采煤对地表水的累积影响分析

山西的煤矿绝大部分一般位于山区,地形复杂,河谷切割很深,水文网发育,因此地表水有限,沟谷径流很少,大部分为季节性河流,且煤矿开采至河床附近时,留有保安煤柱,大部河床底部与下伏煤层之间有隔水层存在,当煤矿开采沉陷未波及到地面时,地表水与矿坑水之间没有直接水力联系,彼此不发生影响。当采空区面积不断扩大,采空区导水断裂带和地面沉陷范围也随之扩大,在局部地段,三带与地表水发生水力联系,地表水渗入地下或矿坑,因而使地表径流减少,水库存储量下降。如西山煤田西山矿区南部的店头流域,流域内上组煤广泛出露,煤层产状平缓,开采条件较好。20世纪80年代中期以前,流域内煤炭资源基本未开发,流域环境和水文下垫面条件基本处于原生状态。由图5-1可以看出,1976～1984 年9 年间的降水量与径流深之间存在良好的线性相关,相关系数r=0.9686,反映出原生状态下流域水文下垫面条件稳定,产流特征显著。80 年代中期以后,流域内煤矿迅速发展,流域内煤炭进入大规模开发阶段。流域内小煤窑均采用残柱式采煤,其采煤方法虽对地层破坏较小,但煤层埋深较浅,开采破坏可直达地表,矿井充水水源主要为大气降水,其吨煤排水系数1∶1,见图5-2。1986～1999年14年间,在大规模开采后降雨产流量不再与原有产流规律相符。与开采前的1976～1984年期间比,年平均降水量由546.1mm 减少到473.79mm,年平均径流量则由291.1万m3增至298.83万m3。反映出煤矿开采后,一方面矿井大量疏干排水,且开采高峰期采空区积水量很少,由于矿坑排水导致地表径流增加；另一方面由于含水层数被破坏,地下水埋深加大,蒸发量减少,亦使径流增加。从图5-3 月降水量 (P)与径流深(R)的动态曲线图中可看出,80年代中期以前,3个月的降水量滑动平均值与径流量的相关性好于当月降水量与径流量的相关性,反映出原有地下水调蓄作用显著。80年代中期至90年代大规模开采后,当月降水量与径流量的相关性好于多月滑动平均值与径流量的相关性,如图5-4所示。

图5-1　1976～1984年P—R关系图

图5-2　1986～1999年P—R关系图(www.xing528.com)

图5-3　1982年P—R动态曲线图

图5-4　1994年P—R动态曲线图

从野外调查看,店头沟中上游大部分原常年有水的河段,现已变为季节性河段,仅在其中下游接纳大量矿坑排水后才恢复常年水流。反映出煤矿开采后,煤层顶板以上含水层被破坏、疏干,采空区由于生产排水,无法形成有效储水空间,使得地下水调蓄空间减少。这一方面导致天然基流大量转化为矿坑水迅速排出,使得流域地下水调蓄作用减弱,流域水资源的时空分布更加不均衡；另一方面大量的矿坑排水还严重污染地表水质,进而还可能通过店头水文站以下2km 的灰岩渗漏河段污染西南约10km 处的晋祠泉。综上所述,煤矿的大规模开采,造成大量的采空塌陷,地表开裂,原有砂页岩地层含水、隔水系统被破坏。这一方面导致裂隙水被大量疏干排出,地下水位下降,在开采高峰期由于矿坑排水使地表水径流量增大；另一方面采空塌陷及新增地下储水空间 (采空区)使得地下水含水系统的补径排特征发生改变,天然基流减少转化为矿坑水,改变了地下水系统对径流的调蓄作用,流域内地面径流的动态规律不再只受大气降水和地下水调蓄作用控制,它还要受矿坑排水动态及疏干含水层静储量的影响。这也使得水资源的时空分布更加不均衡。此外,大量的矿坑污水不仅严重影响了流域内地表水,还可能通过渗漏污染地下水系统。