采礦初期礦區(qū)含水層破壞現(xiàn)狀分析與預測

韓 暖，吝瑞華，孔繁龍

（1.中國煤炭地質總局 第二水文地質隊，河北 邢臺 054000；2.國電建投內蒙古能源有限公司 察哈素煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

1 概況

我國是世界第一產煤大國，也是煤炭消費大國，煤炭資源的開發(fā)在推動我國經濟快速發(fā)展的同時，也給地質環(huán)境造成了一定的負面影響，特別是對地下水資源的影響和破壞。為將礦山開采對地質環(huán)境的影響和破壞程度降到最低，實現(xiàn)煤炭可持續(xù)發(fā)展，開展礦山地質環(huán)境保護與治理恢復工作，對礦山生產活動造成的礦山地質環(huán)境影響進行現(xiàn)狀評估和預測評估是非常重要的。本文以內蒙古察哈素煤礦為例，從含水層結構、水位、水質等方面進行了煤礦開采前期對含水層影響和破壞的現(xiàn)狀及預測評估，為煤礦制定措施、降低對地下水資源的破壞程度提供一定依據。

察哈素煤礦面積156 km2，區(qū)內地層由老至新發(fā)育有三疊系上統(tǒng)延長組（T3y）、侏羅系中下統(tǒng)延安組（J1-2y）、侏羅系中統(tǒng)直羅組（J2z）、白堊系下統(tǒng)志丹群（K1zh）、第四系（Q）。侏羅系中統(tǒng)延安組（J1-2y）為該區(qū)主要含煤地層，共含可采煤層14 層（2-1上、2-1中、2-1下、2-2上、3-1、4-1、4-1上、5-1、5-2、5-2下、6-1中、6-2上、6-2中、6-2下、8），礦井目前開采煤層2-2 上和3-1 煤層位于侏羅系中統(tǒng)延安組（J1-2y）三巖段和二巖段。

2 井田構造

井田構造簡單，總體構造形態(tài)為一向南西西傾斜的單斜構造，傾向230°～260°，傾角一般1°～3°，地層產狀沿走向及傾向均有一定變化，但變化不大。沿走向發(fā)育有寬緩的波狀起伏，井田內未發(fā)現(xiàn)褶皺構造，也未發(fā)現(xiàn)有陷落柱發(fā)育。

3 井田水文地質條件

3.1 含、隔水巖組

根據區(qū)內地下水的水力性質及賦存條件的不同，可劃分為3 大類，即松散巖類孔隙潛水含水巖組，碎屑巖類孔脈、裂隙潛水含巖組，碎屑巖類孔隙、裂隙承壓水含水巖組，如圖1 所示。由于區(qū)內第四系地層不連續(xù)沉積在下伏地層之上，沒有穩(wěn)定的隔水層，上覆第四系地下水與下伏白堊系地下水水力聯(lián)系密切，構成統(tǒng)一含水層，屬于統(tǒng)一地下水系統(tǒng)，具有統(tǒng)一潛水位。因此按照地下水系統(tǒng)理論，礦區(qū)內含水巖組可劃分為3 個相對的含水巖組以及2 個相對的隔水巖組。

圖1 鄂爾多斯盆地東西向區(qū)域水文地質剖面圖Fig.1 The east-west regional hydrogeological profile chart of Ordos Basin

含水巖組主要為第I 含水巖組為第四系（Q）松散巖類孔隙潛水含水層、白堊系下統(tǒng)志丹群（K1zh）碎屑巖類孔隙、裂隙潛水含水巖組；第Ⅱ含水巖組（侏羅系中統(tǒng)直羅組（J2z）底至3 煤層底）為侏羅系中下統(tǒng)延安組（J1-2y）碎屑巖類孔隙、裂隙承壓含水巖組；第Ⅲ含水巖組（3 煤層底泥巖底界至6 煤組含水層）為侏羅系中下統(tǒng)延安組（J1-2y）碎屑巖類孔隙、裂隙承壓含水組。

2 個相對的隔水巖組分別為侏羅系中統(tǒng)直羅組（J2z）相對隔水巖組和侏羅系中下統(tǒng)延安組（J1-2y）相對隔水巖組（三煤層底部）。

3.2 地下水的補給、徑流、排泄條件

（1）潛水。井田內潛水主要賦存于溝谷內第四系沖洪積砂礫石層中及白堊系志丹群（K1zh）地層中。潛水的主要補給來源為大氣降水。由于本區(qū)降水量稀少，所以潛水的補給量較小。潛水沿河流流向徑流，排泄方式主要為向河流下游的徑流排泄，其次為人工挖井開采排泄、蒸發(fā)排泄以及向下部承壓水的滲入排泄。

（2）承壓水。井田內承壓水主要賦存于侏羅系中統(tǒng)（J2z）、中下統(tǒng)延安組（J1-2y）砂巖中。大氣降水通過上覆地層的直接滲入補給是承壓水的補給源之一，區(qū)外承壓水的側向徑流是另一補給來源。承壓水一般沿地層傾向即西南方向徑流。承壓水以側向徑流排泄為主，次為人工開采排泄。當?shù)刈畹颓治g基準面標高+1 225.93 m。

3.3 礦床充水因素分析

區(qū)內各含水層由不同粒度的砂巖組成，不同程度地發(fā)育有孔腺、裂隙；區(qū)內無地表水體，地形、地貌及氣象條件均不利于大氣降水的入滲，降水多以洪水的形式排泄出礦區(qū)外，只有少量滲入補給下部第I 含水巖段。第II、III 含水巖段的補給源以側向徑流補給為主。直接充水含水層組富水性弱、補給條件差，主要隔水層隔水性能良好，大幅限制了地下水對礦井的充水量。大氣降水是井田充水水源的主要補給源。礦井水多來自煤層頂板，以滲水或滴水的形式進入礦井。

4 含水層破壞現(xiàn)狀分析

本區(qū)煤層開采的主要充水水源為第Ⅱ含水巖組、第Ⅲ含水巖組等。

4.1 采礦活動對含水層結構的影響

現(xiàn)狀條件下，礦山前期生產期間開采侏羅系中下統(tǒng)延安組2-2上煤層、3-1 煤層，其中開采2-2上煤層后形成的導水裂隙帶高度一般不大于50 m，開采3-1 煤層后形成的導水裂隙帶高度一般不大于60 m。導水裂隙帶破壞了侏羅系中統(tǒng)直羅組（J2z）底至3 煤層碎屑巖類孔隙、裂隙含水層，造成該含水層結構破壞，使含水層處于疏干狀態(tài)，導水裂隙帶已破壞原有含水層結構。

4.2 礦山開采對主要含水層水位的影響

該礦山前期生產期間，礦井正常涌水量4 326 m3/d。根據礦山目前的水文監(jiān)測工作，礦山對含水層組進行水位監(jiān)測，近三年水位監(jiān)測數(shù)據見表1～表3。

表1 1 號孔水位監(jiān)測水位標高Table 1 Water level elevation of No.1 hole water level monitoring

表2 2 號孔水位監(jiān)測水位標高Table 2 Water level elevation of No.2 hole water level monitoring

表3 3 孔水位監(jiān)測水位標高Table 3 Water level elevation of No.3 hole water level monitoring

第I 含水巖組：該含水層與第II 含水巖組間有80 m 厚的泥巖、砂質泥巖作為穩(wěn)定隔水層，有效阻隔了第I 含水巖組與礦井水的直接水力聯(lián)系。根據觀測數(shù)據，隨著煤礦的開采，評估區(qū)不同地段第I 含水巖組水位未發(fā)生明顯下降，水位總體比較穩(wěn)定，無突然性的大幅度下降和上升。

第II 含水巖組：延安組2-2上煤層、3-1 煤層開采期間，該含水層受開采導水裂隙帶影響，呈疏干狀態(tài)，水位已顯著下降。

第III 含水巖組：該含水層組位于現(xiàn)開采煤層以下，受開采影響較小。

4.3 礦山開采對主要含水層水質的影響

煤系地層受影響的各含水層，水質在局部區(qū)域由于隔水層破壞，相互貫通，相對富水區(qū)的地下水泄漏于井下，使其各含水層內的地下水在地下混合并泄漏于井下采空區(qū)，地下水質也有可能發(fā)生惡化，根據礦區(qū)資料，含水層水質測試結果見表4。

由表4 可看出，各含水層水力聯(lián)系較差，地下水補給徑流緩慢，循環(huán)條件相對較差，礦山開采對地下含水層水質有一定影響，但影響程度較輕。

表4 第I 含水巖組地下水水質檢測結果Table 4 Detection results of groundwater quality in the No.I water-bearing rock group

由表4 可看出，各含水層水力聯(lián)系較差，地下水補給徑流緩慢，循環(huán)條件相對較差，礦山開采對地下含水層水質有一定影響，但影響程度較輕。

評估區(qū)地下水監(jiān)測點采用居民的井水，有1 號水井（井深70 m）、2 號水井（井深10 m）。

此次評價采用《地下水質量標準》（GB/T148 48-2017）之三類水標準。根據當?shù)匚廴驹刺攸c及其未來礦山生產活動可能產生的污染組分特征，確定本次評價因子為pH 值、總硬度、硫酸鹽、NH3-N、NO3-N、CN-、As、Ar-OH、Cl-、F-、Mn、Fe、Cd、Cr6+、高錳酸鹽指數(shù)，共16 項。第一含水巖組地下水監(jiān)測結果見表4。

4.4 礦山開采對地表水體及生產生活用水影響

礦區(qū)地表水系不發(fā)育。根據現(xiàn)場調研和對該地區(qū)的水文地質資料分析，井田內村莊居民飲用水主要來源于村民在村莊附近溝谷中打旱井（井深一般3～5 m），截第四系松散巖類含水層潛水和白堊系下統(tǒng)志丹群含水層淺部潛水，其中以第四系松散類含水層潛水為主?，F(xiàn)狀條件下村民生產生活用水未受到明顯影響。第四系（Q）松散巖類孔隙潛水含水層和碎屑巖類孔隙、裂隙潛水含水巖組與礦井充水彼此之間無直接水力聯(lián)系，礦床開采對其影響程度較輕，地表水體及第I 含水層不受礦山開采影響。

4.5 含水層現(xiàn)狀評估結論

綜上所述，現(xiàn)狀條件下，評估區(qū)該煤礦開采活動對含水層的影響程度嚴重，詳見表5。

表5 含水層現(xiàn)狀評估一覽Table 5 List of aquifer status assessment

5 含水層破壞預測評估

根據礦山工程分析，礦山未來可能對地下含水層產生影響包括3 個方面，即含水層結構、含水層水位和含水層水質。

5.1 采礦活動對含水層結構的影響

開采塌陷對地下含水層的影響主要是因為煤炭開采后頂板發(fā)生垮落，形成導水裂隙帶，使含水層遭到破壞，導致地下水漏失，水位下降，并間接對與被破壞含水層有水力聯(lián)系的其他含水層產生影響。含水層的破壞程度取決于覆巖破壞形成的導水裂隙帶發(fā)育高度。

5.1.1 導水裂隙帶高度預測

導水裂隙帶發(fā)育高度與煤層賦存地質條件、頂板巖性、煤層開采厚度等均有密切關系。本井田為近水平煤層，煤層傾角1°～3°，井田巖石的總體質量為中等，煤層頂板巖性大部分為中硬。根據“三下采煤規(guī)范”中推薦的公式，垮落帶、導水裂隙帶及防水煤巖柱高度以下公式計算：

垮落帶高度預測公式：

導水裂隙帶高度預測公式：

式中：∑M 為累計采厚，m；n 為分層層數(shù)，m；Hm為垮落高度帶，m；HLi為導水裂隙帶最大高度，m；Hb為保護層厚度，m；Hsb為防水煤巖柱高度，m。

依據地質報告中的煤層資料，按上述的導水裂隙帶高度、保護層厚度計算公式，該煤礦垮落帶高度、保護層厚度、防水煤巖柱高度計算結果見表6。

表6 礦井一水平采區(qū)開采導水裂隙帶發(fā)育高度計算結果Table 6 Calculation results of the water conduction fracture zone development height of mine level 1

續(xù)表

5.1.2 含水層結構影響預測評估

根據導水裂隙帶高度預測結果，礦區(qū)近期及中遠期開采各含水層與導水裂隙帶關系及影響評估結論見表7。

表7 各含水層與導水裂隙帶關系及影響評估Table 7 The relationship between each aquifer and water conduction fracture zone and influence assessment

5.2 礦井疏排水對含水層影響范圍預測

該礦在正常開采過程中，預測未來礦井正常涌水量為180.25 m3/h，即4 326 m3/d，礦井最大涌水量為258.71 m3/h，即6 209 m3/d，礦井正常涌水量為大于3 000 m3/d 且小于10 000 m3/d。

該礦礦區(qū)范圍南北長約13.81 km，東西寬約12.50 km，面積156 km2。礦山近期及中遠期主要開采2 煤層組及3-1 煤層，井田范圍內的第II 承壓水含水巖組內的水將全部被疏干，并且還會導致周邊未開采區(qū)域內的同層含水層水位產生下降，對周邊同層含水層影響區(qū)域半徑可采用下式計算：

式中：R 為影響半徑，m；Sw為水位降深值，m；K為滲透系數(shù)，m/d。

根據式（6）求出各含水層在被完全疏干情況下對周邊同層含水層的影響半徑，結果見表8。

表8 計算參數(shù)選擇和計算結果Table 8 Calculating parameters determination and calculation results

根據表8 可知，察哈素礦山近期及中遠期開采煤層僅對第II 含水巖組含水層進行疏干，平均影響半徑為井田開采范圍外104.05 m。

5.3 含水層水質影響預測評估

礦山采煤大量抽排地下水，改變了地下水的補徑排條件，使地下水集中向采煤巷道聚集。地下水在徑流過程中，溶入了流經途徑中不同巖性的化學成份，特別是流經煤系地層時，地下水的水質中硫酸根離子含量增大，水質pH 值減小，使礦井涌水水質變差。

礦山在開采過程中，采掘巷道穿過含水層、導水斷層時，及時采取了堵水措施，對較大的導水斷層一般采用留設保護煤柱的方法，降低了各隔水層通過斷層之間進行溝通?？傮w評價礦山開采造成各含水層之間串通的可能性小，礦井疏排水造成各含水層水質惡化的可能性小，影響較輕。

5.4 礦山開采對地表水體及生產生活用水影響

礦井開采影響范圍內有多個自然村，根據現(xiàn)場調研和對該地區(qū)的水文地質資料分析，井田內村莊居民飲用水主要來源于村民在村莊附近溝谷中打旱井，主要取第四系松散巖類含水層潛水和白堊系下統(tǒng)志丹群含水層淺部潛水，其中以第四系松散類含水層潛水為主。

根據由導水裂隙帶計算可知，礦井煤炭開采不會導通第四系松散層潛水含水層，不會導改居民飲用水源層的漏失。

受采煤沉陷所導致的地表變形影響，沉陷區(qū)內淺層地下水含水層底板也會相應下沉變形，局部區(qū)域地下水流場將發(fā)生變化，這種情況可能會使得局部淺層地下水水位下降，使得在此區(qū)域取用淺層地下水的供水井受到影響，嚴重時，當?shù)叵滤唤抵寥∷滓韵?，水井將枯竭?/p>

5.5 含水層預測評估結論

綜上所述，該礦井煤層開采造成第Ⅱ含水巖組（侏羅系中統(tǒng)直羅組（J2z）底至3 煤層）結構破壞，含水層疏干；各含水層未有明顯串通，水質影響較輕；礦山開采未造成地表水體漏失，基本不影響區(qū)內生活生產用水；采礦活動在礦山近期及中遠期內含水層影響嚴重。礦山近期及中遠期內含水層預測評估分區(qū)如圖2、圖3 所示，分區(qū)描述見表9、表10。

表9 礦山含水層影響預測分區(qū)說明（近期5 a）Table 9 Mine aquifer influence prediction zoning description(recent 5 years)

表10 礦山含水層影響預測分區(qū)說明（中遠期）Table 10 Mine aquifer influence prediction zoning description(medium and long term)

圖2 礦山近期含水層預測評估分區(qū)Fig.2 Mine recent aquifer prediction and assessment zoning

圖3 礦山中遠期含水層預測評估分區(qū)Fig.3 Mine aquifer prediction and assessment zoning in medium and long term

6 結論

以內蒙古察哈素煤礦為例，認真分析、預測評估了煤礦開采前期對地下水資源的影響、破壞情況，為煤礦制定措施保護水資源、實現(xiàn)綠色礦山建設提供依據。

（1）現(xiàn)狀條件下，評估區(qū)該煤礦開采活動對含水層的影響程度嚴重。

（2）未來煤礦開采，預測礦井直接充水含水層結構將被破壞，含水層將被疏干，影響嚴重。

（3）礦山近期及中遠期開采煤層僅對第II 含水巖組含水層進行疏干，平均影響半徑為井田開采范圍外104.05 m。

（4）礦山開采造成各含水層之間串通的可能性小，礦井疏排水造成各含水層水質惡化的可能性小，影響較輕。

（5）礦井開采影響范圍內有多個自然村，受采煤沉陷所導致的地表變形影響可能會使得在此區(qū)域淺層地下水的供水井受到影響，嚴重時，當?shù)叵滤唤抵寥∷滓韵拢畬⒖萁摺?/p>