唐山市南湖采煤沉陷區(qū)蓄水安全分析與評估

高懷軍

(天津大學管理與經(jīng)濟學部，天津 300072)

唐山市南湖采煤沉陷區(qū)蓄水安全分析與評估

高懷軍

(天津大學管理與經(jīng)濟學部，天津 300072)

唐山南湖采煤沉陷區(qū)蓄水的安全問題，涉及到湖泊景觀的保持和唐山礦井下的安全生產(chǎn)?；谀虾擅撼料輩^(qū)的地質(zhì)采礦條件，通過計算煤層采后的采動裂縫發(fā)育高度，探討采動裂縫導通地表水的可能性，分析急傾斜煤層露頭局部抽冒對地表水的影響，觀測近年來地表水與各含水層的水位變化，提取水樣檢測地表水與地下水的水質(zhì)相關性，統(tǒng)計分析地表水與井下涌水量變化之間的關系。研究結(jié)果表明：唐山市南湖蓄水區(qū)域下有厚40～50 m的沖積層隔水層，由粘土、砂質(zhì)粘土組成，隔水性能好，對積水下滲起到阻礙作用；煤層開采引起采動裂隙不會到達沖積層而坡壞沖積層內(nèi)隔水層的隔水性，局部抽冒不會造成地表水直接進入井下；地表水與地下水的水位、水質(zhì)、水量相關性分析，進一步表明地表水與井下涌水不存在直接水力聯(lián)系。因此，唐山市南湖采煤沉陷區(qū)蓄水是安全可行的。

采煤沉陷 蓄水安全 水力聯(lián)系 隔水層

煤炭工業(yè)的發(fā)展為國民經(jīng)濟提供了重要的能源基礎，同時煤炭資源的開采也形成了大規(guī)模的采煤沉陷區(qū)[1]，針對沉陷區(qū)的治理，我國學者提出了多種辦法與思路，特別是沉陷區(qū)蓄水可行性及水資源綜合利用的研究展開了廣泛討論[2-7]。

唐山市是我國采煤造成嚴重破壞的礦業(yè)城市之一，100多a的煤炭開采，在市區(qū)南部形成了一個30 km2的采煤沉陷區(qū)[8]。2007年以來，唐山在采煤沉陷區(qū)上建成了南湖城市中央生態(tài)公園。該區(qū)域建設在安全上備受社會關注，特別是對蓄水安全問題更為關注，涉及到地表湖泊景觀的保持及地表水系對唐山礦井下是否存在威脅等問題。以唐山南湖為例，探討蓄水區(qū)域的地質(zhì)采礦條件，分析地表水滲水通道及地表水與地下水之間的水力聯(lián)系，對采煤沉陷區(qū)蓄水安全性進行分析與評估，為南湖蓄水提供安全保障。

1 南湖采煤沉陷區(qū)概況

煤炭開采引起的地表沉陷，是指采空區(qū)面積擴大到一定范圍后，巖層移動發(fā)展到地表，使地表產(chǎn)生沉陷。由于百年開采地下煤炭資源和1976年唐山大地震，在位于唐山市中心以南約700 m處形成了面積約30 km2的南湖采煤沉陷區(qū)，自2007年起唐山市開始在南湖采煤沉陷區(qū)的基礎上開發(fā)建設城市中央生態(tài)公園，2008年11月在2005年航測資料的基礎上，對現(xiàn)有的湖面范圍和水面標高進行了實測，測量湖區(qū)總面積為3 809 078 m2。其中唐胥路以北區(qū)域蓄水面積為1 357 759 m2；唐胥路以南區(qū)域蓄水2 451 320 m2。

南湖采煤沉陷區(qū)以唐胥路為界，道路以北有桃花潭湖(原2號坑)、龍泉灣湖(原6號坑)，以南有攬月塘、回日潭、牽風浦、青龍澤湖(原7、9、8、10號坑)，見圖1。原有塌陷坑的形成是由井下開采造成的，井下煤層開采和地質(zhì)構(gòu)造是密不可分的。

圖1 現(xiàn)狀湖面與早期塌陷坑關系

2 區(qū)域地質(zhì)條件

2.1 地 層

研究區(qū)位于開平煤田西北翼西南端，開平煤田地層屬華北型沉積。煤田中古生界地層廣泛分布，上部石炭-二疊系為含煤巖系，各系統(tǒng)間多以整合或假整合接觸。含煤地層大多為第四系黃土覆蓋，但也有零星出露。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)域地層走向為NE-SW，主要構(gòu)造絕大部分平行于地層走向，構(gòu)造極為復雜，由北向南依次排列著FⅠ、FⅡ、FⅢ、FⅣ、FⅤ號等主斷層，其斷層走向與地層走向基本平行。其中南部邊界斷層FⅤ號規(guī)模最大。褶皺構(gòu)造發(fā)育，除東部發(fā)育的FⅢ號斷層以南的主向、背斜外，向西部還發(fā)育有嶺子傾伏背斜等一系列褶曲構(gòu)造。地面沉陷區(qū)的大小、范圍和地質(zhì)構(gòu)造在空間上有著密切聯(lián)系，從區(qū)域構(gòu)造看2號坑、6號坑位于Ⅰ、Ⅲ斷層在基巖出露位置之間，7、9、8、10號坑位于Ⅲ斷層在基巖出露位置以南。

2.3 水文地質(zhì)條件

根據(jù)歷次勘探所獲水文地質(zhì)成果，研究區(qū)奧陶系灰?guī)r含水層(Ⅰ含水層)、12-14煤層間含水層(Ⅲ含水層)、A層鋁土質(zhì)泥巖-5煤層含水層(Ⅴ含水層)、第四系沖積層(Ⅶ含水層)為主要含水層，14煤層-G層鋁土質(zhì)泥巖含水層(Ⅱ含水層)、14煤層-G層鋁土質(zhì)泥巖含水層(Ⅱ含水層)、基巖面-A層鋁質(zhì)泥巖含水層(Ⅵ含水層)為次要含水層，其中，Ⅲ含水層和Ⅴ含水層為直接充水含水層，Ⅰ含水層和Ⅶ含水層為間接充水含水層即水源含水層。

區(qū)內(nèi)的主要隔水層為沖擊層內(nèi)隔水層共3層：第1隔水層為5～15 m的厚粘土和砂質(zhì)粘土，第2隔水層為15～30 m厚的粘土層和亞粘土層，第3隔水層5～15 m的粘土層和亞粘土層組成。研究區(qū)全部被沖積層覆蓋，由東北到西南逐漸增厚，隔水層3層總厚度約40～50 m，巖性為粘土、亞粘土、砂質(zhì)粘土，粘土遇水膨脹性很強，隔水性能好。

3 蓄水區(qū)域開采情況

南湖生態(tài)城蓄水區(qū)域以唐胥路為界，唐胥路以北蓄水區(qū)域下方主要以開采急傾斜煤層為主，煤層傾角50°～90°，該區(qū)域唐山礦在上世紀30年代已基本采完，近年來在該區(qū)域有采掘活動的主要是劉莊煤礦復采唐山礦5水平(-240 m)以上5、8、9、12煤層，上限開采標高為-76.0 m，下限開采標高-240 m；該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復雜，沖積層厚102～178 m，平均140 m，開采后地表形成了2、5、6號塌陷積水坑，根據(jù)唐山市政府有關文件，劉莊煤礦于2008年5月停產(chǎn)關井，該區(qū)域不再有采掘活動。

唐胥路以南蓄水區(qū)域主要以開采緩傾斜和傾斜煤層為主，煤層傾角為9°～30°，該區(qū)域全部為唐山礦開采區(qū)域，主要回采5煤層、8、9合層和12煤層，各煤層層間距為5煤層與8、9煤層間距約30 m左右，8、9合層與12煤層間距約15 m左右。該地質(zhì)構(gòu)造相對簡單，并且沖積層厚度為178～274 m，平均226 m，開采后地表形成了7、8、9、10號塌陷積水坑。

4 蓄水安全分析與評估

分析南湖采煤沉陷區(qū)蓄水的安全性，主要從地表水滲透通道、地表水與各含水層水位變化、地表水與井下水水質(zhì)相關性、井下礦井涌水量等方面分析，探討井下煤層開采后的導水裂縫帶溝通地表水的可能性，研究地表水與各含水層及井下涌水之間的關系，進而評估南湖蓄水的安全性。

4.1 地表水滲透通道分析

煤層開采后，一般上覆巖層形成垮落帶、斷裂帶、彎曲帶。在垮落帶，巖層被斷裂成塊狀，巖塊間存在較大孔隙和裂縫。在斷裂帶，巖層產(chǎn)生斷裂、離層、裂縫，巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞。在彎曲率，巖層基本上呈整體下沉，但軟硬巖層間可形成暫時性離層，其巖體結(jié)構(gòu)破壞輕微[9]。導水裂縫帶高度(垮落帶和斷裂帶的總稱)波及地表水體或與地表水體之間無有效的隔水層時，將導致地表水體潰入井下造成安全事故。

參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》[10]，選取導水裂縫帶高度計算公式如下。

對傾斜和緩傾斜煤層：

(1)

對于急傾斜煤層：

(2)

式中，Hli為導水裂縫帶高度，m；M為煤層法向采厚，m；h為回采階段垂高，m。

(1)唐胥路以北蓄水區(qū)域急傾斜煤層導水裂縫帶高度計算。由于急傾斜各煤層開采上限一樣，其導水裂縫帶發(fā)育高度以開采厚度最大的12煤層計算，回采階段垂高按15m考慮，計算導水裂縫帶高度為37.0m。該區(qū)域第四系沖積層厚度為102～178m，平均140m。本區(qū)域在急傾斜煤層露頭地段開采均留設沖積層防水煤柱，因此，在這種情況下導水裂縫帶高度不會到達沖積層而坡壞沖積層內(nèi)隔水層的隔水性，所以地表水在正常開采條件下不會通過采動裂隙進入井下，而造成淹井事故。

2006年以前急傾斜煤層開采大部分采用落垛式采煤方法，工藝落后，特別在急傾斜煤層露頭處易發(fā)生抽冒，波及沖積層底部卵石含水層，導致井下涌水量增加，但基巖內(nèi)部的導水裂隙會及時被上部冒落物質(zhì)充填，沖積層內(nèi)部的隔水層塑性極強，會自行修復，雖然短時間會有滲漏，增加井下涌水量，但仍可阻止地表水直接進入井下，這種情況在透沖積層事故中得到了驗證。另根據(jù)唐山市有關文件，今后在唐胥路以北區(qū)域不會再有采掘活動。因此，該蓄水區(qū)域地表逐漸進入穩(wěn)定狀態(tài)，急傾斜煤層露頭處發(fā)生抽冒透沖積層的情況可能性較小。

(2)唐胥路以南蓄水區(qū)域緩傾斜和傾斜煤層導水裂縫高度計算。唐胥路以南蓄水區(qū)域5煤層開采厚度約2.5m左右，其導水裂縫帶高度為41.6m。8、9合層開采厚度約為11m，其導水裂縫帶高度為76.3m，5煤導水裂縫帶完全在其范圍內(nèi)，因而導水裂縫帶高度按5、8、9煤綜合開采厚度計算，為安全起見，綜合開采厚度按13.5m，則導水裂縫帶高度為84.0m。12煤層采厚2.3m，導水裂縫帶發(fā)育高度11.7m。

因此，唐胥路以南蓄水區(qū)域煤層開采的導水裂縫帶發(fā)育高度位于8煤層頂板上方84.0m，即5煤頂板上方54m，蓄水區(qū)域第四系沖積層厚度在178～274m，平均厚度為226m，該區(qū)域5煤層最小采深為465m，上覆完整基巖最小厚度(465-274-54)=137m，因此該區(qū)域煤層開采引起的導水裂縫帶與地表水之間第四系沖積層內(nèi)的隔水層未被破壞，所以地表水不會通過采動裂隙進入井下。

4.2 地表水與各含水層水位變化情況

從近30 a的地表各個含水層的觀測資料來看，5煤層頂板含水層(Ⅴ含水層)、12-14煤層含水層(Ⅲ含水層)、沖積層(Ⅶ含水層)和奧灰(Ⅰ含水層)水位均呈下降趨勢，見圖2。水位下降的主要原因為5煤層頂板含水層和12-14煤層含水層直接受采掘活動的影響，而奧灰水和沖積層水是煤系含水層的間接補給水源，其水位下降跟多年來地下水的不斷開采有關系。

圖2 歷年各含水層水位統(tǒng)計

而同期地表水位并未隨之下降，仍形成了大量的塌陷積水坑，根據(jù)唐山礦從2008年初到現(xiàn)在對南湖水位持續(xù)進行觀測，上述水位沒有下降反而有所上升(2009年10月與2008年10月相比)，見圖3，這種現(xiàn)象表明南湖水位和大氣降水密切相關，隨季節(jié)變化，而塌陷坑水與各含水層水位之間不存在直接的水力聯(lián)系。

圖3 各塌陷坑水位變化

4.3 地表水及井下水水質(zhì)相關性分析

為分析地表水與各含水層及井下水之間的水質(zhì)相關性，在不同地點分別提取水樣進行水質(zhì)檢測，分析結(jié)果見表1。

由表1可知，地表水與井下水陰陽離子的含量明顯不同，地表水鈉離子和氯離子明顯偏高。5、6號坑水質(zhì)與2號坑水質(zhì)有所差異，主要是因為5、6號坑接受唐山礦老風井排水，其來源為井下水與地表水混合而成。通過對比分析可以看出：本區(qū)域煤系地層水與奧灰水水質(zhì)類型相似，硬度較高，水質(zhì)類型為硫酸重碳酸鈣鎂型。綜合各種水質(zhì)分析資料，2、5、6塌陷坑蓄水與井下涌水的水質(zhì)相關性方面沒有直接關系。

表1 水質(zhì)分析

4.4 地表水及礦井水量相關性分析

從唐山礦歷年水量情況分析(見圖4)，地表水與井下采掘活動關系不大，井下水量的變化主要與采掘范圍和煤系地層含水性有關，圖4中2個明顯的高峰是緣于1969年渤海地震和1976年的唐山大地震，破壞了煤系地層含水層的原始狀態(tài)，致使礦井涌水量有較大增長，1978年以后的30多a的時間里，礦井水量一直保持穩(wěn)定，并呈逐年下降趨勢。2008年5月份以后，礦井涌水量又有所增加，增加的主要原因是劉莊煤礦關閉，停止排水，劉莊煤礦涌水流入唐山礦所致。而同期地表塌陷坑水位沒有下降，只是隨季節(jié)變化而變化。

綜上，通過對地表水水位、含水層水位、水質(zhì)對比、水量變化綜合分析，南湖蓄水區(qū)域下方因有厚約40～50 m厚粘土隔水層的隔水作用，使得地表水與井下涌水不存在直接水力聯(lián)系。

5 結(jié) 論

(1)唐山市南湖蓄水區(qū)域下方具有3層良好的粘土隔水層，且遇水膨脹性極強，對積水下滲起到阻礙作用。煤層開采引起采動裂隙和局部抽冒都不會造成地表水直接進入井下，也不會成為導水通道。

圖4 歷年礦井涌水量與時間歷時曲線

(2)通過對水量變化、水質(zhì)對比、含水層水位、地表水水位綜合分析，地表水與井下涌水不存在直接水力聯(lián)系。

(3)南湖采煤沉陷區(qū)蓄水與井下的安全生產(chǎn)基本上沒有關系，可以保持其景觀性，蓄水是安全可行的。

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(責任編輯 徐志宏)

Analysis and Evaluation of Water Conservancy Security in Nanhu Mining Subsidence Lands of Tangshan

Gao Huaijun

(College of Management and Economics，Tianjin University，300072 Tianjin，China)

Water conservancy security in Nanhu mining subsidence land refers to the conservation of lake landscape and downhole production security in Tangshan Mine.According to the geological and mining conditions，the development level of mining-induced fissure is figured out to find the possibility of surface water conduction by the fissure.In addition，the influence of the local caving of steep outcrops on the surface water is analyzed.Besides，it conducts the correlation analysis of water quality between the surface water and the ground water after monitoring the variation of water level.And the variation relationship between downhole water inflow and surface water is also analyzed.The study reveals that there is an alluvium water-resisting layer of about 40～50 m in thickness under Nanhu water storage area，which is composed of clay and sandy clay.With better water resistance，it can prevent the water infiltration in water storage area.What is more，the mining-induced fissure will not extend to the alluvium so that the water resistance will not affected，thus mining-induced fissure and local caving caused by mining will not make surface water sink directly into the down hole.And the correlation analysis among the level，quality and amount of water shows that the surface water has no direct hydraulic connection with water inflow and therefore it is feasible to conserve water in Nanhu mining subsidence lands.

Mining subsidence，Water conservancy security，Hydraulic connection，Aquiclude

2014-07-04

高懷軍(1969—)男，博士研究生。

X936

A

1001-1250(2014)-11-156-05