新登禹矿区矿井水资源化利用研究

2021-07-30张一博赵继先

黄河水利职业技术学院学报 2021年3期

张一博，赵继先

（河南省地质矿产勘查开发局第一地质环境调查院，河南郑州 450045）

0 引言

近年来，河南省存在岩溶地下水严重超采现象，尤其是长期开采煤矿的矿区。煤矿矿区所在的基岩山区及山前丘陵区一般是水资源严重短缺的区域，由于矿井水消耗了大量的地下水资源，因而进一步加剧了该区水资源紧张的局面［1］。矿井水无论在数量上还是在水质上均具备再利用的可能，因此将矿井水加以资源化利用，是解决该区水资源问题的主要措施之一［2］。

新登禹矿区作为河南省较大的煤矿开采矿区，煤矿资源丰富，矿井水排放量亦较大。分析矿区所在县市用水现状可知，地下水是该区域最主要的供水水源，多年平均供水量约占总供水量的90%。地下水的开采对保障经济社会快速发展发挥了不可替代的作用。20 世纪80 年代以来，由于用水需求日益增加，出现了大规模开采地下水现象，造成区域地下水位持续下降、地面沉陷、房屋出现裂缝、山泉断流、机井报废、水浇地面积大幅减少等现象，引发了一系列生态与环境地质问题，危及供水安全、生态安全和社会安全，也严重制约了经济社会的可持续发展。因此，加快地下水超采区治理已刻不容缓。

1 新登禹矿区概况

1.1 自然概况

新登禹矿区包括新密矿区、登封矿区、禹州矿区，三矿区彼此相连。

新密矿区位于郑州矿区东南部，含煤面积约780 km2，地跨新密、新郑、登封、尉氏等市县。新密煤田北起煤层露头和王口断层，南到新庄断层，西以王庄矿、小河矿西界连线为界，东到二1 煤层-1 500 m等深线、大隗断层、李粮店断层。矿区内的大型生产矿井有郑煤集团的裴沟矿、米村矿、芦沟矿、大平矿、超化矿和赵家寨矿，国投河南公司的王行庄矿。

登封矿区位于河南省西南部，自西向东横跨伊川、汝阳、汝州、登封和新密等县市，以登封和伊川为主。该矿区西邻宜洛矿区，东与新密矿区相接，西起纸房断层，东至东瓦店断层，北以月湾断层和二1 煤层-1 500 m 等深线为界，南止于二1 煤层露头，东西长70 km，南北宽12 km，面积760 km2。登封矿区位于嵩山背斜和箕山背斜之间的颍阳—芦店向斜之南翼，自西向东有宝雨山井田、马岭山井田、郭沟井田、新新井田、箕山井田、告成井田和芦店勘查区。目前，生产矿井主要有宝雨山矿、何庄矿、新新矿、邓槽矿、新登矿和告成矿。

禹州矿区位于河南省中部的禹州境内，北邻新密和登封，南接平顶山，西邻临汝煤田，东至京广铁路线，煤田东西长约105 km，南北宽约43 km，含煤面积1 560 km2，含煤地层是石炭系太原组、二叠系山西组和石盒子组，可采煤层有六层，其中二1 煤和七2 煤普遍可采，二1 煤厚3～6 m，是各矿主采煤层。由于煤层埋藏浅，开采便利，该矿区大小煤矿星罗棋布，最多时曾有600 多个小煤窑，2004 年后，关闭了大部分不符合安全生产条件的小煤矿，剩余小煤矿相继被省内大型煤企整合兼并。当前，生产规模较大的煤矿有：平禹一矿、神火梁北矿、神火泉店矿、平禹二矿、平禹四矿、平禹凤翅山矿、方山矿新井等。

1.2 地下水开采概况

岩溶水超采量主要为山丘区煤矿疏干排水和泉水溢出量。 2014 年11 月，河南省水利厅下发的《关于河南省地下水超采区范围的通知》（豫水政资〔2014〕76 号）指出，2001～2010 年，河南省岩溶水超采区地下水可开采量为5.10 亿m3，区内年平均实际开采量为7.07 亿m3，年均超采量为1.97 亿m3；岩溶水超采区共有4 个，其中，安阳小南海泉为一般超采区，辉县百泉泉域、荥巩采矿区、新登禹采矿区均属严重超采区［3］。

根据2020 年河南省水利厅组织开展的河南省岩溶水超采区复核工作成果（评价期为2011～2018年），复核后河南省岩溶水超采区面积、分布区域、超采程度与上次评价结果均未发生变化。 2011～2018 年，河南省岩溶水超采区地下水可开采量为4.89 亿m3，区内年平均实际开采量为6.72 亿m3，年均超采量为1.83 亿m3，其中新登禹矿区仍属于岩溶水严重超采区。 2 个评价期的超采情况如表1所示。

表1 新登禹矿区地下水超采情况一览表Tab.1 List of groundwater overexploitation in mining area of Xinmi， Dengyu and Yuzhou

从表1 可以看出，尽管新登禹矿区在2011～2018 年评价期内较2001～2010 年评价期内年均实际开采量减少了2 400 万m3，年均超采量减少1 000万m3，但仍属于岩溶地下水严重超采区。

2 矿井水资源评价

2.1 矿井水水量分析

2.1.1 新密矿区

新密矿区内大中型生产矿井有郑煤集团的超化矿、裴沟矿、米村矿、大平矿、芦沟矿和赵家寨矿（新郑煤电），国投河南公司的王行庄矿，总产能几乎占整个矿区现有煤矿总产能的50%。六家煤矿2010年后总排水量在4 000～5 000 m3／h 之间波动，其他兼并重组煤矿除振兴二矿、宋楼煤矿、中原乾通、郑宏恒泰矿正常生产时排水量大于100 m3／h 外，其余均小于80 m3／h。 2016 年，新密-郑州矿区6 对主力矿井排水量为4 385 m3／h，整合重组的中小煤矿总排水量为2 224 m3／h，整个矿区矿井水总量为6 609 m3／h。

2.1.2 登封矿区

2016 年，告成矿、白坪矿和宝雨山矿平均排水量为1 708 m3／h，登封矿区其他46 对中小煤矿中，在按产能正常生产的条件下，总排水量为2 309 m3／h。由于不少兼并重组煤矿处在濒临停产状态，甚至有的已经被关停，所以实际排水总量较统计数较小。参照全省统计数据，中小煤矿的原煤产量仅能达到产能的30%～40%，故这些煤矿的总排水量按60%估算，其值为1 385 m3／h。登封矿区排水量为3 093 m3／h。

2.1.3 禹州矿区

禹州矿区排水量大的矿井主要有平禹一矿、方山新井、梁北矿和泉店矿，2016 年合计排水量为2 964 m3／h，占矿区总排水量的71.5%［4］。禹州矿区总矿井排水量为4 147 m3／h。

2.2 矿井水质量

2.2.1 新密矿区

新密矿区（含新郑）对矿井有充水作用的含水层有第四系松散沉积物孔隙水含水层、基岩风化带沙岩裂隙水含水层、二1 煤顶板沙岩裂隙水含水层、太原组L7～L8岩溶水含水层、太原组L1～L4岩溶水含水层、奥陶系马家沟组灰岩岩溶水含水层。

经对区内水量较大的卢沟矿、裴沟矿、超化矿、王行庄矿和赵家寨矿的矿井排水进行检测分析及评价，新密矿区矿井水属于悬浮物超标的一般矿井水，超生活饮用水指标的项目集中在氟化物和总铁。卢沟矿井水属Ⅲ类地下水，裴沟矿、赵家寨矿井水属Ⅳ类地下水，超化矿、王行庄矿井水属Ⅴ类地下水，超标项目集中在总铁。矿区的矿井水均适宜用作农田灌溉用水。

2.2.2 登封矿区

寒武系灰岩岩溶水和太原组灰岩岩溶水是登封矿区各矿开采二1 煤（尤其是开采一7 煤）时最主要的充水水源。对区内水量较大的登封白坪矿、登封告成矿矿井排水进行检测分析，两矿矿井水总铁均超出生活饮用水指标，白坪矿矿井水另有氟化物、铝超出生活饮用水指标，两矿矿井水均属Ⅳ类地下水，可作为农田灌溉用水。

2.2.3 禹州矿区

禹州矿区充水水源主要是二1 煤底板石炭系薄层灰岩岩溶水和寒武系灰岩岩溶水，矿井水化学类型主要是HCO3-Ca·Mg 型，少量为HCO3·SO4-Ca·Mg型，岩溶水水质良好，没有污染或轻微污染，可用于居民生活用水和工农业用水。经对区内水量较大的禹州梁北矿、平禹一矿矿井排水进行检测分析，平禹一矿矿井水各项指标均符合生活饮用水标准，禹州梁北矿矿水井仅有NO3-超出生活饮用水标准；平禹一矿矿井水属Ⅲ类地下水，禹州梁北矿仅有NO3-超出地下水Ⅲ类标准，属Ⅳ类地下水。

3 矿井水资源化利用

3.1 矿井水开发利用现状

现阶段，新登禹矿区矿井水开发利用率在70%上下，以农田灌溉为主，扣除农田灌溉后的直接利用率仅为50%（详见表2），开发利用潜力很大。同时，各矿区矿井水利用方向有待于优化，尤其是新登禹矿区，绝大部分煤矿矿井水质量较好，应充分发掘其使用潜力，将其用作城市或周边乡镇、企业供水水源［5］。

新登禹矿区内，有部分煤矿建立了矿井水净化处理设施，净化后的水质可达到饮用水标准，但是规模较小，比如新密矿区超化矿作为矿井水资源化利用的示范矿井，建成了矿井水深度净化处理系统及小型纯净水厂。

表2 各矿区及所在地利用矿井水情况统计表Tab.2 Statistics of local mine water utilization in each mining area

3.2 矿井水资源化利用方向及可利用量

未来应将矿井水作为一种水资源，纳入县市的水资源配置规划中。本着“优质水优用，劣质水劣用”“先井下后井上，先生产后生活”“先矿区后城市，最后是农业”的原则，对水资源进行合理利用。新登禹矿区内矿井水水质较好，经过简单处理即可作为生活供水水源及工业供水水源。电厂或热电联产工程冷却用水和脱硫除尘用水量大，矿井水经过处理后，能够满足电力生产企业工业用水的水质要求［6］。国家针对电力企业的用水，提出了“优先选择城市再生水和矿井排水、鼓励利用地表水和限制使用地下水”的政策。因此，具备使用矿井水条件的电力企业，应优先选择矿井水作为生产用水的水源。含一般悬浮物的矿井水经过简单处理后，可以作为城市供水的水源［7］。但是随着南水北调水的引入，矿井水作为城市饮用供水的利用量将会有所下降。

根据新登禹矿区内各矿区矿井水使用现状及排水量、矿井水水质，矿区内每年尚有3 431 万m3矿井水未得到有效利用。新密矿区内矿井水可替代部分地下水，作为新密市、新郑市的生态用水、工业用水、农业用水的水源；登封矿区内矿井水除铁后，可作为矿区周边山区人民的饮用水源；禹州矿区内矿井水经简单处理后，可作为周边县市、企业饮用水源。当前矿井水使用量最大的是农田灌溉，新登禹矿区内矿井水水质较优，若将其用作生活用水、工业用水，则可利用量可增加4 700 万m3／a；若将灌溉用水置换为其他水源（例如地表水），则矿区内矿井水可利用总量将达8 131 万m3／a［8］。新登禹矿区内各矿井水可利用量统计情况如表3 所示。