王晉麗，康建榮，胡晉山

（徐州師范大學測繪學院，江蘇 徐州 221116）

采煤地裂縫對水土資源的影響研究

王晉麗，康建榮，胡晉山

（徐州師范大學測繪學院，江蘇 徐州 221116）

通過對采煤地裂縫深度和覆巖導水裂隙帶高度計算，兩裂縫沒有貫通。但不同類型的地下水在地表均有露頭，地裂縫、裂隙成為良好通道，煤矸石淋濾液污染物通過河水、地表水污染了地下水，地裂縫影響了土壤水的運移，造成植被破壞、水土流失。文章主要研究了采煤裂縫影響下土壤含水量的變化對農(nóng)作物的影響，為礦區(qū)水土資源保護、土地復墾提供了一定的依據(jù)。

地裂縫；導水裂隙帶；土壤水；水土資源

我國的煤炭儲量主要集中在西部地區(qū)，占全國儲量的一半以上。陜西、山西、甘肅等主要產(chǎn)煤地有的礦山處于山區(qū)，氣候干旱、半干旱，且被厚黃土層所覆蓋。隨著煤炭的大規(guī)模開采，在采空區(qū)地表形成大小不等的開采沉陷、塌陷坑、裂縫、塌陷盆地等地質(zhì)災害。由于山區(qū)地形起伏，濕陷性黃土垂直節(jié)理發(fā)育，采煤對地表產(chǎn)生的影響遠大于平原地區(qū)，最突出的問題是產(chǎn)生大量的地裂縫、地表塌陷。采煤地裂縫是礦山地質(zhì)災害中最直觀的一種，也是危害性最大的一種。地裂縫不僅破壞了土地的連續(xù)性，且使山區(qū)地表坡體的穩(wěn)定性受到影響，形成滑坡等礦山環(huán)境災害。大量的地裂縫使煤矸石淋濾液通過土壤、河流滲入地下水，對地下水水質(zhì)造成嚴重破壞。

文獻[1]通過對新邱原南露天礦煤矸石山周圍地區(qū)的地下水水質(zhì)進行調(diào)查、監(jiān)測表明:該區(qū)地下水受到了嚴重污染，且污染源主要來自煤矸石山。煤矸石山是長期的污染源，是造成周圍地區(qū)地下水無機鹽類污染的主要原因。這與波蘭學者對380余座煤矸石山研究發(fā)現(xiàn)的煤矸石山是地下水污染的長期污染源，以及煤矸石的主要污染是鹽度、含硫量、潛在酸性等基本是一致的。而其污染主要通道就是采煤形成的大量地裂縫。因此，如何減少采煤造成的地裂縫在切斷污染途徑，顯得尤為重要。大量的地裂縫在破壞土地完整性的同時，造成農(nóng)田跑水、跑肥、跑土，造成農(nóng)作物減產(chǎn)等損害。

關于地表裂縫的研究，文獻[2]提出的地表裂縫的判定方法，將地表點的變形同地表土的力學性質(zhì)結合起來，獲得了滿意的效果，具有普遍的適用性，彌補了用水平變形臨界值或者裂縫角來判別裂縫區(qū)域之不足；地表裂縫分布規(guī)律的動態(tài)定量計算，為深入研究裂縫的發(fā)育規(guī)律（即裂縫寬度和深度的發(fā)育規(guī)律）提供了基礎。

1 采煤地裂縫的分布特征及影響因素

采用長壁大冒頂大面積開采的礦區(qū)，地表采動裂縫非常發(fā)育[3]。一組對應于開采邊界的永久裂縫，平行于采區(qū)邊界方向延伸，與工作面的長度大致相當，其外邊界可按裂縫角圈定。采空區(qū)地表的另一組采動裂縫，位置在工作面推進位置的前方，它是隨著工作面的向前推進，出現(xiàn)在工作面前方的動態(tài)拉伸區(qū)，裂縫寬度和落差較小，呈弧形分布，裂縫方向大致與開采工作面平行而垂直于工作面的推進方向，長度則大致與工作面的采寬相似。采動裂縫主要發(fā)生在凸形地貌區(qū)，裂縫的上述分布形式在較平坦的厚表土層地區(qū)非常明顯。在地形起伏較大的地區(qū)以及基巖出露區(qū)，這種分布形式有所改變，裂縫方向大體平行于等高線方向。“山區(qū)采煤地裂縫的分布特征及成因探討[4]”分析認為：地形微地貌、表土層性質(zhì)及開采方法是決定山區(qū)采煤地裂縫分布特征的主要因素。

2 采煤地裂縫的深度和寬度

利用摩爾圓破壞理論預測裂縫最大深度的公式如下[5]：

式中：φ為土壤內(nèi)摩擦角，(°)；C為土壤內(nèi)粘聚力，kPa；μ 為泊松比；γ 為土壤容重，kN/m3。

在太原西山西曲礦南山、南西盤區(qū)野外，調(diào)查了開采山西組2號、4號煤引起的地裂縫。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，馬蘭黃土內(nèi)摩擦角24°，與基質(zhì)吸力有關的內(nèi)摩擦角14°，馬蘭黃土粘聚力取43 kPa，泊松比取0.36，土壤容重取值22.1kN/m3。

根據(jù)資料，裂縫最大寬度Δuε與裂縫最大深度H之間基本呈正比關系，即

式中:K為比例系數(shù)，一般K=0.003～0.015。

經(jīng)計算可得，H=8.15，Δuε=0.122m。

地表裂縫實際調(diào)查中，最大地表裂縫預計寬度比實測裂縫最大寬度350 mm要小得多，其原因可能是山區(qū)地表的地形和微地貌的附加影響，以及濕陷性黃土的抗拉強度低造成的。西曲礦山頂廣為第四系馬蘭黃土（濕陷性黃土）覆蓋，基巖主要出露于溝谷地段。地層由老到新有奧陶系、石炭系、二疊系及新生界第三系、第四系。其中石炭系上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組為本區(qū)的含煤地層。地面年平均蒸發(fā)量2031.5 mm，年平均降雨量511.5 mm，蒸發(fā)量是降雨量的4倍，因此濕陷性黃土多數(shù)時間屬于非飽和土。

3 覆巖的導水裂隙帶高度

西曲礦區(qū)4號煤頂板為泥巖或粉～細砂巖，普氏硬度系數(shù)6.80，為隔水性較好中硬頂板，根據(jù)北京煤科總院導水裂隙帶（冒落帶與斷裂帶之和）最大高度經(jīng)驗公式有[6]：

式中:計算中誤差5.6m；HL為導水裂隙帶最大高度，m；M為單一煤層采厚或厚煤層分層開采累計厚度，取3.6m。代入上式得：HL=44.1m。

西曲礦井田4號煤傾角3°～6°，屬水平煤層，平均采深在150 m左右，黃土蓋層平均45 m，有厚達100 m。采煤裂縫深度和導水裂隙帶高度雖然沒有貫通，但4號煤導水裂隙帶高度進入了上覆裂隙含水層。

4 采煤地裂縫對水土資源的破壞

4.1 采煤地裂縫對地下水的破壞

1）對煤系上部裂隙水的破壞：煤系上部裂隙水為石炭二疊系含水層，分為太原組巖溶裂隙含水組和山西組砂巖裂隙含水組。太原組巖溶裂隙含水組，由泥巖、砂巖、石灰?guī)r及煤組成，厚7 m～12 m，從地形地質(zhì)圖分析，含水層在礬石溝、李家溝、紅崖子斷層附近，含水層埋藏較淺或出露，風化裂隙及構造裂隙發(fā)育，成為地下水的良好通道，水質(zhì)為重碳酸鈣型水，水質(zhì)、含水性均良好。山西組砂巖裂隙含水組，主要由砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤組成，均厚約42.66m，為砂質(zhì)孔隙含水層。汾河沿岸、礬石溝、水深溝、李家溝、紅崖子斷層附近均有出露，由于含水層大都高于汾河侵蝕基準面，其含水性很差，但水質(zhì)較好，為硫酸—重碳酸鈣鎂型水。由于采空面積的不斷增大，上覆巖層產(chǎn)生的裂隙，將上部含水層或地面水導通，加上局部排水能力較弱，淹沒了一些工作面和掘進頭，影響了生產(chǎn)。涌水點的充水水源主要為石炭系太原組灰?guī)r含水層和二疊系石盒子組、山西組含水層，沿著裂隙通道涌入礦井，形成礦坑水。

2）對下伏含水層的破壞：煤系下伏含水層為奧陶系的承壓裂隙巖溶水，井田以北、以東、長峪溝以東均有巨厚的石灰?guī)r露頭，水化學類型為重碳酸鈣鎂型水，水質(zhì)較好。水位標高在910 m～878 m之間，局部地區(qū)高于煤層底板標高，如果發(fā)生礦井突水，則會造成淹井事故，但其奧灰水一般情況下對煤層開采影響較小。

3）對第三、第四系孔隙含水層的破壞：第三系紅土、礫土層、第四系馬蘭黃土，都分布在山頂、山坡或低凹處，雖很厚，但都不含水。汾河河谷的沖積層厚20 m～40 m，以砂礫、礫石層為主，含水性好；水化學類型為重碳酸鈣鎂型水，水質(zhì)良好，水位在36.04m～39.38m之間。潛水主要補給來源為地表徑流和大氣降水。排泄除了大氣蒸發(fā)和工農(nóng)業(yè)用水之外，在河口鎮(zhèn)向奧陶灰?guī)r排泄一部分。

通過上面分析可知，裂隙水和巖溶水在地表均有露頭，都會和地表水、大氣降水、地下水發(fā)生水力聯(lián)系，因煤炭開采的污染物均會不同程度地污染各個含水層，特別是裂縫、裂隙的發(fā)育成為良好的通道。

4.2 采煤地裂縫與水質(zhì)污染

1）煤礦開采引起地表塌陷、地表裂縫，溝通了第四系含水層和下伏含水層之間的直接聯(lián)系，為污染物進入下伏含水層開辟了途徑；又因為第四系含水層主要由亞砂土、砂礫石組成，而砂礫石與河床相通，被污染的河水通過砂礫石層經(jīng)塌陷、裂縫再進入巖溶含水層，造成巖溶水污染。

2）煤層開采后，采空區(qū)增大，采空區(qū)上部裂隙增大增多，使煤系地層的垂向補給量增大，停采后這部分水滯留于舊礦坑中，增加了煤系地層地下水的儲存量，在長期氧化還原過程中地下水礦化度、硬度逐漸增加，污染逐年加劇。

3）礦區(qū)固體廢物中的煤矸石、煤泥大部分不加處理直接堆放在山溝、山坡、灘地，長期露天堆放，釋放出大量有害氣體，嚴重影響著礦區(qū)及周圍的空氣質(zhì)量，進而污染大氣降水，降水再污染地表水和地下水。矸石中的部分有害元素，隨雨水或地表水經(jīng)地表塌陷、地表裂縫轉(zhuǎn)入地表水和地下水，造成對水源的嚴重污染。例如西曲煤礦礦坑水超標項目有酚、Mn、COD（化學需氧量）、Cr、Fe、BOD5（生化需氧量）、SO4[7]。

4.3 采煤地裂縫對土地資源的破壞

1）太原西山礦區(qū)地處山區(qū)，煤礦數(shù)量多，開采量大，機械化程度高，造成的地質(zhì)災害嚴重。淺層地下水的疏干和大面積的土地破壞，使地表植被受到破壞，其結果是：一方面加大水土流失，使環(huán)境惡化；另一方面由于地表無植被，減少降水在該區(qū)域的滲透量，加大洪水流量，降低了地下水的儲蓄。從1988年到1999年，太原西山煤礦區(qū)植被資料看出：耕地、水域地逐年減少，耕地從341 km2減少到175 km2；林地、草地、荒草地逐年增加，反映出煤礦開采對生態(tài)環(huán)境的影響。

2）開采引起的地表裂縫，有的非常細小，有的深度大于10 m，上口寬度可達0.1 m～0.35 m，在黃土高原礦區(qū)裂縫深度數(shù)倍10 m，上口寬度可達1 m～2 m。這樣的裂縫在外界自然力量的作用下，會造成土壤母質(zhì)和水的損失，降低土壤肥力，影響農(nóng)作物產(chǎn)量。

3）在地表裂縫的作用下，對土地的侵蝕可以分為細溝侵蝕、溝蝕、重力侵蝕。（1）細溝侵蝕：開采引起的細小裂縫（深度和寬度較?。┌l(fā)生于耕作層或略深于耕作層，造成土壤孔隙增大，毛管作用減弱，降雨或灌溉后由毛管力保持在上層土壤細小孔隙中的水分（毛管懸著水）就會減少，從而毛管懸著水量達最大值時的土壤含水率—田間持水量也會減小，不能為毛管力吸持的多余水分，在重力作用下將沿非毛管孔隙下滲成為重力水。因此，造成農(nóng)田跑水、跑土、跑肥，農(nóng)作物減產(chǎn)。由于細小裂縫深度和寬度較小，一般可在下一次耕作所平復。（2）溝蝕：存在較大的或大裂縫時，受暴雨及洪水等作用，會造成地面線狀侵蝕，稱為溝蝕。溝蝕的發(fā)展將不斷切割地面，造成完整土地破碎。（3）重力侵蝕：在山地、丘陵地區(qū)，開采產(chǎn)生的裂縫在重力和水力的共同作用下，會引起表土體的移動，稱為重力侵蝕，其主要形式是滑坡。

5 結語

農(nóng)作物、植被、水系、土地等生態(tài)系統(tǒng)之間的關系最為密切。農(nóng)作物和植被的正常生長有賴于土地和水資源的保護，因而減少土地塌陷裂縫，防止水土沿塌陷裂縫流失是沉陷損害綜合治理的根本。減少土地塌陷和防止水土流失的主要措施有兩方面：一方面要采取減少地表沉陷的開采措施，加強采動損害的監(jiān)測，建立裂縫的寬度、深度、密度和影響因素的關系模型，更好的指導煤炭開采的實踐工作；另一方面是地面的綜合防護與治理措施。地面的主要綜合防治措施[8]如下：

1）充填沉陷裂縫：一般在采動影響基本穩(wěn)定之后進行。在耕地內(nèi)充填裂縫時，先將裂縫附近0.5m的熟土鏟開推在一側(cè)，后用生土進行充填并搗實，再用原有熟土覆蓋。對于溝谷部位的裂縫，最好用粘土充填。

2）平整塌陷土地：對于塌陷槽和落差較大的裂縫，必須在充填裂縫的同時進行土地平整。整平時也應注意將生熟土分開，生土充填在下層，熟土回填在表層。塌陷土地平整后，應按礦區(qū)土地復墾要求，對土地進行復墾。

3）植樹種草，綠化礦區(qū)，改善生態(tài)環(huán)境，減少沉陷損害。觀測和現(xiàn)場調(diào)查表明，林地和有灌木植被的荒地，要比耕地的采動滑移量小得多，地表采動破壞的程度也較輕。因而造林綠化，對改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境和減輕開采沉陷損害都有重要意義。

[1]肖利萍.煤矸石淋溶液對地下水系統(tǒng)污染規(guī)律的研究[D].阜新：遼寧工程技術大學，2007.

[2]吳 侃，胡振琪，常 江.開采引起地表裂縫分布規(guī)律[J].中國礦業(yè)大學學報，1997，26（2）:56-59.

[3]康建榮，何萬龍，胡海峰.山區(qū)采動地表變形及坡體穩(wěn)定性分析.北京：中國科學技術出版社，2002.

[4]王晉麗.山區(qū)采煤地裂縫的分布特征及成因探討[D].太原，太原理工大學學位論文，2005.

[5]吳 侃，周 鳴，胡振琪.開采引起的地表裂縫深度和寬度預計[J].阜新礦業(yè)學院學報，1997，16(6):649-652.

[6]張其勝，梁樹雄，孫奮清.地表裂縫導水性分析和導水區(qū)域研究[J].中國煤炭，2007，33（12）：76-78.

[7]劉海濤.太原西山礦區(qū)煤炭開采對地下水流場影響的數(shù)值模擬[D].太原：太原理工大學學位論文，2005.

[8]西礦業(yè)學院，西山礦務局.西山礦區(qū)開采沉陷規(guī)律及沉陷環(huán)境治理研究報告[R].山西省科學技術協(xié)會，1993，10.

Influential Research of Mining Ground Fissures on Water and Soil Resources

WANG Jin-li,KANG Jian-rong,HU Jin-shan
(College of Surveying and Mapping Science,Xuzhou Normal University,Xuzhou Jiangsu221116)

By the calculation of the depth of ground fissure and the height of water flowing fractured zone,we find that the two fractures have not joined up,but different types of ground water appear on the surface,so the ground fissure and fracture become good pathways.However,coal gangue leachate pollutes the groundwater through river and surface water;the fractures influence the transport of soil water and causes vegetation destruction and soil erosion.The paper studies the influence of soil moisture content on crops,which is helpful to the conservation of water and soil resources and land reclamation in mining areas.

ground fissures;water flowing fractured zone;soil water;water and soil resources

TD325

A

1672-5050（2011）03-0027-04

2010-10-21

王晉麗（1970—），女，山西晉中人，博士研究生，講師，主要從事開采沉陷研究工作。

徐樹文