神頭泉域煤炭開采對地下水環(huán)境的影響及保護(hù)措施

安廣楠，張 偉，李 敏，李 佳，王臨清，康 浩

(1.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境工程評估中心，北京 100012；2.中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司，北京 100120)

1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

北辛窯井田位于朔州平原西南部，為神頭巖溶泉域水文地質(zhì)單元的徑流區(qū)的一部分。井田內(nèi)褶曲、斷層比較發(fā)育，有26條正斷層，井田地層總體走向北東，傾向南東或北西。主要含水層自下而上可分為：奧陶系中統(tǒng)上下馬家溝組灰?guī)r巖溶裂隙含水層，太原組砂巖裂隙含水層，山西組砂巖裂隙含水層，上、下石盒子組及石千峰組底部砂巖裂隙含水層，松散層孔隙含水層[1]。按水動力特征差異、沉積物成因類型差異、巖性、富水性差異等，將區(qū)內(nèi)地下水進(jìn)行劃分見表1。北辛窯井田補給、徑流、排泄區(qū)示意見圖1。

2 煤炭開采對各個含水層的影響

2.1 煤炭開采對上覆含水層及煤系含水層的影響分析

井下煤炭采出后，采空區(qū)周圍的巖層發(fā)生位移、變形乃至破壞，上覆巖層根據(jù)變形和破壞的程度不同分為冒落、裂縫和彎曲三帶，其中裂縫帶又分為連通和非連通兩部分，通常將冒落帶和裂隙帶的連通部分稱為導(dǎo)水裂縫帶。井下開采對上覆含水層的影響程度主要取決于覆巖破壞形成的導(dǎo)水裂縫帶高度是否波及水體[2-4]。麻家梁煤礦臨近北辛窯煤礦，與北辛窯不同，其處于正在開采狀態(tài)，本次研究在分析2011年11月至2012年12月麻家梁煤礦首采面進(jìn)行的“麻家梁煤礦首采面巨厚富水松散含水層下破碎頂板特厚煤層綜放開采防治水技術(shù)研究”研究成果基礎(chǔ)上，根據(jù)“上三帶”理論對上覆巖層變形破壞垂直分帶特征進(jìn)行分析，采用現(xiàn)場實測、理論計算和水質(zhì)分析法等多種方法進(jìn)行導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度計算，得出北辛窯煤礦開采后，導(dǎo)水裂隙帶計算值為28.82～312.40 m，平均為127.24 m，距第四系底板距離0～252.2 m。根據(jù)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度計算結(jié)果，第四系松散巖類孔隙潛水含水層、二疊系石千峰組底部砂巖裂隙含水層、二疊系上石盒子組砂巖裂隙含水層在井田西部區(qū)域有導(dǎo)通，導(dǎo)通范圍為2.64 km2。導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度導(dǎo)通了二疊系下石盒子組砂巖裂隙含水層、山西組砂巖裂隙含水層和太原組裂隙含水層。該含水巖段(組)為煤層開采的直接充水含水巖段(組)，地下水通過導(dǎo)水裂縫帶進(jìn)入礦井，以礦井水的形式排出。

2.2 煤炭開采對下伏含水層的影響分析

煤層下伏奧陶系巖溶裂隙含水層，亦是神頭泉域賦存的含水層，為該區(qū)域主要具有供水意義的含水層，是重點保護(hù)對象。奧陶系巖溶裂隙含水層水位標(biāo)高為1 056.56～1 077.13 m，單位涌水量0.1645～1.0614 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.2930～4.7000 m/d，奧灰水水位部分在煤層之上，井田局部帶壓開采。主要煤層帶壓系數(shù)計算結(jié)果見表2、表3。

表3 6號煤層突水系數(shù)計算結(jié)果

井田可采煤層2號煤層除斷層外不具有突水危險性，5號煤、6號煤開采時奧灰水突水系數(shù)分別為0～0.103 MPa/m、0～0.161MPa/m，部分地段突水系數(shù)大于正常臨界系數(shù)0.06 MPa/m，所以5號煤、6號煤層底板存在奧灰突水可能。圖2、圖3為5號、6號煤突水危險評價分區(qū)。

圖2 5號煤突水危險評價分區(qū)

圖3 6號煤突水危險評價分區(qū)

3 地下水保護(hù)措施

由于北辛窯井田處在神頭泉域巖溶水系統(tǒng)西南側(cè)，致使煤層開采形成了巖溶承壓水體上的帶壓開采，全井田煤層大部分處于奧灰?guī)r溶水壓之下，因此為了在采煤的同時保護(hù)地下水資源，降低對地下水環(huán)境造成的影響，根據(jù)研究區(qū)的地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，以及煤層帶壓情況，有針對性地提出保護(hù)措施。

3.1 安全區(qū)地下水保護(hù)措施

井田中部不帶壓區(qū)為安全區(qū)，針對安全區(qū)可采取常規(guī)的防治水措施，采掘施工前必須做好水害預(yù)測預(yù)報工作，堅持“預(yù)測預(yù)報、有疑必探，先探后掘、先治后采”的原則，做好水害排查制度，加強(qiáng)日常管理工作[5，6]。

3.2 相對安全區(qū)地下水保護(hù)措施

根據(jù)突水系數(shù)評價結(jié)果，當(dāng)突水系數(shù)在0～0.06 MPa/m，即突水系數(shù)小于0.06 MPa/m時為相對安全區(qū)。針對此區(qū)域，要詳細(xì)查明奧灰水巖溶裂隙空間發(fā)育特征、富水性空間特征、奧陶系灰?guī)r頂部風(fēng)化層空間發(fā)育特征和阻水性并進(jìn)行評價；詳細(xì)查明斷層、褶曲等構(gòu)造裂隙發(fā)育特征、導(dǎo)水性，及其承壓水導(dǎo)升高度；注意超前探，探測是否發(fā)育未發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)水?dāng)鄬覽7-9]。

3.3 危險區(qū)地下水保護(hù)措施

根據(jù)突水系數(shù)評價結(jié)果，南部、東北部和斷層帶突水系數(shù)大于0.06 MPa/m，為危險區(qū)；突水系數(shù)小于0.06 MPa/m的構(gòu)造發(fā)育地帶同樣為危險區(qū)。針對這兩個危險區(qū)域，提出針對性的措施[10-14]。

(1)構(gòu)造發(fā)育地段危險區(qū)。斷層導(dǎo)水性探查：采用綜合物探方法確定斷層富水性異常區(qū)，對斷層富水性異常區(qū)采用注漿方法進(jìn)行封堵；斷層防隔水煤柱留設(shè)：若確定其斷層為含水或?qū)當(dāng)鄬訒r，留設(shè)斷層防隔水煤柱，經(jīng)計算，防隔水煤巖柱寬度為20～117.73 m。

(2)突水系數(shù)大于0.06 MPa/m的危險區(qū)。一是采取工程措施，例如采取底板隔水層探測：綜合物探探測底板斷層破碎帶的位置和分布，底板斷層帶及探測隔水層較薄地帶加固注漿的措施，保障奧灰水不進(jìn)入礦井；底板隔水層注漿加固：通過對奧灰之上的薄層灰?guī)r含水層注漿，改造其富水性，加固底板，封堵水源補給通道，提高其阻水能力，形成一定厚度的有效隔水層。二是將大于0.06 MPa/m的危險區(qū)實施禁采，保護(hù)奧灰含水層。

4 結(jié) 語

結(jié)合上述研究內(nèi)容，工程開采期間，應(yīng)加強(qiáng)對地質(zhì)構(gòu)造的探測，開展水文地質(zhì)詳細(xì)勘查工作，做好奧灰含水層突水涌水預(yù)測專題研究。為更好地保護(hù)奧灰含水層，在突水系數(shù)大于0.06 MPa/m的區(qū)域，實施禁采；在突水系數(shù)不大于0.06 MPa/m的區(qū)域內(nèi)斷層，應(yīng)留設(shè)足夠保護(hù)煤柱，禁止對奧灰水采用疏水降壓的方法進(jìn)行采煤，切實保護(hù)神頭泉域巖溶水資源。