煤礦開采對洪山泉域的影響

盧麗娜

（山西水資源研究所有限公司，山西 太原 030001）

1 洪山泉域概況

洪山泉是著名的歷史名泉，出露于晉中介休市東約10 km 的洪山鎮(zhèn)狐岐山腳下，泉口標(biāo)高916 m，高出太原盆地180 m。洪山泉是大氣降水從泉域南部山區(qū)入滲，形成的地下水向北部運(yùn)移，受到東西向斷層北盤的石炭、二疊系隔水地層阻擋，在介休市東南方向的洪山鎮(zhèn)溢流地表而形成的泉水，屬斷層溢流泉，泉水大部分分布在0～1 000 m 內(nèi)，由小池泉、七里泉、源神池泉、黑虎泉（四眼泉統(tǒng)稱為神泉）及槐柳泉等組成，形成集中排泄的泉群。洪山泉排泄區(qū)平面分布見圖1。

圖1 洪山泉排泄區(qū)平面分布圖

洪山泉域總面積為632km2，重點(diǎn)保護(hù)區(qū)面積50km2。泉域跨晉中市和長治市，其中晉中市包括介休市和平遙縣，面積308 km2，長治市包括沁源縣，面積324 km2。洪山泉泉域面積在全省19 個巖溶大泉中屬面積較小的泉，泉域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、補(bǔ)給少，水生態(tài)極其脆弱。建國初期，洪山泉實(shí)測泉水流量1.28 m3/s，1954 年建立水文站開始定期測流，1966—1973 年停止流量觀察，1974 年恢復(fù)測流，資料一直連續(xù)至今，通過泉流量資料的插補(bǔ)，得到1955—2018 年洪山泉流量及年際變化曲線。洪山泉流量變化曲線見圖2，洪山泉流量與降水量動態(tài)變化關(guān)系見圖3。

圖2 洪山泉流量變化曲線圖

圖3 洪山泉流量與降水量動態(tài)變化相關(guān)曲線圖

從圖2、圖3 可以看出，洪山泉流量的變化過程可以分為五個階段：

第一階段為1955—1970 年：泉水平均流量為1.45 m3/s，流量變化呈波狀起伏、峰谷交替狀態(tài)，反映出大氣降水周期性變化的特點(diǎn)，此階段主要受自然因素影響。

第二階段為1971—1995 年：泉水平均流量為1.02 m3/s，泉水流量變化整體呈動態(tài)下降的趨勢，峰谷變幅逐漸減小，說明此階段泉水流量的變化主要受人類活動影響。

第三階段為1996—2003 年：泉水平均流量為0.57 m3/s，泉水流量直線下降，流量變化整體呈衰減的趨勢，由圖3 可以看出，此階段泉流量變化與大氣降水呈負(fù)相關(guān)，說明自然因素不是造成泉流量衰減的主要影響因素，人為因素占主導(dǎo)原因，且影響越來越大，到2003 年，洪山泉流量已降至0.142 m3/s。

第四階段為2004—2008 年：泉水平均流量為0.22 m3/s，泉水流量變化趨勢有所回升，但仍處于較低波動水平，由此可以看出，人類活動對泉流量有著直接的影響。

第五階段2009—2018 年：泉流量變化整體仍呈衰減趨勢，說明人類活動對泉水流量的影響進(jìn)一步加劇。

從五個階段所計(jì)算的洪山泉流量衰減率也可以看出，1996—2003 年間、2009—2018 年間泉流量急劇衰減，衰減率分別達(dá)到10.54%、9.57%，巖溶水過量開采及煤礦生產(chǎn)等人類活動對洪山泉影響巨大。2010 年5 月，泉流量已經(jīng)下降到0.04 m3/s；2016—2017 年間，泉水最大流量0.008 m3/s，并出現(xiàn)間歇性斷流現(xiàn)象。洪山泉域不同時期（階段）泉流量衰減率統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 洪山泉域不同時期（階段）泉流量衰減率統(tǒng)計(jì)表

2 泉域地質(zhì)與煤礦帶壓開采區(qū)地質(zhì)

2.1 泉域構(gòu)造及水文地質(zhì)條件

2.1.1 地層及構(gòu)造

洪山泉域的地層由老到新為：前震旦系（Ar）、震旦系（Z）、寒武系（∈）、奧陶系（O）、石炭系（C）、二疊系（P）、三疊系（T）、第三系（Q3）、第四系（Q4）。

洪山泉域水文地質(zhì)條件復(fù)雜，泉域內(nèi)斷裂構(gòu)造、褶曲構(gòu)造發(fā)育。斷裂構(gòu)造主要有NE 向和NW ～NNW向斷裂，前者為晉中新裂陷的東邊山斷裂，后者除介西斷層等大斷裂外，境內(nèi)多為派生斷裂；區(qū)內(nèi)主要發(fā)育軸向?yàn)镹EE 和NNW 向的兩組褶曲，前者位于泉域西部，后者位于泉域北部邊緣，并組成向SE 收斂的弧形構(gòu)造。

2.1.2 地下含水層

洪山泉域主要含水層有：（1）奧陶系碳酸鹽巖巖溶含水巖組主要由石灰?guī)r、白云巖等組成，接受補(bǔ)給條件好，屬富水性極強(qiáng)的含水層；（2）太原組碎屑巖夾磷酸鹽巖巖溶巖組主要由K2、K2上、K3、K4灰?guī)r組成，由于埋藏較深，厚度薄，巖溶裂隙不甚發(fā)育，接受補(bǔ)給條件較差，為富水性較弱含水層；（3）碎屑巖類裂隙含水巖組主要由山西組及石盒子組砂巖裂隙含水層組成，分布在東南及東部山區(qū)，巖性主要為紫紅色砂質(zhì)泥巖和灰黃色、灰紅色細(xì)砂巖以及灰黃、灰紅色帶灰綠色長石砂巖；紫灰色砂質(zhì)泥巖、泥巖；（4）第四系中上更新統(tǒng)松散巖類孔隙含水巖組含水層巖性為砂卵石，含水層厚度為30～70 m，富水性弱，主要分布在山前丘陵區(qū)及傾斜平原區(qū)，且分布不均勻，水的流向與地表水的流向大致相似，是居民生活用水的主要水源；（5）第四系全新統(tǒng)松散巖類孔隙含水巖組含水層巖性大部分為粉細(xì)砂、中砂，少數(shù)為粗砂夾礫石，主要分布在沖積平原區(qū)，水的流向與地表水的流向相似。

2.2 洪山泉域煤礦地質(zhì)

洪山泉域橫跨霍西煤田和沁水煤田，含煤地層為石炭系太原組和山西組。含煤地層共11 層，編號為山西組1 號、2 號、3 號，太原組4 號、5 號、6 號、7 號、8 號、9 號、10 號、11 號。其中：2 號、9 號、10 號、11 號為較穩(wěn)定的可采煤層，其余煤層僅局部可采或不可采。煤層厚度1.3～3.5 m，為中厚層煤，煤種主要為煉焦煤，部分為瘦煤。目前，淺部煤層已基本采完，主采埋藏較深的下組煤（即9 號、10 號和11 號煤層）。

根據(jù)調(diào)查，截止2019 年底，洪山泉域內(nèi)共有煤礦28 座，其中介休市10 座煤礦，平遙縣7 座煤礦，沁源縣11 座煤礦。在28 座煤礦中，有24 座生產(chǎn)煤礦，4 座非正常生產(chǎn)煤礦。

2.3 洪山泉域煤礦帶壓開采區(qū)劃分

洪山泉域煤礦依據(jù)9+10 號煤層標(biāo)高與相應(yīng)巖溶水水位標(biāo)高進(jìn)行帶壓開采區(qū)劃分。將洪山泉域2019 年巖溶水等水位線與煤礦9+10 號煤層底板等高線圖層疊合，若巖溶水位高于9+10 號煤層底板等高線，則表示帶壓，反之為不帶壓。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，洪山泉域有18 座煤礦存在帶壓開采，開采面積共57.732 4 km2。

洪山泉域煤礦帶壓開采區(qū)具體劃分結(jié)果如下：

（1）介休市在泉域內(nèi)的帶壓開采煤礦有10 座，除左側(cè)溝礦、青云礦、鑫峪溝礦、鴻發(fā)礦基本為全井田帶壓開采煤礦以外，其余6 座煤礦均為部分帶壓開采。（2）平遙縣在泉域內(nèi)的帶壓開采煤礦有5 座，其中，除溫家溝煤礦為全井田帶壓開采煤礦以外，其余4 座煤礦均為部分帶壓開采煤礦。（3）沁源縣在泉域內(nèi)的帶壓開采煤礦有3 座，均為部分帶壓開采煤礦。

值得注意的是，煤礦的帶壓開采范圍是隨著巖溶水位的變化而變化的，2019 年巖溶水水位較2010 年巖溶水水位低（平均下降10～20 m），帶壓開采區(qū)面積也比2010 年帶壓開采區(qū)面積小。

3 煤礦開采對洪山泉域的影響

3.1 煤礦非帶壓開采對巖溶水系統(tǒng)的影響

煤炭非帶壓開采將會改變地層結(jié)構(gòu)與流域下墊面條件。如今機(jī)械化綜采放頂法的采煤方式，導(dǎo)致“上三帶”與“下三帶”的形成，在此區(qū)域地層的空間結(jié)構(gòu)將會發(fā)生改變，產(chǎn)生很多大小不等的采動裂隙，也有可能使隔水?dāng)鄬幼兂蓪?dǎo)水?dāng)鄬印Ｍ瑫r，形成了一系列次生地質(zhì)環(huán)境問題，如地面塌陷、地裂縫等。這些構(gòu)造形跡改變了流域下墊面條件以及產(chǎn)匯流條件，導(dǎo)致降雨、河流在地面塌陷、地裂縫等區(qū)域下滲量增加，并沿導(dǎo)水裂隙進(jìn)入礦坑，最后以礦坑排水形式排出地表，其他區(qū)域下滲量則相應(yīng)減少，從而對巖溶水的補(bǔ)給量造成一定影響。

煤炭非帶壓開采會對地下水流動系統(tǒng)造成一定影響。地下水系統(tǒng)是不同含水層組成的相互獨(dú)立又相互聯(lián)系的復(fù)雜地下水流動系統(tǒng)。不同含水層的補(bǔ)給、徑流、排泄條件各不相同，各含水層之間的水量交換也遵循著達(dá)西定律。煤碳開采不僅會對煤系地層含水層造成直接破壞，而且還會對煤系上覆含水層產(chǎn)生間接影響。上覆含水層中的地下水將會沿著導(dǎo)水裂縫進(jìn)入礦井形成礦井水，從而使含水層水位下降，垂向越流量減少，對巖溶水的補(bǔ)給量也將減少。

煤炭非帶壓開采會對地下水水質(zhì)造成一定影響。采煤破壞了原來地層埋藏的環(huán)境條件，由之前的還原環(huán)境變?yōu)檠趸h(huán)境，從而影響著水-巖相互作用以及水文地球化學(xué)作用。最具影響的屬黃鐵礦在氧化環(huán)境條件下發(fā)生氧化，產(chǎn)生大量的SO42-，受污染的礦井水在巖溶陷落柱、導(dǎo)水?dāng)鄬右约皣鷰r底板應(yīng)力釋放后產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙下滲，影響巖溶水水質(zhì)。

3.2 煤礦帶壓開采對巖溶水系統(tǒng)的影響

煤礦帶壓開采對巖溶水的影響十分巨大。一方面，大部分帶壓開采的煤礦會采取疏水降壓的方式以保證安全采煤，排放大量巖溶水，使巖溶水水位降到安全采煤條件以內(nèi)，這會對巖溶水產(chǎn)生直接破壞，從而導(dǎo)致巖溶水水位急劇下降。另一方面，若巖溶水水位高于煤系含水層地下水水位時，在巖溶陷落柱、導(dǎo)水?dāng)鄬拥葘?dǎo)水通道的聯(lián)系下，巖溶水會通過導(dǎo)水通道補(bǔ)給到煤系含水層，對煤系含水層產(chǎn)生破壞，形成大量采空區(qū)，煤系上覆巖溶水會通過補(bǔ)給采空區(qū)的形式進(jìn)入礦坑，然后通過礦坑排水排出地表，對巖溶水系統(tǒng)造成破壞。

煤礦帶壓開采對巖溶水的影響還表現(xiàn)在巖溶水突水事故中。依據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》“一般情況下，在具有構(gòu)造破壞的地區(qū)按0.06 MPa/m 計(jì)算，隔水層完整無斷裂構(gòu)造破壞地區(qū)按0.1 MPa/m 計(jì)算”。由此可知，當(dāng)煤礦突水系數(shù)＜0.06 MPa/m 時，為相對安全區(qū)；煤礦突水系數(shù)＞0.1 MPa/m 時，存在很大突水風(fēng)險，應(yīng)禁止開采；煤礦突水系數(shù)介于0.06～0.1 MPa/m 時，應(yīng)詳細(xì)查明區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造情況，若構(gòu)造條件復(fù)雜，則存在突水隱患，不宜開采，若構(gòu)造條件簡單，則可以開采。

3.3 煤礦突水事故對巖溶水系統(tǒng)的影響

煤層底板突水是由于煤層底板的破裂和變形，地下水在煤礦開采過程中突然涌入礦井內(nèi)部，造成礦井內(nèi)部水位急劇上升，對煤礦安全生產(chǎn)危害嚴(yán)重。

洪山泉域自2017—2019 年接連發(fā)生了幾起突水事故，均為帶壓開采情況下突水，2017—2019 年由于煤礦突水造成洪山泉域巖溶水排泄量估測達(dá)980 萬m3。其中，2017 年煤礦突水對泉域巖溶水的排泄量估測達(dá)314 萬m3，2018 年煤礦突水對泉域巖溶水的排泄量估測達(dá)555 萬m3，2019 年煤礦突水對泉域巖溶水的排泄量估測達(dá)111 萬m3。泉域泉口水位埋深從2018 年7 月的5 m，下降至2019 年9 月的16 m，1 年多的時間泉域巖溶水位下降達(dá)11 m。由此可見，泉域煤礦突水對泉域巖溶水的影響巨大，接二連三的突水事件加劇了泉域巖溶水水位的下降。

根據(jù)最新修訂的《煤礦防治水細(xì)則》，底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)若≤0.06 MPa/m，則為帶壓開采相對安全區(qū)。根據(jù)相關(guān)煤礦水環(huán)境影響評價報(bào)告，煤礦允許開采區(qū)域突水系數(shù)均＜0.06 MPa/m，按照現(xiàn)有突水系數(shù)理論屬于帶壓開采相對安全區(qū)，但在實(shí)際煤礦開采的過程中均發(fā)生了突水事件。幾座煤礦均位于洪山泉域北部邊界洪山卜宜隱伏斷層與化家窯斷層之間的區(qū)域，構(gòu)造斷裂發(fā)育，富水性強(qiáng)，可以認(rèn)定，現(xiàn)有突水系數(shù)相對安全區(qū)理論的普遍性已不適應(yīng)該區(qū)域，且該區(qū)域煤礦突水系數(shù)＜0.06 MPa/m 的區(qū)域也不應(yīng)劃為帶壓開采相對安全區(qū)。

4 結(jié)語

綜上所述，煤礦開采對洪山泉域巖溶地下水及巖溶系統(tǒng)影響極大。非帶壓開采煤礦對巖溶水的影響主要表現(xiàn)在煤礦開采改變了地下含水層結(jié)構(gòu)與泉域下墊面條件，對巖溶地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件造成破壞；采煤形成的裂縫會不同程度的導(dǎo)入煤系地層上覆各含水層，地下水沿導(dǎo)水裂隙下滲進(jìn)入礦井形成礦井水排出地表，將造成巖溶水補(bǔ)給量減少，影響對巖溶含水層的正常補(bǔ)給。此外，帶壓開采煤礦在生產(chǎn)過程中由于巖溶水位高于煤層開采標(biāo)高，導(dǎo)致巷道底板應(yīng)力釋放而變形破壞，相對隔水層承受不了巖溶水壓力而涌入礦井，尤其是處在構(gòu)造發(fā)育、地層破碎帶位置上的礦井，極易造成巖溶水涌入巷道甚至發(fā)生突水，對巖溶水的影響及危害極大。

因此，相關(guān)部門應(yīng)加強(qiáng)洪山泉域煤礦開采管理，根據(jù)采礦活動對泉域水環(huán)境的影響程度，對泉域范圍內(nèi)煤礦嚴(yán)格實(shí)施禁采、保水限采等措施，嚴(yán)禁越界開采；加強(qiáng)對煤礦突水的預(yù)防和控制，確保煤礦不再發(fā)生突水事故；建立地下水動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，在煤炭開采過程中，及時觀測巖溶地下含水層水位、水量的變化情況，并制定相應(yīng)的防水治水措施；加大實(shí)施洪山泉域生態(tài)保護(hù)工程，增強(qiáng)河道滲漏補(bǔ)給，加快促進(jìn)洪山泉域生態(tài)修復(fù)。