【文章內(nèi)容簡介】 有機井平均以每年 2021 眼的速度報廢 ， 現(xiàn)狀 40 108m3的地下水供水量中 ， 淺層地下水供 水量為 108m3， 只占 ％ ， 其余的 ％都是中深層地下水和巖溶地下水。 由于采煤影響 ， 致使現(xiàn)有的農(nóng)村飲水工程不斷報廢 ， 造成已解決飲水問題的農(nóng)村重復出現(xiàn)飲水困難。據(jù)統(tǒng)計 ， 2021 年到 2021 年的六年建成的飲水工程中 ， 因采煤漏水又造成飲水困難的村莊有 8l個村、 37萬人。此外 ， 打井深度的增加 ， 不僅增加了工程建設(shè)投資 ， 而且增加了井位選擇和打井的難度 ， 導致今后解決農(nóng)村飲水問題更加復雜和艱巨。在現(xiàn)狀條件下 ， 打一眼 800m 深的機井大約需要三、四個月時間 ， 投資在 60 萬 元以上。如果發(fā)生大旱 ， 臨時打井根本不能解燃眉之急。 地表水資源破壞情況 圖 33 礦區(qū)污水污染地表水 當采空區(qū)面積不斷擴大 ， 采空區(qū)導水裂隙帶和地面沉陷范圍也隨之擴大 ， 在局部地段 ， 與地表水發(fā)生水力聯(lián)系 ， 地表水滲入地下或礦坑 ， 因而使地表徑流減少 ， 水庫蓄水量下降。在大同十里河 ， 懷仁小峪河 ， 朔州七里河 ， 陽泉桃河 ， 孝義兌鎮(zhèn)河 ， 左權(quán)清漳河 ， 晉城長河等地均有此現(xiàn)象。 水環(huán)境污染成因及防治對策 煤炭中一般都 含 有約 ％～ 5％的硫。主要以黃鐵礦形式存在 ， 約占煤含硫量的21%。煤層開采后處于氧化 環(huán)境 ， 硫 鐵礦與礦井水和空氣接觸后 ， 經(jīng)過一系列的氧化、水解等反應． 形 成硫酸和氫氧化鐵。使水 體呈 現(xiàn)酸性 ， 即酸性礦井水。 PH值低于 6的礦井水稱酸性礦井水。我縣煤礦的礦井水 pH值一般在 ～ ， 有的達 。 pH值低的原因與煤中含硫 比例 高有密切關(guān)系。酸性礦井水的形成對地下水造成了嚴重的污染 ， 同時晉城職業(yè)技術(shù)學院礦業(yè)系專科學生畢業(yè)設(shè)計 11 還會腐蝕管道、水泵、鋼軌等井下設(shè)備和混凝土井壁 ， 也嚴重污染地表水和土壤 ， 使河水中魚蝦絕代。土壤板結(jié)。農(nóng)作物枯萎 ， 影響人體健康。 圖 34 礦井地下水中含有大量酸性物質(zhì) 比如 ： 硫 酸性礦井水的危害 礦井水的 pH值低于 6即具有酸性 ， 對金屬設(shè)備有一定的腐蝕性； pH值低于 4即具有較強的腐蝕性 ， 對安全生產(chǎn)和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴重危害。具體 有 以下幾個方面： 1．腐蝕井下鋼軌、鋼絲繩等煤礦運輸設(shè)備。如鋼軌、鋼絲繩受 pH值 4的酸性礦井水侵蝕 ， 幾天或幾十天后 ， 其強度會大大降低 ， 可造成運輸安全事故 ； 2．探放 pH值低的老空水 ，鐵質(zhì)拄水管道和閘門 在 水流沖刷下腐蝕很 快 ， 使放水失去控制而帶來災害； 3．酸性礦井水中 SO22含量很高 ， 與水泥中某些成分相互作用生成含水硫酸鹽結(jié)晶。這些 結(jié)晶 在生成時體積膨脹。經(jīng)測定 ， 當 SO22生成 CaS04 2H20時 ， 體積增大一倍；形成 MgS04 7H20時 ，體積增大 43％；體積增大使混凝土構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)疏松、強度降低而受到毀壞 ； 4．酸性礦井水還是環(huán)境污染源。酸性礦井水排人河流 ， pH質(zhì)小于 4時 ,會使魚類死亡；酸性礦井水排入土壤 ， 破壞土壤的團粒結(jié)構(gòu) ， 使土壤板結(jié)、農(nóng)作物枯黃 ， 產(chǎn)量降低 ， 影響 農(nóng)業(yè)收入 ；酸性礦井水人類無法飲用 ， 長期接觸 ， 可使人們手腳破裂 ， 眼睛 痛 癢 ， 通過食物鏈進入人體 ， 影響人體健康。 酸性礦井水形成的原因 煤系地層大多形成還原環(huán)境 ， 含黃鐵礦 (Fes2)的煤層形成于強還原 環(huán)境。煤炭中一般都含有約 ％～ 5％的硫 ， 主要以黃鐵礦形式存在 ， 約占煤含硫量的 2／ 3。煤層開采后處于氧化環(huán)境 ， 硫 鐵礦與礦井水和空氣接觸后 ， 經(jīng)過一系列的氧化、水解等反應 ， 生成硫 酸和氫氧化鐵 ， 使水呈現(xiàn)酸性 ， 即 產(chǎn)生 酸性礦井水。酸性礦井水形成的主要原因即發(fā)生的主要化學反應如下： 晉城職業(yè)技術(shù)學院礦業(yè)系?？茖W生畢業(yè)設(shè)計 12 1．黃鐵礦氧化生成游離硫酸和硫酸亞鐵： 2FeS2+702+2H202===2H2S04+2FeS04 2．硫酸亞鐵在游離氧的作用下轉(zhuǎn)化為硫酸鐵： 4FeS04+2H2S04+02====2Fe2(S04)3+2H20 3．在礦井水中 ， 硫 酸亞鐵 的氧化 反應 ， 有時也不一定需要硫酸： 12FeS2+302+6H2O， ===== Fe2(S04)3+4Fe(OH)3 4．礦井水中硫酸鐵 ， 具有進一步溶解各種硫化礦物的作用： Fe2(S04)+MS+H20+3/202====MS04+2FeS04+ H2S04 5．硫酸鐵在弱酸性水中發(fā)生水解而產(chǎn)生游離硫酸： Fe2(S04)3+6H2O===Fe(0H)+3H2S04 6．在礦井深部硫化氫含量高時 ， 在還原條件下 ， 含 有 硫酸啞鐵的礦井水也能產(chǎn)生游離硫酸。 酸性礦井水的性質(zhì)除與煤中含硫量有關(guān)外 ， 還與礦井水涌 水最、密閉狀態(tài)、空氣流通狀況、煤層傾角、開采深度及面積 ， 水的流動途徑等地質(zhì)條件和開采方法有關(guān)。礦井涌水量穩(wěn)定 ， 則水的酸性穩(wěn)定；密閉差、空氣流通良好 ， 則水的酸性較強 ， Fe3+離子含量較多；反之．則酸性較弱 ， Fe3+離子較多；開采越深 ， 煤的含硫量越高；開采面積越大。水的流經(jīng)途徑越長．則氧化、水解等反應進行得越充分。水的酸性越強 ， 反之則弱。 酸性礦井水的預防與治理 （ 1） 酸性礦井水的預防。 根據(jù)酸性礦井水形成的條件和原因 ， 可以從減源、減量、減時等二個方面進行預防或減輕其危害程度。 ① 減源 ：撿選利用造酸礦物 ， 化害為利。煤礦床的主要造酸礦物時夾雜在煤層 中的黃鐵礦結(jié)核和煤本身的含硫量。煤的開采率低、殘留煤柱或浮煤丟失多 ， 黃鐵礦結(jié)核廢棄在井下采空區(qū) 中 ， 被積水長期 浸泡 ， 是產(chǎn)生酸性水的重要根源。減少工作 面 丟失的浮煤、積極撿選利用黃鐵礦結(jié)核 ， 能減少產(chǎn)生酸性水的物質(zhì)。攔截地表水 ， 減少 滲入 量。例如回填矸石 ， 控制頂板 ， 防止地面水沿塌陷裂隙浸 入老空區(qū)。在井下 ， 特別 是 廢棄封閉井巷處 ， 對礦井水施放適量的抑菌劑 ， 抑制或殺滅微生物的活性 ， 或者減少礦井水中微生物的數(shù)量 ， 通過降低微生物對硫化物的有效作用 ， 達到控制酸性礦井水 生成的目的。 ② 減少排水量：設(shè)立專門排水系統(tǒng) ， 集中排酸性水 ， 在地表攔蓄起來 ， 使其蒸發(fā)、晉城職業(yè)技術(shù)學院礦業(yè)系?？茖W生畢業(yè)設(shè)計 13 濃縮 ， 而后加以處理 ， 免除污染。 ③ 減少排放酸性水的時間：減少礦井水在井下的停留時間 ， 可在一定程度上降低微生物對煤中硫化物的氧化作用。從而有助于減少酸性礦井水的形成。 對 含黃鐵礦多、硫分高 ， 地 表 水滲漏條件又好的淺部煤層 ， 或已形成強酸性水的老窖積水區(qū) 。 在開拓布局上要權(quán)衡利弊 ， 統(tǒng)籌安排 ， 在礦井前期不予開采或探放 ， 留待礦井水末期處理 ， 避免長期排放酸性水。 （ 2） 酸性礦井水的治理。 在一定地質(zhì)條件下 ， 酸性水 中 的硫酸可與鈣質(zhì)巖石或 其它基性礦物發(fā)生中和反應而降低酸度。用燒堿作中和劑 ， 用 量少 ， 污泥生成也少 ， 但水的總硬度往往很高 。 雖降低了水的酸度 ， 但增加了硬度 ， 而且成本高 ， 現(xiàn)已基本不用。目前 ， 處理方法有以石灰乳為中和 劑 的方法、 石 灰 石 行為中和劑的方法以及石灰石 —— 石灰法、微生物法和濕地處理法。石灰乳中和劑處理法適用于處理酸性較強、涌水量較小的礦井水；打灰石 —— 石灰法適用于各種酸性礦井水 ， 尤其是當酸性礦井水中的 Fe3+離子較多時適用 ， 還可以減少石灰用量；微生物法基本原理時應用氧化鐵細菌進行氧化除鐵 ， 此菌能從水生環(huán)境中攝取鐵 ， 然后以氫氧化鐵形式 把鐵沉淀子在它們的粘液分泌物中 ， 時酸性水的低鐵轉(zhuǎn)化為高鐵沉淀出來 ， 然后再用石灰石中和游離硫酸 ， 可降低投資 ， 減少沉渣。 山西煤礦開采對水資源的主要危害 煤炭開采嚴重危及地下水資源 ， 加劇缺水地區(qū)的供水緊張。 煤 炭開采過程中的礦井水和矸石淋 濾 水等未經(jīng)凈化處理就被直接排放 ， 對周圍水環(huán)境造成了嚴重的污染 ， 僅山西省水資源的破壞造成的經(jīng)濟損失就達 300 億元。公開資料顯示 ， 山西省每年的環(huán)境污染損失大約占到 GDP 的 15%左右 ， 而新增的 GDP 大約只有 9%左右。隨著煤炭開采強度和延伸速度的不斷加大提高 ， 礦區(qū)地下水位大面 積下降 ， 使缺水礦區(qū)供水更為緊張 ，以致影響當?shù)鼐用竦纳a(chǎn)和生活。另一方面 ， 大量地下水資源因煤系地層破壞而滲漏礦井并被排出 ， 這些礦井水被凈化利用的不足 20%， 對礦區(qū)周邊環(huán)境又造成了新的污染 ，嚴重影響了社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。同時地下水位的嚴重下降 ， 也使區(qū)域內(nèi)的作物大面積減產(chǎn) ， 抗御自然災害能力下降 ， 嚴重危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。如何解決好經(jīng)濟發(fā)展中山西省煤炭生產(chǎn)與水資源的矛盾 ， 是一個非常緊迫的課題。 煤炭開采過程中形成的巷道和開采后形成的采空區(qū) ， 嚴重地破壞了表水、地下水運移、賦存的天然狀態(tài) ， 產(chǎn)生了一系列問題 ， 諸如河水斷流、地下 水位下降、泉水流量晉城職業(yè)技術(shù)學院礦業(yè)系?？茖W生畢業(yè)設(shè)計 14 銳減甚至干涸、水污染加重等嚴重影響著山西經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的建設(shè)。 （ 1） 采煤對地表水的影響。山西地處黃土高原 ， 煤礦絕大部分位于山區(qū) ， 地形復雜 ， 河谷切割深 ， 溝谷徑流較少 ， 大部分為季節(jié)性河流 ， 當煤礦開采沉陷波及到地面時 ，造成地表開裂和塌陷 ， 使得地表水滲入地下或礦坑 ， 因而使地表徑流減少 ， 水庫蓄水量下降。此外 ， 大量的礦坑污水排向河道后 ， 不僅嚴重污染了流域內(nèi)地表水 ， 還可能通過滲漏污染地下水。例如在大同十里河、口泉河 、 懷仁小峪河 、 朔州七里河 、 陽泉桃河 、孝義兌鎮(zhèn)河 、 左權(quán)清漳河 、 晉城長河等 地均有此類現(xiàn)象。 （ 2） 采煤對煤系地層裂隙水的影響。煤礦開采直接影響的地下水是煤系地層裂隙水 ， 煤炭開采改變了地下水自然流徑及補、排條件。 （ 3） 采煤對巖溶水資源的影響。山西省碳酸鹽巖分布總面積占全省總面積的 72. 3%， 是我國北方碳酸鹽巖分布最多的省。山西省巖溶水資源總量約 35 億 m3， 是工業(yè)與城市生活的主要供水水源。由于山西地質(zhì)條件的特殊性 ， 煤系地層直接覆蓋在奧陶系碳酸鹽巖類地層上。巖溶水的主要含水層位于煤系底部的奧陶系灰?guī)r中 ， 它下伏于煤系地層中 ， 在有斷裂構(gòu)造導水或底部隔水層厚度薄 ， 不能抵御水壓或礦山壓 力對其的破壞時 ，無論煤層是否帶壓 ， 都會對巖溶水造成破壞。如果煤層帶壓可造成煤礦突水 ， 不僅威脅安全生產(chǎn) ， 且造成水資源破壞 。 如果不帶壓 ， 煤系地層中由于開采所形成的污水滲入到灰?guī)r中可造成巖溶水水質(zhì)污染。 （ 4） 采煤對水利工程的破壞 ， 導致人畜吃水困難。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計 ， 山西由于采煤排水和采空區(qū)漏水引起礦區(qū)水位下降 ， 導致泉水流量衰減或斷流 ， 共影響井泉 3218 個。水利工程 433 處 ， 水庫 40 余座 ， 輸水管道近 800 多 km。由于井泉流量減少 ， 水量漏失 ，水位下降等 ， 導致 1 678 個村莊的 80 多萬人和近 11 萬頭大牲畜飲用水困難。 （ 5） 煤礦開采導致地表變形、塌陷。據(jù)全省不完全的調(diào)查統(tǒng)計 ， 到 2021 年由于煤礦開采 ， 導致地表變形、產(chǎn)生裂縫和塌陷面積為 464. 14 km2， 使得 6 52 萬 m2 耕地被毀 ； 因采煤占用土地面積達 7500 萬 m2。根據(jù) 2021 年山西原煤生產(chǎn)分析計算的采煤影響破壞地下水靜儲量、動儲量為 2. 54 m3/ t(煤 )， 折合總水量 6. 25 億 m3。其中 ， 采煤直接排水量為 0. 8m3/ t。為此 ， 煤礦開采對水資源破壞量的價值估算采用兩部分計算 ， 一部分是造成水資源污染 ， 使得水資源質(zhì)量有所下降 ， 即采煤過程中 ， 使得優(yōu)質(zhì)的地下水轉(zhuǎn)化 為礦井水 ， 造成采煤直接排水量為 0. 87 m3/ t 另一部分是對水資源永久性的破壞 ，晉城職業(yè)技術(shù)學院礦業(yè)系?？茖W生畢業(yè)設(shè)計 15 即難以恢復的水資源量的消耗為 1. 67 m3/ t。根據(jù)估算 ， 采煤排水量對水資源破壞價值為 0. 7~1. 1 元 / t 煤礦開采對水資源量的永久消耗價值計算為 12. 62 元 / t。綜合以上兩部分計算結(jié)果 ， 煤礦開采對水資源量破壞價值為 13. 32~13. 72 元 / t。此外 ， 煤礦開采對人畜飲水影響的價值計算為 0. 6~1. 0 元 / t。綜合以上分析計算結(jié)果 :煤礦開采對山西省水資源影響的經(jīng)濟損失為 13. 92~14. 72 元 / t。 水資源污染的控制技術(shù) 礦井水污染的控制技術(shù) 礦井水對水資源的污染 ， 可以通過礦井水資源化 ， 利用特殊開采技術(shù)減少礦井水涌出量和降低其污染程度來控制。 （ 1） 礦井水的資源化 礦井水由于受到開采、運輸過程中散落的粉煤灰、巖粉和礦工生產(chǎn)活動及煤中伴隨礦物的分解氧化導致污染。根據(jù)礦井水含污物特性一般分為：潔凈礦井水、含懸浮物礦井水、高礦化度礦井水、酸性礦井水及含特殊污染物的礦井水等。 ① 潔凈礦井水 潔凈礦井水多數(shù)是從奧陶紀石炭二迭系的太原組及茅口組灰?guī)r中涌出的 ， 其水質(zhì)較好 ， 一般 pH呈中性 ， 硬化度與濁度低 ， 不含有毒有害離子。只需在井下涌水水源處妥善截流 ， 通過專用管排至井底 ， 再經(jīng)水泵排至地表 ， 不用處理或經(jīng)簡單消毒即可作為生活