唐山市南湖采煤沉陷区蓄水安全分析与评估

高怀军

(天津大学管理与经济学部，天津 300072)

唐山市南湖采煤沉陷区蓄水安全分析与评估

高怀军

(天津大学管理与经济学部，天津 300072)

唐山南湖采煤沉陷区蓄水的安全问题，涉及到湖泊景观的保持和唐山矿井下的安全生产。基于南湖采煤沉陷区的地质采矿条件，通过计算煤层采后的采动裂缝发育高度，探讨采动裂缝导通地表水的可能性，分析急倾斜煤层露头局部抽冒对地表水的影响，观测近年来地表水与各含水层的水位变化，提取水样检测地表水与地下水的水质相关性，统计分析地表水与井下涌水量变化之间的关系。研究结果表明：唐山市南湖蓄水区域下有厚40～50 m的冲积层隔水层，由粘土、砂质粘土组成，隔水性能好，对积水下渗起到阻碍作用；煤层开采引起采动裂隙不会到达冲积层而坡坏冲积层内隔水层的隔水性，局部抽冒不会造成地表水直接进入井下；地表水与地下水的水位、水质、水量相关性分析，进一步表明地表水与井下涌水不存在直接水力联系。因此，唐山市南湖采煤沉陷区蓄水是安全可行的。

采煤沉陷 蓄水安全 水力联系 隔水层

煤炭工业的发展为国民经济提供了重要的能源基础，同时煤炭资源的开采也形成了大规模的采煤沉陷区[1]，针对沉陷区的治理，我国学者提出了多种办法与思路，特别是沉陷区蓄水可行性及水资源综合利用的研究展开了广泛讨论[2-7]。

唐山市是我国采煤造成严重破坏的矿业城市之一，100多a的煤炭开采，在市区南部形成了一个30 km2的采煤沉陷区[8]。2007年以来，唐山在采煤沉陷区上建成了南湖城市中央生态公园。该区域建设在安全上备受社会关注，特别是对蓄水安全问题更为关注，涉及到地表湖泊景观的保持及地表水系对唐山矿井下是否存在威胁等问题。以唐山南湖为例，探讨蓄水区域的地质采矿条件，分析地表水渗水通道及地表水与地下水之间的水力联系，对采煤沉陷区蓄水安全性进行分析与评估，为南湖蓄水提供安全保障。

1 南湖采煤沉陷区概况

煤炭开采引起的地表沉陷，是指采空区面积扩大到一定范围后，岩层移动发展到地表，使地表产生沉陷。由于百年开采地下煤炭资源和1976年唐山大地震，在位于唐山市中心以南约700 m处形成了面积约30 km2的南湖采煤沉陷区，自2007年起唐山市开始在南湖采煤沉陷区的基础上开发建设城市中央生态公园，2008年11月在2005年航测资料的基础上，对现有的湖面范围和水面标高进行了实测，测量湖区总面积为3 809 078 m2。其中唐胥路以北区域蓄水面积为1 357 759 m2；唐胥路以南区域蓄水2 451 320 m2。

南湖采煤沉陷区以唐胥路为界，道路以北有桃花潭湖(原2号坑)、龙泉湾湖(原6号坑)，以南有揽月塘、回日潭、牵风浦、青龙泽湖(原7、9、8、10号坑)，见图1。原有塌陷坑的形成是由井下开采造成的，井下煤层开采和地质构造是密不可分的。

图1 现状湖面与早期塌陷坑关系

2 区域地质条件

2.1 地 层

研究区位于开平煤田西北翼西南端，开平煤田地层属华北型沉积。煤田中古生界地层广泛分布，上部石炭-二叠系为含煤岩系，各系统间多以整合或假整合接触。含煤地层大多为第四系黄土覆盖，但也有零星出露。

2.2 地质构造

区域地层走向为NE-SW，主要构造绝大部分平行于地层走向，构造极为复杂，由北向南依次排列着FⅠ、FⅡ、FⅢ、FⅣ、FⅤ号等主断层，其断层走向与地层走向基本平行。其中南部边界断层FⅤ号规模最大。褶皱构造发育，除东部发育的FⅢ号断层以南的主向、背斜外，向西部还发育有岭子倾伏背斜等一系列褶曲构造。地面沉陷区的大小、范围和地质构造在空间上有着密切联系，从区域构造看2号坑、6号坑位于Ⅰ、Ⅲ断层在基岩出露位置之间，7、9、8、10号坑位于Ⅲ断层在基岩出露位置以南。

2.3 水文地质条件

根据历次勘探所获水文地质成果，研究区奥陶系灰岩含水层(Ⅰ含水层)、12-14煤层间含水层(Ⅲ含水层)、A层铝土质泥岩-5煤层含水层(Ⅴ含水层)、第四系冲积层(Ⅶ含水层)为主要含水层，14煤层-G层铝土质泥岩含水层(Ⅱ含水层)、14煤层-G层铝土质泥岩含水层(Ⅱ含水层)、基岩面-A层铝质泥岩含水层(Ⅵ含水层)为次要含水层，其中，Ⅲ含水层和Ⅴ含水层为直接充水含水层，Ⅰ含水层和Ⅶ含水层为间接充水含水层即水源含水层。

区内的主要隔水层为冲击层内隔水层共3层：第1隔水层为5～15 m的厚粘土和砂质粘土，第2隔水层为15～30 m厚的粘土层和亚粘土层，第3隔水层5～15 m的粘土层和亚粘土层组成。研究区全部被冲积层覆盖，由东北到西南逐渐增厚，隔水层3层总厚度约40～50 m，岩性为粘土、亚粘土、砂质粘土，粘土遇水膨胀性很强，隔水性能好。

3 蓄水区域开采情况

南湖生态城蓄水区域以唐胥路为界，唐胥路以北蓄水区域下方主要以开采急倾斜煤层为主，煤层倾角50°～90°，该区域唐山矿在上世纪30年代已基本采完，近年来在该区域有采掘活动的主要是刘庄煤矿复采唐山矿5水平(-240 m)以上5、8、9、12煤层，上限开采标高为-76.0 m，下限开采标高-240 m；该区域地质构造复杂，冲积层厚102～178 m，平均140 m，开采后地表形成了2、5、6号塌陷积水坑，根据唐山市政府有关文件，刘庄煤矿于2008年5月停产关井，该区域不再有采掘活动。

唐胥路以南蓄水区域主要以开采缓倾斜和倾斜煤层为主，煤层倾角为9°～30°，该区域全部为唐山矿开采区域，主要回采5煤层、8、9合层和12煤层，各煤层层间距为5煤层与8、9煤层间距约30 m左右，8、9合层与12煤层间距约15 m左右。该地质构造相对简单，并且冲积层厚度为178～274 m，平均226 m，开采后地表形成了7、8、9、10号塌陷积水坑。

4 蓄水安全分析与评估

分析南湖采煤沉陷区蓄水的安全性，主要从地表水渗透通道、地表水与各含水层水位变化、地表水与井下水水质相关性、井下矿井涌水量等方面分析，探讨井下煤层开采后的导水裂缝带沟通地表水的可能性，研究地表水与各含水层及井下涌水之间的关系，进而评估南湖蓄水的安全性。

4.1 地表水渗透通道分析

煤层开采后，一般上覆岩层形成垮落带、断裂带、弯曲带。在垮落带，岩层被断裂成块状，岩块间存在较大孔隙和裂缝。在断裂带，岩层产生断裂、离层、裂缝，岩体内部结构遭到破坏。在弯曲率，岩层基本上呈整体下沉，但软硬岩层间可形成暂时性离层，其岩体结构破坏轻微[9]。导水裂缝带高度(垮落带和断裂带的总称)波及地表水体或与地表水体之间无有效的隔水层时，将导致地表水体溃入井下造成安全事故。

参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》[10]，选取导水裂缝带高度计算公式如下。

对倾斜和缓倾斜煤层：

(1)

对于急倾斜煤层：

(2)

式中，Hli为导水裂缝带高度，m；M为煤层法向采厚，m；h为回采阶段垂高，m。

(1)唐胥路以北蓄水区域急倾斜煤层导水裂缝带高度计算。由于急倾斜各煤层开采上限一样，其导水裂缝带发育高度以开采厚度最大的12煤层计算，回采阶段垂高按15m考虑，计算导水裂缝带高度为37.0m。该区域第四系冲积层厚度为102～178m，平均140m。本区域在急倾斜煤层露头地段开采均留设冲积层防水煤柱，因此，在这种情况下导水裂缝带高度不会到达冲积层而坡坏冲积层内隔水层的隔水性，所以地表水在正常开采条件下不会通过采动裂隙进入井下，而造成淹井事故。

2006年以前急倾斜煤层开采大部分采用落垛式采煤方法，工艺落后，特别在急倾斜煤层露头处易发生抽冒，波及冲积层底部卵石含水层，导致井下涌水量增加，但基岩内部的导水裂隙会及时被上部冒落物质充填，冲积层内部的隔水层塑性极强，会自行修复，虽然短时间会有渗漏，增加井下涌水量，但仍可阻止地表水直接进入井下，这种情况在透冲积层事故中得到了验证。另根据唐山市有关文件，今后在唐胥路以北区域不会再有采掘活动。因此，该蓄水区域地表逐渐进入稳定状态，急倾斜煤层露头处发生抽冒透冲积层的情况可能性较小。

(2)唐胥路以南蓄水区域缓倾斜和倾斜煤层导水裂缝高度计算。唐胥路以南蓄水区域5煤层开采厚度约2.5m左右，其导水裂缝带高度为41.6m。8、9合层开采厚度约为11m，其导水裂缝带高度为76.3m，5煤导水裂缝带完全在其范围内，因而导水裂缝带高度按5、8、9煤综合开采厚度计算，为安全起见，综合开采厚度按13.5m，则导水裂缝带高度为84.0m。12煤层采厚2.3m，导水裂缝带发育高度11.7m。

因此，唐胥路以南蓄水区域煤层开采的导水裂缝带发育高度位于8煤层顶板上方84.0m，即5煤顶板上方54m，蓄水区域第四系冲积层厚度在178～274m，平均厚度为226m，该区域5煤层最小采深为465m，上覆完整基岩最小厚度(465-274-54)=137m，因此该区域煤层开采引起的导水裂缝带与地表水之间第四系冲积层内的隔水层未被破坏，所以地表水不会通过采动裂隙进入井下。

4.2 地表水与各含水层水位变化情况

从近30 a的地表各个含水层的观测资料来看，5煤层顶板含水层(Ⅴ含水层)、12-14煤层含水层(Ⅲ含水层)、冲积层(Ⅶ含水层)和奥灰(Ⅰ含水层)水位均呈下降趋势，见图2。水位下降的主要原因为5煤层顶板含水层和12-14煤层含水层直接受采掘活动的影响，而奥灰水和冲积层水是煤系含水层的间接补给水源，其水位下降跟多年来地下水的不断开采有关系。

图2 历年各含水层水位统计

而同期地表水位并未随之下降，仍形成了大量的塌陷积水坑，根据唐山矿从2008年初到现在对南湖水位持续进行观测，上述水位没有下降反而有所上升(2009年10月与2008年10月相比)，见图3，这种现象表明南湖水位和大气降水密切相关，随季节变化，而塌陷坑水与各含水层水位之间不存在直接的水力联系。

图3 各塌陷坑水位变化

4.3 地表水及井下水水质相关性分析

为分析地表水与各含水层及井下水之间的水质相关性，在不同地点分别提取水样进行水质检测，分析结果见表1。

由表1可知，地表水与井下水阴阳离子的含量明显不同，地表水钠离子和氯离子明显偏高。5、6号坑水质与2号坑水质有所差异，主要是因为5、6号坑接受唐山矿老风井排水，其来源为井下水与地表水混合而成。通过对比分析可以看出：本区域煤系地层水与奥灰水水质类型相似，硬度较高，水质类型为硫酸重碳酸钙镁型。综合各种水质分析资料，2、5、6塌陷坑蓄水与井下涌水的水质相关性方面没有直接关系。

表1 水质分析

4.4 地表水及矿井水量相关性分析

从唐山矿历年水量情况分析(见图4)，地表水与井下采掘活动关系不大，井下水量的变化主要与采掘范围和煤系地层含水性有关，图4中2个明显的高峰是缘于1969年渤海地震和1976年的唐山大地震，破坏了煤系地层含水层的原始状态，致使矿井涌水量有较大增长，1978年以后的30多a的时间里，矿井水量一直保持稳定，并呈逐年下降趋势。2008年5月份以后，矿井涌水量又有所增加，增加的主要原因是刘庄煤矿关闭，停止排水，刘庄煤矿涌水流入唐山矿所致。而同期地表塌陷坑水位没有下降，只是随季节变化而变化。

综上，通过对地表水水位、含水层水位、水质对比、水量变化综合分析，南湖蓄水区域下方因有厚约40～50 m厚粘土隔水层的隔水作用，使得地表水与井下涌水不存在直接水力联系。

5 结 论

(1)唐山市南湖蓄水区域下方具有3层良好的粘土隔水层，且遇水膨胀性极强，对积水下渗起到阻碍作用。煤层开采引起采动裂隙和局部抽冒都不会造成地表水直接进入井下，也不会成为导水通道。

图4 历年矿井涌水量与时间历时曲线

(2)通过对水量变化、水质对比、含水层水位、地表水水位综合分析，地表水与井下涌水不存在直接水力联系。

(3)南湖采煤沉陷区蓄水与井下的安全生产基本上没有关系，可以保持其景观性，蓄水是安全可行的。

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(责任编辑 徐志宏)

Analysis and Evaluation of Water Conservancy Security in Nanhu Mining Subsidence Lands of Tangshan

Gao Huaijun

(College of Management and Economics，Tianjin University，300072 Tianjin，China)

Water conservancy security in Nanhu mining subsidence land refers to the conservation of lake landscape and downhole production security in Tangshan Mine.According to the geological and mining conditions，the development level of mining-induced fissure is figured out to find the possibility of surface water conduction by the fissure.In addition，the influence of the local caving of steep outcrops on the surface water is analyzed.Besides，it conducts the correlation analysis of water quality between the surface water and the ground water after monitoring the variation of water level.And the variation relationship between downhole water inflow and surface water is also analyzed.The study reveals that there is an alluvium water-resisting layer of about 40～50 m in thickness under Nanhu water storage area，which is composed of clay and sandy clay.With better water resistance，it can prevent the water infiltration in water storage area.What is more，the mining-induced fissure will not extend to the alluvium so that the water resistance will not affected，thus mining-induced fissure and local caving caused by mining will not make surface water sink directly into the down hole.And the correlation analysis among the level，quality and amount of water shows that the surface water has no direct hydraulic connection with water inflow and therefore it is feasible to conserve water in Nanhu mining subsidence lands.

Mining subsidence，Water conservancy security，Hydraulic connection，Aquiclude

2014-07-04

高怀军(1969—)男，博士研究生。

X936

A

1001-1250(2014)-11-156-05