山西離柳礦區煤炭開發對柳林泉域環境風險影響分析

黃 華

（中煤科工集團南京設計研究院，江蘇省南京市，210031）

山西離柳礦區煤炭開發對柳林泉域環境風險影響分析

黃 華

（中煤科工集團南京設計研究院，江蘇省南京市，210031）

敘述了離柳礦區概況及柳林泉域的概況，對離柳礦區域及柳林泉域的關系、礦區內煤層開采對奧灰水的影響及奧灰水進入礦坑的風險進行了分析總結。

離柳礦區 柳林泉域 奧灰水 煤層 下組煤 帶壓開采

1 離柳礦區概況

離柳礦區隸屬13個大型煤炭基地之一的晉中煤炭基地，是我國大型優質煉焦煤基地之一。2010年國家發改委對離柳礦區規劃進行了批復，共規劃大型礦井26對，其中興縣區4對，離柳區22對。由于興縣區和離柳地質條件和水文條件差異較大，本次分析指的離柳礦區不包括興縣區。

離柳礦區內查明地層有古生界寒武系（E），奧陶系（O），石炭系本溪（C2），太原組（C3），二疊系山西組（P11），石盒子組（P21～P12），石千峰組（P22），新生界第三、第四系等，其中太原組、山西組為主要含煤地層。

離柳礦區可采煤層為位于山西組的上組煤2＃、3＃、4＃、5＃煤層和位于太原組的下組煤6＃、8＃、9＃、10＃煤層。

2 柳林泉域概況

2.1 柳林泉及泉域范圍

柳林泉域是山西省政府批復的19大泉域之一，是呂梁市及柳林縣、中陽縣、方山1市3縣飲用水水源和區域多數大型企業的供水水源。泉域總面積4729km2，其中碳酸巖裸露區面積約1454km2，主要分布于泉域的東部和北部，占泉域面積的30.75%。

柳林泉位于柳林縣城以東約3km的三川河河谷中。泉區出露地層為奧陶系碳酸鹽巖類與石炭系碎屑巖類，泉水從二者的接觸帶溢出，呈散泉的形式出露，大小泉點為數百個，出露標高794～803m，泉群多年平均流量2.32m3／s。

2.2 泉域巖溶水補給、徑流、排泄條件

（1）補給。泉域內主要有降水入滲補給（包括覆蓋區間接入滲）和地表在河流灰巖裸露地段的滲漏補給。

泉域內碳酸鹽巖裸露面積為1454km2，降水的直接入滲成為巖溶地下水的主要補給源。

另外，三川河上游有6個滲漏段對泉域滲漏補給。

（2）巖溶地下水徑流。柳林泉域巖溶地下水在泉域東部接受降水入滲補給后，受地形以及最低排泄基準面的控制，地下水總體由東向西滲流。

（3）巖溶地下水的排泄。天然條件下，柳林泉以及東部排泄的小型巖溶泉是巖溶地下水的主要排泄形式，目前泉域內已形成了相當規模的巖溶地下水取水工程，除離石－中陽一帶的地下水開采外，柳林泉口以及泉口下游的井采與自流井排泄已成為巖溶地下水排泄的重要形式。

2.3 柳林泉域最新研究

根據山西省最新研究調整了泉域范圍，柳林泉域主要調整了泉域西界，調整后的西部邊界以奧陶系頂板埋深1000m為巖溶地下水滯流阻水邊界。調整后的泉域山西省內面積為6002.49km2。

該泉域范圍雖尚未得到政府部門批復，但從地下水水力聯系角度來看，以此來確定泉域范圍更為合理，本次研究將以此作為柳林泉域范圍。

3 離柳礦區域及柳林泉域關系分析

3.1 礦區與泉域平面位置關系

離柳礦區和柳林泉域平面位置關系見圖1，從平面位置上來看，離柳礦區除兩個后備區外基本全部位于柳林泉域范圍內。

圖1 離柳礦區和柳林泉域關系示意圖

3.2 礦區開采煤層與泉域豎向關系

礦區可開采煤層山西組和太原組均位于泉域含水層奧陶系和寒武系之上，煤系地層與泉域含水層之間有穩定隔水層本溪組存在。開采煤層與泉域含水層之間豎向關系見圖2。

由圖2可知，上組煤距離奧灰水在80m以上，距離較遠；下組煤距離奧灰水較近，下組煤主要可采煤層距離奧灰水在20～80m。

圖2 煤層與泉域含水層關系示意圖

3.3 煤層與泉域補給區關系

泉域補給主要是碳酸鹽巖裸露區的大氣降水。泉域碳酸鹽巖裸露區主要位于泉域東南部和泉域中部部分地區，碳酸鹽巖裸露區大部分位于礦區外，位于礦區內的部分全部分布在無煤區。

泉域另一個補給源為三川河上6個滲漏段，其中4個滲漏段位于礦區范圍外，2個滲漏段位于礦區內無煤區。

由此可見，礦區可采煤層均不涉及泉域補給區，礦區開發與泉域補給基本無水力聯系。

3.4 煤層與泉域徑流、排泄關系

由于泉域奧灰水位于煤系地層以下，且奧灰水與煤系地層之間有穩定的隔水層存在，正常情況下，泉域奧灰水與煤層無聯系，煤層不會影響泉域的徑流和排泄。

區域奧灰水為承壓水，隨著煤層開采后形成礦坑，隔水層底板將受水壓影響，一旦水壓大于底板所能承受的壓力后，隔水層遭到破壞，將會造成奧灰水進入礦坑，從而影響泉域內奧灰水的局部徑流和排泄。

4 煤層開采對奧灰水的影響

4.1 承壓水體上采煤

煤層開采后，改變地層結構，煤層底板應力重新分布，造成底板巖層的變形與破壞，削弱了底板巖層的阻水能力，由于煤層底板標高低于其下伏的承壓水水位高，從而可能會導致煤層下伏的承壓水破壞底板進入礦坑。

離柳礦區下組煤基本全部低于奧灰水標高，上組煤除礦區西部外也基本低于奧灰水標高。因此，礦區內采煤存在奧灰水進入礦坑的風險。

根據《煤礦防治水規定》（2009），承壓水體上采煤突水可能性評價一般采用突水系數法，底板受構造破壞塊段突水系數一般不大于0.06MPa／m，正常塊段不大于0.1MPa／m。

4.2 上組煤開采對奧灰水影響

礦區上組煤距離奧灰水在80m以上，上組煤底板承壓較小或不受奧灰水承壓，加之上組煤距離奧灰水較遠，上組煤突水系數一般小于0.06MPa／m，只有在礦區最西部少部分地區突水系數大于0.06MPa／m。

由此可見，離柳礦區上組煤開采對奧灰水的威脅較小，對柳林泉域的徑流和排泄影響也較小。

4.3 下組煤開采對奧灰水影響

礦區東部（離石區）下組煤底板受奧灰水影響承壓小，突水系數一般小于0.06MPa／m。

礦區西部下組煤全部處于帶壓開采狀態，底板水壓3～8MPa，主采煤層突水系數普遍大于0.06 MPa／m，局部甚至大于0.1MPa／m。

由此可見，離柳礦區下組煤開采對奧灰水的威脅較大，對柳林泉域的徑流和排泄影響也較大。

5 奧灰水進入礦坑風險分析

5.1 環境風險源項

根據上述分析，離柳礦區內奧陶系含水層富水性強、水位高，煤層開采，特別是下組煤的開采對奧陶系含水層構成威脅。礦區內煤層開采對奧灰水的影響主要有兩方面：一是發生突水事故，造成奧灰水進入礦坑；另外就是為防止突水事故發生而采取疏水降壓開采方法，使奧灰水進入礦坑。

突水雖然屬于安全事故，由于礦區奧陶系同屬柳林泉域的水資源，柳林泉域是當地主要飲用水水源，礦井突水可能造成區域水源井水位下降、短期飲用水困難，給區域水環境短時間造成較大的影響。

離柳礦區雖目前尚未開采下組煤（僅在礦區西部突水系數較小的區域有少量小煤礦開采下組煤），在未來十多年礦區將逐步開采下組煤，從安全角度考慮，為防止突水，礦井開采時可能采取疏水降壓、注漿加固等措施避免突水事故發生。一旦礦區內大規模開采下組煤，若所采用的采煤工藝嚴重破壞奧灰水，將給柳林泉域帶來毀滅性破壞。

5.2 突水風險分析

一旦發生突水，由于水位迅速下降，形成地下水漏斗，其下降漏斗影響半徑按下式計算：

式中：R——下降漏斗影響半徑，m；

Sw——水位下降值，m；

K——滲透系數，m／d。

礦區內奧陶系水位在800～869m，奧陶系頂板最低約－200m，區內已有地質報告顯示峰峰組滲透系數一般在0.14～1.97m／d。計算奧灰水突水最大下降漏斗半徑約為11km。

由此可見，煤層突水對奧灰水的影響半徑較大，對區域供水安全帶來隱患。

5.3 開采技術風險分析

根據現有采煤規范，對于正常塊段突水大于0.1MPa／m和受構造破壞塊段突水大于0.06 MPa／m是不允許進行采煤的，必須采取防突水措施后才可以進行采煤。

目前承壓水體上采煤技術主要有：深降強排，外截內排，帶壓開采，帶壓開采、綜合治理等。深降強排，采用疏水井巷和疏水鉆孔，將含水層水位降低至開采水平以下，以保證安全開采；外截內排，先采用帷幕注漿，截堵補給水源，再疏干降壓，將承壓水水位降至開采水平以下；帶壓開采，在開采過程中利用隔水層阻力，防止底板突水；帶壓開采、綜合治理，開采前，堵截地下水補給水源，開采過程中，疏水降壓至安全限制。

深降強排和外截內排一方面嚴重破水資源，對泉域水環境影響巨大；另一方面，離柳礦區奧灰水水文條件復雜，含水豐富，兩種采煤技術難以實現。因此，離柳礦區應禁止采用此兩種方法開采受奧灰水威脅的煤層。

從采礦安全角度和本礦區水文特征來看，帶壓開采、綜合治理方法最可行，也較為經濟安全。但其最大的缺點是需要疏水降壓，將底板突水系數降到安全值以下，這樣造成部分奧灰水進入礦坑；另外，由于堵截地下水補給水源，將局部改變奧灰水的徑流方向，可能會給煤層開發區域附近的奧灰水水源井側向補給產生影響。因此，該方法對柳林泉域水環境仍然存在較大的風險。

對于突水系數較大區域帶壓開采主要是加固煤層底板，增加隔水層阻力。該方法既不破壞奧灰水的徑流，也不改變奧灰水的排泄，從環境角度考慮最為合理。目前，煤層帶壓開采煤層底板加固技術尚不成熟，其成本也較高，技術處于研究階段，尚不具備大規模開采煤層的可能。

由此可見，從目前的采煤技術來看，礦區內下組煤一旦開采將對柳林泉域水環境產生較大風險。破碎程度來決定放煤步距。

在首采面成功地進行了工作面局部端面冒頂控制、局部大塊頂煤的破碎、采放工藝的優化完善。此綜放試驗工作面在進行工藝巷深孔爆破后，頂煤的冒放性有了很大的改善。工作面采出率平均達到85%，大大提高了資源回收率。

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Risk assessment of influence of coal development on environment of Liulin springs in Liliu mining area of Shanxi

Huang Hua

（Nanjing Design and Research Institute，China Coal Technology and Engineering Group，Nanjing，Jiangsu 210031，China）

The Liliu mining area and Liulin springs were briefly introduced.And the relationship between Liliu mining area and Liulin springs，the influence of coal mining on Ordovician limestone water，and the risk of Ordovician limestone water flowing in the pit were analyzed.

Liliu mining area，Liulin spring，Ordovician limestone water，coal seam，low group seam，coal mining above confined aquifer

TD993.3

B

張立其（1969－），男，河北元氏縣人，在職研究生，高級工程師，主要從事煤礦安全管理、監察工作。

（責任編輯 張毅玲）