淺埋煤層開采對地下水資源影響分析

周 勇，蔣澤泉

淺埋煤層開采對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，遼寧 鐵嶺 112000；2.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，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)

為研究煤層開采對地下水資源循環(huán)的影響，本文采用實測值擬合了導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度計算公式，并以此為基礎(chǔ)分析研究了紅柳林煤礦開采對水資源影響分區(qū)。結(jié)果表明本次研究提出的公式更好地擬合了榆神礦區(qū)實測導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度；紅柳林煤礦開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)此煤層開采對紅柳林煤礦地下水資源的影響可以分為4個區(qū)，失水區(qū)主要集中在礦區(qū)南部。紅柳林煤礦開采南部資源時必須重視對地下水資源的保護(hù)，實行保水采煤。

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厚的優(yōu)勢，同時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，煤層開采形成的導(dǎo)水裂隙對水資源的影響始終是煤層資源大規(guī)模開發(fā)的瓶頸。針對這一問題，范立民等[1-5]從上世紀(jì)90年代開始呼吁在陜北地區(qū)煤層開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)開展保水采煤隔水層穩(wěn)定性研究的基礎(chǔ)。李濤等[7]通過三軸伺服儀研究了離石黃土和紅土在加載和卸載過程中滲透系數(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，并通過建立現(xiàn)場實驗厘定了沙柳對礦區(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)。錢鳴高[11]提出了煤炭科學(xué)開采的技術(shù)體系，并推動了西北煤炭資源科學(xué)開發(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)工作面過溝條件下保水開采分區(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)實踐。

陜北生態(tài)脆弱礦區(qū)煤層資源開采和水資源保護(hù)的研究始終是各行業(yè)研究的熱點，由于地質(zhì)條件變異性大，很難將統(tǒng)一成果類比推廣使用，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，針對性地進(jìn)行分析研究才有益于指導(dǎo)工程實踐。本文采用紅柳林井田地質(zhì)勘探成果，分析研究了本區(qū)煤層開采對地下水資源的影響，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)境問題。井田水循環(huán)途徑見圖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，這也被眾多研究所證實。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，包括實測數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬結(jié)果、相似模型試驗結(jié)果等。對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析后，得到神南礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測公式：

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，頂面沒有突破上層煤導(dǎo)水裂隙帶頂面。因此，從上到下由2號煤到5號煤組成的可采盤區(qū)，對地表造成較大影響的煤層為2-2號煤，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)育高度來確定，即54.2 m。而在上層煤為4-3或4-4號煤分布的地區(qū)，對地表潛水造成較大影響的為下伏厚煤層5-2號煤，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 煤層開采水資源影響分區(qū)

3.1 影響因素及量化

決定煤炭開采對水資源影響的因素眾多，通過分析已有研究成果，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采對水資源影響分區(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個鉆孔數(shù)據(jù)統(tǒng)計了煤層厚度，按一次采全高計采厚，根據(jù)公式(1)計算了裂隙帶發(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 采動對水資源影響分區(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)，將煤層回采后對潛水資源影響分為有影響區(qū)和無影響區(qū)2個分區(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)，將前述各項因素量化圖進(jìn)行疊加分析，得采動對水資源影響分區(qū)見圖6。由圖可知，井田內(nèi)大部分區(qū)域?qū)儆陂_采對地下水無影響區(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區(qū)的15201-15207工作面的開采有一定影響。

4 保水開采措施

在上述地下水影響區(qū)，為了防止煤層開采過程中地下水大量漏失而導(dǎo)致嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題，必須采取一定的保水開采措施，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，另一個部分為火燒區(qū)的水平煤巖柱。通過預(yù)留水平煤柱，盡最大可能保護(hù)突水危險大的區(qū)域隔水層，實現(xiàn)保水開采。對于礦區(qū)內(nèi)無水火燒區(qū)，應(yīng)按照規(guī)范要求，煤柱留設(shè)以20 m為宜。

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

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

5 結(jié)語

(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)通過實測導(dǎo)水裂隙帶高度、模型預(yù)測高度等數(shù)值擬合的經(jīng)驗公式，更加適應(yīng)于榆神礦區(qū)的地質(zhì)特征，可以用來進(jìn)行簡易分析計算。

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

[1]范立民. 論保水采煤問題[J]. 煤田地質(zhì)與勘探.2005.33(5)：50-53.

[2]范立民. 保水采煤的科學(xué)內(nèi)涵[J]. 煤炭學(xué)報.2017.42(1)：27-35.

[3]范立民，馬雄德，冀瑞君. 西部生態(tài)脆弱礦區(qū)保水采煤研究與實踐進(jìn)展[J]. 煤炭學(xué)報.2015.40(8)：1711-1717.

[4]孫亞軍，張夢飛，高尚，等. 典型高強度開采礦區(qū)保水采煤關(guān)鍵技術(shù)與實踐[J]. 煤炭學(xué)報.2017.42(1)：56-65.

[5]范立民，馬雄德，蔣輝，等.西部生態(tài)脆弱礦區(qū)礦井突水潰沙危險性分區(qū)[J]. 煤炭學(xué)報.2016.41(3)：531-536.

[6]李文平，葉貴鈞，張萊，等. 陜北榆神府礦區(qū)保水采煤工程地質(zhì)條件研究[J]. 煤炭學(xué)報.2000.25(5)：449-454.

[7]李濤，李文平，常金源，等.陜北淺埋煤層開采隔水土層滲透性變化特征[J]. 采礦與安全工程學(xué)報.2011.28(1)：127-131.

[8]馬雄德，范立民，張曉團，等. 榆神府礦區(qū)水體濕地演化驅(qū)動力分析[J]. 煤炭學(xué)報.2015.40(5)：1126-1133.

[9]馬雄德，范立民，嚴(yán)戈，等. 植被對礦區(qū)地下水位變化響應(yīng)研究[J]. 煤炭學(xué)報.2017.42(1)： 44-49.

[10]黃慶享.淺埋煤層覆巖隔水性與保水開采分類[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報.2010.29(2)：3622-3627.

[11]錢鳴高.煤炭的科學(xué)開采[J]. 煤炭學(xué)報.2010.35(4)：529-534.

[12]李果. 注漿截流封堵技術(shù)在治理礦井潰水中的應(yīng)用[J]. 地下水. 2014.36(2)：77-78.

[13]蔣澤泉，雷少毅，曹虎生，等. 沙漠產(chǎn)流區(qū)工作面過溝開采保水技術(shù)[J]. 煤炭學(xué)報.2017.42(1)：73-79.

2017-05-11

周勇(1964-)，男，遼寧鐵嶺人，高級工程師，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