郭麗君

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

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探析煤炭開(kāi)采對(duì)地下水的影響
——以井工礦為例

郭麗君

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

煤炭在我國(guó)能源生產(chǎn)和消費(fèi)中一直占有極其重要的地位，隨著煤炭資源的大規(guī)模開(kāi)采，引發(fā)的地下水問(wèn)題日益突出，必須采取有效措施控制煤炭開(kāi)采對(duì)地下水資源的破壞。新疆大型煤炭基地是我國(guó)煤炭生產(chǎn)力西移的重要承接區(qū)，以新疆煤炭基地中規(guī)劃建設(shè)的一井工礦為例，從規(guī)劃階段介入，預(yù)測(cè)了該井田煤炭開(kāi)采對(duì)地下水含水層及水量的影響，分析了礦區(qū)排矸場(chǎng)及生產(chǎn)、生活廢污水對(duì)地下水環(huán)境的影響，并提出具有針對(duì)性的保護(hù)措施，為該礦井及其他礦井建設(shè)及運(yùn)行期合理制定煤炭開(kāi)采方案、地下水保護(hù)方案提供技術(shù)參考。

煤炭開(kāi)采；地下水；導(dǎo)水裂縫帶；礦井涌水

煤炭是我國(guó)的主要能源和重要工業(yè)原料，在我國(guó)的一次能源構(gòu)成中，煤炭歷來(lái)占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源需求的不斷增大，我國(guó)煤炭工業(yè)產(chǎn)量正以前所未有的發(fā)展速度逐年增加，煤炭開(kāi)采引起的水文地質(zhì)問(wèn)題也日益凸顯，尤其是煤炭開(kāi)采對(duì)地下水的影響[1]。為此，國(guó)內(nèi)不少學(xué)者圍繞煤礦開(kāi)采對(duì)地下水的影響及保護(hù)開(kāi)展了大量研究，如薛強(qiáng)等(2005)建立了采煤礦區(qū)地下水水環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用數(shù)學(xué)模型和DRASIC評(píng)價(jià)指標(biāo)體系法進(jìn)行了礦區(qū)地下水脆弱性研究[2]；張發(fā)旺等(2007)以神府東勝礦區(qū)為例，從地表水、包氣帶水、地下水及水體污染四方面分析了采煤塌陷對(duì)水環(huán)境的影響效應(yīng)[3]；朱君等(2012)計(jì)算了梁家磧露天煤礦開(kāi)采后地下水的疏干范圍[4]；連瑋(2013)根據(jù)采煤導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育程度分析了崔木井田開(kāi)采對(duì)地下水含水層的影響，計(jì)算了地下水水位影響半徑及礦井涌水量，提出合理控制采高、設(shè)置防水煤巖柱等“保水采煤”措施[5]；顧大釗(2014)提出利用煤炭開(kāi)采形成的采空區(qū)作為儲(chǔ)水空間，用人工壩體將不連續(xù)的煤柱壩體連接構(gòu)成復(fù)合壩體，建設(shè)煤礦地下水庫(kù)，在神東礦區(qū)建設(shè)了示范工程[6]；段瑞琪等(2015)利用地下水滲流模型，分析了龍門(mén)煤礦井下涌水對(duì)區(qū)域地下水流場(chǎng)的影響[7]。

從國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀可知，基于地下水合理開(kāi)發(fā)、利用及保護(hù)的煤炭開(kāi)采研究對(duì)于制定煤炭開(kāi)采方案、地下水保護(hù)方案，促進(jìn)煤炭產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有著非常重要的意義。本文以新疆哈密地區(qū)巴里坤礦區(qū)規(guī)劃建設(shè)的一井工礦為例，預(yù)測(cè)了該井田煤炭開(kāi)采對(duì)地下水含水層及水量的影響，分析了礦區(qū)排矸場(chǎng)及生產(chǎn)、生活廢污水對(duì)地下水環(huán)境的影響，并提出礦井涌水有效利用措施，以期為煤礦建設(shè)、運(yùn)行階段地下水利用與保護(hù)提供技術(shù)支撐。

1　井田概況

新疆大型煤炭基地是國(guó)家第十四個(gè)大型煤炭基地，巴里坤礦區(qū)位于新疆四大煤炭基地之一的吐哈區(qū)，行政區(qū)劃隸屬于哈密地區(qū)巴里坤哈薩克自治縣，礦區(qū)面積約712 km2，煤炭資源儲(chǔ)量約30億 t[8]。該井田位于巴里坤礦區(qū)西區(qū)，設(shè)計(jì)開(kāi)拓方式為斜井開(kāi)拓，生產(chǎn)能力為6.0 Mt/a。井田內(nèi)及周邊無(wú)地表水體和常年性河流，也無(wú)泉水出露，無(wú)居民點(diǎn)、自然保護(hù)區(qū)等保護(hù)對(duì)象。井田含煤地層主要為侏羅系西山窯組，可采、局部可采煤層4層，自上而下編號(hào)依次為B5、B4、B3-2、B3，可采煤層平均總厚為14.79 m。

該井田西南側(cè)為DF1斷層，東側(cè)為F1大斷裂，兩斷層均以隔水邊界為主，僅地形有利于地表水入滲補(bǔ)給，故該井田為近封閉～半封閉的水文地質(zhì)單元。根據(jù)巖性組合特征、地層富水性、抽水試驗(yàn)成果等，將井田劃分為第四系上更新統(tǒng)～全新統(tǒng)、全新統(tǒng)透水不含水層，新近系中新～上新統(tǒng)昌吉河群含水層，侏羅系中統(tǒng)西山窯組裂隙含水層，侏羅系下統(tǒng)三工河組隔水層四個(gè)含(隔)水層。其中，第四系上更新統(tǒng)～全新統(tǒng)、全新統(tǒng)透水不含水層在井田內(nèi)廣泛分布，以沖洪積的砂礫石為主，無(wú)膠結(jié)，透水性較好，但所處位置無(wú)水源補(bǔ)給，不具儲(chǔ)水條件；新近系中新～上新統(tǒng)昌吉河群含水層在井田外圍零星出露，為相對(duì)含水層，富水性較弱；侏羅系中統(tǒng)西山窯組裂隙含水層為井田主要含煤地層，其上段為砂礫巖段、下段為含煤段，均為相對(duì)隔水層，僅煤層與頂?shù)装逯g的砂巖和礫巖層為相對(duì)含水層；侏羅系下統(tǒng)三工河組隔水層在井田外圍零星出露，厚層狀粉砂巖結(jié)構(gòu)致密，為相對(duì)隔水層。根據(jù)各含(隔)水層的巖性特性和賦水性可知，井田內(nèi)含水層地層巖性不利于礦床充水。

2　采煤對(duì)地下水資源的影響預(yù)測(cè)

煤層采出后，采空區(qū)周?chē)膸r層會(huì)發(fā)生位移、變形甚至破壞，上覆巖層根據(jù)變形和破壞程度的不同分為冒落、裂縫和彎曲三帶，其中裂縫帶又分為連通和非連通兩部分，通常將冒落帶和裂縫帶的連通部分稱(chēng)為導(dǎo)水裂縫帶。開(kāi)采沉陷對(duì)地下水含水層的影響主要表現(xiàn)在煤炭開(kāi)采后頂板發(fā)生垮落形成垮落帶和裂縫帶，進(jìn)而導(dǎo)致地下含水層遭到破壞、地下水漏失、水位下降，并間接對(duì)與已被破壞含水層存在水力聯(lián)系的其他含水層產(chǎn)生影響。同時(shí)，開(kāi)采沉陷對(duì)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。

2.1采煤塌陷“導(dǎo)水裂縫帶”高度預(yù)測(cè)

導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度與煤層賦存條件、頂板巖性、采煤方法、開(kāi)采厚度、頂板管理方法等均有密切關(guān)系。根據(jù)井田可采煤層特征分析，冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)測(cè)選用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》中覆巖巖性為“軟弱”的計(jì)算公式[9]，即：

冒落帶：Hm=(100∑M/6.2∑M+32)±1.5(M為采厚)

井田可采煤層冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)表1計(jì)算結(jié)果，對(duì)比上、下兩層煤的最小垂距與下層煤的冒落帶高度可知，B4、B3-2、B3煤層的冒落帶均進(jìn)入上層煤。

表1　采煤冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算成果表

2.2采煤對(duì)地下水含水層的影響分析

根據(jù)井田內(nèi)勘探線上各鉆孔煤層導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度計(jì)算結(jié)果分析可知，采煤導(dǎo)水裂縫帶導(dǎo)入侏羅系中統(tǒng)西山窯組裂隙弱含水層、新近系昌吉河群裂隙孔隙弱含水層，極少數(shù)鉆孔煤層導(dǎo)水裂縫帶導(dǎo)入第四系透水不含水層，均未導(dǎo)通地表。

1)對(duì)煤系地層上覆含水層的影響

井田煤系地層上覆含水層有上更新統(tǒng)～全新統(tǒng)、全新統(tǒng)第四系透水不含水層，新近系中新～上新統(tǒng)昌吉河群含水層。根據(jù)采煤沉陷“導(dǎo)水裂縫帶”發(fā)育高度計(jì)算結(jié)果可知，只有極少數(shù)鉆孔煤層導(dǎo)水裂縫帶導(dǎo)入第四系透水不含水層，未導(dǎo)通地表?？紤]到大氣降水、季節(jié)性融雪水可直接通過(guò)地表風(fēng)化裂隙、孔隙補(bǔ)給地下水，采煤工作面將面臨大氣降水或季節(jié)性融雪水的危害，在導(dǎo)水裂縫帶導(dǎo)入第四系的區(qū)域需留設(shè)防水煤巖柱，以保證安全開(kāi)采；部分鉆孔煤層導(dǎo)水裂縫帶導(dǎo)通新近系中新～上新統(tǒng)昌吉河群含水層，該含水層巖性主要由褐紅色粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、礫巖組成，在沒(méi)有導(dǎo)入新近系的區(qū)域，泥巖、粉砂巖有很好的隔水作用。在導(dǎo)通區(qū)域，該含水層的地下水不再向下游徑流，而是以礦井水的形式排泄至地面礦井水處理間，該含水層地下水位將逐漸下降。

2)對(duì)煤系地層含水層的影響

侏羅系中統(tǒng)西山窯組砂礫巖裂隙含水層為煤層開(kāi)采的直接充水含水層，采煤導(dǎo)水裂縫帶將導(dǎo)通該含水層，含水層中的地下水沿導(dǎo)水裂縫帶進(jìn)入井內(nèi)，含水層水量隨著煤層開(kāi)采逐漸被疏干。煤炭開(kāi)采后，該含水層中地下水的排泄方式將由原來(lái)天然的順地層沿傾向方向轉(zhuǎn)變?yōu)橐匀斯ら_(kāi)采排泄為主，以礦井水的形式排至地面礦井水處理間。

3)對(duì)煤系下伏含水層的影響

本井田煤系地層下伏石炭系石錢(qián)灘組基巖裂隙含水層，在侏羅系西山窯組和石炭系石錢(qián)灘組之間發(fā)育有侏羅系下統(tǒng)三工河組隔水層，該隔水層巖性主要以粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，隔水性能較好。因此，井田煤層開(kāi)采對(duì)石炭系石錢(qián)灘組基巖裂隙含水層影響較小。

2.3采煤對(duì)地下水水量的影響分析

礦井涌水量計(jì)算以地下水動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，以符合《煤田鉆孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的合格抽水試驗(yàn)資料為計(jì)算依據(jù)。設(shè)計(jì)采用“大井法”預(yù)算礦井涌水量，水文地質(zhì)邊界為西南至DF1斷層、東至F1大斷裂，充水水源為B5-B3煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶高度內(nèi)的砂巖裂隙水，預(yù)算時(shí)井田煤系地層地下水全部按承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓處理，降水補(bǔ)給量忽略不計(jì)。

“大井法”計(jì)算公式為：

經(jīng)計(jì)算，該井田煤層開(kāi)采對(duì)地下水含水層的影響在以外開(kāi)采邊界外推4 485.5 m的范圍內(nèi)，礦井正常涌水量為206.5 m3/h，主要來(lái)自煤系地層含水層即侏羅系中統(tǒng)西山窯組砂礫巖裂隙含水層和煤層上覆含水層即新近系中新～上新統(tǒng)昌吉河群含水層，對(duì)區(qū)域水資源和生態(tài)環(huán)境影響不大。

3　礦區(qū)排污對(duì)地下水的影響

3.1排矸場(chǎng)對(duì)地下水的影響

本礦井建井期間矸石全部回填工業(yè)場(chǎng)地和作為場(chǎng)外公路路基材料；生產(chǎn)期間井下矸石盡量回填廢棄巷道，考慮廢棄巷道填滿(mǎn)等異常情況時(shí)矸石的排放，故設(shè)地面臨時(shí)排矸場(chǎng)，排矸場(chǎng)周?chē)?00 m范圍內(nèi)無(wú)村莊、無(wú)居民水井及其它地下水敏感點(diǎn)。矸石露天堆放經(jīng)降雨溶淋后可溶解性元素隨雨水遷移進(jìn)入土壤和水體，可能會(huì)對(duì)土壤、地表水及地下水產(chǎn)生一定的影響，其影響程度取決于淋溶液中污染物的排放情況及所在地的環(huán)境地質(zhì)條件。

1)矸石淋溶水成分分析

本礦井為規(guī)劃礦井，矸石采樣取用周邊四座煤礦的煤矸石進(jìn)行了浸出試驗(yàn)，以此模擬降雨條件下淋溶液成分，監(jiān)測(cè)指標(biāo)有PH值、氰化物、無(wú)機(jī)氟化物、六價(jià)鉻、鉛、鎘、總鉻、銅、鋅、砷、鎳、汞等。

根據(jù)煤矸石浸出試驗(yàn)結(jié)果，矸石浸出液各項(xiàng)分析指標(biāo)均遠(yuǎn)小于《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別》的要求，而且矸石不在《國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄》中，由此類(lèi)比本礦井煤矸石不屬于危險(xiǎn)固體廢物，屬于一般工業(yè)固體廢棄物；各項(xiàng)分析指標(biāo)均未超出《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值，且pH在6～9之間，表明矸石屬于第Ⅰ類(lèi)一般工業(yè)固體廢物；各項(xiàng)分析指標(biāo)均未超出《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)限值，矸石淋溶液對(duì)地下水水質(zhì)影響甚微。

2)矸石淋溶液對(duì)地下水的影響分析

在矸石浸出試驗(yàn)中，矸石浸出液的水質(zhì)為矸石成分最大限度的浸出狀態(tài)。從井田所在區(qū)域的氣象資料看，本區(qū)屬干旱荒漠區(qū)，降水極少、蒸發(fā)強(qiáng)烈，蒸發(fā)量為降水量的10倍以上，矸石的自然淋溶量較小。本區(qū)包氣帶對(duì)地下水的垂直下滲具有一定的阻隔能力，可以有效阻止污染物向地下水中運(yùn)移。設(shè)計(jì)在矸石場(chǎng)周邊沿地勢(shì)設(shè)置截排水設(shè)施，防止雨季降水徑流進(jìn)入排矸場(chǎng)；矸石場(chǎng)基底部設(shè)置暗涵，及時(shí)排泄矸石淋濾水，有效減少雨水與矸石的接觸時(shí)間，進(jìn)一步降低矸石淋濾水對(duì)地下水環(huán)境的影響。

故，矸石淋溶液對(duì)周?chē)寥兰暗叵滤|(zhì)影響較小。

3.2廢污水排放對(duì)地下水的影響

礦產(chǎn)資源在開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中產(chǎn)生的廢水污染是造成水源惡化的主要因素之一[10]?！蛾P(guān)于印發(fā)煤炭工業(yè)節(jié)能減排工作意見(jiàn)的通知》(發(fā)改能源[2007]1456號(hào))指出：“礦井開(kāi)采過(guò)程中礦井水必須進(jìn)行凈化處理和綜合利用，礦區(qū)生產(chǎn)必須優(yōu)先采用處理后的礦井水”，“選煤廠補(bǔ)充水必須首先采用處理后的礦井水或中水”。本礦井處于地表水與地下水比較匱乏的區(qū)域，在水源配置及供、用水平衡設(shè)計(jì)上，優(yōu)先利用礦井涌水及生產(chǎn)、生活廢污水作為工業(yè)場(chǎng)地生活、地面生產(chǎn)及井下生產(chǎn)用水，實(shí)現(xiàn)廢水資源化，有效緩解了礦井建設(shè)需水與當(dāng)?shù)厮Y源緊缺間的矛盾，促進(jìn)區(qū)域水資源優(yōu)化配置和高效利用，屬于水資源配置鼓勵(lì)、提倡的配置方向。

該井田礦井涌水中Cl-、SO42-、礦化度等較高，經(jīng)礦井水處理間混凝、沉淀、過(guò)濾、消毒等常規(guī)處理達(dá)到選煤用水水質(zhì)指標(biāo)后，復(fù)用于選煤廠生產(chǎn)補(bǔ)充水、防火灌漿用水；余水經(jīng)反滲透脫鹽裝置預(yù)處理和脫鹽處理達(dá)到生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)、熱水鍋爐水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、井下消防及灑水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)后，復(fù)用于生活用水、鍋爐房用水、井下灑水(如噴霧降塵、設(shè)備冷卻、井下風(fēng)流凈化水幕、沖洗巷道等)和井下消防灑水；余水送至巴里坤縣三塘湖盛坤源水利投資運(yùn)行有限公司，由該公司統(tǒng)一調(diào)度供給巴里坤礦區(qū)其他企業(yè)使用。該礦井生產(chǎn)、生活廢污水經(jīng)污水處理站生化、沉淀、過(guò)濾、消毒處理后，出水水質(zhì)達(dá)到綠化及道路清掃水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、選煤用水水質(zhì)指標(biāo)的有關(guān)要求后，全部復(fù)用于道路澆灑及綠化用水、選煤廠生產(chǎn)補(bǔ)充水。

本礦井無(wú)生產(chǎn)、生活廢污水排入周邊水域，對(duì)地下水水質(zhì)及水環(huán)境基本無(wú)影響。但在投運(yùn)后，要做好事故應(yīng)急預(yù)案，防止污染地下水。

4　地下水保護(hù)措施

為減輕該井田煤炭開(kāi)采對(duì)地下水的影響，應(yīng)采前做好預(yù)防、采中強(qiáng)化監(jiān)測(cè)和保護(hù)、采后及時(shí)治理，通過(guò)廢污水綜合利用、水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、留設(shè)防水煤巖柱等措施可有效保護(hù)、及時(shí)修復(fù)地下水環(huán)境。

4.1廢污水處理復(fù)用

建設(shè)期生產(chǎn)、生活廢污水排至施工工地廢水沉淀池，沉淀后復(fù)用于施工用水；運(yùn)行期礦井工業(yè)場(chǎng)地設(shè)1座地埋式污水處理站、1座礦井水處理間處理礦區(qū)生產(chǎn)、生活廢污水及礦井涌水，處理達(dá)標(biāo)后部分回收復(fù)用，部分送至下游企業(yè)回用，無(wú)廢污水排放至環(huán)境水體中。

4.2制定水質(zhì)監(jiān)控方案

為及時(shí)反映礦區(qū)各系統(tǒng)排放水質(zhì)變化與礦區(qū)排污關(guān)系，以控制污染物排放濃度，在污水處理站、礦井水處理間及排矸場(chǎng)的進(jìn)、出水口處對(duì)水質(zhì)進(jìn)行逐月監(jiān)測(cè)，并建立排污口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)檔案，將主要污染物的種類(lèi)、數(shù)量、濃度、排放去向、達(dá)標(biāo)情況及設(shè)施運(yùn)行情況記錄在案。

4.3留設(shè)防水煤巖柱

本井田局部煤層導(dǎo)水裂縫帶將導(dǎo)入第四系透水不含水層，為防止地表水沿導(dǎo)水裂縫帶泄入井下對(duì)采煤工作面造成危害，需對(duì)導(dǎo)通區(qū)域留設(shè)防水煤巖柱。具體留設(shè)方式為煤層開(kāi)采形成的導(dǎo)水裂縫帶高度+保護(hù)層厚度進(jìn)入第四系底板，則對(duì)該區(qū)域禁采。該井田防水煤巖柱保護(hù)層厚度取3A(，M為采厚，n為分層層數(shù))，防水煤巖柱高度≥導(dǎo)水裂縫帶高度+保護(hù)層厚度。

4.4地面沉陷保護(hù)措施

井田地處戈壁區(qū)，地勢(shì)平坦，開(kāi)采結(jié)束后預(yù)計(jì)會(huì)形成明顯的地表裂縫、局部滑坡或沉陷坑。但井田開(kāi)采面積大，開(kāi)采沉陷引起的地表起伏與原地表自然起伏相比較小，不會(huì)形成下沉盆地，井田邊界區(qū)坡度將增加，地形將向盆地內(nèi)傾斜，井田內(nèi)地形地貌基本維持原貌。對(duì)地表沉陷區(qū)域采取隨沉隨填、填后夯實(shí)的措施，采用人工或機(jī)械回填矸石、就近取土石挖高填低，或?qū)⒌V井的矸石與鍋爐灰渣等在地面加工制成不需要脫水處理的膏狀漿體，采用充填泵或重力加壓通過(guò)管道輸送到井下，適時(shí)充填采空區(qū)，形成以膏體為主的上覆巖層支撐體系。

5　結(jié)語(yǔ)

根據(jù)井田水文地質(zhì)條件及可采煤層特征分析，預(yù)測(cè)了該井田煤炭開(kāi)采對(duì)地下水含水層的影響，預(yù)算了礦井涌水量。根據(jù)礦區(qū)水源配置及供、用水設(shè)計(jì)，分析了礦區(qū)生產(chǎn)、生活廢污水及排矸場(chǎng)對(duì)地下水水質(zhì)和水環(huán)境的影響，提出相應(yīng)措施以減輕煤炭開(kāi)采對(duì)地下水資源的破壞。

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2016-03-08

郭麗君(1987-)，女，新疆阿勒泰人，工程師，主要從事水資源規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。

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