鱼洞河流域矿井水综合治理思路探究

刘征宇 张忠俊

摘 要：【目的】解决矿山开采引发的鱼洞河流域含水层破坏问题。【方法】基于现场调查、取样试验、室内分析，总结分析含水层破坏现象及原因。【结果】提出三种治理思路，分别是源介分离、清污分流及多级沉淀。【结论】该思路的提出可为该流域矿山及类似矿山含水层治理提供参考。

关键词：鱼洞河流域；矿山开采；取样试验；含水层破坏；治理思路

中图分类号：TD167                文献标志码：A                 文章编号：1003-5168（2023）14-0109-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.022

Research on Comprehensive Treatment of Mine Water in Yudong River Basin

LIU Zhengyu1 ZHANG Zhongjun2

（1. Qiannan Geology Mining Corporation Limited， Duyun 558000， China；2.104 Geological Brigade，

Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development of Guizhou Province， Duyun 558000， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims solve the problem of aquifer destruction in Yudong River basin caused by mining. [Methods] Based on field investigation， sampling test and laboratory analysis. This paper summarizes and analyzes the phenomenon and causes of aquifer failure. [Findings] Based on this， three treatment ideas are proposed， which are source separation， decontamination diversion and multistage precipitation. [Conclusions] The proposed ideas can provide reference for the management of mine and similar mine aquifers in this basin.

Keywords： yudong river basin; mining; sampling test; mine water pollution; treatment ideas

0 引言

礦山地质环境一直以来都是人们普遍关注的问题。鱼洞河流域是凯里市矿产资源尤其是煤矿富集区，长期大量无序采矿活动使得该流域地下水严重污染，影响范围广泛［1］。鱼洞河流域面积约240 km2，主要由平木河、泡木河两大支流组成。流域内有煤矿、菱铁矿、铝土矿等十余种矿产资源，矿区内共有矿山70余家，其中煤矿35家、非煤18家、砂石矿17家，流域内涌水矿井41处，总涌水量占鱼洞河流量三分之一还多［2］。矿山开采活动破坏了原有的含水层，致使地下水严重污染，影响人们的正常生活。

1 区域水文地质特征

研究区总体西高东低，地表水受地形控制，泡木河、平路河为重安江一级支流自西向东流，首先汇入鱼洞河，然后进入重安江。区内地下水流向受地形地貌控制整体自西向东径流，鱼洞河与重安江的交汇处为该区地下水最低排泄基准面，高程563 m。

鱼洞河流域上游大风洞镇—炉山镇—万潮镇一带地形相对较缓，第四系覆土较厚，且分布较为连续，水田、旱地大面积分布；下游平路河、泡木河两侧地形切割较强烈，坡度相对较陡，第四系覆土相对较薄，且分布不连续，多分布于缓坡、洼地、河谷地带。区内以碳酸盐岩分布为主，碎屑岩分布为辅，碎屑岩主要分布于中部官庄—黄家冲—狗场坝—老关田—拗土一带，南北走向，还分布于万潮镇—高埂—大冲—新寨—黄腊一带，南西—北东走向，碎屑岩区将鱼洞河流域划分为东、西两个岩溶含水系统。中部碎屑岩为相对隔水岩组，富水性弱，碳酸盐岩富水性中等—强。东部岩溶含水系统主要为二叠系栖霞组、茅口组灰岩，西部岩溶含水系统地层岩性主要为含武系娄山关组白云岩、奥陶系桐梓组、红花园组、二叠系栖霞组、茅口组灰岩、白云岩等。东部岩溶含水系统范围内分布大量的煤矿山，地下水主要以矿井、暗河、岩溶大泉等方式排泄，矿井排泄的地下水多被污染，呈酸性。西部岩溶含水系统范围内主要分布重晶石、砂石矿、灰岩矿等，地下水主要以暗河、岩溶泉点等方式排泄，多数无色、无味、清澈透明，呈中性。

区内构造以北东—南西、南北走向为主，均展布于碳酸盐岩中。其中炉山镇断层、平路河断层在该区延伸较长。大风洞断层为逆断层，SE倾向，NE走向，下盘地层岩性主要为二叠系栖霞组、茅口组灰岩，发育有岩溶大泉S52、S53（图1、图2）、暗河出口S41、S82（图3、图4），含水介质为碳酸盐岩溶洞—管道，岩溶极发育；上盘主要为寒武系白云岩，发育岩溶泉点，岩溶含水介质为溶孔—溶隙，岩溶发育。平面上，岩溶大泉、暗河均发育于该断层下盘灰岩中，上盘寒武系白云岩中不仅泉点少，流量也小，推测为相对阻水盘。平路河断层为正断层，倾向SE，走向NE，上盘岩性主要为二叠系栖霞组、茅口组、吴家坪组灰岩，发育岩溶大泉3处，S23、S62、S90（图5至图7）、暗河入口S14（图8），含水介质为碳酸盐岩溶洞—管道，岩溶极发育，下盘主要为奥陶系白云岩、泥盆系白云岩、二叠系栖霞组、茅口组灰岩，白云岩分布区域仅发育岩溶泉点，且流量较小，含水介质为碳酸盐岩溶孔—溶隙，岩溶发育。灰岩分布区发育岩溶大泉、暗河，岩溶含水介质为溶洞—管道，岩溶极发育。北东走向的鱼洞河向斜控制了东部岩溶系统的地层分布，垂向地层展布形态呈开口向上的半月形，纵向上顶部为二叠系茅口组、栖霞组灰岩，上部梁山组含煤地层，中部桡梭组白云岩，中下部望城坡白云岩，下部志留系翁项组砂质页岩、石英砂岩，该层岩组为东部岩溶系统的隔水底板。

根据区内地下水赋存的岩性、含水介质类型及其组合，将调查区内地下水划分为松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙水、碳酸盐岩类岩溶水三大类型。

2 含水层破坏现象分析

含水层破坏是矿山地质环境三大类问题之一，表现为矿区或区域地下水位下降、井泉流量减小甚至干枯、地表水体漏失、水质恶化等单体问题。根据含水层岩性及其组合特征、与煤系地层位置关系，矿井充水主要含水层一是顶板二叠系中统栖霞（P2q）、茅口组（P2m）灰岩岩溶水和底板下含水层（泥盆系上统尧梭、望城坡组白云岩岩溶水）。野外调查资料表明，鱼洞河流域矿山含水层破坏主要表现为水质恶化。同时地下水位下降、井泉流量减小甚至干枯、地表水体漏失在本区内也均有表现。

2.1 地下水位下降及井泉流量减小甚至干枯

井泉流量减少甚至干枯往往伴随着地下水位下降同时出现，通过野外调查了解，部分泉点以前出水正常，但是随着矿产资源的开发，矿井疏干地下水使得地下水位下降，导致后来该泉点的流量减少甚至干枯，如S80、RY41、RY42调查点，原来有水流出，但是现在已经干枯，说明了该区域内地下水位的下降影响了泉点的排泄（图9至图11）。

2.2 地表水体漏失

当矿层采深采厚比较小时，导水带容易贯通地表，进而造成地表水的漏失。经野外调查，采空区的形成致使部分地表水体直接进入了地下水系统中，并且经过采空区从排泄口流出，造成水体的污染。如S22（图12）、S29（图13）调查点，地表水体在S22处由溶洞进入地下水体中，从S29流出，导致原地表河流干涸。部分漏失的地表水体在经过采空区进行了一系列的物理化学作用流出后具有铁锈味，并且有黄褐色沉淀将周围岩石染色。

2.3 水质恶化

水质恶化為本区内含水层破坏产生的最严重问题，其表现特征有：影响面积大、影响程度高、影响情况复杂多样。具体表现为矿井水污染地表地下水、淋滤水污染地表地下水及地表地下水的河流含沙量。通过取样分析，矿井水、淋滤水阴离子以SO42－为主，含量20～2 500 mg/L，平均623.83 mg/L；阳离子则比较复杂，Ca2＋、Mg2＋居多，相当一部分样品中的Fe2＋＋Fe3＋和Al3＋参与命名，其含量Fe2＋＋Fe3＋最高者高达490.8 mg/L，Al3＋100 mg/L。被矿井水、淋滤水污染后的泉、河流、水库，其水化学类型为HCO3·SO4、SO4·HCO3－Ca或Ca·Mg型水，铁、铝、锰、硫酸盐普遍超标。

3 含水层破坏原因分析

本区煤矿、铝土矿、菱铁矿赋存于二叠系中统梁山组（P2l）中，这是本区主要含矿层位，总厚2～66.30 ｍ。也是矿井水污染主要岩矿来源。岩性为：上部含煤层（线），褐黑色、灰黑色炭质页岩夹泥灰岩及煤线。含结核状、粒状、线状黄铁矿和高灰分、高硫低发热量烟煤，煤层厚0.6～1.2 m。黄褐、灰黄色粉砂质页岩夹黄褐色薄层细粒石英砂岩，含粒状黄铁矿，厚1.2～12.7 m。

中部含铝土矿层：灰白、灰黄色中厚层致密块状铝土岩、豆鲕状铝土岩或铝土页岩夹灰白、浅灰色碎屑状、豆鲕状、半土状、土状、块状铝土矿。厚0.8～37.6 m。含铁层与含铝土矿层厚度变化大，互为消长关系。

下部含铁矿层：褐红色、紫红色、浅红色、铁质浸染色黏土质页岩或浅灰色铝土质页岩夹黄褐色、棕红色含结核状菱铁矿，厚0～16 m。地表以氧化后褐铁矿为特征，为皮壳状、致密状、网格状、肾状、葡萄状等结核矿石。底板和白云质灰岩接触，有时中间有厚0.5～1 m的浅绿色铝土质页岩，底界清楚。顶板由铝土质页岩逐渐过渡到铝土岩。

岩矿化学分析结果表明了水中Fe2＋、Fe3＋、Al3＋、SO42－、Mn2＋等含量高，与岩石矿物的化学成分关系十分密切，见表1。从表可以看出，总铁在各种岩石矿物中含量都高，Al2O3主要存在于铝土矿和煤矸石中，Mn的含量较少，但溶解能力强，故水中含量高。水质分析结果再次证明上述结论，见表1。

矿井水、淋滤水阴离子以SO42－为主，含量20～2 500 mg/L，平均623.83 mg/L；阳离子则比较复杂，Ca2＋、Mg2＋居多，相当一部分样品中的

Fe2＋＋Fe3＋和Al3＋参与命名，其含量Fe2＋＋Fe3＋最高者高达490.8 mg/L，Al3＋100 mg/L。被矿井水、淋滤水污染后的泉、河流、水库，其水化学类型为HCO3·SO4、SO4·HCO3－Ca或Ca·Mg型水，含量见表2。

如黄铁矿（FeS2）与水的作用，首先溶解、水解成Fe2＋，Fe2＋极不稳定，遇空气随即被氧化，形成Fe3＋，进而沉淀，形成常见的褐黄色“铁锈水”。

这些化学元素都是赋存于梁山组（P2l）中的岩石与矿物中，梁山组（P2l）含水极弱，属相对隔水层，但是这些化学元素又是怎样溶解于大量的地下水中呢？通过调查分析发现，在梁山组（P2l）中的采矿活动揭露并破坏了其顶板茅口组（P2m）、栖霞组（P2q）和底板尧梭组（D3y）、望城坡组（D3w）这两套强岩溶含水岩组，致使其中的岩溶地下水大量涌入坑道，溶解、水解岩石矿物中的化学元素，最终导致水质恶化，造成地表水、地下水遭受污染，如图14所示。

淋滤水与岩石矿物的相互作用、污染原理与此相同，不过水是大气降水，化学元素是赋存于煤矸石、废弃矿石中而已。大气降雨后，或是直接淋滤煤矸石、废弃矿石，或是形成地表径流，渗入其中。两者都是水溶解、水解煤矸石、废弃矿石中的化学元素且被迁移至地表水、地下水中，导致水污染。

通过分析水化学成分的形成、化学元素在水中的溶解、水解、迁移、沉淀和水质恶化与水污染的原因，为下一步的治理提供了科学依据。

4 综合治理措施探究

针对本区水质恶化与水污染，土地植被资源的占压、破坏与损毁两大矿山地质环境问题的类型、规模、分布、成分组分及形成原因，结合相关治理经验，提出以下治理思路。

4.1 源介隔离

源介隔离适用于矿井水的治理。源，指的是污染源，就是上面所说的各种超标的化学元素；介质，即污染介质，就是地下水，矿井充水主要含水层中的地下水。就是要把污染源与污染介质隔离开来。按清理老硐、寻找源头、测量勘查、工程设计、组织治理等步骤开展工作。一是全程隔离（见图15），在最后一个涌水点后方修筑挡水隔离墙，前方将原来采煤残留煤及矸石物清除，顶底浇筑混凝土，让各涌水点自流出地表。二是对源头进行封堵（见图16），巷道将梁山组（P2l）清理干净，最好至上覆栖霞组（P2q）下覆至尧梭组（D3y）。三是绝不能封堵矿井井口，一方面是根本堵不住，另一方面即便能够堵住，污染水可能倒流，进入上覆栖霞组（P2q）下覆至尧梭组（D3y）含水层中，造成其中的地下水污染，造成更大更广的影响。

4.2 清污分流

清即清水，污即污水，就是把清水和污水分开。野外调查资料表明，平路河于桃子冲附近以上、泡木河于消水洞附近以上河水清亮、未受污染。两支流分别于桃子冲、消水洞筑坝、分流清水，实现“清污分流”。向下修筑“清水渠”或“上层河”，形成“左清右污或左污右清”或“上蓝下黄”的鱼洞河支流新格局。沿途“收清弃污”，就是“清水渠”或“上层河”收纳清水、干净水，污水继续排入原来河道，直至两支流交汇处或鱼洞河出口。

4.3 多级沉淀

鱼洞河流域的污染，一方面是矿井水、淋滤水的化学污染，主要特征是SO42－、Fe2＋、Fe3＋、Al3＋、Mn2＋等严重超标。另一方面是降雨携带各种堆积体、采场采坑、工业场地大量泥沙进入河流，主要特征是河流含沙量、输沙量增多。

无论是物理污染还是化学污染，在河流的自净、沉淀作用下都能够得到极大的缓解。根据鱼洞河流域物理和化学污染这些特点，提出“多级沉淀”的治理对策。流域内平路河、泡木河，长度均为20 km左右，有足够的空间修建多级沉淀坝，以达到降低流速、减小流量、增大空间、延长时间的目的，发挥河流自净作用。同时，选择核实的沉淀坝，加入锰砂、石英砂等材料以达到吸附、过滤、交换的作用。

降低流速就是降低流水的速度，坝的级数越多，水流的速度就慢，让水中的化学成分氧化更加彻底。如果“清污分流”的思路能够实现，清水部分自会分流至清水渠，留下的只有遭污染部分，量就小得多。流量小，相对来说，坝作用就大。通过修坝加大储水空间，让水充分与空气接触，充分曝气、氧化、沉淀，减少水中污染物含量。此外尽可能地让支流的水以最慢的速度汇入主干河，让水中的污染源在河水进入主干河前于途中沉淀。

5 结论

鱼洞河流域含水层破坏主要表现在地下水位下降及井泉流量减小甚至干枯、地表水体漏失以及水质恶化三个方面，其中水质恶化表现最为明显。通过对含水层破坏原因分析发现：鱼洞河流域含水层破坏主要由化学污染与物理污染共同作用，表现为化学元素的迁移、淋滤水与岩石矿物的相互作用。本研究基于含水层破坏原因分析，提出三种治理思路，分别是源介分离、清污分流、多级沉淀，该思路可为类似工程提供参考。

参考文献：

［1］李文波.凯里市鱼洞河流域煤矿酸性废水及煤矸石治理方案研究［J］.黑龙江水利科技，2019，47（9）：54-56.

［2］羅康生，代胜，李仁启，等.贵州鱼洞河流域水质污染成因研究［J］.冶金管理，2022（13）：97-99.