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