。（）为溶质初始浓度；（）为渗流速度；为溶质渗流的区域；为二类边界；为边界溶质通量；为浓度梯度。图 水位动态过程拟合线 非正常工况下的水质影响预测在有防渗措施时，正常工况下一般不会发生渗漏。对于发生防渗破裂等事故而造成的非正常工况，则可能导致污染物向含水层中泄漏。假设矿井水净化站泄漏部位是底部，污染物作为点源污染随地下水发生迁移，具体位置见图。非正常工况条件下，从偏保守的角度，刘东煤矿矿井水净化站底部面积约为 ，调节池底部防渗系统破坏率取 ；包气带上边界的浓度通量为 ，硫酸根包气带上边界的浓度通量为 。利用 分别计算污染物按非稳定流运移 后其浓度的时空分布情况，研究污染物对附近地下水环境的影响程度和污染范围。图 渗漏点相对关系示意图在无检漏条件下，根据地下水质量监测系统可发现污染物泄漏，从环境安全的角度考虑，将发现污染物泄漏并处理的时间延长，假设污染物从发生泄漏到泄漏污染物处理完毕不再发生污染的时段为半年（）。经计算，厂区矿井水净化站站发生渗漏后 和硫酸根的扩散范围见图 图。计算结果表明，后，中心的浓度降到 ，浓度为 的分布范围是 ；硫酸根的中心浓度降到 ，浓度为 的分布范围是 。其浓度远低于地下水环境质量标准中三类水标准，矿井水净化站范围内包气带隔水性较好，渗透系数较小，污染物扩散范围较小。详见表 和表。表 计算期内 的浓度变化及迁移距离时间 距污染源中心点最大水平距离 垂向最大距离 中心点浓度 中心点浓度下移距离 第 卷第 期地下水 年 月表 计算期内硫酸根的浓度变化及迁移距离时间 距污染源中心点最大水平距离 垂向最大距离 中心点浓度 中心点浓度下移距离 图 矿井水净化站发生渗漏时 的平面扩散范围图 矿井水净化站发生渗漏时 的纵向扩散范围图 矿井水净化站发生渗漏时硫酸根的平面扩散范围图 矿井水净化站发生渗漏时硫酸根的纵向扩散范围结语本次利用 建立刘东煤矿地下水流数值模型和溶质运移模型，设置了非正常工况下的污染情景，模拟了矿井水净化站发生防渗破裂等事故时，污染源特征物 和硫酸根的迁移范围以及对地下水水质的影响程度。得到以下结论：（）非正常工况下，污染源特征物、硫酸根的扩散均在可控范围之内，只要采取有效的地下水污染防治措施即可得到有效控制，本论文研究可为矿山地下水环境防治工作提供重要依据。（）从安全角度考虑，建设单位应参考数值模拟结果采取相应防范措施，尽量避免非正常情况发生，并制订非正常情况发生的应急措施以及地下水水质监控方案。（）矿山水环境及生态环境问题的保护与治理是一项长远而复杂的综合工程，在实际工作中应以系统的观点，从水环境保护、矿山生态系统稳定性、区域水资源以及生物多样性等多角度、多领域综合考虑矿山环境的保护治理。参考文献顾大钊，李庭，李井峰，等 我国煤矿矿井水处理技术现状与展望 煤炭科学技术 （）：孙亚军，陈歌，徐智敏，等 煤矿区水环境现状及矿井水处理利用研究进展 煤炭学报 （）：刘勇，孙亚军，王猛 矿井水水质特征及排放污染 洁净煤技术（）：武强，薛东，连会青 矿山环境评价方法综述 水文地质工程地质（）：李川 矿产资源规划环境影响评价内容与方法 环境科学与管理（）：高焰，王东海，孔庆珍 关于环境影响评价法的思考 环境保护（）：李庭 废弃矿井地下水污染风险评价研究 中国矿业大学张建立，潘懋，钟佐燊，等 淄博煤矿矿坑排水对孝妇河水质影响及机理分析 北京大学学报（自然科学版）（）：杜东，马震，方成 国内外地下水污染研究的现状及发展趋势 山西建筑 （）：徐良骥 煤矿塌陷水域水质影响因素及其污染综合评价方法研究 安徽理工大学 谢娟 煤矿开采对地下水水质及水量的影响研究 西安科技大学 ，o o o oo o o o o o （）：，o o o （）：，o o o o o o o o o o o o o ，o，o，oo o o o o o o：o o o o oo （）：第 卷第 期地下水 年 月