综合勘查技术方法在喀斯特地区煤矿酸性矿井水污染勘查的应用
——以贵州省凯里市鱼洞河流域龙洞泉水污染勘查为例

李曦滨

(中国煤炭地质总局水文地质局，河北邯郸 056004)

0 引言

云贵高原喀斯特分布区是世界上喀斯特地貌分布最具代表性和典型性的区域，由于喀斯特地区岩溶水特有的水文地球条件特征、突出的地球化学敏感性和生态环境脆弱性[1]，极易受到矿业活动的影响。而我国南方晚二叠世形成的多为高硫煤[2]，大多数分布于喀斯特区内，长期的煤矿开采活动导致煤矿酸性矿井水对喀斯特地区水环境产生极大的影响。贵州省黔东南凯里市鱼洞河流域，自20世纪80年代初期流域内近百座地方小煤矿无序开采，矿井遍布河流两侧，煤矸石随意堆放，由于煤矿开采上部岩溶水进入矿坑，与煤层及煤矸石等产生物理、化学反应，产生高铁离子、锰离子、高硫酸根和低pH值(三高一低)的煤矿酸性矿井水肆意流淌，造成鱼洞河流域水环境严重污染，生态严重破坏[3]。

本文以鱼洞河流域龙洞泉污染的勘查为例，在分析研究矿井水文地质条件的基础上，结合岩溶地下水污染的特征，选择多手段融合的综合勘查技术方法，取得了较好的勘查效果，为今后喀斯特地区地下水污染勘查与治理提供良好的借鉴。

1 治理区概况

1.1 自然地理

治理区位于贵州黔东南苗族侗族自治州凯里市大风洞镇青杠林村。区域上处于云贵高原东侧的梯级斜坡带，受云贵高原整体抬升和地质构造的影响，地貌特征主要为低山侵蚀-溶蚀区，地势总体上为北东高南西低，海拔855～1 100m。区内植被类型有常绿阔叶林、针叶林、灌木林、灌丛和草坡，植被覆盖度达53.28%。

本区属中亚热带温和湿润气候区，年平均降雨量为1 240mm，具有明显的季风性气候特点。区内水系发育，属长江流域沅江水系清水江-重安江-鱼洞河流域白水河支流的源头区[4]。

1.2 区域地质

本区属华南地层区，成煤环境为海陆交互或过渡相的南方晚二叠世高硫煤分布区。区内主要出露二叠系下统梁山组和中统栖霞组、茅口组，东部大面积出露寒武系，西部沟谷中出露泥盆系上统尧梭组，第四系松散层零星分布。含煤地层为二叠系梁山组，可采煤层为1层，煤层厚度0.6～1.3m，煤层倾角一般小于10°，煤质为高硫、高灰分、低发热量烟煤。煤层开采主要受到顶板二叠系栖霞组和茅口组岩溶含水层的影响。

区内构造处于黔北与黔南不同构造变形面貌的过渡地带，总体形态呈NE向复向斜构造体系，构造以北东向断层和褶皱为主，断层主要有区域性大断层——大风洞逆断层及少量小断层等，主要褶皱有大风洞向斜。全区构造条件属较复杂型[5]。

1.3 区域水文地质条件

1.3.1 岩溶发育特征

区内地表岩溶地层大面积出露，受地貌、岩性及气候条件的影响，地表岩溶形态以石牙、溶沟(槽)、洼地、溶洞为主，是地下岩溶含水层有利的补给区。地下岩溶地层受地形、岩性、构造及水动力条件的控带作用，岩溶化程度较高，以二叠系中统茅口组岩溶最为发育、栖霞组发育次之，地下水动力作用强。岩溶形态以溶孔、溶洞、落水洞、岩溶管道和地下暗河为主，规模差异大，具有多层性，延伸方向受构造控制，是地下水径流和排泄的主要通道。

1.3.2 岩溶区主要含水层

本区为典型的南方喀斯特分布区，碳酸盐岩分布广泛，受地形、岩性、构造作用以及湿润多雨的气候条件影响，岩溶化程度较高。全区可划分为：新生界第四系砂砾石孔隙含水层、二叠系茅口组-栖霞组碎屑灰岩岩溶裂隙含水层、石炭系下统摆佐组白云岩岩溶裂隙含水层、泥盆系上统尧梭组生物屑灰岩岩溶裂隙含水层。

梁山组煤层之上的二叠系下统茅口组-栖霞组岩溶裂隙含水层是最主要的强含水层，岩性为深灰色中厚层状灰岩、细晶灰岩，厚度在117～327m；岩溶裂隙发育，据以往资料，该层钻孔溶蚀现象岩溶率为8.81%，溶洞现象岩溶率为5.71%[5]；含水介质为碳酸盐岩溶洞—岩溶管道，发育大量落水洞、地下暗河、岩溶泉，泉点流量0.014～11.23L/s，平均流量1.442L/s，地下径流模数4.29～10.26L/(s·km2)，富水性强但不均一，地下水化学类型为HCO3-Ca或Ca·Mg型，受矿井水污染的地下水呈浅黄色、铁锈味、浑浊状，地下水化学类型为HCO3·SO4-Ca、SO4-Ca或Ca·Mg型。

2 龙洞泉岩溶水系统及污染成因

2.1 岩溶水系统

龙洞泉岩溶水系统，面积约30km2，岩溶水系统类型属“单斜顺置型”[6]。系统大面积出露二叠系栖霞组、茅口组灰岩接受大气降雨补给，东部大风洞逆断层为区域阻水边界，地下水总体径流方向是沿岩溶裂隙和管道(地下暗河)自北、西、南向东南方向径流，自龙洞泉排泄，属断层接触泉，为常年性泉，泉口标高863.4m，泉流量在200～400m3/h，丰水期流量高达4 000～5 000m3/h，是当地青杠林村重要的生活饮用水源。

2.2 污染成因

飞龙煤矿矿区面积约1.5km2,生产能力9万t/a，井口标高934.6m，为斜井开拓，开采历史10余年，于2017年3月份关闭，现属无主煤矿。飞龙煤矿正常生产时，矿井水均抽排到地表，矿井关停后，矿井水停止抽排，导致井下采空区大量积水。2017年6月27日当地强降雨，造成采空区水位持续上升，沿某一导水通道与上覆含水层发生水力沟通，导致龙洞泉泉水污染(图1)。2017年6月30日，龙洞泉水质突然浑浊，含大量红色悬浮物，水流经过处留下红色沉淀物，7月3—5日采集水样测试，水质呈现酸性特征，pH值最低达2.4，Fe离子和Mn离子最高超出国家饮用水卫生标准111.8倍和35倍[7]。

图1 飞龙煤矿酸性矿井水污染龙洞泉剖面示意Figure 1 Schematic section of pollution from Feilong coalmine acid mine water on Longdong Spring

3 综合勘查技术方法

开展岩溶大泉龙洞泉污染治理，必须采用综合勘查技术，主要目的任务是查明污染治理区的水文地质条件和污染形成的条件；探查煤矿酸性矿井水的补径排条件及“四水”转化重点沟通区段，为制定科学经济的污染治理技术措施提供可靠的依据。

本次勘查工程布置充分利用遥感水文地质环境地质专项调查、岩溶洞穴探测、综合物探、化探、地质钻探、水文测井及井中透视、水文地质试验(以抽水试验、示踪试验、地下水流速流向测试为主)以及建立“四水”(大气降水、地下水、采空水和泉水)同步联动长期动态监测的多手段相互结合的综合勘查技术方法[8]，勘查工作在逐步深入、多手段相互验证、综合分析的基础上提高勘查成果的准确性。

3.1 地面水文地质环境地质专项调查结合遥感技术

围绕飞龙煤矿所处岩溶水系统开展水文地质环境地质专项调查，了解岩溶水系统的边界条件及补径排条件，调查地表岩溶发育特征及岩溶洼地、落水洞、地下暗河等特殊地质点的分布，为水文地质条件分析提供依据。调查范围原则上包括矿井所处的整个龙洞泉岩溶水系统。

由于调查区处于低山溶蚀地貌，地形起伏大，植被覆盖度高，调查工作应用遥感技术，遥感数据采用高分2号卫星数据，分辨率达到1m。采用321光谱波段进行真彩色合成，获得自然彩色合成图像，图像的色彩与原地区或景物的实际色彩一致。通过遥感图像能直观了解到酸性矿井废水排放的整个区域，对现场无法调查的区域，起到补充调查的作用。

3.2 地面综合调查结合地下岩溶洞穴探测调查

勘查区岩溶发育，地表落水洞、地下管道、暗河分布错综复杂，结合开展专业地下岩溶洞穴探测调查可以取得直观的探查数据，作为地面调查的补充，地下岩溶洞穴探测重点调查能够取得区内岩溶发育规律、控制地下暗河系统的发育规律和地下污染通道的准确反映。通过岩溶洞穴探测，测制1∶500洞穴平面图，相应的纵剖面图与地段横剖面图，分析洞穴的成因类型、发育特征及煤矿采空区污染水与岩溶水的联通关系。本次岩溶洞穴潜水探测分别针对龙洞泉泉口和落水洞5进入实施了4层次地下探测，取得了良好的效果(图2)。通过对落水洞5及龙洞泉的流量对比及地下取样水化学测试，查明落水洞5的流量对龙洞泉的贡献量大约占70%，推断通过导水通道龙洞泉泉水中混入了大约30%的煤矿酸性废水，为污染通道的封堵提供了技术支撑。

图2 龙洞泉及落水洞分布示意Figure 2 A schematic diagram of Longdong Spring and sinkhole distributions

3.3 地面物探结合钻孔井间物探

地面物探选用探测效果较好的瞬变电磁法、直流充电法等方法，并相互对比印证，取得了一定的效果。

在地面开展多方法物探的同时，利用地面水文地质钻孔进行了井间透视物探方法，探测煤矿巷道和采空区，根据探测各类异常点的结果，进一步指导勘查钻孔和关键通道封堵钻孔的验证布置。

3.4 水文地质钻探与井中成像技术

地面开展水文地质钻探，目的是探查地层岩性、埋藏条件、岩溶发育特征以及采空区位置、煤层开采形成的“三带”发育高度。通过钻探技术与井中成像技术结合可以取得更加清晰直观的数据信息，提供丰富可靠的岩溶水文地质基础资料。在龙洞泉污染勘查中应用水文地质钻探与井中成像技术， 探测煤层开采顶板导水裂缝带高度观测工作取得了较好的效果(图3)。

3.5 综合水文地质试验

利用治理区内完成的地质孔、观测孔、井下采空区地面疏排孔、注浆孔和泉水排泄点形成试验观测网，辅以水化学、示踪试验，开展进行综合水文地质试验，非常有利于暴露水文地质条件，从而最终达到查明岩溶含水层与采空区之间的水力联系，圈定岩溶水与采空区酸性矿井水连通的范围，为进行注浆改造和阻断水力联系提供条件。

1)单孔抽水试验。本次勘查工作进行了15个地面岩溶钻孔和10个采空区钻孔的抽水试验，取得了相关的水文地质技术参数、采空区水位及水化学特征。

图3 钻孔井下导水裂隙带发育观测Figure 3 Borehole underground water conducted zone observation注：(1)CK-1号钻孔：采空区起止深度142.20～143.90m；导水裂隙带起止深度123.66～142.20m。为采高的10.91倍，导通上覆栖霞岩溶含水岩组。(2)CK-2号钻孔：采空区起止深度123.50～126.00m； 导水裂隙带起止深度107.07～123.50m。为采高的6.57倍， 导通上覆栖霞岩溶含水岩组。

3.6 水化学测试及示踪试验

勘查工作利用水文地质钻孔和地表岩溶落水洞，开展水化学测试及水化学示踪试验(图4)。探查主要含水层、煤矿采空区、落水洞与龙洞泉之间的水力联系，探查落水洞5、暗河与龙洞泉的连通性，判断其是否为污染通道。采用食盐做示踪剂，用于连通性及地下水运动规律研究；选用荧光素作为示踪剂，用于连通性判断。

通过实时检测电导率变化(图5)，并及时检测各项指标变化情况，同时利用影像资料记录泉水颜色变化。查明了落水洞5地下河与龙洞泉存在水力联系，落水洞5为龙洞泉水补给源，分析地下水运动规律，落水洞5和与龙洞泉之间存在通道将煤矿污水导通至龙洞泉岩溶管道中，造成泉水污染。

3.7 “四水”长期动态监测结合智能网络传感技术

本次综合应用了智能网络传感技术，“四水”的动态监测主要可分为对地下水水位、 煤矿采空区水位、泉水流量、降水量及酸性矿井水特征指向性指标的水质进行系统观测。由于具有采集速度快自动化程度高等优点,智能网络传感器在数据采集方面具有明显优势,不仅能进行自检,还能够完成自动数据处理任务,显著提升监测系统的可靠性的同时,也提升了其响应速度[7]。

图4 示踪试验投放点及观测点布置Figure 4 Tracer test charging points and observation points layout

图5 龙洞泉氯化物/电导率变化Figure 5 Longdong Spring chloride electrical conductivity variations

图6 Fe2++Fe3+浓度与流量关系Figure 6 Relationship between Fe2++Fe3+ ionic concentration and flow rate

图7 Fe2++Fe3+/Mn2+/SO42-浓度变化曲线Figure 7 Fe2++Fe3+/Mn2+/SO42- ionic concentration variation curves

4 综合勘查成果及治理效果

4.1 主要综合勘查成果

1)查明了龙洞泉岩溶水系统的水文地质条件。龙洞泉属单斜顺置型岩溶水系统，为区域构造控制的断层接触泉，主要含水层为二叠系栖霞组和茅口组灰岩，含水层介质为岩溶裂隙、溶洞和岩溶管道(地下暗河)，水位标高为867.69～935.40m，为下覆二叠系梁山组煤层的主要充水含水层，富水性中等—强。

2)查明了龙洞泉受关闭煤矿酸性矿井水污染的机理、途径及方式。通过钻探和井中电视等技术手段查明采煤导水裂隙带发育高度达到采高的6.57～10.91倍，局部地段沟通上覆栖霞组灰岩含水层，通过垂向越流方式污染上覆含水层。明确了龙洞泉污染属于采空区水位抬升沟通上覆含水层且具有非持续污染特点。

3)查明了龙洞泉流量、地下水水位、采空区水位与降雨量的“四水”相关性，掌握了龙洞泉水中Fe2+、Fe3+、Mn2+、SO42-等污染特征离子与泉流量、采空区水位的转化关系。

4)垂向上圈定了上覆二叠系茅口组、栖霞组岩溶强含水层接受采空区酸性水补给的垂直越流的标高。当采空区积水高于908m标高时补给上覆岩溶含水层，造成龙洞泉泉水受到污染，低于908m标高时泉水不受污染，采空区垂直越流补给岩溶水的水位标高在908～915m。

5)平面上划分了上覆二叠系茅口组、栖霞组岩溶强含水层接受采空区酸性矿井水补给的区段和主要补给通道(岩溶管道)范围，为后续污染通道的封堵、截流、阻断、含水层改造等注浆治理工程提供了可靠的依据。

4.2 治理效果

自2017年7月龙洞泉受关闭煤矿废水污染以来，通过长达持续2a的长期动态监测，泉水Fe2+、Fe3+含量为90～120mg/L，Mn2+含量为30～35mg/L，最高超标111.8倍和35倍，水质污染类别为劣Ⅴ类。

根据综合勘查技术方法取得的成果，通过实施采空区顶板隔水层注浆改造控制采空区的补给量和采空区水位、关键通道(水力联通点)的注浆封堵切断采空区污染水与上覆岩溶含水层(岩溶管道)的水力联系等一系列综合治理技术，自2019年8月15日起，龙洞泉泉水主要污染指标逐步向好，pH值6.77～8.45，Fe2+、Fe3+为0.1mg/L左右，Mn2+小于0.03mg/L，SO42-为200mg/L左右，矿化度低于0.42g/L，治理效果显著。

5 结语

喀斯特岩溶区煤矿矿井水污染地下水的问题已经成为西南地区水生态环境建设面临的主要地质环境问题，水污染治理工作是长期以来难以解决的技术难题。查明治理区水文地质条件和污染机理条件是水污染治理工作的基础，而如何选择有针对性、实效性的地质勘查技术方法是实现治理目的的关键。本次以贵州省凯里市鱼洞河流域龙洞泉污染勘查为例，将国内煤矿防治水技术经验成功应用到龙洞泉的水污染治理，结合治理区岩溶水文地质条件，分析研究关闭煤矿酸性矿井水污染条件，采用多手段勘查技术相结合、“四水”(地表水、地下水、污染水、大气降水)智能网络传感技术的综合勘查技术方法，取得了较好的勘查效果，为治理工程开展污染通道的封堵、截流、阻断、含水层改造等提供了可靠的依据，治理效果显著。