望田煤矿开采对地下水影响的研究

李新旺 关天强 张红升 李 颖 张晓波

（1.河北工程大学资源学院，河北省邯郸市，056038；2.山西省第三地质工程勘察院，山西省晋中市，030620）

望田煤矿开采对地下水影响的研究

李新旺1关天强1张红升1李 颖2张晓波2

（1.河北工程大学资源学院，河北省邯郸市，056038；2.山西省第三地质工程勘察院，山西省晋中市，030620）

根据望田煤矿的地质情况，计算煤层开采后形成的冒落带和裂缝带的高度以及煤矿开采排水导致地下水位降落漏斗分布范围，分析煤层开采对上部和下部含水层以及村民用水的影响，预测评估了2011－2015年采矿活动对地下含水层的影响。

矿山开采 地下水 冒落带 裂隙带

山西忻州神达望田煤业公司地处黄河东岸，山西黄土高原的西北边缘，属低山丘陵区。井田总面积7.9584km2，生产规模120万t／a，矿井服务年限为29a。矿井水文地质条件属中等类型。井田内可采煤层有8＃、11＃和13＃煤层。井田8＃煤层直接充水含水层为顶板砂岩裂隙含水层，11＃和13＃煤层充水含水层为其上部的砂岩含水层，富水性弱。井田西部8＃、11＃和13＃煤层均位于奥灰水位之下，属带压开采，矿山开采对地下水的影响已成为重要的问题。

1 冒落带及裂隙带最大高度确定

开采煤层后，由于存在矿山压力，使煤层上履岩层形成冒落带、裂隙带和缓慢下沉带“三带”，见图1。通过对裂隙带最大高度的预计，可以预测井下采煤对地下含水层、地表水体等产生的破坏及影响。

13＃煤层顶板石灰岩抗压强度平均为30.8MPa，属中硬类岩石。因此，根据《煤矿防治水规定》推荐的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》（以下简称《规程》）中附表6－1可知，中硬型厚煤层开采的冒落带和导水裂隙带发育高度计算公式为：

式中：Hm——冒落带高度，m；

HL——导水裂隙带发育高度，m；

∑M——累计采厚，m。

根据《规程》中近距离煤层垮落带和导水裂隙带高度的计算，第一种情况，上、下两层煤的最小垂距h大于回采下层煤的垮落带高度Hxm时，上、下层煤的导水裂隙带最大高度可按上、下两层煤的厚度分别选用公式计算，取其中标高最高者作为两层煤的导水裂隙带最大高度。第二种情况，下层煤的垮落带接触到或完全进入上层煤范围内时，上层煤的导水裂隙带最大高度采用本层煤的开采厚度计算，下层煤的导水裂隙带最大高度，则应采用上、下层煤的综合开采厚度计算，取其中标高最高者为两层煤的导水裂隙带最大高度。

图1 望田煤矿煤层剖面示意图

8＃煤层上没有可采煤层，不会出现垮落带接触或进入上层煤的情况，所以按第一种情况计算，导水裂隙带厚度用公式（2）和（3）单独计算后取最大值，见图1。8＃与11＃煤层之间的距离18.42～38.12m，平均31.63m，最小垂距h大于冒落带高度9.03m，垮落带高度未接触8＃煤层，所以按第一种情况计算，导水裂隙带厚度用公式（2）和（3）单独计算后取最大值。由于本矿11＃与13＃煤层间距最大仅为14.28m，而13＃煤层垮落带高度为17.41m，因此按《规程》采用11＃与13＃煤层的综合开采厚度计算13＃煤层开采后产生的导水裂隙带高度（第二种情况）。各煤层开采产生的垮落带和导水裂隙带高度计算结果见表1。由表可见，13＃煤层开采后产生的导水裂隙带高度最大为97.22m，两带高度为114.63m。

表1 冒落带、导水裂缝带计算结果

2 开采煤层与含水层之间的相互位置

望田煤矿13＃煤层位于太原组底部，煤层上部的含水层由下至上为太原组砂岩裂隙含水层、山西组砂岩裂隙含水层，含水层由中、粗粒砂岩组成，属弱富水性含水层。二迭系地层为砂岩与泥岩层，含水层富水性弱。13＃煤层开采产生的两带高度最大为114.63m，将导通山西组地层，局部可达二叠系下石盒子组地层。开采煤层与含水层关系见表2。

表2 开采煤层与含水层关系

3 开采煤层对上部含水层的影响和破坏

煤矿开采后，产生的两带高度最大为114.63m，煤层上部山西组和下石盒子组均在影响范围内，矿井生产能力达120万t／a时，其正常矿井涌水量为1800m3／d，最大矿井涌水量2400 m3／d，井田内13＃煤层上部主要的含水层均会被疏干破坏。在井田东部13＃煤层埋深较浅处，导水裂缝带将沟通地表，地表水与13＃煤层产生水力联系。

4 开采煤层对下部奥灰含水层的影响

据井田内路家沟水井资料，揭露奥灰266.70m，奥灰水位标高830.00m，井田内奥灰水位标高829.00～831.50m，8＃煤层的最低底板标高为730m，11＃煤层的最低底板标高为700m，13＃煤层的最低底板标高为690m，煤层下部处于承压开采状态，见图2。

图2 望田煤矿8＃煤层带压开采示意图

根据《煤矿防治水规定》附录7突水系数计算公式：

式中：TS——突水系数，MPa／m；

P——煤层底板隔水层承受的静水压力，MPa；

M——底板至隔水层厚度，m。突水系数的大小可以显现煤矿开采对地下含水层的影响程度，突水系数大，则该块段处于突水危险区，底板易受破坏，形成突水，煤矿开采对地下含水层的影响就大，反之则小。

井田西南边界处奥灰水头高度830m，8＃煤层底至奥灰顶有效隔水层厚度96.14m，11＃煤层底板至奥灰顶板有效隔水层厚度63.20m，13＃煤层底板至奥灰顶板有效隔水层厚度51.50m，8＃、11＃和13＃煤层突水系数分别为0.017MPa／m、0.025MPa／m和0.031MPa／m。井田4个钻孔均为奥陶系灰岩地层钻孔，根据式（4）各煤层突水系数计算结果见表3。

根据《煤矿防治水规定》附录四中“底板受构造破坏块段系数一般不大于0.06，正常块段不大于0.10”的规定，结合本煤矿实际情况，带压开采分区划分如下：

TS＜0.06

可能突水区，煤矿开采对奥灰水层影响较小。

突水危险区，煤矿开采对奥灰水层影响较大。

从以上计算结果可知，8＃煤层突水系数为0.001～0.021MPa／m，11＃煤层突水系数0.010～0.029MPa／m，13＃煤层突水系数为0.012～0.036MPa／m，均小于正常块段内临界突水系数0.10MPa／m，小于构造破坏块段临界突水系数0.06MPa／m，均属于相对安全区。由此可见，煤矿开采对奥灰水层影响相对较小。

表3 各煤层突水系数计算表

5 煤矿开采排水导致地下水位降落漏斗分布范围分析

矿区煤层开采后对地下水资源的破坏范围随地下水含水层类型的不同而异。对位于地表浅部的松散岩类孔隙水与基岩风化裂隙水来说，由于补给来源较近，地表相对高处往往为其补给边界，因此其影响范围基本位于地表裂缝塌陷区内及其附近地表相对分水岭处；对于深埋于地下的层状碎屑岩孔隙裂隙水来说，由于其补给来源较远，其影响范围可用水文地质学中的大井法概略计算。将煤矿采空区假设为一个大井，矿坑形态按不规则形，假想大井引用半径r0，设计矿坑系统面积F采用资源储量计算确定的面积，F＝7.9584km2，根据：

计算得r0＝1594m。

本矿井地层倾角平均4°左右，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概略的计算矿井排水的影响范围。

式中：R——影响半径，m；

K——渗透系数，m／d，根据地质报告渗透系数K＝0.0377m／d；

S——水位降深，m。

矿区煤层开采后矿井疏干高度（水位降深S）最大约为110m，根据式（6）计算得13＃煤层开采后矿井排水最大影响范围约为213m。排水影响半径R0＝R＋r0＝1807m。

可见，矿区开采疏干地下水范围面积较大，采煤疏干地下含水层的影响超出矿区范围，具有区域性的特点，地下水资源一旦受到破坏，短时间内难以恢复。

6 煤矿开采对村民用水的影响

矿区及周边村民饮用水依靠井水，矿区煤层开采后井田内浅层地下水水井已被疏干，当前矿区村庄饮用水源是深井岩溶水，水质水量稳定，今后矿区村民用水受采煤影响较小。

井田内13＃煤层开采后，其上部主要的含水层均会被疏干破坏，煤层开采疏干地下水影响面积较广，具有区域性特点；矿区村庄饮用水源是深井岩溶水，今后矿区村民用水受采煤影响较小。

7 采矿活动对地下含水层的影响预测评估

2011－2015年矿山开采1301采区，矿井井下正常排水量为1800m3／d。2011－2015年13＃煤层上部主要含水层水位下降幅度较大，地下水呈半疏干状态，影响范围为开采煤层外213m。由于碎屑岩裂隙水富水性弱，其他区地下水位下降幅度小，主要含水层受13＃煤层开采影响较轻。根据《规范》附录E，2011－2015年采矿活动对5年期限内地下含水层影响程度为“较严重”；未开采区含水层受采煤排水疏干影响“较轻”。

［1］ 还祥生等.山西忻州神达望田煤业有限公司矿山地质环境保护与恢复治理方案［R］.北京：北京市地质矿产勘查开发总公司，2011

［2］ 三下采煤规程［S］.北京：煤炭工业出版社，2000

［3］ 煤矿防治水规定［S］.北京：煤炭工业出版社，2009

［4］ 戚春前.赵各庄矿煤炭深部开采与地表浅部地下水位变化规律探讨［J］.中国煤炭，2011（1）

［5］ 刘勇.导水裂隙带法在贵州小型煤矿开采沉陷预测中的应用［J］.中国煤炭，2011（4）

Study on the impact of mining on groundwater in Wangtian Coal Mine

Li Xinwang1，Guan Tianqiang1，Zhang Hongsheng1，Li Ying2，Zhang Xiaobo2
（1.School of Natural Resources，Hebei University of Engineering，Handan，Hebei 056038，China；2.The Third Geological Engineering Exploration Institute in Shanxi，Jinzhong，Shanxi 030620，China）

After analyzing the geological features of Wangtian Coal Mine，the paper calculates the height of caving zone and fractured zone that formed after coal mining；with the analysis of the impact of mining on the upper and lower aquifers，the paper calculates the funnel－like distribution range formed after the groundwater level depressing which results from the mining drainage.And then the paper estimates the impacts of coal mining activities on underground aquifers in 2011－2015.

coal mining，groundwater，caving zone，fractured zone

P641

A

李新旺（1979－），男，博士，副教授，河北工程大学资源学院副院长，获中国矿业大学（北京）采矿工程专业工学博士学位。研究方向为采矿工程。

（责任编辑 张毅玲）