矿井水资源评价初探

矿井水资源评价初探1

李喜林1 ，王来贵2 ，于洋1 ，冯美生2

1 辽宁工程技术大学土木建筑工程学院，辽宁阜新（123000） 2 辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁阜新（123000）

E-mail：leexilin501@163.com

摘 要：结合当前水资源评价的研究特点和发展方向，根据矿井水资源本身特点，将矿井水和生态系统作为整体，提出了“矿井水资源评价”的概念，建立了面向生态的区域矿井水资源评价理论和方法，阐述了它的内涵、研究内容和技术体系。矿井水资源评价的主要内容包括：水质评价、水量评价、污染与生态环境效应评价及开发利用条件评价。以中国典型的矿业缺水城市阜新为例，介绍矿井水资源评价的理论研究和实践成果。矿井水资源评价概念的提出和实践不仅有利于提高矿区水环境评价水平，而且为矿区水环境治理及更科学、更有效地实现矿井水资源化提供了理论依据。

关键词：矿井水资源评价；阜新矿区；矿井水质；矿井水污染；矿井水资源化 中图分类号：X523

1 矿井水资源评价概念的提出

矿井水是由于采矿活动造成采动区域及其周边区域水文地质系统与水文地质单元隔水构造的破坏，从而改变了地下水及地表水径流方向和途径，最终在采空区或采动场所汇集、并在汇集过程中因物化作用与时间效应遭受污染的、交替性差的水体。

我国目前有矿业城市（镇）426座，每年排放废水26亿吨[1]，自上个世纪70年始对服务期内的矿井排出的矿井水进行净化处理和利用研究[2-4]，而矿井水作为一种特殊的水资源能否资源化，当地矿区矿井水是否具备长期足够使用价值（水资源化的阈值）、矿井水是否有恢复和更新能力（区域水资源可更新协调与耦合机理问题）， 矿井水抽取是否会影响生态环境和生存条件变化（矿井水的区域安全问题）等，在矿井水处理厂设计前，本应考虑的问题却鲜有人研究[5]。也就是说，在矿井水资源化利用之前，我们应该对矿井水资源进行评价，以使矿井水资源达到合理开发、高效利用、优化配置、有效保护，最终实现综合治理和利用。

水资源评价是广义的概念，针对不同水体开发还有自己的评价理论。矿井水是一种特殊的水资源，是地下水、地表水等水体混合的产物，是煤炭工业具有行业特点的污染源，量大面广污染小，同样具有经济价值和生态价值[6]。矿井水资源既不同于地表水资源，也不同于地下水资源，有其自身的特点，因此应单独进行评价。

矿井水资源的不合理开发可能会诱发一系列的生态环境问题，如地下水位持续下降激发的地面沉降、水质恶化等。因此，矿井水资源的合理开发是维持地下水可再生能力的重要途径，而矿井水资源评价为矿井水资源合理开发利用提供了基础资料，它是水资源合理开发和科学管理的基础，为国民经济各部门的科学决策提供可靠的依据。要合理开发利用矿井水资源，必须查清矿井水资源的数量、质量及其时空分布特点，掌握水资源的补给、径流、排泄

规律，对矿井水资源进行合理评价，这是具有极其重要的现实意义和深远的历史意义的事情。

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本课题国家自然科学基金重点项目（50434020），面上项目（50374042）及高等学校博士学科点专项科研

基金（20040147003）的资助。

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2矿井水资源评价的内涵和体系

对矿井水资源的数量、质量、时空分布特征、矿井水引起的生态环境效应和开发利用条件作出科学的、全面的分析和估计称为矿井水资源评价。它是矿井水资源合理开发（即矿井水资源化）和管理的基础。

以前对矿井水的研究多停留在外排矿井水的资源化技术上，对矿井水量的预测主要为了防止和减少水害，对矿井水外排引起的环境效应和闭坑后矿井水的污染和利用问题没有给予足够关注。显然，这样不利于解决水资源短缺问题，不利于矿区环境的污染治理，是与可持续发展战略不相适应的。

矿井水资源评价从概念上充分考虑到了矿井水资源的性质，将其视为区域水资源的一部分而放入区域水资源系统中进行研究；同时考虑矿井水资源的特殊性，对其进行单独评价。基本出发点是防止或尽可能减轻矿井水对环境的污染，充分利用矿井水资源。目标是通过评价，使水资源达到合理开发、高效利用、优化配置、有效保护、实现综合治理，以取得最大的经济效益、环境效益和社会效益。

矿井水资源评价的体系简要表述如图1所示。

矿井水资源化目标 矿井水水质状况 外排矿井水对地表水和浅层地下水污染 问 题 废弃矿坑矿井水对地下水污染 问 题 矿井水过量开采引起的灾害问 题涌水量稳定性问 题 外排矿井水和废弃矿坑水利用 问题 矿井水水质问题 矿井水对水体污染问题 矿井水水量问题开发利用问题 矿井水水质评价 矿井水污染评价 矿井水水量评价开发利用条件评价 矿井水资源评价矿井水资源化可行性结论

图1 矿井水资源评价体系

Fig.1 The mine water resource evaluation system

3矿井水资源评价的内容和评价方法

阜新曾经是一座典型的资源型城市，这里矿井密布、大小煤矿众多，其矿井排水量非常

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大，且几乎未经处理即已排放，这些矿井水对地表和地下水体带来了严重的污染，给矿区生态环境造成了巨大破坏，严重影响了矿区人民的生活质量。今天，随着煤矿资源的枯竭，许多煤矿闭坑，阜新又成了一座典型的资源枯竭型城市。但矿井水对地表和地下水体带来的污染并没有停止，对矿区人们的工农业生产和生活，甚至人们的健康构成了巨大威胁。同时，阜新市是我国严重缺水城市之一,水资源总量9.72×108 m3，人均占有量507 m3，为全省人均量（878 m3）的58%，不到全国人均量（2200 m3）的1/4，更不足世界人均量的1/14，缺水问题已成为制约阜新经济发展的重要问题。作为我国典型的矿业城市，又是国家经济转型的试点城市，对该地区矿井水资源进行评价，无疑具有广泛的代表性和重大的现实意义。

3.1 矿井水水质评价

矿井水水质评价是对矿井水品质的优劣给以定量或定性的描述。它是人们认识水环境质量，找出水环境质量存在的主要问题所必不可少的手段和工具，矿井水水质评价有利于矿井水的治理和回用。

矿井水水质评价方法可以参考地下水水质评价方法。目前常用的评价方法主要有综合指数法、模糊综合评判法、灰色聚类法与神经网络法等。

图2是用模糊综合评判法得出的阜新矿区13个矿井水质级别分布图[7]。13个矿井中没有Ⅰ级水，有1个Ⅱ级水，2个Ⅳ级水，2个Ⅴ级水，其余8个为Ⅲ级水。由此可知，阜新矿区的矿井水已经遭到不同程度的污染。

876矿井监测点个数3210Ⅰ级水Ⅱ级水Ⅲ级水Ⅳ级水Ⅴ级水

图2 阜新矿区矿井水质分布图

Fig.2 The distribution graph of mine water quality

3.2 矿井水水量评价

矿井水水量评价需要弄清当地矿井水资源分布状况和矿井水资源量，以及地下采动后渗流场的变化、渗流条件、补给条件和水力联系等；在对矿井涌水量监测基础上进行预测，看当地矿区矿井水是否具备长期足够使用价值以及矿井水是否有恢复和更新能力。

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16涌水量/(立方米/时)1412108201980198519901995时间/年20002005

图3 王营煤矿立井历年6月平均涌水量图

Fig.3 The Wangying Coal Mine vertical shaft average water flow chart of every Jun. in pass years

阜新矿区多年矿井总涌水量为76399～95369 m3/d(8万m3/d左右)，涌水稳定。以王营煤矿立井为例，如图3所示，开采初始涌水量大，之后逐渐减少至稳定。说明初始涌水量来自静储量，在开采状态下，补排平衡，为动储量。另外经计算矿井补给量也在8万m3/d以上，补给条件充裕，因此将8万m3/d作为矿井开采量，不会引起地下水位下降，矿区矿井水具备长期足够使用价值以及恢复和更新能力，矿井水确实可作为一种稳定而可靠的新水源。在日缺水2.5万m3的阜新，开发利用矿井水是可行的和必要的。

3.3 矿井水污染评价

在煤炭开采过程中，外排的大量矿井水，一方面在地表径流过程中，造成地表水体污染，污染的地表水体在其径流途径中遇到合适的地质条件又可以渗透形式补给地下水可能引起地下水的污染；另一方面，矿井水的排出可以引起地下水水位的变化，使原本的厌氧环境转变为氧化环境，促使地层中的含硫矿物发生氧化还原作用，也可以引起地下水的污染。另外，矿井关闭后，原来的排水系统也随之停止工作。采矿遗留下的废旧采场、巷道等地下空间将逐渐积水，形成地下暗湖。积水中的酸性、碱性、毒性、含重金属矿物、有机物、微生物等会对该区域的地下水造成污染[8]。因此，应通过野外观测、室内土柱实验、数值模拟等形式弄清矿井水对地下水污染的特点、形成机理，以采取措施减缓污染。

在用土柱实验模拟矿井水淋溶和清水淋滤（模拟雨水）下阜新煤矿采空区矿井水在饱和煤岩体入渗过程中的水岩作用（图4和图5）时发现：矿井水在入渗过程中，污染因子总硬度、SO42-、Cl-在开始时都先被岩石吸附，很快达到吸附平衡后，发生溶解、解析作用和离子交换作用，而总铁在实验过程中一直发生吸附和转化作用；总硬度、SO42-、Cl-和总铁在清水淋滤过程中都表现为溶解作用；几种可溶盐的溶解速率在矿井水淋溶和清水淋滤过程中都是开始阶段大,而后逐渐减小,直至趋于零。

400350淋出离子总量/mg300250200150100500-500200040006000总硬度硫酸根氯离子铁离子总量/mg0-20-4-6-8-10-12-14-16-18-20100020003000400050006000渗出液体积/mL

图4矿井水淋滤渗出液洗出各离子总量变化图

渗出液体积/mL

Fig.4 The total ionic concentration change chart under the conditions of mine water leaching

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1206000淋出离子总量/mg50004000300020001000001000020000渗出液体积/mL30000硬度硫酸根氯离子100铁离子总量/mg8060402001000015000200002500030000渗出液体积/mL

图5清水淋滤渗出液洗出各离子总量变化图

05000Fig.5 The total ionic concentration change chart under the conditions of main water leaching

3.4 矿井水开发利用条件评价

矿井水在资源化利用之前，不仅要对水质、水量进行评价，还应该针对各矿具体情况对矿井水开发利用条件进行评价。矿井水开发利用条件评价包括矿井水处理站工艺的选择，以及矿井水开发利用的经济效益分析等内容。

加药（

矿井水

水仓

泵房中水池

自然充氧曝气迷宫斜板 沉淀池、石灰、苏打）调节池加药（正旋流网格反应池沉淀污泥选煤厂、冷却水

消防、绿化、市政杂用、农业灌溉

液氯井下

清水池1锅炉重力无

阀滤池生活清水池2

保安生活饮用水

紫外线消毒污泥处理系统

提升泵站）生产用水、澡堂用水杂用水过滤器反渗透装置

图6 阜新矿区矿井水处理最佳工艺流程

Fig.6 The best processing route of mine water utilization in Fuxin mining area

图6是阜新矿区矿井水处理最佳工艺流程,根据该工艺运行，阜新清河门矿矿井水的总投资为1587万元，日供水量1.5万m3，处理水达到饮用水标准，直接进入市政给水管网，供清河门矿区生活用水。吨水投资1058元，吨水处理成本0.80元，直接经济效益为657万元/a, 投资回收期仅为2.42a，具有明显的经济效益，可在阜新整个矿区推广。

4 结语

对阜新矿区矿井水水质、水量、污染机理和取用条件的评价结果可以看出，矿井水应该进行资源化利用，以解决矿区缺水问题，同时控制矿井水对地下水的污染。同时，下列问题将是矿井水资源评价有待进一步研究的主要问题：

（1）运用理论分析、实验、数值模拟等手段对矿井水对地下水的污染机理、规律进行多学科交叉研究，以建立水流动、化学反应平衡及多组分化学物质传输的运移模型相耦合的动力学模型。

（2）矿井水抽取是否会影响生态环境和生存条件变化，即矿井水的区域安全问题，决

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定着矿井水资源化经济和社会意义的价值，应加强研究。

（3）对矿井水质和矿井涌水量进行长期监测，以弄清矿井水资源化的阈值和区域水资源可更新协调与耦合机理问题。

（4）对废弃矿山的安全与水环境灾害的孕育、潜伏、爆发、持续、衰减、终止等前因后果和演化过程及防治进行研究，以解决废弃矿山的安全与灾害问题。

参考文献

[1]王来贵，潘一山，赵娜. 废弃矿山的安全与环境灾害问题及其系统科学研究方法[J].渤海大学学报，2007，28（2）：97-101.

[2] 孙廷春.矿区第二资源——矿井水的开发利用探讨[J].水资源保护，2003，19(4)：22-23． [3] 肖利萍,于洋.阜新矿区矿井水资源化混凝实验研究[J].中国矿业大学学报，2002，31（2）：212-215.

[4] 祝步升.矿井水资源的利用技术[A]. 给水与废水处理国际会议论文集[C]. 北京：中国建筑工业出版社, 1994：829 - 832.

[5]刘俊杰，陈 雄．地下开采条件下水资源流失机理与环境响应研究[J]．中国地质灾害与防治学报,2003，14(4)：71-41．

[6] 于洋，周金娣.环境科学基础[M].北京：科学普及出版社，2000.

[7] 李喜林.阜新矿区矿井水资源评价研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2007. [8] 王来贵，刘向峰，吕明海.大面积采动地层水系调整的数学模型[J].辽宁工程技术大学学报.2003，22（5）：583-584.

Preliminary study on mine water resource evaluation

Li Xilin1，Wang Laigui2，Yu Yang1，Feng Meisheng2

1. College of Civil and Architectural Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin，

Liaoning (123000)

2. College of Mechanics and Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin， Liaoning

(123000) Abstract

Taking the research characteristics and development trend of current water resource evaluation into consideration, according to the characteristics of mine water resource itself, and taking mine water and ecosystem as a whole, the concept of mine water resource evaluation was proposed. At the same time, evaluation theories and methods of the mine water resources in a district for ecological aims was developed. Its connotation, research aspects and technical system were also explained. Mine water resource evaluation mainly consists of four aspects, as follows: evaluation of water quality, water quantity, pollution to groundwater & ecological environment effect and conditions of mine water exploiting& utilization. The theoretical research and application achievements of mine water resource evaluation were illustrated, taking Fuxin, a typical mining water shortage city in northeast China as an example. The presentation and enforcement of mine water resource evaluation are not only beneficial to improve qualification of aquatic environment evaluation to mining district, but also provide a theory basis for aquatic environment control and management in mining district and more scientific and effective mine water utilization.

Keywords：mine water resource evaluation，Fuxin mining area，mine water quality，mine water pollution to groundwater，mine water utilization.

作者简介：

李喜林，男，1979年11月生。河北承德人，在读博士，主要从事水污染治理及环境岩石力学方向研究；

王来贵，男，1962年6月生。山西闻喜人，博士，教授，博士生导师。从事岩石力学系统稳定性理论、环境岩石力学及岩石动力学方向研究。

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