陜北淺埋煤層開采地下水影響分析及保護對策

張小衛(wèi)，王明霞，劉玉龍，劉文輝

(1.中國地質(zhì)西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710054;2.陜西省地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710054)

研究區(qū)地層區(qū)劃屬鄂爾多斯盆地分區(qū)，主要地層有三疊系(T)和第四系(Q)。區(qū)內(nèi)地表大部分被第四系上更新統(tǒng)離石組(Q2l)及全新統(tǒng)(Q4)沖洪積層所覆蓋，三疊系瓦窯堡組第三段基巖沿溝零星出露。三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組(T3w)為全區(qū)內(nèi)含煤地層，含煤10～19層，其中可采煤層為3上號煤和2號煤，3上號煤層井田內(nèi)局部可采，厚度 0.31～0.45 m，底板標高970～1 000 m，總體向西北方向傾伏，埋深16～31 m，屬穩(wěn)定薄煤層，煤層傾角平均 1°～2°;2號煤層井田內(nèi)全區(qū)可采，距上部3上號煤 103 m，煤層厚度 0.33～0.6 m，底板標高850～920 m，為穩(wěn)定薄煤層。屬結(jié)構(gòu)簡單煤層，煤層傾角平均 1°～2°。

研究區(qū)構(gòu)造總體形態(tài)為一向西北方向緩傾伴有微波狀起伏的單斜構(gòu)造。未發(fā)現(xiàn)較大的斷裂及褶皺構(gòu)造，未見巖漿巖侵入，總體構(gòu)造簡單。

1 井田水文地質(zhì)條件

研究區(qū)井田地處陜北黃土高原中部，屬以黃土梁為主的黃土丘陵溝壑地貌。區(qū)內(nèi)溝谷縱橫，地形復(fù)雜，第四系松散沉積物廣布，基巖沿較大的溝谷出露。地下水的形成與分布受地質(zhì)、地貌、構(gòu)造及水文氣象諸因素的綜合控制。因該區(qū)地表坡降大，而廣泛分布的黃土透水性又差，所以大氣降水主要以地表徑流排泄，僅少量滲入補給地下水。

1.1 研究區(qū)含水層、隔水層

1.1.1 含水層

(1)第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)孔隙潛水，主要分布于豐富的川漫灘中，含水層巖性為粉細砂、砂礫卵石層，厚4～15 m，水位埋深2～12 m。

(2)第四系黃土孔隙潛水含水層，巖性為更新統(tǒng)離石黃土，主要分布于梁峁頂部及溝谷邊坡地段，巖性特征為灰黃色砂質(zhì)粘土，局部夾粘土層和鈣質(zhì)結(jié)核層。

(3)三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組風化裂隙潛水含水巖組，巖性為瓦窯堡組風化裂隙，主要分布于瓦窯堡組頂部，在井田內(nèi)局部溝谷底部有出露。

(4)三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組裂隙承壓含水巖組，位于兩層可采煤層頂面至基巖風化裂隙帶間，含水層厚度10～40 m。1.1.2 隔水層特征

區(qū)內(nèi)隔水層主要為靜樂組紅土及瓦窯堡組中的厚層泥巖。

1.2 地下水補給、徑流、排泄條件

礦區(qū)一帶地下水主要接受大氣降水補給，各含水層因所處地貌單元不同而各有差異。離石黃土層孔隙裂隙含水層大面積分布于梁峁地帶，大氣降水是唯一補給來源，地下水大部分自梁峁分水嶺處向溝谷方向徑流，以泉的形式滲出地表，部分向下滲透，補給下層地下水。新近系靜樂組紅土構(gòu)成該含水層的隔水底板。

三疊系瓦窯堡組裂隙承壓含水巖組的補給來源為區(qū)外的基巖裸露區(qū)接受大氣降水或潛水補給，總體從東向西順地層緩慢徑流，其富水性弱，徑流速度緩慢，向深部礦化度增高，水質(zhì)類型也由 HCO3·SO4—Na·Mg型轉(zhuǎn)化為 Cl—Na型。

2.3 地下水動態(tài)變化

地下水動態(tài)變化是含水層對環(huán)境施加的激勵所產(chǎn)生的［1］，礦區(qū)大氣降水補給地下水，基巖構(gòu)造裂隙在風化作用下擴大加深，為地下水提供賦存空間;淺層地下水補給條件好，水量較大，動態(tài)變化也大;深層地下水補給條件差，水量小，動態(tài)變化不明顯，地下水隨埋深增大礦化度逐漸升高，反映出地下水交替速度緩慢的特點。

2 水文地質(zhì)勘查類型及地下水環(huán)境關(guān)心點

2.1 水文地質(zhì)勘查類型

礦區(qū)井田位于向西北緩傾斜的單斜構(gòu)造內(nèi)，未見較大斷裂存在，構(gòu)造簡單，煤層直接充水含水層為上部裂隙承壓含水組，因裂隙不發(fā)育，徑流條件差，富水性弱(q＜0.01 l/s·m)。根據(jù)《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》(GB12719－9)及《煤、泥炭資源地質(zhì)勘查規(guī)范》中有關(guān)規(guī)定，整合區(qū)水文地質(zhì)勘探類型應(yīng)劃為二類一型，即以裂隙含水層充水為主的水文地質(zhì)條件簡單的礦床。

2.2 地下水環(huán)境關(guān)心點

井田及其周圍500 m范圍內(nèi)有22個自然村，各村有2～4眼水井，井深7～40 m，水源基本取自基巖頂部風化裂隙帶潛水，基巖頂部風化裂隙帶潛水為本區(qū)具有供水意義的含水層，其他含水層因水量小而且不穩(wěn)定基本不具供水意義。地下水保護目標為井田內(nèi)飲用水井。

3 煤炭開采對地下水影響分析

3.1 井田開采對含水層結(jié)構(gòu)的影響

3.1.1 井田含水層結(jié)構(gòu)

按照區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件，地下含水系統(tǒng)可分為潛水和承壓水含水巖組。

潛水含水巖組為第四系含水層和出露于地表的基巖孔隙裂隙含水層，其中第四系黃土含水層的隔水底板為新近系紅土。溝谷地段新近系紅土缺失，第四系沖洪積層潛水含水層無隔水底板，因此與下伏基巖風化裂隙潛水含水層水力聯(lián)系密切。

承壓水含水巖組賦存于三疊系地層中風化裂隙帶以下、頂部具有區(qū)域上相對連續(xù)的泥巖層的砂巖中，受上部泥巖的阻隔而具有承壓性質(zhì)。承壓含水層中的地下水在基巖出露部位接受大氣降水補給后，沿地層傾向方向順地層緩慢流動，通過煤礦礦井排泄或徑流流出。

3.1.2 導水裂隙帶高度預(yù)測

研究區(qū)煤層為近于水平的平緩單斜地層，傾向NW，傾角1°～2°。煤系地層由粉砂巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)泥巖及薄煤層等組成。上覆巖層屬于半堅硬巖石。

兩帶高度預(yù)測按半堅硬巖石公式計算［2］。計算公式為:1)垮落帶

式中:Hm為垮落帶高度，m;M為煤層采厚，m。

2)導水裂隙帶

式中:HLi為導水裂隙帶高度，m;M為煤層采厚，m。

3.1.3 保護層厚度

按《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》，在緩傾斜煤層、頂板巖性中硬、松散層底部粘土層厚度大于累計采厚時，保護層厚度為3A(A為煤層采厚)。防水煤巖柱為導水裂隙帶與保護層厚度之和。

通過計算采煤形成的導水裂隙帶高度，預(yù)測結(jié)果見表1和2。導水裂隙發(fā)育高度及其與含水層的關(guān)系見剖面示意圖1。

3.1.4 對含水層結(jié)構(gòu)的影響

1)對基巖含水層結(jié)構(gòu)的影響

煤層開采后，上覆巖層失去支撐，從而引起采空區(qū)頂板巖層的變形和塌陷，導致上部含水層結(jié)構(gòu)的破壞，使地層滲透性能大大增強。

研究區(qū)3上煤層分布于研究區(qū)西北部，由東向西煤層埋深逐漸增大，煤層到上部三疊系基巖頂面的距離約10～30 m，本區(qū)基巖頂部風化裂隙帶厚0～20 m，3上煤距風化裂隙帶的距離只有約0～10 m。根據(jù)導水裂隙帶高度計算結(jié)果，3上煤層導水裂隙帶最大高度為23.42 m，防水煤巖柱最大24.77 m。煤層開采后，導水裂隙帶均到達風化裂隙帶，局部可到達基巖頂面，因此，3上煤層開采后，其導水裂隙帶均導通風化裂隙帶，使該煤層以上基巖含水層結(jié)構(gòu)全部被破壞。

研究區(qū)2號煤層全井田分布，同樣由東向西煤層埋深逐漸增大。2號煤層上部含水層巖性為深灰色薄層粉砂巖，各層砂巖之間夾鈣質(zhì)泥巖、油頁巖等，為相對隔水層。2號煤層到三疊系基巖頂面的距離約35～125 m，到3上煤層的距離約100 m。

根據(jù)導水裂隙帶高度計算結(jié)果，2煤層導水裂隙帶最大高度為26.73 m，防水煤巖柱最大 28.83 m。煤層開采后，沿井田東南邊界向北約1 km范圍內(nèi)的導水裂隙帶可到達風化裂隙帶，與風化裂隙含水層溝通，再向北的地段則不溝通風化裂隙帶;同時由于2煤以上含水層巖性為粉砂巖，滲透性能較差，富水性弱，因此當導水裂隙帶與風化裂隙無直接接觸關(guān)系后，2號煤的開采對風化裂隙帶含水層的影響也較小。

表1 3上號煤層垮落帶及導水裂隙帶預(yù)測結(jié)果表 m

表2 2號煤層垮落帶及導水裂隙帶預(yù)測結(jié)果表 m

圖1 導水裂隙發(fā)育高度與含水層關(guān)系剖面圖

2)對第四系含水層的影響

研究區(qū)第四系沖洪積潛水含水層主要分布于豐富川河谷區(qū)，位于井田東部邊界附近(井田外)，受井田開采影響很小，其含水層結(jié)構(gòu)變化很小。

研究區(qū)內(nèi)第四系含水層主要是黃土含水層，全井田分布，但富水性弱，大部分地段為季節(jié)性含水。梁峁區(qū)黃土地層以下均有新近系紅土隔水層與基巖含水層相隔，紅土具有良好的隔水及韌性變形能力，由于3上、2煤層的導水裂隙帶僅在各煤層東南部埋藏較淺的地段可到達基巖頂部，受基巖風化裂隙及靜樂組紅土的阻隔，采煤形成的導水裂隙難以到達黃土地層，黃土地層發(fā)生變形、破裂的可能性很小，因此對黃土地層結(jié)構(gòu)及其富水性影響不大。

3.2 采煤對地下水水位的影響

3.2.1 對基巖含水層水位的影響

在煤炭開采過程中要對井下水進行疏干，在礦井長期疏干開采過程中，將會引起3上煤、2號煤頂板砂巖水位下降。

由導水裂隙帶預(yù)測結(jié)果，各煤層頂板以上導水裂隙帶影響范圍內(nèi)及其貫通的風化裂隙帶影響范圍內(nèi)基巖含水巖組中所賦存的地下水在其開采境界內(nèi)被基本疏干，水位降至各煤層底板，周圍地下水位下降。

水位下降影響范圍預(yù)測考慮水文計算的水位影響范圍與地層沉陷偏移外擴對水位影響的雙重因素，采煤引起開采境界周圍地下水位下降的范圍估算公式為:

式中:R為水文計算水位下降影響范圍，m;S為水位降深，m;K為滲透系數(shù)，m/d。

(2)r=H/tgβ

式中:r為沉陷影響半徑，m;H為導水裂隙帶影響高度，m。

根據(jù)研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)勘查報告，采空區(qū)上層瓦窯堡組含水層滲透系數(shù)為0.24 m/d，未開采區(qū)煤層以上基巖含水層分為受風化裂隙影響和未受風化裂隙影響兩種，未受影響區(qū)基巖含水層滲透性能較差，滲透系數(shù)取0.000 117 6 m/d，風化裂隙帶參照導水裂隙帶水文參數(shù)。

估算結(jié)果見表3。3上煤層開采后，引起瓦窯堡組基巖頂部風化裂隙帶含水層水位下降的范圍為從井田開采外邊界向外約160 m左右。2號煤層開采后，在井田中北部引起瓦窯堡組基巖含水層水位下降的范圍為從井田開采外邊界向外約20 m左右，影響范圍較小;當開采至井田內(nèi)距東南邊界約1 km范圍內(nèi)時，溝通到基巖風化裂隙帶，且該區(qū)域有原紅星煤礦采空區(qū)，地下水位下降的范圍從井田開采外邊界向外 300 m左右。

表3 采煤引起開采境界周圍地下水位下降的范圍估算表

以上僅為理論計算值，且計算參數(shù)均為區(qū)域類比值，考慮地質(zhì)條件的復(fù)雜性和礦井水長期疏排的影響，具體影響范圍會與計算值有一定誤差。

研究區(qū)礦井服務(wù)期滿后，不再進行礦井疏干排水，開采煤層以上含水層水位會逐漸恢復(fù)。

3.2.2 對第四系含水層水位的影響

第四系含水層接受大氣降水補給，在溝谷紅土缺失地段與下伏瓦窯堡組含水層之間水力聯(lián)系緊密，其水位變化情況與基巖風化裂隙帶含水層水位變化基本一致。梁峁區(qū)受新近系紅土的阻隔，與瓦窯堡組含水層之間基本無水力聯(lián)系，其水位變化主要受降雨及地形的控制，為季節(jié)性含水，水位變化受開采影響較小。

3.3 采煤對地下水資源的影響

3.3.1 礦井充水因素影響分析

根據(jù)研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)勘查報告，礦井充水因素有以下幾個方面:

(1)大氣降水:因研究區(qū)地表坡降大、透水性差，少量補給地下。

(2)地表水:區(qū)內(nèi)地表水體均為季節(jié)性河流，在按要求留夠井田邊界煤柱后，不會成為礦坑的直接充水水源。

(3)地下水:區(qū)內(nèi)地下水極不豐富，煤系地層含水層是煤層的直接充水含水層。煤層開采后，研究區(qū)北部3上煤層開采區(qū)和南部2號煤層淺埋區(qū)的導水裂隙帶與風化裂隙潛水溝通，使該兩區(qū)域風化裂隙潛水成為礦井的直接充水水源。

(4)老窯水:區(qū)內(nèi)煤層埋藏淺，報廢的小窯多，小窯采空區(qū)積水可能造成礦井突水。

3.3.2 開采前后的資源量變化

根據(jù)研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)勘查報告，研究區(qū)礦井正常涌水量為64 m3/d，即2.3×104m3/a。通過人工排出，造成區(qū)域地下水資源的損失。

3.4 采煤對地下水水質(zhì)影響分析

煤礦開采過程中，對采煤影響到的地下水是疏干過程，不會影響開采境界外地下水水質(zhì)。開采境界內(nèi)由于含水層水動力條件的變化，水交替速度加快，溶解巖石中化學成分的時間縮短，可能使地下水礦化度有所降低，并與周圍介質(zhì)化學元素之間產(chǎn)生新的平衡，礦井水中各離子含量比例發(fā)生輕微變化。

3.5 對地下水環(huán)境關(guān)心點的影響分析

研究區(qū)各村莊的飲用水供水含水層是基巖頂部風化裂隙帶含水層，根據(jù)前面的分析，研究區(qū)煤礦開采時對開采區(qū)及其周圍300 m范圍內(nèi)的風化裂隙含水層有影響，當采煤進行到各村莊附近約300 m范圍內(nèi)時，會引起村莊飲用水井的水位下降甚至疏干。嚴重時會使受影響居民沒水吃。

4 地下水資源保護措施

4.1 地下水資源保護

將礦井涌水資源化利用，減少或者不外排是保護地下水資源的重要措施。如將處理后的礦井水回用于礦井井下防塵、消防灑水、地面場地、道路灑水及綠化用水等。

4.2 居民生活用水保障措施

由于研究區(qū)采煤進行到各村莊附近約300 m范圍內(nèi)時，會引起村莊水井水位下降甚至疏干。根據(jù)當?shù)貙嶋H情況，本文提出以下居民生活用水保障措施。

4.2.1 留設(shè)保護煤柱

由于采煤對地下水位的影響范圍約為300 m，因此在受影響村莊外圍(尤其是取水井周圍)留設(shè)500 m的保護煤柱，可有效減輕或避免村莊居民用水受到影響。

4.2.2 在井田范圍內(nèi)，建立地下水水位觀測系統(tǒng)

在井田范圍內(nèi)具有供水意義的水井布設(shè)地下水長期監(jiān)測點，進行地下水動態(tài)觀測，研究其變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)問題及時解決。

4.2.3 制定用水預(yù)案

用水預(yù)案是解決研究區(qū)受影響居民飲水安全的有力保障措施，在煤炭開采過程中一旦出現(xiàn)居民飲水受影響情況，應(yīng)及時啟動用水預(yù)案，保證受影響居民用水安全。

5 結(jié)語

地下水是我國非常重要的水源，在保障飲水安全，社會用水安全及社會發(fā)展中起到非常重要的作用。煤炭開發(fā)不可避免的會對煤礦區(qū)地下水資源產(chǎn)生影響，尤其是淺埋煤層開采導水裂隙帶大多數(shù)會導通煤層上部的含水層，破壞含水層結(jié)構(gòu)。而這些含水層大多為煤礦區(qū)井田內(nèi)村莊的地下水飲用水水源，具有供水意義，因此對煤礦區(qū)煤炭開發(fā)進行了地下水環(huán)境影響評價，并采取相應(yīng)的污染防治措施。對保護煤礦區(qū)地下水資源，保障煤礦區(qū)內(nèi)居民飲水安全具有十分重要的意義。

［1］王大純，張人權(quán)，史毅虹等.水文地質(zhì)學基礎(chǔ).地質(zhì)出版社.

［2］建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)和壓煤開采規(guī)程.煤炭工業(yè)出版社.