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        淺埋煤層開(kāi)采對(duì)地下水資源影響分析

        2017-08-28 22:49:13蔣澤泉
        地下水 2017年4期
        關(guān)鍵詞:隔水層保水導(dǎo)水

        周 勇,蔣澤泉

        淺埋煤層開(kāi)采對(duì)地下水資源影響分析

        周 勇1,蔣澤泉2,3

        (1.遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局 遼寧省第九地質(zhì)大隊(duì),遼寧 鐵嶺 112000;2.國(guó)土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710026;3.陜西省一八五煤田地質(zhì)有限公司,陜西 榆林 719000)

        為研究煤層開(kāi)采對(duì)地下水資源循環(huán)的影響,本文采用實(shí)測(cè)值擬合了導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度計(jì)算公式,并以此為基礎(chǔ)分析研究了紅柳林煤礦開(kāi)采對(duì)水資源影響分區(qū)。結(jié)果表明本次研究提出的公式更好地?cái)M合了榆神礦區(qū)實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度;紅柳林煤礦開(kāi)采影響地下水資源的因素包括導(dǎo)水裂隙帶、基巖厚度和隔水層厚度,據(jù)此煤層開(kāi)采對(duì)紅柳林煤礦地下水資源的影響可以分為4個(gè)區(qū),失水區(qū)主要集中在礦區(qū)南部。紅柳林煤礦開(kāi)采南部資源時(shí)必須重視對(duì)地下水資源的保護(hù),實(shí)行保水采煤。

        保水采煤;水資源;導(dǎo)水裂隙帶;紅柳林煤礦

        由于侏羅紀(jì)煤田神府礦區(qū)屬于淺埋煤層,薄基巖和厚煤層是這里得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì),同時(shí)受干旱半干旱氣候的影響該區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,水資源匱乏,煤層開(kāi)采形成的導(dǎo)水裂隙對(duì)水資源的影響始終是煤層資源大規(guī)模開(kāi)發(fā)的瓶頸。針對(duì)這一問(wèn)題,范立民等[1-5]從上世紀(jì)90年代開(kāi)始呼吁在陜北地區(qū)煤層開(kāi)采中推行保水采煤技術(shù),并在之后的研究中始終致力于該方向的探索,并提出了保水采煤基本框架。李文平等[6]以地質(zhì)條件為基礎(chǔ),對(duì)榆神府礦區(qū)工程地質(zhì)條件進(jìn)行了分區(qū),奠定了本區(qū)開(kāi)展保水采煤隔水層穩(wěn)定性研究的基礎(chǔ)。李濤等[7]通過(guò)三軸伺服儀研究了離石黃土和紅土在加載和卸載過(guò)程中滲透系數(shù)的變化特性。馬雄德等[8-9]研究了榆神府礦區(qū)水體及濕地演化特征,并通過(guò)建立現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)厘定了沙柳對(duì)礦區(qū)地下水位變化的閾限。黃慶享[10]研究了淺埋煤層隔水層穩(wěn)定性,在此基礎(chǔ)上劃分了基于地質(zhì)條件的榆神府礦區(qū)保水采煤分區(qū)。錢(qián)鳴高[11]提出了煤炭科學(xué)開(kāi)采的技術(shù)體系,并推動(dòng)了西北煤炭資源科學(xué)開(kāi)發(fā)和環(huán)境保護(hù),李果[12]探討了注漿技術(shù)在保水采煤中的應(yīng)用。蔣澤泉[13]分析了沙漠區(qū)工作面過(guò)溝條件下保水開(kāi)采分區(qū)方法,討論了分區(qū)標(biāo)準(zhǔn),有效指導(dǎo)了礦區(qū)保水采煤技術(shù)實(shí)踐。

        陜北生態(tài)脆弱礦區(qū)煤層資源開(kāi)采和水資源保護(hù)的研究始終是各行業(yè)研究的熱點(diǎn),由于地質(zhì)條件變異性大,很難將統(tǒng)一成果類(lèi)比推廣使用,只有在保水采煤主體思想的指導(dǎo)下,因地制宜地根據(jù)礦區(qū)具體特征,采用比較成熟的方法,針對(duì)性地進(jìn)行分析研究才有益于指導(dǎo)工程實(shí)踐。本文采用紅柳林井田地質(zhì)勘探成果,分析研究了本區(qū)煤層開(kāi)采對(duì)地下水資源的影響,指導(dǎo)礦井生產(chǎn)。

        1 礦區(qū)水資源循環(huán)特征

        礦區(qū)內(nèi)地表覆蓋層以風(fēng)積沙和黃土為主,由此構(gòu)成地下水主要類(lèi)型為第四系孔隙水和離石黃土孔隙水,局部地區(qū)由于煤層自燃形成燒變巖含水層。大氣降水是地下水的主要補(bǔ)給源,松散層孔隙含水層由于結(jié)構(gòu)疏松,易于入滲,在接受大氣降水補(bǔ)給后以泉流形式排泄到河流中,黃土梁峁區(qū)地形起伏較大,大氣降水部分形成地表徑路匯入河流中,另一部分則補(bǔ)給地下水再以泉流形式排泄到河流中。燒變巖含水層孔隙度大,與上部松散層接觸密切,可以直接接受上部含水層的補(bǔ)給,在很大程度上與上部含水層形成統(tǒng)一含水體,其排泄也主要依靠泉流。在井工開(kāi)采形成采空區(qū)后,采空區(qū)上部導(dǎo)水裂隙又為上述地下水的排泄提供了通道,使礦區(qū)水資源排泄方式有溢流改為垂直滲流,出現(xiàn)河流干涸,地下水水位下降等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。井田水循環(huán)途徑見(jiàn)圖1。

        圖1 井田主要水力聯(lián)系示意圖

        圖2 導(dǎo)水裂隙帶高度擬合曲線

        2 導(dǎo)水裂隙帶高度

        由于地質(zhì)條件的不同,《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》、《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》中所列的公式不能滿足榆神礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的預(yù)測(cè),這也被眾多研究所證實(shí)。根據(jù)前人的研究,導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度一般與采高直接相關(guān),本次收集周邊礦區(qū)積累的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度數(shù)據(jù)共22組,包括實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬結(jié)果、相似模型試驗(yàn)結(jié)果等。對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后,得到神南礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測(cè)公式:

        H=9.6M+13.0

        (1)

        式中:H為導(dǎo)水裂縫帶高度(m);M為采厚(m)。

        表1 擬合參數(shù)

        統(tǒng)計(jì)紅柳林井田范圍內(nèi)各煤層厚度及與上層煤平均距離,依照公式(1)分別求得各煤層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度,如表2所示。

        表2 煤層厚度及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度表 m

        由表2可知,由于5-2煤煤厚較大,其導(dǎo)水裂隙帶的高度將穿過(guò)4-4、4-3煤,但未突破4-2煤導(dǎo)水裂隙帶頂面;4-2、3-1煤導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度有限,頂面沒(méi)有突破上層煤導(dǎo)水裂隙帶頂面。因此,從上到下由2號(hào)煤到5號(hào)煤組成的可采盤(pán)區(qū),對(duì)地表造成較大影響的煤層為2-2號(hào)煤,該地區(qū)的導(dǎo)水裂隙帶的高度應(yīng)由2-1煤的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度來(lái)確定,即54.2 m。而在上層煤為4-3或4-4號(hào)煤分布的地區(qū),對(duì)地表潛水造成較大影響的為下伏厚煤層5-2號(hào)煤,該地區(qū)的導(dǎo)水裂隙帶的高度應(yīng)由5-2煤的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度來(lái)確定,即69.2 m。

        圖3 紅柳林井田煤層上覆基巖厚度等值線圖

        圖4 紅柳林井田導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度等值線圖

        3 煤層開(kāi)采水資源影響分區(qū)

        3.1 影響因素及量化

        決定煤炭開(kāi)采對(duì)水資源影響的因素眾多,通過(guò)分析已有研究成果,并結(jié)合研究區(qū)具體情況,確定以導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度、上覆基巖厚度、隔水粘土層厚度作為煤層開(kāi)采對(duì)水資源影響分區(qū)的依據(jù)。

        3.1.1 基巖厚度(HB)

        導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育是否波及隔水粘土層很大程度上取決于基巖厚度及其工程地質(zhì)條件。依據(jù)鉆孔資料繪制本區(qū)基巖厚度等值線圖(圖3)。由圖可知,井田內(nèi)上覆基巖厚度為20~200 m,井田西部基巖厚度較大,而東部較薄。

        3.1.2 導(dǎo)水裂隙帶高度(HF)

        由公式(1),導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度主要取決于煤層采厚,因此本次收集了100個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)了煤層厚度,按一次采全高計(jì)采厚,根據(jù)公式(1)計(jì)算了裂隙帶發(fā)育高度,采用suffer軟件生成5-2煤導(dǎo)水裂隙帶高度等值線圖(圖4)。由圖可知,全井田導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度35~80 m,從空間分布來(lái)看,受煤層上覆隔水層厚度空間變異的影響,礦區(qū)東部導(dǎo)水裂隙帶高度普遍較中、西部大,這剛好與基巖厚度的分布規(guī)律相反。

        3.1.3 隔水粘土層厚度(HC)

        依據(jù)鉆孔資料繪制本區(qū)隔水層等值線圖如圖5。由圖可知,井田內(nèi)黏土隔水層厚度為20~70 m,與基巖厚度分布一樣,黏土隔水層厚度分布規(guī)律也是西部厚度較大,而東部較薄。這與本區(qū)沉積環(huán)境和地貌息息相關(guān),井田東部屬于黃土丘陵區(qū),水土流失嚴(yán)重,河谷深切,受水力侵蝕的作用,土層厚度相對(duì)較薄。

        圖5 神南礦區(qū)隔水粘土層厚度等值線圖

        圖6 水資源漏失量分區(qū)圖

        分區(qū)分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)判據(jù)有影響區(qū)影響嚴(yán)重導(dǎo)水裂隙帶切穿隔水層(基巖+黏土隔水層),含水層結(jié)構(gòu)破壞,地下水漏失嚴(yán)重。HL>HB+HC影響中等導(dǎo)水裂隙帶切穿基巖和部分黏土隔水層,但富余黏土隔水層厚度0~40m,隔水穩(wěn)定性差,地下水滲漏;HL

        3.2 采動(dòng)對(duì)水資源影響分區(qū)

        根據(jù)上述影響因素,依據(jù)一定的分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)(表3),將煤層回采后對(duì)潛水資源影響分為有影響區(qū)和無(wú)影響區(qū)2個(gè)分區(qū),其中有影響區(qū)進(jìn)一步可劃分為影響嚴(yán)重區(qū)、影響中等區(qū)、影響輕微區(qū)。

        依據(jù)以上分區(qū)標(biāo)準(zhǔn),將前述各項(xiàng)因素量化圖進(jìn)行疊加分析,得采動(dòng)對(duì)水資源影響分區(qū)見(jiàn)圖6。由圖可知,井田內(nèi)大部分區(qū)域?qū)儆陂_(kāi)采對(duì)地下水無(wú)影響區(qū),面積101.9 km2,占礦區(qū)面積的73.5%,主要分布在礦區(qū)中西部。有影響區(qū)分布在礦區(qū)東南部,面積36.7 km2,占礦區(qū)面積的26.5%,以中等影響和輕微影響為主。這些區(qū)域?qū)σ槐P(pán)區(qū)的15201-15207工作面的開(kāi)采有一定影響。

        4 保水開(kāi)采措施

        在上述地下水影響區(qū),為了防止煤層開(kāi)采過(guò)程中地下水大量漏失而導(dǎo)致嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,必須采取一定的保水開(kāi)采措施,防患于未然。

        留設(shè)煤柱:礦區(qū)需要留設(shè)的煤巖柱主要有兩部分,一部分是地表水體的水平煤巖柱,另一個(gè)部分為火燒區(qū)的水平煤巖柱。通過(guò)預(yù)留水平煤柱,盡最大可能保護(hù)突水危險(xiǎn)大的區(qū)域隔水層,實(shí)現(xiàn)保水開(kāi)采。對(duì)于礦區(qū)內(nèi)無(wú)水火燒區(qū),應(yīng)按照規(guī)范要求,煤柱留設(shè)以20 m為宜。

        改進(jìn)開(kāi)采方法和工藝:建議在煤層開(kāi)采對(duì)地下水影響嚴(yán)重區(qū)改變煤層開(kāi)采順序有利于采空區(qū)地下水的回收,形成采空區(qū)儲(chǔ)水體,加大水資源開(kāi)發(fā)利用。在地下水影響中等區(qū)和輕微區(qū)通過(guò)改進(jìn)采煤工藝,如采用充填開(kāi)采、分層限高開(kāi)采或條帶開(kāi)采等采煤工藝,提高隔水層穩(wěn)定性。

        改善生態(tài)環(huán)境:對(duì)礦區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境條件要通過(guò)人為干預(yù)進(jìn)行規(guī)劃調(diào)控,使其適應(yīng)于礦井開(kāi)采條件下生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求,加大采空區(qū)治理力度,通過(guò)裂縫回填,植樹(shù)種草提高水資源涵養(yǎng)能力。

        5 結(jié)語(yǔ)

        (1)紅柳林井田范圍內(nèi)地下水主要以松散孔隙含水層為主,燒變巖含水層僅在礦區(qū)東南部出露,區(qū)內(nèi)三水轉(zhuǎn)換呈單向性,即大氣降水-地下水-河水。

        (2)通過(guò)實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度、模型預(yù)測(cè)高度等數(shù)值擬合的經(jīng)驗(yàn)公式,更加適應(yīng)于榆神礦區(qū)的地質(zhì)特征,可以用來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)易分析計(jì)算。

        (3)紅柳林井田煤層開(kāi)采對(duì)地下水資源的影響因素主要有導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度、基巖厚度和隔水層厚度,三者的組合關(guān)系構(gòu)成了地下水資源漏失分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。

        (4)紅柳林井田煤層開(kāi)采后地下水資源影響可以劃分為4個(gè)區(qū),其中失水區(qū)主要集中在礦區(qū)東南側(cè)。

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        2017-05-11

        周勇(1964-),男,遼寧鐵嶺人,高級(jí)工程師,主要從事礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查與研究工作。

        P641.4+61

        B

        1004-1184(2017)04-0054-03

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