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浅谈矿山开发对水资源的影响及解决措施
摘要
我国矿产资源丰富，开采历史悠久。
但是，在矿山开采过程中，对环境造成了破坏。
矿山开发引发的水资源问题大体可以分为地下水位下降、地下水补排平衡状态的破坏和水质污染等方面。
针对影响水环境变化的因素提出开展采煤保水研究、调整矿山开发规划、矿水污染治理的措施等。
关键词
水资源保护矿山开发影响及防治
绪论
世界上最基本、最不可缺少的资源——水——正在逐渐消失。
事实上，全球水短缺有可能造成21世纪最严重的生态、经济、政治危机。
十九世纪打土地战争，二十世纪打石油战争，二十一世纪打水源战争。
中国的水危机主要原因是缺水和污染。
过度开采地下水资源造成长江三角洲地区地面直接或间接的经济损失已达三千多亿元。
我国的两大母亲河出现严重缺水和污染——长江源头支流之一的楚玛尔河段断流，黄河被污染。
内陆湖和淡水支流和沿海伤痕累累——云贵高原最大湖泊滇池作为昆明唯一的纳污水体，水质自90年代后明显下滑；太湖蓝藻爆发，无锡市民守着太湖没水喝；环渤海水域重金属超出正常标准2千倍；青岛沿海浒苔丛生……因此，本文从矿山开采这一人类活动对地下水资源环境的影响入手，从而具体的看到人类活动对于生态环境的影响乃至不节制的人类活动对于生态环境的破坏作用，以期在一定程度上唤起人们对于水资源环境保护的意识。
矿山是指有一定开采境界的采掘矿石的独立生产经营单位。
矿山主要包括一个或多个采矿车间（或称坑口、矿井、露天采场等）和一些辅助车间，大部分矿山还包括选矿场（洗煤厂）。
矿山包括煤矿、金属矿、非金属矿、建材矿和化学矿等等。
矿山规模（也称生产能力）通常用年产量或日产量表示。
年产量即矿山每年生产的矿石数量。
按产量的大小，分为大型、中型、小型3种类型。
矿业开发对国家经济发展做出了巨大的贡献，同时也对矿区及其环境产生了一系列负面影响。
一般矿山开发建设项目引起的主要水资源问题是地下水位下降、地下水补排平衡状态的破坏和水质污染等。
由于对矿产资源不合理的开发利用，使得矿山的环境质量、矿区的水资源受到影响。
因此，研究矿业开发对环境以及水资源可能造成的影响并提前预测、范防、提出对策是保护矿山环境的重要环节。
1矿山开发对水资源的影响
在地质构造中，矿山层一般是由页岩、砂岩和灰岩以及煤层组成。
而地下水就存储在煤层之间。
矿山的开采是由浅入深，逐步进入，那么要进行煤层的开采，无疑就要进行对处于煤层之间的地下水进行一定的处理，通常就是进行疏干。
因此，矿山开采对于地下水的影响是直接的。
在开采的初级阶段，由于还没有形成一定的开采规模，煤层深度较浅，煤矿的矿坑会出现一定的涌水现象，主要来源是煤层本身，因此水质较好，水量较小。
而随着开采范围增大，放炮震动和回采房顶等施工行为造成的煤层顶板破裂甚至塌陷使得煤层之间的含水层出现相互渗水的现象，大量的地表水也会随着裂缝进入岩层地下，矿坑的涌水量不断增加，水质不断恶化，甚至地表水也因为不断下渗而断流和枯竭。
因此，矿山开采对于地下水极其环境影响是多方面的。
1.1地下水位下降
在煤层浅埋区，煤炭开采产生的冒落带、裂隙带极易穿过顶板基岩导通含水层，甚至直达地表形成地面变形破坏（如地面沉降、地裂缝、地表坍塌等）。
以陕西榆神矿区为例，大柳塔一带已有6个煤矿区（大柳塔矿、活鸡兔矿、时令梁、瓷窑湾、水井渠、李家畔）发生了地面塌陷。
其结果是，一方面萨拉乌素组含水层地下水与细沙大量涌入矿坑，造成了井下突水溃沙事故；另一方面大量排放地下水既浪费了宝贵的水资源，又破坏了矿区的水环境。
矿井水的大量排放已导致萨拉乌素组含水层水位大幅度下降，最大降幅15m以上。
榆神矿区的活鸡兔矿试生产时间不长，其顶部也出现了地面裂隙和塌陷，引起了含水层水位下降，其中王家壕一带地下水也由开矿前深埋1m左右，降至6m左右；布袋壕一带煤矿开采前，地下水位埋深仅1~2m，低洼地带常年积水形成海子，近年来随着煤矿的开采，地下水位已下降至4m以下，多数海子已经干枯。
由于矿山开采深度不断下降，大量矿坑水被排走，导致矿区附近地下水位大幅度下降，造成农业和居民水井水位下降和枯竭，用水十分困难。
据地质勘探部门查明，位于内蒙古南部与陕西省北部接壤地带的神府东胜矿区由于大规模的煤炭开采，导致该地区的发展面临水量严重不足和水质污染的困境。
其中，双沟地区地下水位已经下降至基岩面附近，东鸡河村内18口水井全部干枯。
在煤炭开采首次放顶后地下水位迅速下降，随后有所回升，但随着继续开发带来的破坏，以及人类主动抽干作业煤层的渗水，地下水位继续下降，部分地区下降至煤炭开采层以下，从而疏干了整个含水层。
（如图1-1）
图1-11995年煤炭开采引起地下水位变化趋势图
1.2地表径流量减少，地下水补排平衡破坏
一般地，径流量与降水量呈现正相关关系，但是矿山开采导致地下水水位下降，从而对地上径流和地下径流都产生较强影响，严重影响径流量，甚至出现干枯断流的现象。
在神木县，由于窟野河两岸煤矿连片开发，导致该河从1997年以来陆续干枯断流，在2002年全年干枯断流甚至超过了100次。
（如图1-2）
图1-2温家川水文站1959—2005年实测径流量及降水量
上述提到由于矿山开发，地下水和地表水径流水量都大幅减少，因此整个地表和地下潜水的水循环遭到了极大破坏，导致部分地区泉流量也减小。
以榆神矿区为例，大柳塔一带的水源地哈拉沟。
双沟、母河沟等泉已不同程度地受到了采矿的影响，泉流量已经有了较大的变化。
双泉沟由1998年的0.28×104m3/d下降至0.008×104m3/d，几近干涸，母河沟泉也由1988年的0.16×104m3/d下降至0.046×104m3/d。
另外，母河沟泉1995年以前的平均流量在0.05m³/s，到2001年则变为0.01m³/s，到2002年以后基本干枯。
（如图1-3）同时，其他附近的泉眼水量也大幅下降。
（如表1.1）而位于未开采区的彩兔沟泉流量变化不大，采矿对泉流量的影响是显而易见的。
（如图1-4）
图1-3母河沟泉流量动态曲线
表1-1泉流量变化表
图1-42000年9月至2002年6月母河沟泉和彩兔沟泉流量动态曲线对比图
1.3水质污染
矿山开采破坏了底层原有的结构，改变了地下水的循环规律，同时也影响了地下水的水质。
地下水资源受矿山开采的影响，主要是受到了矿产资源中所含有机物的影响而出现的水质变化。
一般水资源都有一定的自洁能力，但是由于地下水资源流动性相对较差，更新速率也较慢，因此自洁能力远不如地表水资源，再加上处于一个较为封闭的环境，因此水质恶化后很难恢复。
另外，由于地下水内部存在自身的循环系统，同时通过蒸发、排泄等方式参与地表水循环，所以一旦处于上有的地下水水质恶化，那么中游和下游的水质也将受到极大影响，最终造成这个区域内整体水环境的恶化，并最终危及人、动物的健康和周围农作物的生长。
按照国家《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）及《污水综合排放标准》（GB8978—1996），尾矿水中Cu，Pb，Zn，Cd的含量均严重超标，其中Cu的含量超过标准值上百倍。
这些污染因子主要来自矿石，部分Pb还来自用于选液配剂的柴油。
硫化矿在潮湿空气中容易被氧化，形成硫酸—硫酸高铁溶液，并与Cu2+，Pb2+，Zn2+，Cd2+等离子形成可溶性盐，随水一起迁移。
选矿过程中加入的柴油等有机物具有一定的吸附性，可吸附金属及其离子，残存于选矿水中。
因此选矿废水可带走矿石中的金属和硫化物，造成Cu，Pb，Zn，Cd等金属含量超标。
这些污染因子将给环境带来不同程度的危害。
Cu，Pb，Zn，Cd都是金属毒物，很难被生物降解，只能在不同的价态和形式间相互转化、分解，其毒性以离子态存在时最为严重。
它们常被生物吸收富集于体内，并通过饮水与食物链最终毒害人体。
其中Pb和Cd为毒重金属元素，它们进入人体后，能与生理高分子物质作用而使之失去活性，也可能积累在某些器官中，导致慢性中毒，潜伏期可长达10~20年，严重者会致死。
生活污水中主要是总氮、总磷含量超标。
它们是在储积过程中由于浓度的不断增加而导致含量超标。
氨态氮和磷是水体富营养化和环境污染的重要污染物质。
含有较高浓度的氨氮和磷的废水，进入环境水系后会引起水体缺氧，对鱼类等水生生物构成毒害，并刺激藻类等水生植物过度生长，引起水体的“人为富营养化”。
另外，磷还可在人体内富集，当其含量超标时，可导致缺钙。
在内蒙古包头市白云鄂博稀土开发区开采出来的原矿在包钢分公司加工，用硫酸将硝酸盐和其它化学成分清洗，污水接着被抽到一个人工湖里，这个毒湖现在已经有12公里长。
（如图1-5）湖里不仅充满化学物质，而且含有好几吨放射性的钍，大都存在于稀土矿沙中。
离毒湖几公里的地方，许多村庄都被称为“癌症村”。
（如图1-6）从1993年到2005年，仅在弹丸之地打拉亥上村就有66人死于癌症。
2006年村子里14人去世，其中11人的死因是癌症。
图1-5打拉亥上村附近的尾矿坝（图中深色近圆形区域）
图1-6打拉亥上村附近的排污口
1.4地面沉降
在矿区，由于在地底下进行大面积开采、挖掘，形成了比较大的采空区。
一旦采空区放顶后，在采空区上部的岩层便形成冒落带、裂隙带和变形带等，并不断向上发展，造成地面沉降，地标形成低洼地。
在乌鲁木齐东山矿区的部分地方地表已经形成数公里长，宽50—100m的地面塌陷区。
在地面沉降更为严重的华北平原，除了过渡抽取地下水资源这一原因，大规模开采煤炭资源和抽取近海石油等行为也是造成地面沉降不可忽略的原因之一。
（如图1-7）同时，开采地表塌陷形成大量地表地堑和裂缝，造成地表水资源流失严重，加剧了地表荒漠化。
图1-7由于过渡抽取地下水和过度开采地下资源华北平原整体沉降
在南方岩溶地区，矿山大量排水常常引起地面塌陷和引发地震。
如广东凡口铅锌矿，1965年开始排水至1979年地表开裂影响区近5km2，大小塌洞1600多个，最大塌陷体积4.6×104m3，建筑受损面积7×104m2，农田受损面积0.7km2，4000m铁路和1500m公路收到破坏，河流中断，并导致矿坑涌水量猛增。
又如大同煤矿在1959~1980年间，因采空区顶部冒落产生较大的地震40余次，最大震级3.4级。
（如图1-8）
图1-8山西煤矿采空塌陷区
1.5水土流失
矿区大面积采空，顶部岩层失去支撑，引发地面变形，如裂缝、塌陷，对耕地、建筑物及水利工程设施造成危害。
以煤矿为例，据中国煤矿科学研究院调查，每从地下采1万t煤，约使0.1hm2～0.3hm2的土地遭受不同程度的塌陷，使平地变成坡地。
坡度的增加必然导致水土流失加剧，造成土地生产力下降。
大量弃土弃渣及尾矿石等松散固体废弃物堆放，占用和破坏土地，淤塞河道、水库。
随着矿山开采带来的是矿区生产、生活设施以及相关产业的发展，地表植被遭到破坏，引发新的水土流失，造成水环境的进一步恶化。
图1-9山西露天煤矿水土破坏严重
2针对水资源受到破坏的解决措施
矿山开发对水资源的影响是多方面的，但是在做防治措施时要具体分析，要做到有针对性，有的放矢，因地制宜，才能达到预期的效果。
2.1开展采煤保水研究，加强水质监控
采煤破坏上覆地下水的根本原因即冒落带、裂隙带影响到含水层所至。
以榆神矿区为例，其煤层向西倾斜,以单斜形式赋存,越往西煤层埋藏越深,大部分煤层埋深在100m以下。
在西部煤层深埋区,采煤冒裂带触及不到上覆萨拉乌素组含水层,不存在地下水的破坏问题。
因此,可通过对采煤保水影响因素的研究,对区内萨拉乌素组地下水资源丰富,需要保水且又不浪费大量煤炭资源的地区,留设防水煤柱,使冒裂带发育在含水层以下。
对地下水资源量中等,应该保水,但由于缺失隔水层、煤层埋藏浅、不具备保水条件或萨拉乌素组含水层零星分布、地下水资源贫乏、且隔水层分布不连续的地区,可以进行预先疏排,但疏排时要充分考虑再利用和防止水质污染。
（如图2-1）
图2-1榆神矿区保水采煤工程地质条件分区
如上图所示，将该地区的地质条件一一查明，对于不同分区采取上述不同保护措施，可使该区的煤炭资源和水资源都得到最大限度的开发和保护。
在探明地质条件进行有所侧重的综合保护之后，在开矿时也要加强对于水质的监控，利用水资源质量监控系统，可以较为科学直观的监测水质，达到预防污染的效果。
（如图2-2）
图2-2地下水自动监测管理系统职责示意图
地下水自动监测系统由四部分组成：
监测中心、通信网络、微功耗测控终端、水位监测记录仪（水位计）。
该系统依托中国移动公司GPRS网络，工作人员可以在监测中心查看地下水的水位、温度、电导率的数据。
监测中心的监测管理软件能够实现数据的远程采集、远程监测,监测的所有数据进入数据库，生成各种报表和曲线。
（如图2-3）
图2-3地下水水位、水温自动检测系统工作示意图
2.2取缔小煤矿，调整矿山开发规划
首先应该从小煤矿的开采地点、开采规模、开采技术条件、矿井水排放与利用等方面严格进行控制,放弃对短期经济效益的追求,对小煤矿实行关停并转,该取缔的决不能保留。
另外，制定煤炭开发规划时,要结合矿区的水文地质条件,合理布排煤炭开发格局,适时调整开发规划,选择科学合理的开采方式,才是矿区的可持续发展之策。
2.3种草植树，涵养水源
通过提高植被覆盖率,涵养水源,改善小环境气候,使水环境向良性循环的方向发展。
对开采区或未开采区,都有可以采取人工建造和自然恢复的方法,遵循宜林则林,宜草则草,宜封（山）则封（山）的原则,来提高植被覆盖率。
如:
①种草种树,退耕还林还草,封山禁牧;②铺设草方格、建立体栅栏;③及时填埋裂隙,防止沙土裸露及雨水沿裂隙渗漏,增加包气带土壤的含水量等。
另外，在矿区资源开发利用过程中，生产设备、生产工艺的选择对生产过程有着极大的影响。
新设备和新工艺的引进推广是提高资源利用率、有效降低水污染的根本途径，有关部门要加大新理论、新技术、环保采矿工艺的研究力度，采用先进的采掘设备和技术，逐步淘汰放炮采掘等落后方法，以减轻对岩石的扰动，从而起到防止塌陷的作用，实现矿产资源和水资源的可持续协调发展。
2.4推进矿区污染治理，提高水资源利用率
强化矿区“三废”灾害治理的同时，大力推进矿区水污染治理。
要提高矿区水资源综合利用效率，加大矿井水污染治理力度，提倡选矿废水循环利用，尝试“矿山堵水”作业模式，采取排水供水结合的方式综合利用水资源。
另外，还可以利用科技手段，采用井下污水处理系统，对于受到污染的水进行处理，净化后继续用于矿山工业生产中。
在大柳塔煤矿，井下污水处理已经得到了应用并且取得了良好的效果。
如果把大柳塔煤矿从地表到井下想象成一座三层楼房，楼房的顶层就是地表，那么2-2煤层就位于大楼的二层，平硐井口位于大楼的一层，5-2煤层位于大楼的地下室。
我们在大楼二层的部分房间修建水库收集水源，又将地下室的污水注入二层的其他房间进行净化然后流回到水库，水库清水一部分回流地下一层，一部分自流出地表一层，一部分由水泵排到顶层，用于屋顶花园的灌溉。
（如图2-4）
图2-4大柳塔煤矿井下污水处理系统3D示意图
大柳塔煤矿的井下回灌系统将井下污水注入采空区，沉淀后的清水供矿上生产使用。
（如图2-5）
图2-5大柳塔煤矿井下污水被处理后变得清亮透明
2.5完善相关法律，加大污染惩治力度
坚决贯彻《矿产资源法》、《水法》、《环境保护法》等法律法规，坚持矿山资源开发与生态环境保护并重，预防为主、防治结合的方针，做到谁开发、谁保护，谁污染、谁治理，谁破坏、谁恢复。
2.6提高水资源保护意识
有关部门要加大水资源保护宣传力度，提高水资源保护意识。
在矿产开发利用过程中，重视环境效益，提高采矿综合效益的同时注重水资源保护，实现矿产资源开发和环境保护的协调发展。
结语
保护生态环境是矿区建设走可持续发展的关键之路,而保护水资源又是最为核心的问题。
所以,矿山开发与环境保护相互协调的有效途径。
总之，矿山开采对于地下水及周边环境的破坏作用是客观存在的，并且只能尽量在可控范围之内减小，而不能完全消除这种消极影响。
因此，人们在对矿山进行开采时，应根据当地资源总量和环境特点，有规划有尺度有选择地进行开采，否则，由于地下水资源极其环境的较为封闭性和脆弱性等特点，盲目大规模攫取资源所带来的后果是难以估量和挽回的。
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