煤礦采煤對地下水資源的影響評價

張 偉，張永波，王兆亮

（太原理工大學水利科學與工程學院，山西 太原 030024）

山西省是我國重要的煤炭能源生產基地，煤礦資源極為豐富，為山西和整個國民經濟持續穩定發展作出了重要貢獻。煤礦生產規模的擴大不僅能帶來經濟效益和帶動地方發展，而且也會對當地環境產生一定的影響。目前，山西省許多小型煤礦都整合為中型或大型生產礦井，這使得煤炭資源能夠更好地被開發利用，同時也會加劇采煤造成的環境問題。

1 水文地質與工程地質特征

1.1 區域地質概述

本區位于河東煤田東南邊緣地帶。據中國構造體系圖所示，本區所處構造位置為祁呂賀蘭山字型構造前弧東翼內側，呂梁山經向隆起之西，黃河以東，鄂爾多斯坳陷的東南部邊緣。其外側為臨汾—侯馬挽近斷陷盆地。區域地質應力大體為北西—南東向的擠壓，礦區以東分布紫荊山大斷裂，并受其控制和影響，形成一系列以北東向為主的構造線。以褶曲為主，斷層稀少。礦區內出露的地層主要有二疊系下石盒子組上下段、山西組及石炭系太原組上段、中段、下段，第四系松散沉積物以不整合大面積覆蓋于各時代地層之上。

1.2 水文地質

井田位于呂梁山南端，呂梁山出露的大面積碳酸鹽巖地層成為地下水補給區，根據水文地質單元劃分，本區屬于龍子祠泉域。礦區及周邊含水層自上而下有：①第四系砂礫層孔隙潛水含水層；②下石盒子組（K9、K8）砂巖裂隙含水層；③太原組石灰巖（K4、K3、K2）巖溶裂隙含水層；④中奧陶統峰峰組石灰巖巖溶裂隙含水層。礦區內的主要隔水層有：①下石盒子組泥巖、粉砂巖隔水層；②太原組上部泥巖、粉砂巖隔水層；③太原組底部至奧灰之間泥巖、粉砂巖、石英砂巖隔水層。本區內巖溶地下水的補給主要是東部裸露區，接受大氣降水和地表水流補給，其他上部砂巖含水層通過地質構造流補給，向南或北徑流，于大泉處排泄。砂巖地下水在裸露地帶接受大氣降水補給，或接受風化基巖帶裂隙水的補給，經短距離徑流，在地形切割地段以泉的形式排泄或補給其他含水層。沖洪含水層的補給主要是大氣降水補給或礦坑排水，一般向河流的下游徑流排泄。

1.3 煤層頂底板工程地質特征

在一定的煤層賦存狀況和采礦條件下，決定了冒落帶、導水裂隙帶和整體移動帶高度的主要因素是煤層上覆基巖層的工程地質特征。據《寶鑫煤礦地質報告》（2010-8），區內主采煤層上覆基巖的巖性主要由泥巖、粉砂巖、石灰巖組成，且泥巖占優勢，各可采煤層上覆基巖巖石物理力學強度見表1。

表1 可采煤層上覆基巖巖石物理力學強度統計表

2 采礦活動對含水層的影響程度現狀評估

寶鑫煤礦整合前已對2#、9#、10#煤層進行了開采，形成了1.46 km2的采空區。據調查，井田內煤礦開采前，溝谷中泉水較多，泉水大多出自巖土界面及二迭系上、下石盒子組砂巖與泥巖交界處，屬松散巖類孔隙泉水及碎屑巖類裂隙泉水，單個泉眼可供幾戶人使用。同時，較大的溝谷中有由泉水匯聚而成的長年性水流分布，溝谷底部掘井2 m左右，可見，地下水一眼井可供數戶人使用。礦山開采后，到本次工作野外調查時，評估區內泉水大多干枯，較大溝谷中的長年流水消失，變成了季節性河流溝谷，溝谷中淺層水井也變成了季節性水井，降雨過后溝中有水時水井中也有水，溝中無地表水時井即干枯。這種情況說明，評估區內碎屑巖類裂隙水及松散巖類孔隙水已受到煤層開采的影響，其含水層結構受到一定程度的破壞，導致地下水漏失。

3 礦山活動對地下水資源影響預測評估

3.1 采煤對煤系地層及上覆含水層的影響

寶鑫煤礦為井下開采煤炭資源，由采煤引起的沉陷變形在垂直方向上引起的覆巖移動影響高度和范圍，主要取決于煤層頂板巖性特征、構造、煤層開采厚度、開采方法以及上覆巖層的厚度和巖性特征。一般垂向變形可分為冒落帶（Hm）、裂隙帶（Hli）和沉降帶（HC）。

本礦井煤層為近水平煤層，采用長壁式綜采一次采全高的采煤方法，全部垮落式管理頂板，煤層上覆巖層綜合考慮為中硬巖層，冒落帶、裂隙帶高度預測選用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中推薦的公式。

冒落帶最大高度計算公式：

裂隙帶最大高度計算公式：

公式1：HLi=100ΣM（/1.6ΣM+3.6）+5.6（m）；

公式2：HLi=

式中：M：煤層開采厚度。裂隙帶高度取兩式中最大值。

根據上述公式計算的各煤層開采后的最大冒落帶高度、最大導水裂隙帶高度見表2。

表2 煤層開采后冒落帶和裂隙帶高度預測結果

根據各煤層導水裂隙帶高度和冒落帶高度，得出本井田內地下含水層受開采煤層產生“兩帶”影響情況，見表3。

表3 開采煤層與含水層關系

由計算結果和表4可以看出，井田內2號煤層開采后，其產生的導水裂隙帶高度波及到了二疊系下統下石盒子組中下部巖層，受影響的含水層主要是二疊系下統下石盒子組中的K8、K9砂巖含水層。9#和10#煤層開采后，其產生的導水裂隙帶高度波及到了太原組中上部巖層和山西組的下部巖層，受影響的含水層主要是山西組中的K7砂巖含水層和太原組的K2、K3、K4巖溶裂隙水。

寶鑫煤礦地層傾角較小，各煤層頂板以上采煤影響帶內含水層可概化為近水平含水層。將煤礦采空區假設為一個大井，礦井排水假設為抽水，可根據抽水試驗中影響半徑的公式來粗略地計算礦井排水的影響范圍，公式如下：

式中：S：水位降深（靜水位與疏干水位的高差），m；

K：滲透系數，m/d。

各可采煤層標高及含水層參數可參考寶鑫煤礦地質報告，見表5，將受影響的含水層參數及水位降深帶入上式中計算可得各煤層對含水層的影響半徑值，見表4。

表4 各煤層開采對含水層的影響半徑計算表

由計算結果可以看出，井田內2號煤層開采對上覆含水層的最大影響半徑為15.34 m，9號煤層開采對上覆含水層的最大影響半徑為84.3 m，10號煤層開采對上覆含水層的最大影響半徑為111.3 m。可見，寶鑫煤礦開采對上覆含水層的影響已經延伸到采空區以外最大為111.3 m的范圍，導致采空區及影響半徑內的含水層水位下降、水量減少，受影響的含水層被疏干或半疏干。

3.2 采煤對煤層下伏含水層影響

奧陶系灰巖裂隙巖溶含水層為煤系基底，根據地質報告批復文件，礦區內深部奧灰水水位標高為650 m，而礦區內可采煤層的開采標高最低為1 360 m，礦區內可采煤層處于深部奧灰水無壓區內，奧陶系灰巖裂隙巖溶含水層不受采煤影響。

3.3 采煤對淺部含水層和民用井泉的影響

從各煤層開采產生的導水裂縫帶最大高度上看，不會對第四系淺層水造成直接影響，有可能造成間接影響。

由于采煤會造成地表變形地表裂縫，地表變形在開采邊界上方變化較大，且煤柱上方地表巖層受較大拉伸力作用，產生張口裂縫，而采空區地表巖層受壓縮力作用，產生壓密裂縫，地表裂縫深度一般為幾米至十幾米。由于地表裂縫（主要為張口性裂縫）的存在，有可能破壞淺層水的基底，改變水的流向，由原來水平流向變為垂直向下流向；另一方面增大蓄水空間。在沒有“充滿”增大的空間之前，淺層水表現為隨水位有所下降，水量有所減小。本區煤礦開采一般情況下對第四系孔隙潛水含水層影響較小，但不能完全排除在部分地段上部地層產生塑性變形的可能性，從而影響淺層地下水，使水位下降。淺層地下水具有水位隨地形變化的特征，煤礦開采對淺層地下水的影響范圍，大至為該類型淺層地下水所在的地表分水嶺區，屬局部性小范圍影響。

煤礦開采對地表水、地下水的破壞和疏干是造成礦區水資源日益匱乏的主要原因之一。而本區煤炭開采較為發達，是本區工業重要的支柱產業。隨著開采規模的擴大，將使得區域水資源短缺，影響當地居民正常生產、生活。

4 建議

從上述分析可以得出，寶鑫煤礦開采對地下水資源造成了嚴重影響，建議采取以下措施保護區內的地下水資源：①留設保護煤柱，對隔水層較薄的塊段應暫緩開采，對已開采的塊段采取切實措施，保護地下含水巖層結構不受破壞；②選擇合理的采煤方法，加強頂板管理，維護好含水層的結構狀態，使含水層原有應力平衡免遭破壞；③排給結合，超前疏干，在采區開采前提前打井開發地下水作為飲用和其他需要；④加強礦井水的綜合利用，建立中水回用系統，將礦井排水變廢為寶，一水多用；⑤利用采空區建設“地下水庫”，懸浮物是礦井排水的主要污染成分，經過沙化土地的自凈后導入采空區的有利部位，經過回滲，儲存在含水層中，建立“地下水庫”。

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