毕业论文---淮南矿区煤矿塌陷型水域研究.doc

淮南矿区煤矿塌陷型水域研究 -以潘集区为例1绪论煤炭在我国一直占有极其重要地位, 由于多年的煤炭的开采已引起一系列的矿区环境问题，其中包括采空区塌陷问题。目前我国煤炭开采造成的塌陷面积为70万公顷，约有70左右为塌陷积水区域。【1】煤炭开采在为淮南创造经济效益的同时，也对环境造成了一定的负面影响。矿区开发引起部分地区地表下沉塌陷，扰乱水系，损坏耕地、村庄、河道、堤防及其他建筑物，造成塌陷区范围内大量城乡居民住宅、学校和医院以及部分城市基础设施呈现整体或部分破坏现象。淮南市采煤塌陷区面积为4516km2 ，其中已形成水面1355km2，占塌陷面积的30左右，主要分布在大通、谢家集、八公山、潘集4个区和凤台县境内。整个塌陷区可依行政区划以及煤矿井田边界划分为6个采煤沉陷区，分别称为九（龙岗）大（通）沉陷区、谢李沉陷区、新李沉陷区、潘集沉陷区、张谢沉陷区。各沉陷区具体分布位置、地下采空面积及地面沉陷面见表1 和表2 。【2】1.1研究目的和意义据调查我国重点煤矿区中有71面临缺水，其中40的矿区属严重缺水，矿区能源开发与水资源紧张的矛盾已严重制约了煤炭工业的发展，也制约了我国国民经济的总体发展。今后我国国有大中型煤炭工业企业的发展趋势是实现煤电一体化，伴随着煤炭需求量的增大、生产能力的提高，煤矿和电力企业的生产、生活用水量也随之增加。煤矿塌陷区塌陷水体的合理开发利用有助于解决矿区失地农民的生计问题，并且合理利用塌陷水体对于煤矿区实现可持续发展的一个重要举措。充分合理利用塌陷水体的淡水资源，具有巨大的经济、社会和环境效益。随着开采年限的不断延长，采空塌陷的面积及深度不断增大，使得塌陷区内储存的淡水资源也越来越多。如果能充分合理利用塌陷区内的淡水资源，那将有助于解决水资源对矿区经济发展制约，能够缓解矿区居民与矿业企业之间的用水矛盾。不同的水质条件有不同的利用价值，利用塌陷区内水资源的前提条件是充分了解塌陷区内的水质状况及控制因素。本课题的研究将为更好的利用塌陷区内的水资源提供基础资料，为更好的规划、建设塌陷区积水区提供技术支持。【1】1.2研究区域 为了综合开发利用煤矿塌陷区水资源,选取其中一个塌陷区域作为研究对象,分析其理化指标重金属元素,为分类利用水资源提供可行性论证.研究场地选在潘一矿塌陷水域,所选塌陷水域目前均受地下水开采影响,处于塌陷活动期. 【3】2.研究区概述2.1地理位置淮南市境位于淮河中游，安徽省中部偏北,全市总面积2596.4平方公里，其中市区面积1566.4平方公里，凤台县面积1030平方公里。建成区面积89.44平方公里。2.2地质地貌淮南市境在构造单元上属于中朝准地台淮河台坳淮南陷褶断带（即华北地台豫淮褶皱带）东部的淮南复向斜。东界为郯庐断裂，西临周口坳陷，北接蚌埠隆起，南邻合肥坳陷，南北为洞山断裂和刘府断裂夹持。区内构造以北西西向构造占主导地位，受后期强烈改造，但总体形态变化不大，复式向斜内次一级褶皱及断裂发育。地质演化历史可分为前震旦纪、震旦纪三叠纪、侏罗纪第四纪3个阶段，前震旦纪，淮南地壳处于活动阶段；震旦纪三叠纪属于剧烈运动时期，先后经历了蚌埠、凤阳、皖南、加里东、华西力、印支等运动。其间地壳几度隆起沉降，形成了海陆交互相地层。特别是晚石炭纪和二叠纪时期海陆交互相的沉积环境，成为煤炭资源良好的生成条件，从而形成了境内大量的煤炭资源。侏罗纪第四纪，经过燕山运动和喜马拉雅运动，逐渐塑造出了今天的地貌特征。市境以淮河为界形成两种不同的地貌类型，淮河以南为丘陵，属于江淮丘陵的一部分；淮河以北为地势平坦的淮北平原，淮河南岸由东至西隆起不连续的低山丘陵。环山为一斜坡地带，宽约500-1500米，坡度10左右，海拔40-75米；斜坡地带以下交错衔接洪冲积二级阶地，宽500-2500米，海拔30-40米，坡度2左右；舜耕山以北二级阶地以下是淮河冲积一级阶地，宽2500-3000米，海拔25米以下，坡度平缓；一级阶地以下是淮河高位漫滩，宽2000-3000米，海拔17-20米，漫滩以下是淮河滨河浅滩。舜耕山以南斜坡以下，东为高塘湖一、二级洪冲积阶地，西为瓦埠湖一、二级洪冲积阶地；中部为丘陵岗地。淮河以北平原地区为河间浅洼平原，地势呈西北东南向倾斜，海拔20-24米，相对高差4-5米。2.3水文淮南市境位于淮河流域，最大的地表水为淮河。淮河由陆家沟口入市境凤台县，流至永幸河闸口分流为二，北道北上转东环九里湾进入市境潘集区，南道（又名超河）东流至皮家路入市境八公山区，南北河道至邓家岗汇流，由大通区洛河湾横坝孜出境。境内流长87公里，其中市区流长51公里。市境支流有东淝河、窑河、泥黑河、架河、西淝河。湖泊有高塘湖、胡大涧、石涧湖、瓦埠湖、城北湖、花家湖、焦岗湖，还有采煤塌陷区积水而成的湖泊，最大的为樱桃园（谢二矿塌陷区）。此外，还有泉山、老龙眼、乳山、丁山等小型山塘水库。全市水域面积375平方公里，占总面积17.65%；水面183平方公里，占水域面积48.8%。市境地下水资源主要分布在第四系沉积层，面积约1650平方公里，可采储量4.5亿立方米，与地表年平均径流量大致相等。2.4矿区分布目前，淮南市区内生产矿井共13对，其中淮河以北9对，淮河以南4对(如图1所示)。【1】图 1 淮南矿区矿井分布图2.5地下水类型根据地质构造展布特征、底层赋存及其岩性特征，本研究区地下水可分为三类，如表3所示。【1】表 3准南市区地下水类型及含水层划分一览表table2 groundwater types and aquifer divided table of huainan city 地下水类型水力性质含水层位含水层主要岩性碳酸盐类、裂隙岩类裂隙水裸露型潜水、承压水、o、c灰岩、白云质灰岩掩盖型承压水、o、c灰岩、白云质灰岩碎屑岩类裂隙水承压水p、t、e砂岩松散岩类裂隙水浅层含水层潜水、承压水q3、q4细砂岩、砂、亚砂土中深层含水层承压水q1、q2细、中、粗砂深层含水层承压水n砂、砾2.6潘集地区基本情况潘集地区位于淮南市北部，南濒淮河，北临茨淮新河，东与怀远县接壤，西与凤台县毗邻。整个潘集地区的煤矿开采地带即潘集矿区位于潘集谢桥矿区的最东部，拥有潘一矿、潘二矿、潘三矿、潘北和朱集五个现代化矿井。现已投入生产的有潘一矿、潘二矿和潘三矿3对矿井，生产能力为220mta。煤炭的大量开采导致地面移动、变形乃至破坏，最终形成大规模的塌陷地带，又由于有浅层地下水和大量雨水的汇入，形成了面积大小不等的塌陷水域。采煤塌陷水域已成为潘集矿区乃至淮南矿区一种特殊的地表水体。据调查，截止2007年底，潘集矿区已经造成约3616 km2的地表塌陷，其中潘一矿区塌陷面积为1533 km2，潘区塌陷面积约为611 km2，潘三矿区塌陷面积约1472 km2。因潘北矿和朱集是新生矿井，目前还没有形成塌陷区域。潘集矿区形成大大小小的塌陷水域共194个，其中潘一矿区99个，总面积为6746万平方米，潘二矿区15个，总面积为12平方米，潘三矿区80个，总面积为2840万平方总积水区面积约为10788万平方米，占总塌陷面积的2983。塌陷水域最深处已经达到90100m，整个潘集矿区塌陷水域储存了约654方米的水资源，形成了丰富的独特水资源。3.基本概念3.1塌陷区塌陷区：煤矿采煤之后留下的下陷的地域。3.2采空塌陷区采空沉陷区是指地下煤层采出后,上部覆岩、覆土失去支撑,力学平衡被打破,在重力和应力作用下重新调整,随之发生弯曲变形、断裂、位移,导致地面塌陷下沉,并形成地表低洼的沉陷地。【1】4.污染源4.1污染源种类4.1.1工业污染工业污染包括工业废水、工业废渣和工业废气.如表4所示. 【1】表 4淮南市各区废水排放大致情况分布表table4 distribution table of huainan waste water emission condition区名面积(km2)工业废水(万t/a)生活废水（万t/a）田家庵区93.789286.551971.33大通区202.48156.33480.27谢家集区95.881413.831311.12八公山区82.55399.95889.18潘集区606.75615.80275.84.1.2矿区污染煤炭是市区的工业主体之一，目前淮南市年产煤接近8000万t。由此而引发的污染源包括煤矸石、地表塌陷、疏干排水等。【1】4.1.3农业污染滥用药、肥，不仅污染土壤环境，而且地表及地下水也深受其害。据统计，2008年全市各类化肥使用量为129411t。残存于土壤中的农药、化肥势必影响地表水及地下水水质。【1】4.1.4生活污染全市生活垃圾和粪便年排放量约100万t，大部分未经无害处理，而且医院的粪便、垃圾也混入普遍粪便、垃圾之中，成为重要环境污染源。这些废弃物大部分堆积于地面或埋于地下，成为水体污染的重要污染源之一。目前市区内有垃圾场5座，主要分布于大通区、谢一八区、田家庵区等地。【1】4.2污染源分布市区各污染源分布情况见图2。潘集区主要污染源为茨淮新河、泥河污水及潘一矿、潘二矿的矿业污染源与农业污染源。淮河岸区有淮河污水、工业废渣、废水及农业污染源。谢八区主要为工业废水、矿业开采、生活污染源。田家庵区为生活污染源和工业污染源。大通区为窑河污水、矿业开采、农牧业污染源。【1】图 2污染源分布图4.3 污染物种类污染物可有多种分类方法。按污染物的来源可分为自然来源的污染物和人为来源的污染物，有些污染物(如二氧化硫)既有自然来源的又有人为来源的。按受污染物影响的环境要素可分为大气污染物、水体污染物、土壤污染物等。按污染物的形态可分为气体污染物、液体污染物和固体废物。按污染物的性质可分为化学污染物、物理污染物和生物污染物；化学污染物又可分为无机污染物和有机污染物；物理污染物又可分为噪声、微波辐射、放射性污染物等；生物污染物又可分为病原体、变应原污染物等。按污染物在环境中物理、化学性状的变化可分为一次污染物和二次污染物。此外，为了强调污染物对人体的某些有害作用，还可划分出致畸物、致突变物和致癌物、可吸入的颗粒物以及恶臭物质等。淮南市区污染源种类繁多，现将市区内各污染源的几种常见污染物列表3。表3各类污染源分类表污染源污染物分布特征工业污染源废水悬浮物、cod、氨氮、酚、氰、氧化物、硝酸盐、硫化物、铁、铅、锰、砷等主要分布于田家庵、谢八区废渣固形物、铁的氧化物、硫酸盐、氧化物、铜、铅、锌、铬等主要分布于田家庵、谢八区废气二氧化碳、二氧化硫、铵及氢氧化合物、一氧化碳主要分布于田家庵、谢八区、大通区等矿业污染源煤矸石氟、铜、砷、锌、锰、铅、硫等主要分布于谢八区、潘集区等地面塌陷悬浮物、氟化物、硫化物、ph、硬度、矿化度等主要分布于谢八区、潘集区等农业污染源化肥农药硝酸盐、亚硝酸盐、铵根、磷酸盐、ph、有机氮、有机磷及烃类化合物分布于潘集区、大通区、谢八区污灌酚、氰、砷、硫化物、氯化物、硝酸盐等主要分布于潘集区、大通区生活污染源废水细菌、三氮、硬度、氯离子、矿化度及有机物、微生物分布于田家庵、谢八区垃圾细菌、病毒、氯化物、氮养、碳氧化合物及有机物、微生物分布于谢八区、大通、田家庵区等4,.4污染方式淮南地区水体的污染有直接和间接污染两种方式：前者的特点是水体的污染物直接来源于污染源，污染快，程度重，但范围局限，污染物在污染过程中性质没有发生变化；后者的特点是水体中的污染物在污染源中含量并不高或根本不存在，而是经过复杂的化学变化的结果，污染缓慢，过程复杂，范围较广。以上两种方式在本区皆有突出表现5.研究方法及水质现状5.1研究区域选择为了综合开发利用煤矿塌陷区水资源,选取其中的塌陷区域作为研究对象,分析其理化指标重金属元素,为分类利用水资源提供可行性论证.研究场地选在潘一矿塌陷水域,所选塌陷水域目前均受地下水开采影响,处于塌陷活动期. 【3】潘一矿于1983年投产,塌陷水域年龄约为23a,水域相对较封闭,附近有农田,北端靠近潘一矿石山,改水域已被开发养鱼约15年,水深较浅,最大为3m,面积为20 hm2. 西边水域相对较封闭，周围只有几户散居的农户，无明显污染源，面积约为25km2，平均水深55m最大塌陷深度为7m，设编号为1；东水域与潘集矿区境内主要河流泥河连通，潘一矿区内大部分内涝积水和矿井水都排入该水域，且邻近潘一矿矸石山，积水面积约为35 km2，平均水深为70m最大塌陷深度为9m，设编号为2其具体分布及研究对象具体位置如下图。【4】5.2研究方法5.2.1采样时间 考虑影响因素多样性，于2008年7-8月份对两个不同封闭条件下的塌陷水域进行采样。【4】5.2.2采样点布设考虑塌陷区坡度的方向，按照从高到低的原则在同一断面上布设采样点，本次在两个塌陷水域内共布设采样点39个(见图2)，采用格网法布点，每条格网线间距500m。采样点点位和间距均采用gps精确定位和测量。在污水排放处和离矸石山较近处加设采样点。采集的水样均为表层谁(水面下0.5m处)和底层水(距水底上0.5m处)等量混合样品.香肠测定水温透明度ph值溶解氧等. 【4】5.2.3采样及监测方法采集水样时，将表层水(水面下o5m处)和底层水(水底上05m处)等量混合作为采集样品。现场测定水温、透明度、ph值、溶解氧。同时为确保重金属呈离子状态，于测试重金属元素的水样(500m1)中加入hno，酸化至ph2,其他化学项目现场固定后立即带回实验室测定。重金属元素cd、cu、pb、zn通过tas一986原子光光度计测定。部分理化指标测定方法及依据见表1。【4】5.3结果分析与评价5.31重金属污染分析根据各塌陷水域的具体情况，结合国内外地表水环境中普遍认为对生态环境有重要影响的重金属元素cd、cu、pb、zn等元素进行了测试,见表2。由表2所示数据可以看出，与长江河源区作为未受人类活动影响的背景区水丰度相比，除c，+元素外，两个塌陷水域内检测出的cd、cu、pb、zn元素均高出背景丰度，特别是东塌陷水域内zn元素高出了背景值23个数量级，说明这几种元素是受人类活动影响最为严重的几种元素。【4】将表2所列的测试结果与地表水环境质量标准(gb38382002)规定的类水基本项目标对比可见，除西塌陷水域中2、15、17号采样点的pb稍微超过类标准，两个塌陷水域内其余测试的重金属元素中均远低于标准规定的允许值。由图3、图4可见，东塌陷水域各点的cr、zn浓度均高于西塌陷水域。从采样点分布看出，东塌陷水域cr浓度较高的点均分布在靠近西北岸。邻近东塌陷水域西北岸存放了潘一矿约60万吨的矸石山，潘一矿为确保涝季矿区的安全生产，每年也都采用煤矸石加固东塌陷区西北大堤，且潘一矿的大部分矿井水和内涝水都通过潘一矿八号排涝站直接排入东塌陷水域。所以煤矸石雨水淋溶和矿业废水对其水体cr、zn元素浓度有一定的累计影响。【4】5.32水质理化特征分析(见表)(1)通常,水温是决定以鱼类为主的水生生物正常生长发育和繁殖的重要因素之一.检测结果表明水温随季节变化而变化,且随外界气温的变化较大.个塌陷水域春季温度平均在15.82-16.21，夏季在22.23-23.12，秋季在11.56-11.82.周年水温在10以上约有270d。塌陷区处于亚热带于暖带的过渡地带,属半湿润季风气候区,广温性淡水鱼类适宜在此气候下生长,加以鱼类是变温动物,即使是冬季冰封期水温降至10一下,只要溶解氧ph等主要条件满足要求,即可安全越冬.(2)透明度随季节变化有一定的变化,春秋季气温低,人类活动少,透明度高;夏季水温高,鱼类和水生生物生长快,加上塌陷水域周边有污水流入,降低了水体透明度.(3)各塌陷水域水体ph较为稳定,变辐范围为8.02-8.48，属于弱碱性水.尽管ph随季节及采样水域不同有所差异,但差异不大,且ph均在国家地面水环境质量标准和渔业水域水质标准规定范围内.因此具有一定缓冲能力,宜于鱼类等水生生物的生长发育.(4)各塌陷水域中溶解氧充足,为良性的水生态系统和以鱼类为主的水生生物生长于繁殖提供了良好的生活环境.(5)各塌陷水域中生化需氧量随季节变化不太明显. 【6】5.3.3结论淮南潘集矿区形成了大面积的塌陷区，且塌陷水域水资源丰富，储存了约654亿立方米的淡水资源。本文以潘一矿两个典型的塌陷水域为例，全面评价和分析了其水质状况。(1)对照地表水环境质量标准(gb38382002)，采用模糊综合评判法分析了淮南潘集矿区内典型的两个塌陷水域水质，评价结果显示东、西塌陷水域均受到了不同程度的污染。(2)评价结果表明，西塌陷水域(封闭式)从体中部向两岸水质呈递减趋势，西塌陷水域由于远离矿业污染源，部分断面水质较好，