新疆煤矿开采对周围地下水的影响机理分析

古丽波斯坦吐逊江，尚彦军，2，杨成，许涛

(1.新疆工程学院新疆地质灾害防治重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830023；2.中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029)

随着科技快速发展，人类对水资源需求量越来越大，水资源问题成为全球关注的重要环境问题之一[1]。我国水资源较贫乏且时空分布极不均匀，北方干旱-半干旱地区水资源匮乏问题突出，很多地区地下水是唯一可开采利用的水资源。据统计，我国有1/4地下水被过量开采无法恢复[2]。我国煤炭资源分布很不均匀，其与水资源分布特点相反，西部多、东部少、北部多、南部少。因此，我国西北干旱-半干旱地区煤炭资源开采对水资源破坏问题尤为突出[3]。长期以来，我国经济稳定发展离不开煤炭资源的贡献[4]，但大规模开发煤炭资源对自然生态环境产生极大扰动。开采煤层时疏干与煤层相连的含水层，对水质和水量产生不可逆作用，特别是改变了开采区域内的水文地质条件，严重破坏了地下水资源的自然赋存规律，使原本存在的区域水资源供需矛盾突出，且破坏开采区域生态平衡，造成了一系列难以恢复的不良后果[5-8]。

我国西部煤炭资源丰富，煤炭资源探明储量约占全国的80%以上，为我国能源战略中心。新疆煤炭资源占全国的40%以上，为我国第14个大型煤炭基地，是全国煤炭生产力西移的承接区[9]。新疆气候干燥，降水量稀少，全区平均降水量不到200 mm，蒸发强烈，平均年蒸发量2 000 mm，植被覆盖率低，生态环境脆弱，一旦破坏严重，将面临恢复艰难或永久性破坏的后果。新疆矿区煤层埋藏较浅，含水层位于煤层上方，形成“生态-地下水资源-煤炭资源”系统。煤炭开采导致含水层破坏，表体植物死亡，地表荒漠化，生态平衡破坏问题凸显。如何解决大规模煤炭开采与保护水资源间的矛盾，是亟需科技和工程解决的问题。

1 新疆水资源概况

新疆水力公报数据显示，2019 年全疆年降水量2 871×108m3，地表水资源量829.7×108m3，地下水资源量508.5×108m3。扣除地下水资源与地表水资源重复计算量468×108m3，全疆水资源总量870.1×108m3，较多年平均值增加37.3×108m3。2019 年全疆用水总量为554.43×108m3，其中生产用水525.92×108m3，占用水总量的94.86%；生活用水12.79×108m3，占用水总量的2.31%；生态环境补水量15.72×108m3，占用水总量的2.83%。生产用水中，一产用水511.47×108m3，其中灌溉用水506.81×108m3，鱼塘补水1.98×108m3，牲畜用水2.68×108m3；二产用水12.42×108m3，其中工业用水11.52×108m3，建筑用水0.90×108m3；三产即服务业用水为2.03×108m3（图1）[10]。与2018年相比，2019 年用水总量增加5.66×108m3。其中生产用水增加2.31×108m3，生活用水增加0.12×108m3，生态环境补水量减少14.78×108m3[10]

图1 2015—2019年全疆用水量、灌溉量、工业用水量、生活用水量Fig.1 Total water consumption,irrigation volume,industrial water and domestic water consumption in Xinjiang from 2015 to 2019

据新疆多年用水量数据，农业用水量占95%以上，部分地区采取的农业用水相关政策已取得良好效果[11]。2019年工业用水占非农业用水量的23%[10]，全疆煤炭生产占全疆总产能的87.9%。新疆发改委最新发布公告显示，截至2021 年12 月底，全区共有生产煤矿64 处，产能24 054×104t/年。据环保组织绿色和平测算结果，每开采1 t煤破坏2.54 m3地下水资源，新疆每年开采煤炭资源将破坏6.109 7×108m3水资源。

2 新疆含煤层条件和水文地质条件

石炭至侏罗纪时期，新疆发生聚煤作用，其中早—中侏罗世聚煤盆地发育广泛，为区内主要聚煤期，主要煤层为侏罗系八道湾组和西山窑组。

新疆煤炭资源主要分布于山前盆地或山前倾斜带盆地边缘。聚煤盆地受地形地貌、强烈地质构造运动、地层岩性及表层断陷等控水作用影响，为大量汇集的地表水转换到地下水的有利地带，煤矿大多处于补给-径流区域[12]。据聚煤特点，新疆正规化建成4大煤田（准东煤田、吐哈煤田、伊犁煤田、库拜煤田）[13]。新疆煤系地层顶板含水层主要为侏罗系碎屑岩孔隙-裂隙含水层和覆盖于上层的第四系松散岩孔隙含水层及隔水层，水文地质属简单-中等。煤矿区主要补给为大气降水，少量为河水渗漏和含水层间的越流补给。内充水水源包括裂隙水、大气降水及地表水，补给源条件差或一般。少量煤矿存在煤层顶板裂隙水、老空水和极端气候条件下的地表洪流充水等水害威胁[14]。

3 新疆煤矿开采对地下水破坏机理

3.1 矿区地下水位动态变化

煤炭资源大规模开发对自然生态环境产生极大扰动，特别是对开采区域内水文地质环境产生不可逆作用，严重破坏地下水资源的自然赋存条件，使区域水资源供需矛盾更尖锐。煤炭开采与地下水资源紧密相连的煤层往往与地下含水层相邻，采煤时疏干地下水不仅影响地下水资源数量和质量，且破坏水的动态平衡，对生态环境造成不良后果[11]。

新疆4 大煤矿区多年地下水监测数据显示，水位具下降趋势。分析近10 年哈密盆地地下水累计降深变化发现，1990—2008 年，地下水位普遍下降，最大累积下降深度超15 m[15]。据1988—2016 年吐鲁番盆地地下水位动态数据分析，吐鲁番地下水位变幅约5.5 m，长期处于下降趋势[16]。邻近奇台绿洲的准东矿区，1983—2013 年地下水动态变化数据显示，30 年间该地区地下水位下降15.3 m[17]。煤矿采区地下水位长期下降速率为10～50 cm/a。作为农业发展大区的阿克苏市，2010—2015 年地下水埋深监测数据显示，6年间地下水平均埋深增加1.77 m[18]。

3.1.1 煤矿开采对地下水含水层的破坏机理

侏罗系碎屑岩孔隙-裂隙含水层破坏自然条件下煤层上覆岩层原始应力处于平衡状态。当采煤到一定程度后形成采空区，影响煤层上覆岩层的完整性和稳定性，上覆岩层应力平衡受到破坏。在采动影响下，煤层上覆隔水层变形破坏，形成由下至上发展的离层、破裂及垮落“三带”，即冒落带、裂隙带及弯沉带，冒落带和裂隙带统称为导水裂隙带。采煤导水裂隙带导通上覆含水层，使原水文地质结构破坏，隔水层被导通。不同含水层和采空区间形成水力联系，改变了地下水原有的径流特性。在采煤影响范围内，地下水通过导水裂隙进入矿井，导致含水层水位下降至被人为疏干。

第四系覆盖层含水层破坏厚层覆盖区发育埋藏较深的煤层。采煤形成的导水裂隙不会直接影响覆盖层组成的松散含水层。采煤造成导水裂隙带以下含水层水位下降，与松散含水层水头差增加。虽导水裂隙带到达松散含水层及隔水底板具一定距离，但在水头压力作用下，松散含水层地下水通过弱透水层以越流形式向下渗漏，导致含水层水位下降甚至被疏干，松散含水层的地下水遭破坏。

3.2 新疆煤矿开采对地下水水质影响

3.2.1 煤矿开采区地下水水质现状

陈凯等对准东煤电二号矿井水检测结果显示[19]，该区地下水水质总体较差，水中溶解性总固体、pH值等11项评价因子超标。其中溶解性总固体、硫酸盐、氯化物等3项评价因子指标超标率为100%。王贯东等对伊犁能源四号矿矿井水进行检测[20]，该区矿井水的pH值大于6.0，偏弱碱性，矿井水悬浮物超标率62.8%，化学耗氧量22.8%，矿化度超过1 g/l 的体积比为51.4%，总硬度超过450 mg/l 的为42.5%，多项指标超标。顾涛等对昌吉州5 县2 市井采煤矿74 家煤矿废水水质进行检测[21]，所有煤矿废水pH值为6.14～8.7，pH 为7.5 以上居多，总体偏弱碱性；化学耗氧量浓度为8～358 mg/l，多处于8～37.8 mg/L；悬浮物浓度16～2 378 mg/l，多处于76～2 378 mg/l。22家煤矿单位总悬浮物超标，占总量的62.8%。矿化度浓度410～21 404 mg/l，多处于1 194～2 1404 mg/l，18家煤矿矿井水中矿化度含量超过1 000 mg/l，占监测煤矿数量的51.4%。矿井水总硬度浓度90～2 920 mg/l，多处于497～2 920 mg/l，15家煤矿矿井水中总硬度含量超过450 mg/L，占总量的42.8%，3 家煤矿矿井水中硫酸盐含量超过250 mg/l。拜城县某矿矿井水水质，悬浮物100 mg/l，F含量0.3 mg/l，AS含量小于0.001 mg/L，总硬度440 mg/l，矿化度1 668 mg/l[22]。

上述检测结果可知，新疆处理后矿井水矿化度偏高，pH值偏弱碱性，水中悬浮物超量。

3.2.2 煤矿开采对地下水水质影响机理

矿井水排放引起的地下水污染一般煤炭开采过程中会产生酸性矿井水中有毒污染物质包括：汞、铅、铬等重金属；氟化物、氰化物等无机毒物及无机酸、盐类和无机悬浮物。由于酸性矿井水在地下与围岩裂隙水存在一定水力联系，这些有害有毒物质的释放将对地下水水质造成严重影响。

煤矸石固体废物排放造成的地下水污染露天堆放的煤矸固体废物在降水淋滤作用下，对其中化学物质进行溶解或发生化学反应，使毒有害物质(硫化物，碳酸盐类混合物，可溶性无机盐)在水动力作用影响下被带入地下水，造成矸石周围地区土壤和地下水的污染。

煤矿废弃闭坑后造成的地下水污染矿井关闭后，大量采煤过程使矿井附近地下水条件发生改变，产生水力联系更复杂的地下水环境。矿井形成的酸性环境和采煤过程中丢弃的垃圾，使老空水影响废弃矿井的地下水水质。

4 煤矿开采对地下水破坏机理研究方法

张志祥在研究中提出煤矿开采对地下水的主要影响因素[23]；王晓霞等对山西省煤矿开采和水资源情况分析[24]，得出山西省69%河段受煤矿开采影响失去原有功能；高业新利用MODFLOW 模型进行抽水试验水位-降深模拟[25]，获得水文地质参数计算不同层位含水层组地下水的补给来源。李舒等采用SWAT-MODFLOW 模型[26]，计算出煤矿开采对年径流减少的贡献量为24.20 mm。雷宇昕采用半松散耦合SWAT模型与MODFLOW模型[27]，研究窟野河流矿区开采对水资源影响。结果显示，煤炭开采使窟野河径流量减少2.91×108m3，其中1.85×108m3通过导水裂隙带渗入，潜水水位较模型初始水位下降3.60～7.16 m。2018 年煤炭开采对地下水影响量为9.79×108m3。

笔者参考国内研究方法，提出适合新疆煤矿矿区特点的采矿对地下水影响研究方法。新疆煤炭埋深较浅，煤矿开采引起上覆含水层破坏。采用MODFLOW模型对新疆煤炭开采对地下水影响程度进行分析，据矿区含水层数量设置模型。若矿区存在地表水，耦合SWAT模型，可研究煤炭开采对地下水水位、水量的影响程度，具体步骤见图2。

图2 新疆煤矿开采对地下水扰动研究数值模型流程图Fig.2 Flow chart of numerical model for groundwater disturbance study of coal mining in Xinjiang

5 结语

目前新疆煤炭开采对地下水的扰动作用进行定量研究较少。据国内外研究现状，煤矿开采对地下水的扰动影响较大，地下水水量和水质均受到不同程度影响，采矿开采对地下水扰动不容忽视。

对生态脆弱干旱地区，地下水资源的科学合理保护利用非常关键。新疆为我国重要煤炭生产基地，开采过程中对地下水产生不可忽视的扰动影响，应在重大矿区规划和建设地下水立体监测网格，监测地下水位和水质的长期变化，更好地实现煤炭资源合理开采和水资源环境的积极保护。