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煤礦開采排水對巖溶水水質的影響研究——以山西省為例

更新時間：2020-08-22　點擊量：1278

　　摘要：巖溶泉水是山西省重要的供水水源之一。近年來巖溶泉水普遍受到污染，煤礦開采排水是巖溶泉水污染的一個重要原因。本文在論述巖溶泉域水文地質特征和巖溶泉域系統中煤系地層的分布特征的基礎上，分析了煤礦開采排水對巖溶水的污染成因和煤礦開采對巖溶水的污染形式。提出巖溶水水質的保護措施

　　關鍵詞：巖溶泉域; 水質污染; 管理保護;山西省

　　山西巖溶作為中國北方巖溶之代表，巖溶區分布范圍廣，裸露巖溶區面積大為2.6×104 km2,占全省國土面積的17.5%,加上隱伏巖溶區,總面積為11.3×104km2,占全省國土面積的75.2%，是我國北大的巖溶區。得天獨厚的地質條件使得巖溶泉在全省均有出露。巖溶水，尤其巖溶泉水是山西省重要的供水水源之一。山西是煤炭大省，含煤面積達5.7萬km2，占全省總面積的37.5%，探明儲量、產煤量、外調量均居全國。山西省煤礦平均開采噸煤排放礦坑水0.88 m3，全省煤礦開采現狀年礦坑水排放量約3億m3，占全省工業總取用水量的25%。如此大量的煤礦排水一方面也減少了水資源的可利用量，另一方面對地下水水質尤其是對巖溶泉的水質造成污染，進一步加劇了山西省水資源嚴重緊缺的程。在全省19個巖溶大泉都不同程度的遭到污染，不僅嚴重的影響到工業生產和人民生活，而且構成了對生態環境的隱患。加強對煤礦開采對巖溶泉域水質影響的研究具有十分重要的意義。

　　一、巖溶泉域水文地質特征

　　山西省內廣泛分布的寒武、奧陶系碳酸鹽巖是主要的巖溶發育層和巖溶含水層。隨著巖溶水系統的發育演化,形成了多個水流傳輸相對獨立的巖溶泉域系統，巖溶地下水的補給主要分為以下三種形式:

　　1為裸露巖溶區降水入滲補給。其補給量一般占天然資源量的70%。裸露可溶巖主要分布于呂梁山中南段、霍山東側、太行山中南段及晉西北偏關、保德、岢嵐、神池、五寨，太原的東山、西山等地區。沉積厚度可達千余米。沉積穩定，地層產狀平緩。巖性以厚層純灰巖及泥灰巖為主，主要含水巖組為中奧陶統灰巖，富水性頭泉域等。

　　二、巖溶泉域系統中煤系地層的分布特征

　　巖溶泉域系統都有煤系地層分布,主要為石炭二疊系煤層。其中在補給徑流區大面積連續分布的有晉祠泉、蘭村、龍子祠泉、延河泉、三姑泉;分布于徑流區的有洪山泉,廣勝寺泉;分布于徑流排泄區的有柳林泉;郭莊泉泉域系統內分布較廣,補、徑、排區均有,而老牛灣泉和天橋泉泉域分布較少,僅在徑流排泄區局部范圍分布。在垂向上,巖溶含水層位于煤系地層之下,底部可采煤層與中奧陶統巖溶含水層之間相距不大,存在以砂、頁巖及泥巖為主的隔水層,其厚度不穩定。在太原盆地一般厚40~60m,往南、往西變薄，多為15~30m。

　　三、煤礦開采對巖溶泉域水質的影響

　　山西省內八大統配煤礦，有七家位于巖溶泉域。煤矸石堆和選洗礦廠的尾礦場、廢水池大部分分布在區內的采礦塌坑和溝谷中，接近下伏巖溶地層，污染物易下滲污染巖溶水。受采煤影響較大的泉域有娘子關、辛安、三姑、延河、龍子祠、郭莊、晉祠、柳林、神頭等泉。

　　1煤礦開采排水的水質特征

　　巖溶泉域水污染源主要來自煤礦開采外排的礦井水、洗(選)煤水、焦化廠廢水和礦區生活污水。每生產一噸煤，礦坑排水量為0.88 m3 。據不*統計,我國煤礦井年排水量達22億m3洗(選)煤廠煤水和焦化廠廢水2億m3,煤礦生活廢水2億m3。其中煤礦開采排水占污水比重，故此也是本文論述的重點。

　　煤礦開采排水是受自然和人為影響二形成的具有復雜成分的*水體。其產出，賦存受煤炭成分，圍巖巖性，采礦工藝，排水措施等因素的影響。其水質特性除具備一般地下水的特性外還具有以下特征：

　　1總懸浮顆粒嚴重超標。

　　2煤礦開采排水PH值多有超標，且均為酸性水。由于煤地層中硫含量高，且有硫鐵礦在煤層中廣有分布，在天然狀態下含水層水體與煤系地層相隔，煤礦開采后，在人為的氧化環境中，氧化成酸過程大大加快而形成酸性水，硫酸根離子含量增高。

　　3總硬度大礦坑水在氧化成酸的過程中對含水體圍巖不斷溶蝕，使水中Ca2+、Mg2+離子的含量增加，硬度增大。

　　4礦化度高。天然水的礦化度大多小于1000mg/L，但礦坑水大量溶解煤層中礦化物，有的可達2000一5000mg/L。

　　5鐵離子含量高，天然水中鐵離子含量一般較低，采煤條件下，煤系地層中的硫鐵礦氧化形成鐵的可溶化合物而加入礦坑水，使鐵離子的含量增高。

　　6毒理學成分增高。

　　2煤礦開采排水對巖溶水的污染成因

　　煤礦的開采對于巖溶水的破話主要通過含水層破壞或邊界條件改變,產生人為導水通道,增大含水層間的水力,地下水地含水系統水文地質條件發生根本的變化，這種變化的實質是使天然狀態下的多含水層，以水平運動為主的地下水系統變為以垂直運動為主的“礦坑水化”系統。根據采煤前后儲水介質的特征和地下水的補給、徑流、儲存和排泄條件，原水資源系統的四層次結構:即地表水; 第四系孔隙水;石炭、二疊系砂巖裂隙水;奧陶系巖溶裂隙水變為新的四層次結構，即:地表水; 第四系孔隙水;石炭、二疊系碎屑巖一礦坑儲水系統;和奧陶系巖溶裂隙水系統。地下水的補給、徑流、調蓄、排泄條件也發生了相應變化，含水層的補給主要通過破壞產生的導水裂隙帶運移，補給徑流以垂向運動為主。同時，大量礦坑水補給地表水以及地下水體，從而使各含水體逐漸呈現礦坑水的特征，即水體“礦坑水化”。又分以下兩種情況。

　　若開采標高高于深部巖溶水位標高時，儲水倉及老窯中匯集的礦坑水沿著斷裂構造與裂隙的溝通以及坑道、巷道、井下鉆孔及采礦產生的裂隙為采礦廢水提供下滲通道進入巖溶水系統，對巖溶水直接污染。如娘子關泉域上游的平定一陽泉礦區，石炭系層間巖溶水涌入礦坑后，除少數大礦井人工排出地表外大部分通過采礦坑道和裂隙滲入下伏奧陶系含水層造成平定一陽泉礦區下游數百平方公里水中礦化度、總硬度、硫酸根離子含量明顯增高。

　　若開采標高低于深部巖溶水位標高時，由于斷裂構造與裂隙的溝通以及坑道、巷道、井下鉆孔及采礦產生的裂隙為采礦廢水提供下滲通道，下組煤系地層裂隙水的疏干，造成裂隙水和巖溶水之間的水動力平衡破壞。上述因素會造成巖溶水在局部有利地段向上越流的條件，因而個別礦井開采到一定水平時，煤礦在疏排裂隙水的同時，也在間接排放深部巖溶水。如太原西山礦區的西曲礦、東曲礦、屯蘭礦、馬蘭礦和鎮城底礦井，大部分地區煤層埋藏位置低于奧灰水位數十至數百米，同時由于該區普遍發育有斷裂構造及巖溶陷落柱，巖溶水沿裂隙排出，部分巖溶承壓水脫離頂板，為礦坑水向下越層污染提供了條件，對巖溶水水質污染構成隱患。

　　3煤礦開采對巖溶水的污染形式

　　根據煤礦開采排水與巖溶水的水力和巖溶水污染的方式可將污染原因發分為直接污染和間接污染。

　　1直接污染

　　煤礦開采造成含水層破壞或邊界條件改變,產生人為導水通道,增大含水層間的水力。由于煤礦開采，煤層底板遭到破壞，礦坑中大量有害物質將通過地下水流遷移，污染深層巖溶水。若煤礦開采層位高于巖溶水水位時，將通過采煤截取補給巖溶水的水量，使得巖溶泉水衰減。以娘子關泉為例，娘子關泉域范圍內，有大小煤礦317座，年產煤3000萬噸以上。隨著采空區的擴大，礦坑塌陷及地表裂隙不斷增多，對水資源破壞日益嚴重。礦區石炭系層間裂隙巖溶水水位普遍大幅度下降，部分區域含水層已被疏干。據不*統計，本市礦區共有石炭系管井235眼，由于煤礦開采增加，管井水位普遍下降，出水量日趨減少。目前98%管井水位下降，60%管井干枯無水。根據對我國北方以排放巖溶水為主的32個礦區的統計,礦井總排水量高達253m3 /min,其中60%為巖溶水,約占礦區所處巖溶水系統水資源量的19%。這些都為礦坑水的越層補給巖溶水造成了有力的條件。

　　2間接污染

　　礦坑排水未經任何處理，排出井外，匯入地表河系，造成地表水的污染。如口泉河、十里河、桃河、汾河的古交段、介休段、臨汾段，桑干河上游，沁丹河，漳河以及地下水都不同程度地受到煤礦礦坑水的污染。淺層煤礦區大規模巷道開挖造成地表植被的破壞、巖溶塌陷、地面塌陷及裂縫等相應引起地表滲透條件變化，使得被污染的地表水對巖溶水的額補給加強，通過地表污水河渠側方補給污染地下水。以娘子關泉域為例，70年代以后，礦區內河川徑流量的減少，研究表明不僅僅是由于降雨量的減少，人類活動也是重要影響因素，其中采煤加大了河流對巖溶水的補給，也是影響是本地區徑流量減少尤為重要的原因，地表徑流的減少從一格側面反映了地表水與地下水的水利的加強。

　　四、煤礦井排水對巖溶水質的影響趨勢

　　煤礦排水量與開采每天的數量成正比，隨著國民經濟的快速發展，對于煤炭的需求也逐年遞增。因此對于巖溶水質的破壞也呈逐年遞增的趨勢。20世紀80年代中期,采煤區巖溶水檢出溶解性總固體、總硬度、硫酸鹽和鐵等污染物均有超標的巖溶泉域為柳林泉、蘭村—晉祠泉兩個泉域。近年來增多到包括三姑泉、龍子祠泉和郭莊泉的五個巖溶泉域。超標污染點增多,分布范圍由鄰近礦區的局部地段擴大形成連片較大面積污染暈區。據污染點分布圈定,其中柳林泉約有280km2 、蘭村—晉祠泉約300 km2 、郭莊泉約590 km2 、龍子祠泉約430 km2 。天橋泉泉域,近期也出現因采煤造成局部地段巖溶水超標污染。說明巖溶水的污染已經到了十分嚴重的地步。

　　五、巖溶水水質的保護措施

　　要解決礦坑排水對巖溶水水質的影響，根本的一條就是要減少礦坑水的排放。礦坑水是巖溶水的主要污染源，無論是通過排泄到地表水系，通過地表水系簡介的污染巖溶水的水質，或者是通過人為造成的地下水通道直接的污染地下水的水質都必須有一定的礦坑水的存在。減少礦坑水的排放是*污染的有效途徑。這就要求在煤礦的開采中采用*施工工藝，減少礦坑對圍巖的破壞，采用必要的止水措施等等來減少礦坑水的排放量。

　　同時在條件允許的情況下，可以對礦坑排水的水質進行一定的去污處理，減少污染物的排放總量也是治理污染的很好的途徑。改進地下廢棄物的排放工藝,修建防滲集水系統,把礦坑水全部排到地面處理回用,以抑制采區暴露面的水—巖作用,防止污染物轉入水體下滲污染巖溶水。

　　為了減少礦坑水直接向下伏巖溶水的越界補給，一定要預留一定的保護層。建立巖溶水環境保護區。對現有水源地作為長期水源地必須留設一定的保水煤柱；健全水源地或泉域環境管理與監測系統,對水源地、上游巖溶水強徑流帶和鄰近水源地的裸露巖溶區及巖溶溝谷,作為重點管理區域，應減少礦坑水的排放。

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RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統【產品介紹】

地源熱泵空調系統利用土壤作為埋地管換熱器的熱源或熱匯,對建筑物進行供熱和供冷.在埋地管換熱器設計中,土壤的導熱系數是很重要的參數.而對地溫進行長期可靠的監測顯得特別重要。在現場實測土壤導熱系數時測試時間要足夠長,測試時工況穩定后的流體進出口及不同深度的溫度會影響測試結果的準確性。因此地埋測溫電纜的設計顯得尤其重點。較傳統的測溫電纜設計方法，單總線測溫電纜因為接線方便、精度高且不受環境影響、性價比高等優點，目前已廣泛應用于地埋管及地源熱泵系統進行地溫監測，因可靠性和穩定性在諸多工程中已得到了驗證并取得了較好的口啤。

采集服務器通過總線將現場與溫度采集模塊相連，溫度采集模塊通過單總線將各溫度傳感器采集到的數據發到總線上。每個采集模塊可以連接內置1-60個溫度傳感器的測溫電纜相連。本方案可以對大型試驗場進行溫度實時監測，支持180口井或測溫電纜及1500點以上的觀測井溫度在線監測。

RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統：

1. 地埋管回填材料與地源熱泵地下溫度場的測試分析

2. U型垂直埋管換熱器管群間熱干擾的研究

3. U型管地源熱泵系統性能及地下溫度場的研究

4. 地源熱泵地埋管的傳熱性能實驗研究

5. 地源熱泵地埋管換熱器傳熱研究

6. 埋地換熱器含水層內傳熱的數值模擬與實驗研究，埋地換熱器含水層內傳熱的數值模擬與實驗研究。

豎直地埋管地源熱泵溫度測量系統，主要是一套*基于現場總線和數字傳感器技術的在線監測及分析系統。它能有對地源熱泵換熱井進行實時溫度監測并保存數據，為優化地源熱泵設計、探討地源熱泵的可持續運行具有參考價值。

二、RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統本系統的重要特點：

１．結構簡單，一根總線可以掛接1-60根傳感器，總線采用三線制，所有的傳感器就燈泡一樣，可以直接掛在總線上．

２．總線距離長．采用強驅動模塊，普通線，可以輕松測量500米深井.

３．的深井土壤檢測傳感器，防護等級達到ＩＰ６８，可耐壓力高達5Mpa.

４．定制的防水抗拉電纜，增強了系統的穩定性和可靠特點總結：高性價格比，根據不同的需求，比你想象的*．

針對U型管口徑小的問題，本系統是傳統鉑電阻測溫系統理想的替代品. 可應用于：

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本系統技術參數：支持傳感器：18B20高精度深井水溫數字傳感器，測井深：1000米，傳感器耐壓能力：5Mpa ,配置設備：遠距離溫度采集模塊＋測井電纜＋傳感器，

RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統系統功能：

1、溫度在線監測

2、報警功能

3、數據存儲

4、定時保存設置

5、歷史數據報表打印

6、歷史曲線查詢等功能。

【技術參數】

1、溫度測量范圍：-10℃ ～ +100℃

2、溫度精度：正負0.5℃ (-10℃ ～ +80℃)

3、分辨率： 0.1℃

4、采樣點數：小于128

5、巡檢周期：小于3s（可設置）

6、傳輸技術： RS485、RF(射頻技術)、GPRS

7、測點線長：小于350米

8、供電方式： AC220V /內置鋰電池可供電1-3年

9、工作溫度： -30℃ ～ +80℃

10、工作濕度：小于90%RH

11、電纜防護等級：IP66

使用注意事項：

防水感溫電纜經測試與檢測，具備一定的防水和耐水壓能力，使用時，請按以下方法操作與使用：
1．使用時，建議將感溫電纜置于U形管內以方便后期維護。
若置與U形管外，請小心操作，做好電纜防護，防止在安裝過程中電纜被劃傷，以保持電纜的耐水壓能力和使用壽命。
2. 電纜中不銹鋼體為傳感器所在位置，因溫度為緩慢變化量，正常使用時，請等待測物熱平衡后再進行測量。
3. 電纜采用三線制總線方式，紅色為電源正，建議電源為3-5V DC，黑色為電源負，蘭色為信號線。請嚴格按照此說明接線操作。
4. 系統理論上支持180個節點，實際使用應該限制在150個節點以內。
5.系統具備一定的糾錯能力，但總線不能短路。
6. 系統供電，當總線距離在200米以內，則可以采用DC9V給現場模塊供電，當距離在500米之內，可以采用DC12V給系統供電。

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由北京鴻鷗成運儀器設備有限公司推出的地源熱泵溫度場測控系統，硬件采取*ARM技術；上位機軟件使用編程語言技術設計，富有人性、直觀明了；測溫傳感器直接封裝在電纜內部，根據客戶距離進行封裝。目前該系統廣泛應用于地源熱泵地埋管、地源熱泵溫度場檢測、地源熱泵地埋換熱井、地源熱泵豎井及地源熱泵溫度場系統進行地溫監測，本系統的可靠性和穩定性在諸多工程中已得到了驗證并取得了較好的口啤。

地源熱泵診斷中土壤溫度的監測方法：
　　為了實現地源熱泵系統的診斷，必須首先制定保證系統正常運行的合理的標準。在系統的設計階段，地下土壤溫度的初始值是一個重要的依據參數，它也是在系統運行過程中可能產生變化的參數。如果在一個或幾個空調采暖周期（一般一個空調采暖周期為1年）后，系統的取熱和放熱嚴重不平衡，則這個初始溫度會有較大的變化，將會大大降低系統的運行效率。所以設計選用土壤溫度變化曲線作為診斷系統是否正常的標準。
　　首先對地源熱泵系統所控制的建筑物進行全年動態能耗分析，即輸入建筑物的條件，包括建筑的地理位置、朝向、外形尺寸、圍護結構材料和房間功能等條件，計算出該區域全年供暖、制冷的負荷，我們根據該負荷，選擇合適的系統配置，即地埋管數量以及必要的輔助冷熱源，并動態模擬計算地源熱泵植筋加固系統運行過程中土壤溫度的變化情況，得到初始土壤溫度標準曲線。采用滿足土壤溫度基本平衡要求的運行方案運行，同時系統實時監測土壤溫度變化情況，即依靠埋置在地下的測溫傳感器監測土壤的溫度，并且將測得的溫度傳遞給地源熱泵系統。

淺層地溫能監測系統概況：

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為方便研究土壤、水質等環境對空調換熱井能效等方面的可靠研究或溫度測量，目前地源熱泵地埋管測溫電纜對于地埋換熱井，有口徑小，深度較深等特點的測溫方式,如果測量地下120米的地源熱泵井，要放12路線PT100傳感器。12根測溫線纜若平均放置，即10米放一個探頭，則所需線材要1500米，在井上需配置一個至少12通道的巡檢儀，若需接入電腦進行溫度實時記錄，該巡檢儀要有RS232或RS485功能,根據以上成本估計，這口井進行地熱測溫至少成本在8000元，雖然選擇高精度的PT100可提高系統的測溫精度，但對模擬量數據采集，提供精度的有效辦法是提供儀器的AD轉換器的位數，即提供巡檢儀的測量精度，若能夠在長距離測溫的條件下進行多點測溫，能夠做到0.5度的精度，則是非常不容易。針對這一需求，北京鴻鷗成運儀器設備有限公司推出“數字總線式地源熱泵地埋管測溫電纜”及相應系統。礦井深部地溫監測，地源熱泵溫度監測研究，地源熱泵溫度測量系統，淺層地熱測溫系統。

地源熱泵數字總線測溫線纜與傳統測溫電纜對比分析：
傳統的溫度檢測以熱敏電阻、PT100或PT1000作為溫度敏感元件，因其是模擬量，要對溫度進行采集，若需較高精度，需要選擇12位或以上的AD轉換及信號處理電路，近距離時，其精度及可靠性受環境影響不大，但當大于30米距離傳輸時，宜采用三線制測方式，并需定期對溫度進行校正。當進行多點采集時，需每個測溫點放置一根電纜，因電阻作為模擬量及相互之間的干擾，其溫度測量的準確度、系統的精度差，會受環境及時間的影響較大。模塊量傳感器在工作過程中都是以模擬信號的形式存在，而檢測的環境往往存在電場、磁場等不確定因素，這些因素會對電信號產生較大的干擾，從而影響傳感器實際的測量精度和系統的穩定性，每年需要進行校準，因而它們的使用有很大的局限性。

北京鴻鷗成運儀器設備有限公司研發的總線式數字溫度傳感器，具有防水、防腐蝕、抗拉、耐磨的特性，總線式數字溫度傳感器采用測溫芯片作為感應元件，感應元件位于傳感器頭部，傳感器的精度和穩定性決定于美國進口測溫芯片的特性及精度級別，無需校正，因數據傳輸采用總線方式，總線電纜或傳感器外徑可做得很小，直徑不大于12mm,且線路長短不會對傳感器精度造成任何影響。這是傳統熱電阻測溫系統*的優勢。所以數字總線式測溫電纜是地源熱泵地埋管管測溫、地溫能深井和地層溫度監測理想的設備。數字總線式數據傳感器本身自帶12位高精度數據轉換器和現場總線管理器，直接將溫度數據轉換成適合遠距離傳輸的數字信號，而每個傳感器本身都有唯的識別ID，所以很多傳感器可以直接掛接在總線上，從而實現一根電纜檢測很多溫度點的功能。

地源熱泵大數據監控平臺建設

一、系統介紹

1、建設自動監測監測平臺，可監測大樓內室內溫度；熱泵機組空調側和地源側溫度、

壓力、流量；系統空調側和地源側溫度、壓力、流量；熱泵機組和水泵的電壓、電流、功率、

電量等參數；地溫場的變化等，實現熱泵機組運行情況 24 小時實時監測，異常情況預

警，做到真正的無人值守。可對熱泵系統的長期運行穩定性、系統對地溫場的影響以及能效

比等進行綜合的科學評價，為進一步示范推廣與系統優化的工作提供數據指導依據。

具體測量要求如下：

1）各熱泵機組實時運行情況；

2）室內溫度監測數據及變化曲線；

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4）機房內空調側出回水溫度、壓力、流量等監測數據及變化曲線；

5）機房內地埋管側出回水溫度、壓力、流量等監測數據及變化曲線；

6）機房內用電設備的電流、電壓、功率、電能等監測數據及變化曲線；

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8）能耗綜合分析、系統 COP 分析以及系統節能量的評價分析。

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2）開采水溫及回水水溫的溫度監測及變化曲線；

3）開采井井內水位監測及變化曲線；

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煤礦開采排水對巖溶水水質的影響研究——以山西省為例

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