煤矿采煤对地下水资源的影响评价

张 伟，张永波，王兆亮

（太原理工大学水利科学与工程学院，山西 太原 030024）

山西省是我国重要的煤炭能源生产基地，煤矿资源极为丰富，为山西和整个国民经济持续稳定发展作出了重要贡献。煤矿生产规模的扩大不仅能带来经济效益和带动地方发展，而且也会对当地环境产生一定的影响。目前，山西省许多小型煤矿都整合为中型或大型生产矿井，这使得煤炭资源能够更好地被开发利用，同时也会加剧采煤造成的环境问题。

1 水文地质与工程地质特征

1.1 区域地质概述

本区位于河东煤田东南边缘地带。据中国构造体系图所示，本区所处构造位置为祁吕贺兰山字型构造前弧东翼内侧，吕梁山经向隆起之西，黄河以东，鄂尔多斯坳陷的东南部边缘。其外侧为临汾—侯马挽近断陷盆地。区域地质应力大体为北西—南东向的挤压，矿区以东分布紫荆山大断裂，并受其控制和影响，形成一系列以北东向为主的构造线。以褶曲为主，断层稀少。矿区内出露的地层主要有二叠系下石盒子组上下段、山西组及石炭系太原组上段、中段、下段，第四系松散沉积物以不整合大面积覆盖于各时代地层之上。

1.2 水文地质

井田位于吕梁山南端，吕梁山出露的大面积碳酸盐岩地层成为地下水补给区，根据水文地质单元划分，本区属于龙子祠泉域。矿区及周边含水层自上而下有：①第四系砂砾层孔隙潜水含水层；②下石盒子组（K9、K8）砂岩裂隙含水层；③太原组石灰岩（K4、K3、K2）岩溶裂隙含水层；④中奥陶统峰峰组石灰岩岩溶裂隙含水层。矿区内的主要隔水层有：①下石盒子组泥岩、粉砂岩隔水层；②太原组上部泥岩、粉砂岩隔水层；③太原组底部至奥灰之间泥岩、粉砂岩、石英砂岩隔水层。本区内岩溶地下水的补给主要是东部裸露区，接受大气降水和地表水流补给，其他上部砂岩含水层通过地质构造流补给，向南或北径流，于大泉处排泄。砂岩地下水在裸露地带接受大气降水补给，或接受风化基岩带裂隙水的补给，经短距离径流，在地形切割地段以泉的形式排泄或补给其他含水层。冲洪含水层的补给主要是大气降水补给或矿坑排水，一般向河流的下游径流排泄。

1.3 煤层顶底板工程地质特征

在一定的煤层赋存状况和采矿条件下，决定了冒落带、导水裂隙带和整体移动带高度的主要因素是煤层上覆基岩层的工程地质特征。据《宝鑫煤矿地质报告》（2010-8），区内主采煤层上覆基岩的岩性主要由泥岩、粉砂岩、石灰岩组成，且泥岩占优势，各可采煤层上覆基岩岩石物理力学强度见表1。

表1 可采煤层上覆基岩岩石物理力学强度统计表

2 采矿活动对含水层的影响程度现状评估

宝鑫煤矿整合前已对2#、9#、10#煤层进行了开采，形成了1.46 km2的采空区。据调查，井田内煤矿开采前，沟谷中泉水较多，泉水大多出自岩土界面及二迭系上、下石盒子组砂岩与泥岩交界处，属松散岩类孔隙泉水及碎屑岩类裂隙泉水，单个泉眼可供几户人使用。同时，较大的沟谷中有由泉水汇聚而成的长年性水流分布，沟谷底部掘井2 m左右，可见，地下水一眼井可供数户人使用。矿山开采后，到本次工作野外调查时，评估区内泉水大多干枯，较大沟谷中的长年流水消失，变成了季节性河流沟谷，沟谷中浅层水井也变成了季节性水井，降雨过后沟中有水时水井中也有水，沟中无地表水时井即干枯。这种情况说明，评估区内碎屑岩类裂隙水及松散岩类孔隙水已受到煤层开采的影响，其含水层结构受到一定程度的破坏，导致地下水漏失。

3 矿山活动对地下水资源影响预测评估

3.1 采煤对煤系地层及上覆含水层的影响

宝鑫煤矿为井下开采煤炭资源，由采煤引起的沉陷变形在垂直方向上引起的覆岩移动影响高度和范围，主要取决于煤层顶板岩性特征、构造、煤层开采厚度、开采方法以及上覆岩层的厚度和岩性特征。一般垂向变形可分为冒落带（Hm）、裂隙带（Hli）和沉降带（HC）。

本矿井煤层为近水平煤层，采用长壁式综采一次采全高的采煤方法，全部垮落式管理顶板，煤层上覆岩层综合考虑为中硬岩层，冒落带、裂隙带高度预测选用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中推荐的公式。

冒落带最大高度计算公式：

裂隙带最大高度计算公式：

公式1：HLi=100ΣM（/1.6ΣM+3.6）+5.6（m）；

公式2：HLi=

式中：M：煤层开采厚度。裂隙带高度取两式中最大值。

根据上述公式计算的各煤层开采后的最大冒落带高度、最大导水裂隙带高度见表2。

表2 煤层开采后冒落带和裂隙带高度预测结果

根据各煤层导水裂隙带高度和冒落带高度，得出本井田内地下含水层受开采煤层产生“两带”影响情况，见表3。

表3 开采煤层与含水层关系

由计算结果和表4可以看出，井田内2号煤层开采后，其产生的导水裂隙带高度波及到了二叠系下统下石盒子组中下部岩层，受影响的含水层主要是二叠系下统下石盒子组中的K8、K9砂岩含水层。9#和10#煤层开采后，其产生的导水裂隙带高度波及到了太原组中上部岩层和山西组的下部岩层，受影响的含水层主要是山西组中的K7砂岩含水层和太原组的K2、K3、K4岩溶裂隙水。

宝鑫煤矿地层倾角较小，各煤层顶板以上采煤影响带内含水层可概化为近水平含水层。将煤矿采空区假设为一个大井，矿井排水假设为抽水，可根据抽水试验中影响半径的公式来粗略地计算矿井排水的影响范围，公式如下：

式中：S：水位降深（静水位与疏干水位的高差），m；

K：渗透系数，m/d。

各可采煤层标高及含水层参数可参考宝鑫煤矿地质报告，见表5，将受影响的含水层参数及水位降深带入上式中计算可得各煤层对含水层的影响半径值，见表4。

表4 各煤层开采对含水层的影响半径计算表

由计算结果可以看出，井田内2号煤层开采对上覆含水层的最大影响半径为15.34 m，9号煤层开采对上覆含水层的最大影响半径为84.3 m，10号煤层开采对上覆含水层的最大影响半径为111.3 m。可见，宝鑫煤矿开采对上覆含水层的影响已经延伸到采空区以外最大为111.3 m的范围，导致采空区及影响半径内的含水层水位下降、水量减少，受影响的含水层被疏干或半疏干。

3.2 采煤对煤层下伏含水层影响

奥陶系灰岩裂隙岩溶含水层为煤系基底，根据地质报告批复文件，矿区内深部奥灰水水位标高为650 m，而矿区内可采煤层的开采标高最低为1 360 m，矿区内可采煤层处于深部奥灰水无压区内，奥陶系灰岩裂隙岩溶含水层不受采煤影响。

3.3 采煤对浅部含水层和民用井泉的影响

从各煤层开采产生的导水裂缝带最大高度上看，不会对第四系浅层水造成直接影响，有可能造成间接影响。

由于采煤会造成地表变形地表裂缝，地表变形在开采边界上方变化较大，且煤柱上方地表岩层受较大拉伸力作用，产生张口裂缝，而采空区地表岩层受压缩力作用，产生压密裂缝，地表裂缝深度一般为几米至十几米。由于地表裂缝（主要为张口性裂缝）的存在，有可能破坏浅层水的基底，改变水的流向，由原来水平流向变为垂直向下流向；另一方面增大蓄水空间。在没有“充满”增大的空间之前，浅层水表现为随水位有所下降，水量有所减小。本区煤矿开采一般情况下对第四系孔隙潜水含水层影响较小，但不能完全排除在部分地段上部地层产生塑性变形的可能性，从而影响浅层地下水，使水位下降。浅层地下水具有水位随地形变化的特征，煤矿开采对浅层地下水的影响范围，大至为该类型浅层地下水所在的地表分水岭区，属局部性小范围影响。

煤矿开采对地表水、地下水的破坏和疏干是造成矿区水资源日益匮乏的主要原因之一。而本区煤炭开采较为发达，是本区工业重要的支柱产业。随着开采规模的扩大，将使得区域水资源短缺，影响当地居民正常生产、生活。

4 建议

从上述分析可以得出，宝鑫煤矿开采对地下水资源造成了严重影响，建议采取以下措施保护区内的地下水资源：①留设保护煤柱，对隔水层较薄的块段应暂缓开采，对已开采的块段采取切实措施，保护地下含水岩层结构不受破坏；②选择合理的采煤方法，加强顶板管理，维护好含水层的结构状态，使含水层原有应力平衡免遭破坏；③排给结合，超前疏干，在采区开采前提前打井开发地下水作为饮用和其他需要；④加强矿井水的综合利用，建立中水回用系统，将矿井排水变废为宝，一水多用；⑤利用采空区建设“地下水库”，悬浮物是矿井排水的主要污染成分，经过沙化土地的自净后导入采空区的有利部位，经过回渗，储存在含水层中，建立“地下水库”。

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