采煤地裂缝对水土资源的影响研究

王晋丽，康建荣，胡晋山

（徐州师范大学测绘学院，江苏 徐州 221116）

采煤地裂缝对水土资源的影响研究

王晋丽，康建荣，胡晋山

（徐州师范大学测绘学院，江苏 徐州 221116）

通过对采煤地裂缝深度和覆岩导水裂隙带高度计算，两裂缝没有贯通。但不同类型的地下水在地表均有露头，地裂缝、裂隙成为良好通道，煤矸石淋滤液污染物通过河水、地表水污染了地下水，地裂缝影响了土壤水的运移，造成植被破坏、水土流失。文章主要研究了采煤裂缝影响下土壤含水量的变化对农作物的影响，为矿区水土资源保护、土地复垦提供了一定的依据。

地裂缝；导水裂隙带；土壤水；水土资源

我国的煤炭储量主要集中在西部地区，占全国储量的一半以上。陕西、山西、甘肃等主要产煤地有的矿山处于山区，气候干旱、半干旱，且被厚黄土层所覆盖。随着煤炭的大规模开采，在采空区地表形成大小不等的开采沉陷、塌陷坑、裂缝、塌陷盆地等地质灾害。由于山区地形起伏，湿陷性黄土垂直节理发育，采煤对地表产生的影响远大于平原地区，最突出的问题是产生大量的地裂缝、地表塌陷。采煤地裂缝是矿山地质灾害中最直观的一种，也是危害性最大的一种。地裂缝不仅破坏了土地的连续性，且使山区地表坡体的稳定性受到影响，形成滑坡等矿山环境灾害。大量的地裂缝使煤矸石淋滤液通过土壤、河流渗入地下水，对地下水水质造成严重破坏。

文献[1]通过对新邱原南露天矿煤矸石山周围地区的地下水水质进行调查、监测表明:该区地下水受到了严重污染，且污染源主要来自煤矸石山。煤矸石山是长期的污染源，是造成周围地区地下水无机盐类污染的主要原因。这与波兰学者对380余座煤矸石山研究发现的煤矸石山是地下水污染的长期污染源，以及煤矸石的主要污染是盐度、含硫量、潜在酸性等基本是一致的。而其污染主要通道就是采煤形成的大量地裂缝。因此，如何减少采煤造成的地裂缝在切断污染途径，显得尤为重要。大量的地裂缝在破坏土地完整性的同时，造成农田跑水、跑肥、跑土，造成农作物减产等损害。

关于地表裂缝的研究，文献[2]提出的地表裂缝的判定方法，将地表点的变形同地表土的力学性质结合起来，获得了满意的效果，具有普遍的适用性，弥补了用水平变形临界值或者裂缝角来判别裂缝区域之不足；地表裂缝分布规律的动态定量计算，为深入研究裂缝的发育规律（即裂缝宽度和深度的发育规律）提供了基础。

1 采煤地裂缝的分布特征及影响因素

采用长壁大冒顶大面积开采的矿区，地表采动裂缝非常发育[3]。一组对应于开采边界的永久裂缝，平行于采区边界方向延伸，与工作面的长度大致相当，其外边界可按裂缝角圈定。采空区地表的另一组采动裂缝，位置在工作面推进位置的前方，它是随着工作面的向前推进，出现在工作面前方的动态拉伸区，裂缝宽度和落差较小，呈弧形分布，裂缝方向大致与开采工作面平行而垂直于工作面的推进方向，长度则大致与工作面的采宽相似。采动裂缝主要发生在凸形地貌区，裂缝的上述分布形式在较平坦的厚表土层地区非常明显。在地形起伏较大的地区以及基岩出露区，这种分布形式有所改变，裂缝方向大体平行于等高线方向。“山区采煤地裂缝的分布特征及成因探讨[4]”分析认为：地形微地貌、表土层性质及开采方法是决定山区采煤地裂缝分布特征的主要因素。

2 采煤地裂缝的深度和宽度

利用摩尔圆破坏理论预测裂缝最大深度的公式如下[5]：

式中：φ为土壤内摩擦角，(°)；C为土壤内粘聚力，kPa；μ 为泊松比；γ 为土壤容重，kN/m3。

在太原西山西曲矿南山、南西盘区野外，调查了开采山西组2号、4号煤引起的地裂缝。根据实验数据，马兰黄土内摩擦角24°，与基质吸力有关的内摩擦角14°，马兰黄土粘聚力取43 kPa，泊松比取0.36，土壤容重取值22.1kN/m3。

根据资料，裂缝最大宽度Δuε与裂缝最大深度H之间基本呈正比关系，即

式中:K为比例系数，一般K=0.003～0.015。

经计算可得，H=8.15，Δuε=0.122m。

地表裂缝实际调查中，最大地表裂缝预计宽度比实测裂缝最大宽度350 mm要小得多，其原因可能是山区地表的地形和微地貌的附加影响，以及湿陷性黄土的抗拉强度低造成的。西曲矿山顶广为第四系马兰黄土（湿陷性黄土）覆盖，基岩主要出露于沟谷地段。地层由老到新有奥陶系、石炭系、二叠系及新生界第三系、第四系。其中石炭系上统太原组，二叠系下统山西组为本区的含煤地层。地面年平均蒸发量2031.5 mm，年平均降雨量511.5 mm，蒸发量是降雨量的4倍，因此湿陷性黄土多数时间属于非饱和土。

3 覆岩的导水裂隙带高度

西曲矿区4号煤顶板为泥岩或粉～细砂岩，普氏硬度系数6.80，为隔水性较好中硬顶板，根据北京煤科总院导水裂隙带（冒落带与断裂带之和）最大高度经验公式有[6]：

式中:计算中误差5.6m；HL为导水裂隙带最大高度，m；M为单一煤层采厚或厚煤层分层开采累计厚度，取3.6m。代入上式得：HL=44.1m。

西曲矿井田4号煤倾角3°～6°，属水平煤层，平均采深在150 m左右，黄土盖层平均45 m，有厚达100 m。采煤裂缝深度和导水裂隙带高度虽然没有贯通，但4号煤导水裂隙带高度进入了上覆裂隙含水层。

4 采煤地裂缝对水土资源的破坏

4.1 采煤地裂缝对地下水的破坏

1）对煤系上部裂隙水的破坏：煤系上部裂隙水为石炭二叠系含水层，分为太原组岩溶裂隙含水组和山西组砂岩裂隙含水组。太原组岩溶裂隙含水组，由泥岩、砂岩、石灰岩及煤组成，厚7 m～12 m，从地形地质图分析，含水层在矾石沟、李家沟、红崖子断层附近，含水层埋藏较浅或出露，风化裂隙及构造裂隙发育，成为地下水的良好通道，水质为重碳酸钙型水，水质、含水性均良好。山西组砂岩裂隙含水组，主要由砂岩、砂质泥岩、泥岩及煤组成，均厚约42.66m，为砂质孔隙含水层。汾河沿岸、矾石沟、水深沟、李家沟、红崖子断层附近均有出露，由于含水层大都高于汾河侵蚀基准面，其含水性很差，但水质较好，为硫酸—重碳酸钙镁型水。由于采空面积的不断增大，上覆岩层产生的裂隙，将上部含水层或地面水导通，加上局部排水能力较弱，淹没了一些工作面和掘进头，影响了生产。涌水点的充水水源主要为石炭系太原组灰岩含水层和二叠系石盒子组、山西组含水层，沿着裂隙通道涌入矿井，形成矿坑水。

2）对下伏含水层的破坏：煤系下伏含水层为奥陶系的承压裂隙岩溶水，井田以北、以东、长峪沟以东均有巨厚的石灰岩露头，水化学类型为重碳酸钙镁型水，水质较好。水位标高在910 m～878 m之间，局部地区高于煤层底板标高，如果发生矿井突水，则会造成淹井事故，但其奥灰水一般情况下对煤层开采影响较小。

3）对第三、第四系孔隙含水层的破坏：第三系红土、砾土层、第四系马兰黄土，都分布在山顶、山坡或低凹处，虽很厚，但都不含水。汾河河谷的冲积层厚20 m～40 m，以砂砾、砾石层为主，含水性好；水化学类型为重碳酸钙镁型水，水质良好，水位在36.04m～39.38m之间。潜水主要补给来源为地表径流和大气降水。排泄除了大气蒸发和工农业用水之外，在河口镇向奥陶灰岩排泄一部分。

通过上面分析可知，裂隙水和岩溶水在地表均有露头，都会和地表水、大气降水、地下水发生水力联系，因煤炭开采的污染物均会不同程度地污染各个含水层，特别是裂缝、裂隙的发育成为良好的通道。

4.2 采煤地裂缝与水质污染

1）煤矿开采引起地表塌陷、地表裂缝，沟通了第四系含水层和下伏含水层之间的直接联系，为污染物进入下伏含水层开辟了途径；又因为第四系含水层主要由亚砂土、砂砾石组成，而砂砾石与河床相通，被污染的河水通过砂砾石层经塌陷、裂缝再进入岩溶含水层，造成岩溶水污染。

2）煤层开采后，采空区增大，采空区上部裂隙增大增多，使煤系地层的垂向补给量增大，停采后这部分水滞留于旧矿坑中，增加了煤系地层地下水的储存量，在长期氧化还原过程中地下水矿化度、硬度逐渐增加，污染逐年加剧。

3）矿区固体废物中的煤矸石、煤泥大部分不加处理直接堆放在山沟、山坡、滩地，长期露天堆放，释放出大量有害气体，严重影响着矿区及周围的空气质量，进而污染大气降水，降水再污染地表水和地下水。矸石中的部分有害元素，随雨水或地表水经地表塌陷、地表裂缝转入地表水和地下水，造成对水源的严重污染。例如西曲煤矿矿坑水超标项目有酚、Mn、COD（化学需氧量）、Cr、Fe、BOD5（生化需氧量）、SO4[7]。

4.3 采煤地裂缝对土地资源的破坏

1）太原西山矿区地处山区，煤矿数量多，开采量大，机械化程度高，造成的地质灾害严重。浅层地下水的疏干和大面积的土地破坏，使地表植被受到破坏，其结果是：一方面加大水土流失，使环境恶化；另一方面由于地表无植被，减少降水在该区域的渗透量，加大洪水流量，降低了地下水的储蓄。从1988年到1999年，太原西山煤矿区植被资料看出：耕地、水域地逐年减少，耕地从341 km2减少到175 km2；林地、草地、荒草地逐年增加，反映出煤矿开采对生态环境的影响。

2）开采引起的地表裂缝，有的非常细小，有的深度大于10 m，上口宽度可达0.1 m～0.35 m，在黄土高原矿区裂缝深度数倍10 m，上口宽度可达1 m～2 m。这样的裂缝在外界自然力量的作用下，会造成土壤母质和水的损失，降低土壤肥力，影响农作物产量。

3）在地表裂缝的作用下，对土地的侵蚀可以分为细沟侵蚀、沟蚀、重力侵蚀。（1）细沟侵蚀：开采引起的细小裂缝（深度和宽度较小）发生于耕作层或略深于耕作层，造成土壤孔隙增大，毛管作用减弱，降雨或灌溉后由毛管力保持在上层土壤细小孔隙中的水分（毛管悬着水）就会减少，从而毛管悬着水量达最大值时的土壤含水率—田间持水量也会减小，不能为毛管力吸持的多余水分，在重力作用下将沿非毛管孔隙下渗成为重力水。因此，造成农田跑水、跑土、跑肥，农作物减产。由于细小裂缝深度和宽度较小，一般可在下一次耕作所平复。（2）沟蚀：存在较大的或大裂缝时，受暴雨及洪水等作用，会造成地面线状侵蚀，称为沟蚀。沟蚀的发展将不断切割地面，造成完整土地破碎。（3）重力侵蚀：在山地、丘陵地区，开采产生的裂缝在重力和水力的共同作用下，会引起表土体的移动，称为重力侵蚀，其主要形式是滑坡。

5 结语

农作物、植被、水系、土地等生态系统之间的关系最为密切。农作物和植被的正常生长有赖于土地和水资源的保护，因而减少土地塌陷裂缝，防止水土沿塌陷裂缝流失是沉陷损害综合治理的根本。减少土地塌陷和防止水土流失的主要措施有两方面：一方面要采取减少地表沉陷的开采措施，加强采动损害的监测，建立裂缝的宽度、深度、密度和影响因素的关系模型，更好的指导煤炭开采的实践工作；另一方面是地面的综合防护与治理措施。地面的主要综合防治措施[8]如下：

1）充填沉陷裂缝：一般在采动影响基本稳定之后进行。在耕地内充填裂缝时，先将裂缝附近0.5m的熟土铲开推在一侧，后用生土进行充填并捣实，再用原有熟土覆盖。对于沟谷部位的裂缝，最好用粘土充填。

2）平整塌陷土地：对于塌陷槽和落差较大的裂缝，必须在充填裂缝的同时进行土地平整。整平时也应注意将生熟土分开，生土充填在下层，熟土回填在表层。塌陷土地平整后，应按矿区土地复垦要求，对土地进行复垦。

3）植树种草，绿化矿区，改善生态环境，减少沉陷损害。观测和现场调查表明，林地和有灌木植被的荒地，要比耕地的采动滑移量小得多，地表采动破坏的程度也较轻。因而造林绿化，对改善矿区生态环境和减轻开采沉陷损害都有重要意义。

[1]肖利萍.煤矸石淋溶液对地下水系统污染规律的研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2007.

[2]吴 侃，胡振琪，常 江.开采引起地表裂缝分布规律[J].中国矿业大学学报，1997，26（2）:56-59.

[3]康建荣，何万龙，胡海峰.山区采动地表变形及坡体稳定性分析.北京：中国科学技术出版社，2002.

[4]王晋丽.山区采煤地裂缝的分布特征及成因探讨[D].太原，太原理工大学学位论文，2005.

[5]吴 侃，周 鸣，胡振琪.开采引起的地表裂缝深度和宽度预计[J].阜新矿业学院学报，1997，16(6):649-652.

[6]张其胜，梁树雄，孙奋清.地表裂缝导水性分析和导水区域研究[J].中国煤炭，2007，33（12）：76-78.

[7]刘海涛.太原西山矿区煤炭开采对地下水流场影响的数值模拟[D].太原：太原理工大学学位论文，2005.

[8]西矿业学院，西山矿务局.西山矿区开采沉陷规律及沉陷环境治理研究报告[R].山西省科学技术协会，1993，10.

Influential Research of Mining Ground Fissures on Water and Soil Resources

WANG Jin-li,KANG Jian-rong,HU Jin-shan
(College of Surveying and Mapping Science,Xuzhou Normal University,Xuzhou Jiangsu221116)

By the calculation of the depth of ground fissure and the height of water flowing fractured zone,we find that the two fractures have not joined up,but different types of ground water appear on the surface,so the ground fissure and fracture become good pathways.However,coal gangue leachate pollutes the groundwater through river and surface water;the fractures influence the transport of soil water and causes vegetation destruction and soil erosion.The paper studies the influence of soil moisture content on crops,which is helpful to the conservation of water and soil resources and land reclamation in mining areas.

ground fissures;water flowing fractured zone;soil water;water and soil resources

TD325

A

1672-5050（2011）03-0027-04

2010-10-21

王晋丽（1970—），女，山西晋中人，博士研究生，讲师，主要从事开采沉陷研究工作。

徐树文