南方丘陵山区采煤沉陷区寻找地下水的有利区研究

2014-04-02姚光华陈正华

中国矿业 2014年3期

姚光华,陈正华

(1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)，四川成都 610059；2.外生成矿与矿山环境重庆市重点实验室(重庆地质矿产研究院)，重庆 400042；3.煤炭资源与安全开采国家重点实验室重庆研究中心，重庆 400042)

矿业开发过程中，由于矿井疏干排水，导致大面积区域性地下水位下降，造成疏干漏斗、泉水干枯、水资源逐步枯竭、河水断流、地表水入渗或经塌陷灌入地下，影响了矿山地区的生态环境[1]。国内众多学者针对采矿塌陷区土壤水开展了研究工作[2-6]，这些研究重点多侧重在生态环境方面，然而对采沉区内解决水资源短缺研究较少，仅有的文献多集中在北方地区[7-8]，对于中国南方丘陵山区这种以基岩裸露为主的煤矿开采引发岩溶水破坏模式，以及如何在采煤沉陷区内寻找地下水资源方面的研究和实践几乎没有涉及。

本文以重庆南桐煤矿为研究区，结合矿区主要含水层破坏现状，分析岩溶含水层受开采影响的破坏模式，提出采沉区寻找地下水的有利区域。研究成果既能保护矿区地下水和地表水的自然平衡，又能解决矿区水资源短缺问题，将为中国南方丘陵山区井工开采煤矿的安全生产和可持续运营、矿区人民的水资源保障和用水安全提供可靠的技术支持。

1 研究区背景

研究区为一北东低、南西高的侵蚀、剥蚀形成的低山丘陵地貌，大部分区域基岩裸露。区内煤层及煤层上部的主要含水层主要为二叠系上统长兴组(P3c)和三叠系下统嘉陵江组(T1j1和T1j4)石灰岩，地表岩溶、漏斗、落水洞较发育，含水性强～中等。隔水层为二叠系上统龙潭组(P3l)、三叠系下统飞仙关组(T1f6-7)、嘉陵江组(T1j2-3)泥岩、砂质泥岩、泥灰岩及煤层。弱含水层三叠系下统飞仙关组(T1f1-5)泥岩、石灰岩互层。分布情况见图1。

图1 研究区含水层与隔水层分布平面图

2 研究区主要含水层破坏现状研究

2.1 煤层顶板P3c含水层破坏特征

研究区煤层倾角平均35°，可采煤层K1、K2、K3煤层总平均厚度5.27m，采动后裂隙带高度引用缓斜、中硬复岩分层开采经验公式计算[9]。

计算出导水裂缝带高度：H =55.91m。

由于P3c石灰岩下距最上部K3煤层47.25m，裂缝带的高度已经延伸到P3c灰岩以内，说明采空区上方裂隙带在P3c石灰岩中可以相互导通，若地表河流切割P3c石灰岩，河水会沿着这些裂隙渗入矿井石门、巷道和采煤工作面。

煤层顶板长兴组石灰岩(P3c)虽为强含水层，但含水性不均一，岩溶发育的相对深度在地表以下120m以内，以下为含水微弱。因此，P3c石灰岩含水层实际指的是浅部岩溶、裂隙发育段。这些浅部发育的风化裂隙、溶蚀(孔洞)与煤层大面积开采后形成的地表张裂隙、采动离层导水裂隙相互沟通。在浅部开采时直接向工作面涌水；在上水平开采结束、覆岩相对稳定后形成一个由离层裂隙导通的“地下水库”[10](图2)。

2.2 研究区含水层T1j1破坏特征

2011年T1j1含水层地下水已经形成明显的降落漏斗[11]。图3剖面显示T1j1地层地下水受到严重破坏，采沉区内地表泉水干枯，地下水水位下降幅度大，形成降落漏斗；而采沉区外，地表泉水未干涸，地下水基本未受到破坏。

图2 P3c石灰岩 “地下水库”示意图[10]

图3 2011年采沉区降落漏斗[11]

3 含水层破坏模式研究

以研究区倾向剖面为例(图4)，含水层破坏模式有以下三种。

3.1 采动破坏

3.1.1 拉裂破坏

图4右侧三角框内为采动外边缘区，地表脆性岩体存在拉张裂隙，岩层空隙增大，储水空间增大，有利于地下水的汇集与贮存。

3.1.2 剪切破坏

图4左侧三角框内为采动内边缘区，地面向盆地中央倾斜，产生压缩变形，当压缩区与上一开采水平拉伸区叠加，地表出现拉伸后受挤压的现象，发生剪切破坏，原裂缝出现错动而产生倒“八”字型裂缝，增大储水空间和增加地下水的运移通道。

3.1.3 离层破坏

图4箭头处为石灰岩与泥岩接触面附近的错动，产生离层现象，主要位于上硬下软的岩层之间，这种离层裂缝，增大了储水空间和运移通道，尤其是存在河水漏失现象时，河水沿离层裂缝汇集和向深部运移。

图4 倾向剖面移动变形分区[12]

3.2 封闭不良钻孔破坏

煤田地质勘查钻孔完工后应将钻孔用质地优良的水泥砂浆封闭，以防止地表水和各含水层地下水通过钻孔进入将来开发的矿井。但二十世纪五十年代施工的煤田地质勘查钻孔一般采用粘土和碎石，封闭到T1f底部，T1f及以上地层并没有密封，井口段用水泥砂浆封闭；二十世纪八十年代以来施工的煤田地质勘查钻孔采用水泥砂浆分段封闭，即：井口段(<10m)，孔底～ P3c顶面以上10～20m用水泥砂浆封闭，其余孔段用钻井泥浆充填。因此，作为研究区透水性较弱的T1f地层被多个钻孔导通，封闭不良钻孔成为越流导水通道，一旦联通了弯曲带或整体移动带，将会把T1f地层上方的T1j1地层地下水导通到下部的P3c石灰岩离层储水带，增加矿井涌水量。

3.3 导水断层破坏

研究区北部发育的F3B、F1C、F22、F8B断层对蒲河附近P3c石灰岩造成破坏，其破碎带是降水及地表水体渗入矿井的良好通道。如F3B在南桐北翼+140m水平穿过乌龟山背斜进入西翼，F1C在北翼碰头岩、F22在北翼水井沟、F8B在北翼蛇涝子等处穿越蒲河河床地带，破坏了P3c石灰岩，导致井下采区的涌水量增大，例如碰头岩下方5406采区1964年11月涌水492.43m3/h，5407采区1971年5月11日涌水442.0m3/h；水井沟下方5411采区1975年1月涌水311.61m3/h，5412采区1975年12月20日涌水713.66m3/h。涌水量大小相比于那些既没有位于封闭不良钻孔附近也不在导水断层下方的采区正常涌水量100～200 m3/h明显增大，说明断层对河流附近P3c石灰岩的破坏造成的破碎带是降水及地表水体渗入矿井的良好通道。

4 寻找地下水的有利区研究

依据含水层破坏特征及破坏模式的分析，丘陵山区采煤沉陷区地下水主要分布于两个区域(图5，图6)：一个是T1j地层的“统一含水体”(Ⅰ)，另一个是P3c地层中的“离层裂隙储水带”(Ⅱ)。

图5 剖面上采沉区内含水区域[12]

4.1 剖面上含水区域分布

4.1.1 “统一含水体”

含水区域Ⅰ为T1j地层的“统一含水体”，由于采动边界拉裂岩层，致使T1j2-3地层隔水能力降低，导通T1j1和T1j4地层中的地下水，形成“统一含水体”。

4.1.2 “离层储水带”

含水区域Ⅱ为P3c地层的“离层裂隙储水带”，位于最下部开采水平及采空区上方P3c石灰岩中。

4.2 平面上含水区域分布

4.2.1 “统一含水体”

含水区域Ⅰ平面上分布范围在T1j1地层与采动影响边界之间，见图中黄色区域Ⅰ。

4.2.2 “离层裂隙储水带”

含水区域Ⅱ平面分布范围在最下部开采水平及采空区上方，汇集P3c石灰岩中地下水，见图中紫红色区域Ⅱ。

4.3 试验验证含水区域Ⅰ

此次研究在含水区域Ⅰ中T1j1和T1j4地层均布置了抽水试验、压水试验，分两个片区。

图6 平面上采沉区内含水区域[12]

4.3.1 刘家河石桥片区

刘家河片区T1j1地层布置SK1、SK10两个试验孔。SK1用2L/s的流量抽水1个小时，地下水未见明显下降，SK10以5m3/h的流量做抽水试验，地下水也未见明显下降；而SK1压水试验平均渗透率5.27(Lu)。根据压水试验及抽水试验成果显示，刘家河片区T1j1地层的渗透性能好，T1j1含水层富水性好，是良好的取水层位。

4.3.2 平山化工厂片区

平山化工厂片区T1j4地层布置SK6、SK7两个试验孔。SK6钻孔揭露T1j2-4地层，抽水试验计算渗透系数达到1m/d左右，SK7试验孔的抽水试验计算渗透系数达到3m/d左右，说明平山片区位于采动影响边界内 T1j4地层的渗透性能好，是良好的取水层位。

综上所述，T1j地层是研究区良好的取水层位，出水量大且稳定。

4.4 矿区资料验证含水区域Ⅱ

随着开拓深度向深部延深，矿井中地下水总是随着巷道采掘工程的延深而逐渐向下水平汇集，随着时间的推移和下部水平采掘工程加剧和扩大，上水平的涌水量逐渐减弱乃至枯竭，而下部水平的涌水量则逐渐增大。如-200m水平涌水量由1996年的674.55m3/h(占全矿井的76.9% )，上升到1998年的1271.32m3/h(占全矿井的82.1%)，随后便不断减少，到2006年仅为580.64(占全矿井的53.4%)，而同期-450m水平涌水量则由2000年的29.87m3/h(占全矿井的2.6%)，直线上升到2006年达395.11m3/h(占全矿井的36.4%)，再到2010年达到467.08m3/h(占全矿井的63.6% )。经过人工河床治理后，全井涌水量大幅度下降，-450m水平涌水量也降到了244.77m3/h，但是其所占全井涌水量的比例缺仍然升高到69.8%。

这个特征说明，离层储水空间位于P3c与P3l地层之间，随着同一开采水平的面积增大，开采水平延深，下水平离层带储水空间的水量所占比例越高，上水平离层带由原储水空间转变为离层导水带。

综上所述，研究区的“离层储水带”位于最下部开采水平的采空区上方P3c石灰岩与P3l泥岩之间，且随着巷道采掘工程的延深而逐渐向下水平汇集，下部离层带储水空间的水量所占比例越高。