青龍煤礦開采對水環境的影響

周林康 劉 虎

(太原碧藍水利工程設計有限公司，山西太原 030024)

青龍煤礦井田位于太原市東北陽曲縣境內，南距太原市區約28.5 km，西距陽曲縣城約8 km，行政區劃隸屬于陽曲縣東黃水鎮及黃寨鎮管轄。井田東西長約8.4 km，南北寬約3.15 km，面積16.314 3 km2。青龍煤礦生產規模90萬 t/年，批采9號，11號，13號，15 號(15上，15中，15下)煤層，服務年限 8.2 年。礦井采用立井開拓方式，采區內開采順序是單翼跳采，煤層間開采順序為下行式開采，工作面采用傾斜長壁后退式開采。隨著青龍煤礦的開采，在推動當地經濟發展的同時，不可避免地對水資源、水環境產生不同程度的影響，因此，進行煤礦開采對水環境的影響調查研究有著重要的現實意義。

1 井田地形地貌與水系

1.1 地形

青龍井田位于山西省陽曲縣境內，沁水煤田陽曲向斜西南，地貌類型屬破碎黃土塬，地面切割深度20 m～30 m。地處山前沖洪積平原，東、西、北三面環山，中部和南部的地勢較平。按形態劃分的地貌類型包括山石地、黃土丘陵和河谷地三種。地形系山前丘陵，全為黃土覆蓋，井田內無基巖出露，新生界蓋層厚度一般200 m～400 m。溝壑發育呈樹枝狀分布;地勢東北高，西南低，最高點為東北部邊緣，標高1 045 m，最低點位于西南部，標高882 m，最大相對高差163 m。

1.2 水系

青龍井田地表水屬黃河流域汾河水系，井田內無常年性河流，只有汾河二級支流故縣河一條季節性河流。故縣河由井田東北向西南流經井田，至龍興頭附近匯入楊興河，故縣河除雨季外，平時基本無水。

2 井田地質及水文地質條件

2.1 地質條件

2.1.1 地層

井田內地表全部為黃土覆蓋，僅在東北部及西南部邊界外有奧陶系出露，地層由老至新分別為奧陶系下馬家溝組(O2x)、上馬家溝組(O2s)、中統峰峰組(O2f)，石炭系中統本溪組(C2b)、上統太原組(C3t)、上統山西組(C3s)，二疊系下統下石盒子組(P1x)、上統上石盒子組(P2s)，新第三系(N)，第四系(Q)。井田含煤地層包括石炭系中統本溪組及石炭系上統山西組、太原組，可采煤層主要賦存于太原組和山西組。煤系地層平均總厚116.09 m，含煤16層，煤層平均總厚 10.23 m;主要可采煤層 4層(9，11，13，15 煤)，平均總厚9.76 m。

2.1.2 地質構造

井田位于陽曲斷陷內次一級構造——陽曲向斜的東南翼，井田構造受區域構造所制約，在陽曲向斜主體構造的基礎上，發育有北東東向故縣背斜、東黃水向斜。井田發育北東、北西向兩組高角度正斷層，北西向斷層控制了井田的基本構造格架，即井田基本構造形態為一呈北東向展布、以陽曲向斜為主體的寬緩向斜，地層傾角5°～15°，斷層較發育，構造復雜程度中等。

2.2 水文地質條件

2.2.1 含水層

井田地下水含水層有松散巖類孔隙含水層，基巖風化殼裂隙含水層，二疊系碎屑巖類裂隙含水層，石炭系層間灰巖巖溶裂隙含水層和奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層5個含水層組。其中以松散巖類孔隙含水層和奧陶系灰巖巖溶含水層為主要含水層。奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層分上、下馬家溝組和峰峰組含水層，與礦井充水相關的主要是峰峰組含水層，水位標高為770.72 m～799.31 m，單位涌水量為0.024 L/(s·m)～2.49 L/(s·m)，富水性屬弱～強富水，水質類型為HCO3·SO3—Mg·Ca·Na型。松散巖類孔隙含水層又可分為新近系和第四系兩個含水層組，新近系含水層多由雜色、紅色粘土夾卵礫石、礫巖和鈣質結核層組成，主要分布于山區丘陵內側邊緣地帶，出露于河谷、沖溝的兩側及底部礫石層中，一般含水性較差，單井出水量為1 m3/d～10 m3/d;第四系含水層為近代沖、洪積之砂層、礫石、卵礫石層及粘土質砂土層，區內楊興河中下游地段第四系發育厚度大，含水性好，單井出水量為500 m3/d～1 000 m3/d。

2.2.2 隔水層

井田隔水層包括奧陶系巖溶水隔水層、石炭系底部隔水層、新近系底部紅色粘土隔水層和第四系粘土隔水層。奧陶系巖溶水隔水層，奧陶系峰峰組和上馬家溝組底部分別存在一至數層較厚的石膏層，是良好隔水層。石炭系底部隔水層，奧陶系頂面至15下號煤底板間的巖層沉積厚度為49.89 m～110.45 m，平均77.46 m，以泥質巖類為主，夾薄～中厚層砂巖和薄層灰巖，在全區普遍發育而構成了良好的隔水層。新近系底部紅色粘土隔水層，新近系底部紅色粘土是良好的隔水層，全區普遍發育，厚度幾米至幾十米，隔水性能良好。第四系粘土隔水層，區內第四系發育多層粘土層，具有隔水作用，但發育厚度及分布范圍不一。

3 采煤對地表水的影響分析

煤礦開采過程中，不可避免地將對地質環境造成一定的影響，其中具有重要影響的是冒落帶和裂縫帶。當煤層開采后，其冒落帶或裂縫帶到達地表，就會使地表水與井下連通，從而對地表水產生影響。采煤對地表水的影響直觀表現在地表基流上，煤系地層區天然基流來源于基巖裂隙水補給并沿地層裂隙、層理就近排泄到河道。煤礦開采后，礦坑附近的基巖裂隙水排向礦坑，減少了基流來源;隨著采空區裂隙加大、加深，加速地表水向地下水的轉化過程，從而導致地表基流銳減［1，2］。根據青龍煤礦先期開采地段的27個勘探鉆孔資料，統計了9號煤與上部巖層距離關系，9號煤頂板距地表的平均距離為406 m，距基巖頂板距離的平均距離為160 m，風化殼厚度約為30 m～40 m。根據井田勘探資料先期開采地段9號煤止煤深度321.83 m～744.85 m，煤層導水裂縫帶發育高度24 m～97.5 m，煤層開采后導水裂縫帶不會導通到地表，故不會與地表水產生水力聯系，對地表水的影響較小。

4 采煤對地下水的影響分析

4.1 對上覆含水層的影響分析

上覆含水層水進入采掘空間最重要的導水通道是煤層開采造成的導水裂縫帶。因此，導水裂縫帶發育高度是評價煤層開采對上覆含水層影響的主要技術參數。根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》［3］中提供的公式，結合青龍煤礦實際地層、煤層情況，參考同區域運峪煤礦實測資料，綜合估算青龍煤礦先期開采地段導水裂縫帶發育高度9號煤導水裂縫帶高度為24 m～97.5 m，11號煤導水裂縫帶高度為5.25 m～20.25 m，13號煤導水裂縫帶高度為4.5 m～34.5 m。

據此分析，開采9號煤時導水裂縫帶將貫穿山西組砂巖含水層，破壞該含水層;在先期開采區的南部邊界中部區域，導水裂縫帶可以直接到達基巖風化殼含水層，影響風化殼含水層;在先期開采區的東部邊界區域，導水裂縫帶發育至新近系含水層，影響風化殼含水層和新近系含水層。11號煤～9號煤之間的含水層為山西組K3砂巖含水層和太原組L4灰巖含水層，開采11號煤導水裂縫帶發育高度為5.25 m～20.25 m，平均高度為12.73 m。開采11號煤將直接破壞K3砂巖含水層和L4灰巖含水層。13號煤～11號煤之間的含水層為太原組L3灰巖含水層，開采13號煤導水裂縫帶發育高度為4.5 m～34.5 m，平均高度為13.65 m。開采13號煤將直接破壞L3灰巖含水層。

4.2 對下伏含水層的影響分析

采煤對下伏含水層影響的評價，以煤層與含水層之間的隔水層承受的最大靜水壓力(壓強)與其厚度的比值突水系數作為評價標準。根據《煤礦防治水規定》中的有關規定和計算方法，結合青龍煤礦的地質與水文地質條件，選擇突水系數為0.06 MPa/m為評價標準，大于該值底板存在突水的可能性，小于該值則一般不發生底板突水。井田內煤層下伏含水層主要為奧陶系峰峰組、上下馬家溝組含水層，為安全起見，本次研究以峰峰組含水層為研究對象。依據現有勘探資料計算，9號煤底板標高為156.80 m～675.99 m，峰峰組頂板標高為 5.37 m ～ 598.95 m，突水系數為0.019 MPa/m ～0.051 MPa/m，突水系數均小于0.06 MPa/m;11 號煤底板標高為141.17 m～646.15 m，峰峰組頂板標高為5.36 m～518.75 m，突水系數為0.019 MPa/m ～0.057 MPa/m，突水系數均不大于0.06 MPa/m，因此，9號，11號煤層先期開采地段突水可能性小，為相對安全區。13號煤底板標高為141.17 m～646.86 m，峰峰組頂板標高為5.36 m ～598.95 m，突水系數為0.023 MPa/m～0.072 MPa/m，在先期開采地段的西部邊界區域形成面積約為0.33 km2的危險區，在此地段開采時，應進行進一步的水文地質勘探，在未探明情況前，不得開采。

5 結語

1)根據井田勘探資料在先期開采地段開采9號煤后導水裂縫帶不會導通到地表，故不會與地表水產生水力聯系，對地表水產生的影響較小。

2)根據導水裂縫帶發育高度預測結果，開采9號煤時在先期開采區的南部邊界中部區域，影響風化殼含水層;在先期開采區的東部邊界區域，影響風化殼含水層和新近系含水層;開采11號煤將直接破壞K3砂巖含水層和L4灰巖含水層;開采13號煤將直接破壞L3灰巖含水層。

3)根據突水系數計算結果，9號，11號煤層先期開采地段突水可能性小，為相對安全區;13號煤層先期開采地段的西部邊界區域存在突水危險，形成0.33 km2的危險區，對危險區域須進一步勘探論證后方可開采。

［1］ 程世偉.雞西市煤炭資源型城市環境保護與生態可持續發展［D］.哈爾濱:東北林業大學，2011.

［2］ 張建成.大同地區煤炭開采對水環境的影響分析和對策研究［J］.山西水利科技，2005，156(10):34-36.

［3］ 國家煤炭工業局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程［S］.

［4］ 國家安全生產監督管理總局，安全生產監督管理總局.煤礦防治水規定［S］.