綜合勘查技術(shù)方法在喀斯特地區(qū)煤礦酸性礦井水污染勘查的應(yīng)用
——以貴州省凱里市魚洞河流域龍洞泉水污染勘查為例

李曦濱

(中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局，河北邯鄲 056004)

0 引言

云貴高原喀斯特分布區(qū)是世界上喀斯特地貌分布最具代表性和典型性的區(qū)域，由于喀斯特地區(qū)巖溶水特有的水文地球條件特征、突出的地球化學(xué)敏感性和生態(tài)環(huán)境脆弱性[1]，極易受到礦業(yè)活動的影響。而我國南方晚二疊世形成的多為高硫煤[2]，大多數(shù)分布于喀斯特區(qū)內(nèi)，長期的煤礦開采活動導(dǎo)致煤礦酸性礦井水對喀斯特地區(qū)水環(huán)境產(chǎn)生極大的影響。貴州省黔東南凱里市魚洞河流域，自20世紀(jì)80年代初期流域內(nèi)近百座地方小煤礦無序開采，礦井遍布河流兩側(cè)，煤矸石隨意堆放，由于煤礦開采上部巖溶水進(jìn)入礦坑，與煤層及煤矸石等產(chǎn)生物理、化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生高鐵離子、錳離子、高硫酸根和低pH值(三高一低)的煤礦酸性礦井水肆意流淌，造成魚洞河流域水環(huán)境嚴(yán)重污染，生態(tài)嚴(yán)重破壞[3]。

本文以魚洞河流域龍洞泉污染的勘查為例，在分析研究礦井水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合巖溶地下水污染的特征，選擇多手段融合的綜合勘查技術(shù)方法，取得了較好的勘查效果，為今后喀斯特地區(qū)地下水污染勘查與治理提供良好的借鑒。

1 治理區(qū)概況

1.1 自然地理

治理區(qū)位于貴州黔東南苗族侗族自治州凱里市大風(fēng)洞鎮(zhèn)青杠林村。區(qū)域上處于云貴高原東側(cè)的梯級斜坡帶，受云貴高原整體抬升和地質(zhì)構(gòu)造的影響，地貌特征主要為低山侵蝕-溶蝕區(qū)，地勢總體上為北東高南西低，海拔855～1 100m。區(qū)內(nèi)植被類型有常綠闊葉林、針葉林、灌木林、灌叢和草坡，植被覆蓋度達(dá)53.28%。

本區(qū)屬中亞熱帶溫和濕潤氣候區(qū)，年平均降雨量為1 240mm，具有明顯的季風(fēng)性氣候特點。區(qū)內(nèi)水系發(fā)育，屬長江流域沅江水系清水江-重安江-魚洞河流域白水河支流的源頭區(qū)[4]。

1.2 區(qū)域地質(zhì)

本區(qū)屬華南地層區(qū)，成煤環(huán)境為海陸交互或過渡相的南方晚二疊世高硫煤分布區(qū)。區(qū)內(nèi)主要出露二疊系下統(tǒng)梁山組和中統(tǒng)棲霞組、茅口組，東部大面積出露寒武系，西部溝谷中出露泥盆系上統(tǒng)堯梭組，第四系松散層零星分布。含煤地層為二疊系梁山組，可采煤層為1層，煤層厚度0.6～1.3m，煤層傾角一般小于10°，煤質(zhì)為高硫、高灰分、低發(fā)熱量煙煤。煤層開采主要受到頂板二疊系棲霞組和茅口組巖溶含水層的影響。

區(qū)內(nèi)構(gòu)造處于黔北與黔南不同構(gòu)造變形面貌的過渡地帶，總體形態(tài)呈NE向復(fù)向斜構(gòu)造體系，構(gòu)造以北東向斷層和褶皺為主，斷層主要有區(qū)域性大斷層——大風(fēng)洞逆斷層及少量小斷層等，主要褶皺有大風(fēng)洞向斜。全區(qū)構(gòu)造條件屬較復(fù)雜型[5]。

1.3 區(qū)域水文地質(zhì)條件

1.3.1 巖溶發(fā)育特征

區(qū)內(nèi)地表巖溶地層大面積出露，受地貌、巖性及氣候條件的影響，地表巖溶形態(tài)以石牙、溶溝(槽)、洼地、溶洞為主，是地下巖溶含水層有利的補給區(qū)。地下巖溶地層受地形、巖性、構(gòu)造及水動力條件的控帶作用，巖溶化程度較高，以二疊系中統(tǒng)茅口組巖溶最為發(fā)育、棲霞組發(fā)育次之，地下水動力作用強(qiáng)。巖溶形態(tài)以溶孔、溶洞、落水洞、巖溶管道和地下暗河為主，規(guī)模差異大，具有多層性，延伸方向受構(gòu)造控制，是地下水徑流和排泄的主要通道。

1.3.2 巖溶區(qū)主要含水層

本區(qū)為典型的南方喀斯特分布區(qū)，碳酸鹽巖分布廣泛，受地形、巖性、構(gòu)造作用以及濕潤多雨的氣候條件影響，巖溶化程度較高。全區(qū)可劃分為：新生界第四系砂礫石孔隙含水層、二疊系茅口組-棲霞組碎屑灰?guī)r巖溶裂隙含水層、石炭系下統(tǒng)擺佐組白云巖巖溶裂隙含水層、泥盆系上統(tǒng)堯梭組生物屑灰?guī)r巖溶裂隙含水層。

梁山組煤層之上的二疊系下統(tǒng)茅口組-棲霞組巖溶裂隙含水層是最主要的強(qiáng)含水層，巖性為深灰色中厚層狀灰?guī)r、細(xì)晶灰?guī)r，厚度在117～327m；巖溶裂隙發(fā)育，據(jù)以往資料，該層鉆孔溶蝕現(xiàn)象巖溶率為8.81%，溶洞現(xiàn)象巖溶率為5.71%[5]；含水介質(zhì)為碳酸鹽巖溶洞—巖溶管道，發(fā)育大量落水洞、地下暗河、巖溶泉，泉點流量0.014～11.23L/s，平均流量1.442L/s，地下徑流模數(shù)4.29～10.26L/(s·km2)，富水性強(qiáng)但不均一，地下水化學(xué)類型為HCO3-Ca或Ca·Mg型，受礦井水污染的地下水呈淺黃色、鐵銹味、渾濁狀，地下水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca、SO4-Ca或Ca·Mg型。

2 龍洞泉巖溶水系統(tǒng)及污染成因

2.1 巖溶水系統(tǒng)

龍洞泉巖溶水系統(tǒng)，面積約30km2，巖溶水系統(tǒng)類型屬“單斜順置型”[6]。系統(tǒng)大面積出露二疊系棲霞組、茅口組灰?guī)r接受大氣降雨補給，東部大風(fēng)洞逆斷層為區(qū)域阻水邊界，地下水總體徑流方向是沿巖溶裂隙和管道(地下暗河)自北、西、南向東南方向徑流，自龍洞泉排泄，屬斷層接觸泉，為常年性泉，泉口標(biāo)高863.4m，泉流量在200～400m3/h，豐水期流量高達(dá)4 000～5 000m3/h，是當(dāng)?shù)厍喔芰执逯匾纳铒嬘盟础?/p>

2.2 污染成因

飛龍煤礦礦區(qū)面積約1.5km2,生產(chǎn)能力9萬t/a，井口標(biāo)高934.6m，為斜井開拓，開采歷史10余年，于2017年3月份關(guān)閉，現(xiàn)屬無主煤礦。飛龍煤礦正常生產(chǎn)時，礦井水均抽排到地表，礦井關(guān)停后，礦井水停止抽排，導(dǎo)致井下采空區(qū)大量積水。2017年6月27日當(dāng)?shù)貜?qiáng)降雨，造成采空區(qū)水位持續(xù)上升，沿某一導(dǎo)水通道與上覆含水層發(fā)生水力溝通，導(dǎo)致龍洞泉泉水污染(圖1)。2017年6月30日，龍洞泉水質(zhì)突然渾濁，含大量紅色懸浮物，水流經(jīng)過處留下紅色沉淀物，7月3—5日采集水樣測試，水質(zhì)呈現(xiàn)酸性特征，pH值最低達(dá)2.4，F(xiàn)e離子和Mn離子最高超出國家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)111.8倍和35倍[7]。

圖1 飛龍煤礦酸性礦井水污染龍洞泉剖面示意Figure 1 Schematic section of pollution from Feilong coalmine acid mine water on Longdong Spring

3 綜合勘查技術(shù)方法

開展巖溶大泉龍洞泉污染治理，必須采用綜合勘查技術(shù)，主要目的任務(wù)是查明污染治理區(qū)的水文地質(zhì)條件和污染形成的條件；探查煤礦酸性礦井水的補徑排條件及“四水”轉(zhuǎn)化重點溝通區(qū)段，為制定科學(xué)經(jīng)濟(jì)的污染治理技術(shù)措施提供可靠的依據(jù)。

本次勘查工程布置充分利用遙感水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)專項調(diào)查、巖溶洞穴探測、綜合物探、化探、地質(zhì)鉆探、水文測井及井中透視、水文地質(zhì)試驗(以抽水試驗、示蹤試驗、地下水流速流向測試為主)以及建立“四水”(大氣降水、地下水、采空水和泉水)同步聯(lián)動長期動態(tài)監(jiān)測的多手段相互結(jié)合的綜合勘查技術(shù)方法[8]，勘查工作在逐步深入、多手段相互驗證、綜合分析的基礎(chǔ)上提高勘查成果的準(zhǔn)確性。

3.1 地面水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)專項調(diào)查結(jié)合遙感技術(shù)

圍繞飛龍煤礦所處巖溶水系統(tǒng)開展水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)專項調(diào)查，了解巖溶水系統(tǒng)的邊界條件及補徑排條件，調(diào)查地表巖溶發(fā)育特征及巖溶洼地、落水洞、地下暗河等特殊地質(zhì)點的分布，為水文地質(zhì)條件分析提供依據(jù)。調(diào)查范圍原則上包括礦井所處的整個龍洞泉巖溶水系統(tǒng)。

由于調(diào)查區(qū)處于低山溶蝕地貌，地形起伏大，植被覆蓋度高，調(diào)查工作應(yīng)用遙感技術(shù)，遙感數(shù)據(jù)采用高分2號衛(wèi)星數(shù)據(jù)，分辨率達(dá)到1m。采用321光譜波段進(jìn)行真彩色合成，獲得自然彩色合成圖像，圖像的色彩與原地區(qū)或景物的實際色彩一致。通過遙感圖像能直觀了解到酸性礦井廢水排放的整個區(qū)域，對現(xiàn)場無法調(diào)查的區(qū)域，起到補充調(diào)查的作用。

3.2 地面綜合調(diào)查結(jié)合地下巖溶洞穴探測調(diào)查

勘查區(qū)巖溶發(fā)育，地表落水洞、地下管道、暗河分布錯綜復(fù)雜，結(jié)合開展專業(yè)地下巖溶洞穴探測調(diào)查可以取得直觀的探查數(shù)據(jù)，作為地面調(diào)查的補充，地下巖溶洞穴探測重點調(diào)查能夠取得區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育規(guī)律、控制地下暗河系統(tǒng)的發(fā)育規(guī)律和地下污染通道的準(zhǔn)確反映。通過巖溶洞穴探測，測制1∶500洞穴平面圖，相應(yīng)的縱剖面圖與地段橫剖面圖，分析洞穴的成因類型、發(fā)育特征及煤礦采空區(qū)污染水與巖溶水的聯(lián)通關(guān)系。本次巖溶洞穴潛水探測分別針對龍洞泉泉口和落水洞5進(jìn)入實施了4層次地下探測，取得了良好的效果(圖2)。通過對落水洞5及龍洞泉的流量對比及地下取樣水化學(xué)測試，查明落水洞5的流量對龍洞泉的貢獻(xiàn)量大約占70%，推斷通過導(dǎo)水通道龍洞泉泉水中混入了大約30%的煤礦酸性廢水，為污染通道的封堵提供了技術(shù)支撐。

圖2 龍洞泉及落水洞分布示意Figure 2 A schematic diagram of Longdong Spring and sinkhole distributions

3.3 地面物探結(jié)合鉆孔井間物探

地面物探選用探測效果較好的瞬變電磁法、直流充電法等方法，并相互對比印證，取得了一定的效果。

在地面開展多方法物探的同時，利用地面水文地質(zhì)鉆孔進(jìn)行了井間透視物探方法，探測煤礦巷道和采空區(qū)，根據(jù)探測各類異常點的結(jié)果，進(jìn)一步指導(dǎo)勘查鉆孔和關(guān)鍵通道封堵鉆孔的驗證布置。

3.4 水文地質(zhì)鉆探與井中成像技術(shù)

地面開展水文地質(zhì)鉆探，目的是探查地層巖性、埋藏條件、巖溶發(fā)育特征以及采空區(qū)位置、煤層開采形成的“三帶”發(fā)育高度。通過鉆探技術(shù)與井中成像技術(shù)結(jié)合可以取得更加清晰直觀的數(shù)據(jù)信息，提供豐富可靠的巖溶水文地質(zhì)基礎(chǔ)資料。在龍洞泉污染勘查中應(yīng)用水文地質(zhì)鉆探與井中成像技術(shù)， 探測煤層開采頂板導(dǎo)水裂縫帶高度觀測工作取得了較好的效果(圖3)。

3.5 綜合水文地質(zhì)試驗

利用治理區(qū)內(nèi)完成的地質(zhì)孔、觀測孔、井下采空區(qū)地面疏排孔、注漿孔和泉水排泄點形成試驗觀測網(wǎng)，輔以水化學(xué)、示蹤試驗，開展進(jìn)行綜合水文地質(zhì)試驗，非常有利于暴露水文地質(zhì)條件，從而最終達(dá)到查明巖溶含水層與采空區(qū)之間的水力聯(lián)系，圈定巖溶水與采空區(qū)酸性礦井水連通的范圍，為進(jìn)行注漿改造和阻斷水力聯(lián)系提供條件。

1)單孔抽水試驗。本次勘查工作進(jìn)行了15個地面巖溶鉆孔和10個采空區(qū)鉆孔的抽水試驗，取得了相關(guān)的水文地質(zhì)技術(shù)參數(shù)、采空區(qū)水位及水化學(xué)特征。

圖3 鉆孔井下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育觀測Figure 3 Borehole underground water conducted zone observation注：(1)CK-1號鉆孔：采空區(qū)起止深度142.20～143.90m；導(dǎo)水裂隙帶起止深度123.66～142.20m。為采高的10.91倍，導(dǎo)通上覆棲霞巖溶含水巖組。(2)CK-2號鉆孔：采空區(qū)起止深度123.50～126.00m； 導(dǎo)水裂隙帶起止深度107.07～123.50m。為采高的6.57倍， 導(dǎo)通上覆棲霞巖溶含水巖組。

3.6 水化學(xué)測試及示蹤試驗

勘查工作利用水文地質(zhì)鉆孔和地表巖溶落水洞，開展水化學(xué)測試及水化學(xué)示蹤試驗(圖4)。探查主要含水層、煤礦采空區(qū)、落水洞與龍洞泉之間的水力聯(lián)系，探查落水洞5、暗河與龍洞泉的連通性，判斷其是否為污染通道。采用食鹽做示蹤劑，用于連通性及地下水運動規(guī)律研究；選用熒光素作為示蹤劑，用于連通性判斷。

通過實時檢測電導(dǎo)率變化(圖5)，并及時檢測各項指標(biāo)變化情況，同時利用影像資料記錄泉水顏色變化。查明了落水洞5地下河與龍洞泉存在水力聯(lián)系，落水洞5為龍洞泉水補給源，分析地下水運動規(guī)律，落水洞5和與龍洞泉之間存在通道將煤礦污水導(dǎo)通至龍洞泉巖溶管道中，造成泉水污染。

3.7 “四水”長期動態(tài)監(jiān)測結(jié)合智能網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)

本次綜合應(yīng)用了智能網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)，“四水”的動態(tài)監(jiān)測主要可分為對地下水水位、 煤礦采空區(qū)水位、泉水流量、降水量及酸性礦井水特征指向性指標(biāo)的水質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)觀測。由于具有采集速度快自動化程度高等優(yōu)點,智能網(wǎng)絡(luò)傳感器在數(shù)據(jù)采集方面具有明顯優(yōu)勢,不僅能進(jìn)行自檢,還能夠完成自動數(shù)據(jù)處理任務(wù),顯著提升監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性的同時,也提升了其響應(yīng)速度[7]。

圖4 示蹤試驗投放點及觀測點布置Figure 4 Tracer test charging points and observation points layout

圖5 龍洞泉氯化物/電導(dǎo)率變化Figure 5 Longdong Spring chloride electrical conductivity variations

圖6 Fe2++Fe3+濃度與流量關(guān)系Figure 6 Relationship between Fe2++Fe3+ ionic concentration and flow rate

圖7 Fe2++Fe3+/Mn2+/SO42-濃度變化曲線Figure 7 Fe2++Fe3+/Mn2+/SO42- ionic concentration variation curves

4 綜合勘查成果及治理效果

4.1 主要綜合勘查成果

1)查明了龍洞泉巖溶水系統(tǒng)的水文地質(zhì)條件。龍洞泉屬單斜順置型巖溶水系統(tǒng)，為區(qū)域構(gòu)造控制的斷層接觸泉，主要含水層為二疊系棲霞組和茅口組灰?guī)r，含水層介質(zhì)為巖溶裂隙、溶洞和巖溶管道(地下暗河)，水位標(biāo)高為867.69～935.40m，為下覆二疊系梁山組煤層的主要充水含水層，富水性中等—強(qiáng)。

2)查明了龍洞泉受關(guān)閉煤礦酸性礦井水污染的機(jī)理、途徑及方式。通過鉆探和井中電視等技術(shù)手段查明采煤導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度達(dá)到采高的6.57～10.91倍，局部地段溝通上覆棲霞組灰?guī)r含水層，通過垂向越流方式污染上覆含水層。明確了龍洞泉污染屬于采空區(qū)水位抬升溝通上覆含水層且具有非持續(xù)污染特點。

3)查明了龍洞泉流量、地下水水位、采空區(qū)水位與降雨量的“四水”相關(guān)性，掌握了龍洞泉水中Fe2+、Fe3+、Mn2+、SO42-等污染特征離子與泉流量、采空區(qū)水位的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

4)垂向上圈定了上覆二疊系茅口組、棲霞組巖溶強(qiáng)含水層接受采空區(qū)酸性水補給的垂直越流的標(biāo)高。當(dāng)采空區(qū)積水高于908m標(biāo)高時補給上覆巖溶含水層，造成龍洞泉泉水受到污染，低于908m標(biāo)高時泉水不受污染，采空區(qū)垂直越流補給巖溶水的水位標(biāo)高在908～915m。

5)平面上劃分了上覆二疊系茅口組、棲霞組巖溶強(qiáng)含水層接受采空區(qū)酸性礦井水補給的區(qū)段和主要補給通道(巖溶管道)范圍，為后續(xù)污染通道的封堵、截流、阻斷、含水層改造等注漿治理工程提供了可靠的依據(jù)。

4.2 治理效果

自2017年7月龍洞泉受關(guān)閉煤礦廢水污染以來，通過長達(dá)持續(xù)2a的長期動態(tài)監(jiān)測，泉水Fe2+、Fe3+含量為90～120mg/L，Mn2+含量為30～35mg/L，最高超標(biāo)111.8倍和35倍，水質(zhì)污染類別為劣Ⅴ類。

根據(jù)綜合勘查技術(shù)方法取得的成果，通過實施采空區(qū)頂板隔水層注漿改造控制采空區(qū)的補給量和采空區(qū)水位、關(guān)鍵通道(水力聯(lián)通點)的注漿封堵切斷采空區(qū)污染水與上覆巖溶含水層(巖溶管道)的水力聯(lián)系等一系列綜合治理技術(shù)，自2019年8月15日起，龍洞泉泉水主要污染指標(biāo)逐步向好，pH值6.77～8.45，F(xiàn)e2+、Fe3+為0.1mg/L左右，Mn2+小于0.03mg/L，SO42-為200mg/L左右，礦化度低于0.42g/L，治理效果顯著。

5 結(jié)語

喀斯特巖溶區(qū)煤礦礦井水污染地下水的問題已經(jīng)成為西南地區(qū)水生態(tài)環(huán)境建設(shè)面臨的主要地質(zhì)環(huán)境問題，水污染治理工作是長期以來難以解決的技術(shù)難題。查明治理區(qū)水文地質(zhì)條件和污染機(jī)理條件是水污染治理工作的基礎(chǔ)，而如何選擇有針對性、實效性的地質(zhì)勘查技術(shù)方法是實現(xiàn)治理目的的關(guān)鍵。本次以貴州省凱里市魚洞河流域龍洞泉污染勘查為例，將國內(nèi)煤礦防治水技術(shù)經(jīng)驗成功應(yīng)用到龍洞泉的水污染治理，結(jié)合治理區(qū)巖溶水文地質(zhì)條件，分析研究關(guān)閉煤礦酸性礦井水污染條件，采用多手段勘查技術(shù)相結(jié)合、“四水”(地表水、地下水、污染水、大氣降水)智能網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)的綜合勘查技術(shù)方法，取得了較好的勘查效果，為治理工程開展污染通道的封堵、截流、阻斷、含水層改造等提供了可靠的依據(jù)，治理效果顯著。