劉永剛

(陜西省水資源與河庫調(diào)度中心，陜西 西安 710004)

0 前言

上世紀(jì)80年代，受制于當(dāng)時各方面條件，窟野河流域煤炭開采活動初期規(guī)模較小，年均產(chǎn)煤量不足500萬 t。隨著社會經(jīng)濟和技術(shù)條件的不斷發(fā)展進步，窟野河流域年均煤炭開采量從1996年開始呈現(xiàn)井噴式增長，到2018年年均產(chǎn)煤量已超過3.5億 t，增速超過了7 000%。大規(guī)模的煤炭開采活動為經(jīng)濟發(fā)展做出巨大貢獻的同時，其本身對流域的水資源及生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了重大的影響，帶來了諸多難以回避的問題，如地表沉陷、植被退化、河川徑流量減少、地下水水源干枯和耕地生產(chǎn)力下降等[1-2]。隨著流域水資源短缺問題日益嚴(yán)重，由此帶來的生態(tài)環(huán)境壓力也日趨增大。研究區(qū)內(nèi)由于煤炭資源大規(guī)模開采產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶對頂板覆巖含水層完整性結(jié)構(gòu)破壞從而產(chǎn)生大量的礦井涌水量，導(dǎo)致地下水埋深的快速下降，同時在一個水文年內(nèi)地下水無法充分得到補給使埋深得以恢復(fù)，最終導(dǎo)致地表植被干旱性缺水衰敗甚至死亡[3]。為了維持窟野河基本生態(tài)環(huán)境功能，保障用水安全和水資源可持續(xù)發(fā)展，同時考慮經(jīng)濟發(fā)展需求，提出煤炭開采對水資源影響的分區(qū)治理方案尤為重要。因此，本文在分析窟野河流域礦井涌水量分布及其與煤炭開采量的關(guān)系的基礎(chǔ)上，結(jié)合富水系數(shù)與研究區(qū)地質(zhì)水文條件，對煤炭開采造成的影響進行分區(qū)并提出相應(yīng)的治理和修復(fù)方案，分區(qū)的結(jié)果及建議可促進窟野河流域煤炭開采區(qū)水資源系統(tǒng)的健康發(fā)展。

1 窟野河流域礦井涌水量

礦坑涌水量主要取決于充水條件、開采規(guī)模、盤區(qū)規(guī)劃及采空面積等綜合影響。由于礦井大小不一且核定生產(chǎn)能力差異較大，因此采用兩種定量指標(biāo)衡量礦坑涌水量，一是礦坑涌水量大小(Q)；二是噸煤富水系數(shù)(K)[4]，即礦井每采 1t 煤時需從礦井中排出的水量。

根據(jù)實地調(diào)查收集到的66個正常開采煤礦的統(tǒng)計結(jié)果繪制的煤炭開采量與礦坑涌水量大小(Q)關(guān)系圖1可知，從數(shù)量上看，窟野河流域大部分煤礦涌水量處于0100萬 t)雖少但涌水量較大，大部分超過了10 000 m3/d，并且大型煤礦的涌水量之和為小型煤礦之和的3倍左右。大型煤礦大面積分布有第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組含水層，上部覆蓋薩拉烏蘇組砂層或風(fēng)積砂層，易于接受大氣降水和砂層水的補給，構(gòu)成了地下水賦存、運移的良好空間，且開采形成的采空面積大，故涌水量一般很大。

同樣，以噸煤富水系數(shù)大小K為依據(jù)繪制其與煤炭開采量的關(guān)系圖2。一般而言，煤礦充水強度可按噸煤富水系數(shù)大小劃分為以下四類：(1)充水性極弱的煤礦：K≤0.1 m3/t；(2)充水性弱的煤礦：0.12 m3/t。由圖中可以看到，窟野河流域噸煤富水系數(shù)K主要處于0～1.0 m3/t范圍。小型煤礦的富水系數(shù)大部分較小，處在0～0.6 m3/t范圍之內(nèi)，充水性為極弱和弱等級。大型煤礦的富水系數(shù)與小型煤礦的情況較為相似，處在0～1.0 m3/t范圍之內(nèi)，充水性為極弱到較弱程度范圍。富水系數(shù)大于1.0 m3/t的只有何家塔煤礦。

圖2 窟野河流域煤炭開采與噸煤富水系數(shù)關(guān)系圖

此外，結(jié)合涌水量關(guān)系圖1可以看到，煤炭開采量與噸煤富水系數(shù)之間無直接相關(guān)性，煤炭開采量大的煤礦噸煤富水系數(shù)不一定大。這可能是由于煤礦井田內(nèi)第四系薩拉烏蘇組含水層及燒變巖帶分布范圍、厚度不均一，部分煤層埋藏相對較深，僅局部范圍內(nèi)導(dǎo)水裂隙帶可能溝通至第四系薩拉烏蘇組含水層，這部分水量相對較少，對煤礦充水影響較小。同時，存在部分小型煤礦可采煤層開采后形成的導(dǎo)水裂隙帶溝通了地表與地下水系，會使煤礦充水強度增大。因此受水文地質(zhì)條件、開采規(guī)模、開采方式和開采年限等的影響，噸煤富水系數(shù)與煤炭開采量無明顯相關(guān)性。而煤炭開采量與涌水量大小之間存在著一定的相關(guān)性(R2>0.5)，即隨著煤炭開采量的增大，涌水量也會呈現(xiàn)出增大的趨勢。

圖1 窟野河流域煤炭開采與礦井涌水量關(guān)系圖

綜上所述，從整體上來看，窟野河流域?qū)儆谟克枯^多且充水性較弱的地區(qū)。在涌水量較大的地區(qū)中，除石圪臺，涼水井以及何家塔煤礦的噸煤富水系數(shù)相對較大，整體上噸煤富水系數(shù)較小，位于0～0.5 m3/t范圍之內(nèi)。

2 煤炭開采量與涌水量在時間尺度上的關(guān)系

為了進一步分析煤炭開采量與涌水量在時間尺度上的關(guān)系，從上述66個煤礦中選取數(shù)據(jù)序列相對完整且具有代表性的3座煤礦進行分述。

2.1 大柳塔煤礦

根據(jù)收集到的大柳塔煤礦礦坑涌水量觀測臺賬，繪制2013年1月-2015年12月礦坑涌水量和煤炭開采量圖(圖3)以及噸煤富水系數(shù)和煤炭開采量圖(圖4)。由圖3和圖4可知，2013年1月-2015年12月，涌水量平均為11 287.0 m3/d，富水系數(shù)平均為0.270 m3/t原煤。從整體上來看相較于噸煤富水系數(shù)，大柳塔煤礦的礦井涌水量和煤炭開采量的整體變化趨勢相似。在2013年1月-2015年4月期間，隨著煤炭開采量的增加，礦井涌水量也呈現(xiàn)增加趨勢，這主要是開采導(dǎo)致冒落帶導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育，排水通道順暢等原因造成的。而同期噸煤富水系數(shù)卻表現(xiàn)出減少的趨勢，這說明煤炭開采量的增幅速率大于礦井涌水量的增幅速率。從2015年4月開始，噸煤富水系數(shù)和礦坑涌水量的變化趨勢與煤炭開采量變化趨勢正好相反，這是因為這個時期的煤炭開采量呈現(xiàn)減少趨勢。

圖3 大柳塔煤礦煤炭產(chǎn)量與涌水量圖

圖4 大柳塔煤礦煤炭產(chǎn)量與噸煤富水系數(shù)圖

2.2 紅柳林煤礦

根據(jù)收集到的紅柳林煤礦礦坑涌水量數(shù)據(jù)，繪制2013年7月-2016年6月礦坑涌水量和煤炭開采量圖(圖5)以及噸煤富水系數(shù)和煤炭開采量圖(圖6)。由圖5和圖6可知，2013年7月-2016年6月，涌水量平均為335.0 m3/h，富水系數(shù)平均為0.181 m3/t原煤。從整體上來看，礦井涌水量與煤炭開采量的整體變化趨勢相似，并有一定的正相關(guān)性。特別是在2015年2月-2016年6月期間，隨著煤炭開采量的先增加再減少，礦井涌水量與噸煤富水系數(shù)也呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，并且其變化的幅度均大于煤炭開采量的變化幅度。這可能是受到各導(dǎo)水通道的影響，大氣降水、地表水、老(采)空水、地下水等充水水源主要通過露頭或地面裂隙滲入第四系松散潛水含水層，因此礦井涌水量與大氣降水及地表水體的水力聯(lián)系非常密切。

圖5 紅柳林煤礦煤炭產(chǎn)量與涌水量圖

圖6 紅柳林煤礦煤炭產(chǎn)量與噸煤富水系數(shù)圖

2.3 榆家梁煤礦

根據(jù)收集到的榆家梁煤礦礦坑涌水量數(shù)據(jù)，繪制2009年-2017年礦坑涌水量和煤炭開采量圖(圖7)以及噸煤富水系數(shù)和煤炭開采量圖(圖8)。由圖7和圖8可知，2009年-2017年涌水量平均為181.2萬 m3，富水系數(shù)平均為0.105 0 m3/t原煤。從整體上來看，礦井涌水量和噸煤富水系數(shù)及煤炭開采量均呈現(xiàn)減小的趨勢，但礦井涌水量與煤炭開采量的變化趨勢基本一致，同期噸煤富水系數(shù)持續(xù)減小。煤炭開采量與涌水量均在2014年之前呈現(xiàn)波動穩(wěn)定，而在2014年之后出現(xiàn)快速減少趨勢。分析這主要可能是由于煤礦開采一段時間后，隨著冒落帶中地層變形的發(fā)展及穩(wěn)定，導(dǎo)水裂隙帶擠壓變形趨于穩(wěn)定，同時導(dǎo)水裂隙帶受到碎石的堵塞滲透系數(shù)逐漸變小，礦坑涌水量減小的速率開始增大。

圖7 榆家梁煤礦煤炭產(chǎn)量與涌水量圖

圖8 榆家梁煤礦煤炭產(chǎn)量與噸煤富水系數(shù)圖

綜上所述，窟野河流域煤炭開采量與涌水量在時間尺度上的變化趨勢較為相似，具有一定的正相關(guān)性，而煤炭開采量與噸煤富水系數(shù)在時間尺度上的變化趨勢具有一定的差異性。初期由于地層中含水量大、冒落帶導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育，排水通道順暢，隨著煤炭開采量的增大，涌水量也呈現(xiàn)增大趨勢；而隨著煤炭開采的繼續(xù)，冒落帶中地層變形繼續(xù)發(fā)展，導(dǎo)水裂隙帶擠壓變形趨于穩(wěn)定，導(dǎo)水能力下降，此時礦坑涌水量出現(xiàn)衰減過程；之后，當(dāng)隨著冒落帶中地層變形的發(fā)展及穩(wěn)定，導(dǎo)水裂隙帶擠壓變形穩(wěn)定，礦坑涌水量處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時礦坑涌水量保持波動趨勢。

3 煤炭開采對水資源影響分區(qū)評價

3.1 分區(qū)方法研究

根據(jù)研究區(qū)煤層賦存情況和導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律，煤炭開采對水資源的影響可分為直接影響和間接影響[5]。在導(dǎo)水裂縫帶貫穿第四系潛水含水層的區(qū)域為直接影響區(qū)，含水層地下水將通過導(dǎo)水裂縫帶涌入礦井。在導(dǎo)水裂縫帶未貫穿第四系潛水含水層的區(qū)域為間接影響區(qū)，煤炭開采改變了地下水的動力條件，地下水主要以越流的形式滲入礦井。

在上述兩種分區(qū)方法的基礎(chǔ)上，參考張樹奎[6]對黃河流域中游頭潼區(qū)間煤炭開采對水資源量影響分區(qū)的研究，將裂隙帶發(fā)育高度是否貫穿至地表的結(jié)果[7]與礦井涌水量及噸煤富水系數(shù)的分布情況疊加得到研究區(qū)水資源影響分區(qū)圖，進而劃分煤礦開采對水資源的三種影響分區(qū)：破壞頂板含水層(承壓水)且富水性極弱(K<0.1)的區(qū)域(無影響區(qū))、破壞頂板含水層(承壓水)且富水性一般(K>0.1)區(qū)域(影響一般區(qū)、)破壞頂板薩拉烏蘇組含水層(潛水)區(qū)域(影響嚴(yán)重區(qū))。

3.2 分區(qū)結(jié)果及治理方案

通過對研究區(qū)潛水含水層厚度的統(tǒng)計分析，結(jié)合研究區(qū)煤層、含水層、隔水層的賦存狀況，根據(jù)上述三種分區(qū)依據(jù)，繪制窟野河流域煤礦主采區(qū)煤炭開采對水資源影響分區(qū)圖9。從圖中可以看到研究區(qū)煤炭開采對水資源的影響分區(qū)大部分為影響一般區(qū)，并且影響嚴(yán)重區(qū)不可忽視，需及早重點治理。具體的分區(qū)結(jié)果如下：

圖9 窟野河流域煤礦主采區(qū)煤炭開采對水資源影響分區(qū)圖

影響嚴(yán)重分布區(qū)情況：采煤導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至第四系薩拉烏蘇組含水層直達(dá)地表。影響嚴(yán)重區(qū)主要分布在窟野河流域中部地區(qū)。除榆家梁煤礦附近較為集中外，其他于流域中部零散分布著，主要位于溝谷地段斜坡區(qū)。煤層開采形成的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至地表，破壞頂板薩拉烏蘇組含水層，導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)的含水層中地下水將全部轉(zhuǎn)化為礦井水，屬于影響嚴(yán)重區(qū)。隨著開采的進行，第四系潛水位呈逐年下降趨勢，開采導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通第四系的局部區(qū)域內(nèi)會造成地表第四系井水及出露泉水枯竭或者斷流，無法維持生態(tài)環(huán)境功能，同時地表植被干旱性缺水衰敗甚至死亡，無法保證最大程度地保護物種多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的完整性，生態(tài)持續(xù)惡化，亟待采取完善的修復(fù)手段即刻進行重點修復(fù)。

影響一般區(qū)分布情況：影響一般區(qū)主要分布在窟野河中上游地區(qū)，并且占到了煤礦集中分布區(qū)的3/4以上。煤層埋藏較深，采煤導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育大多至上覆基巖中或上覆煤層底板?？咭昂恿饔?qū)严稁Оl(fā)育大多在100 m左右，而煤層埋深基本在200 m左右，使得煤炭開采對水資源造成的影響并非特別顯著。礦井內(nèi)富水系數(shù)大部分在0.1～0.6 m3/t區(qū)間，充水性偏弱，但在煤炭開采量較大的煤礦中，涌水量大多大于1 000 m3/d，對地下含水層的擾動較大，因此其對地下水資源的影響不可忽視。通過導(dǎo)水裂隙帶滲漏的水量也需考慮，可維持基本生態(tài)環(huán)境功能并且水資源短缺問題已有明顯改善，基本可保證區(qū)域內(nèi)用水安全，但物種多樣性和生態(tài)系統(tǒng)完整性仍需持續(xù)關(guān)注。影響一般區(qū)主要在煤炭集中分布區(qū)，包含大部分窟野河正在開采以及準(zhǔn)備開采的煤礦。為了保證區(qū)域內(nèi)用水安全及生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)未雨綢繆及早規(guī)劃，開發(fā)與修復(fù)共同進行。

無影響區(qū)分布情況：無影響區(qū)分布無明顯特征，且其分布較少，大部分位于主采礦區(qū)周邊。與影響一般區(qū)不同的地方是雖然其在上覆基巖中發(fā)育，但其隔水層分布穩(wěn)定，礦井內(nèi)富水性極弱，涌水量大多小于500 m3/d。生態(tài)環(huán)境功能可持續(xù)維持，并有一定應(yīng)對風(fēng)險的能力，生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善，物種多樣性得到保護，用水安全得到保障。但隨著開采的持續(xù)進行，導(dǎo)水裂隙帶的進一步發(fā)育，其很有可能會突破隔水層與第四系潛水連通，因此無影響區(qū)在未來也不一定安全，此區(qū)域內(nèi)應(yīng)對水資源變化和生態(tài)環(huán)境變化給與關(guān)注，需及早制定相應(yīng)的政策及方案來減緩或阻止導(dǎo)水裂隙帶的持續(xù)發(fā)育，保證區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)及水資源可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)語

綜上，煤炭資源開發(fā)既受到地表水、地下水水資源的影響，又影響到地表、地下水的水質(zhì)和水量，從而影響了水資源環(huán)境的平衡狀態(tài)。針對窟野河流域煤炭開采對水資源造成的影響，我們應(yīng)該從資源合理開發(fā)利用的整體要求出發(fā)，堅持量水而行、生態(tài)優(yōu)先、重點突出、空間均衡的分區(qū)水資源保護總原則[8-9]，加強煤炭資源開發(fā)中保護水資源環(huán)境的措施，開發(fā)與保護相結(jié)合，促進水資源的合理利用[10]。