榆阳煤矿矿井涌水来源及对红石峡水源地的影响

2014-12-14蒋泽泉郭亮亮吕文宏

地下水 2014年4期

蒋泽泉，郭亮亮，吕文宏

(1.陕西省煤田地质局一八五队，陕西榆林 719000;2.陕西中能榆阳煤田有限公司，陕西榆林 719000)

榆阳煤矿3号煤层开采，实测的综采条件下导水裂隙带发育高度为84.8 ～96.3 m，为采厚的 24.2～27.5倍，冒落带高度为 14.2 ～17.2 m，为采厚的 4.06～4.91倍，由于 3煤的赋存厚度存在差异，因此井田内综采条件下导水裂隙带高度发育不等，井田的东北角导高发育不大，而西北部导高发育最为剧烈，南部由北向南逐渐变小。与第四系含水层厚度图对比分析，目前导水裂隙带发育程度下，上部松散层不会直接与导水裂隙带直接沟通，造成水资源严重影响，但由于缺少连续大面积厚层分布的隔水土层，井田西北部的松散层水资源将通过残余基岩缓慢渗流至井下。

1 矿井涌水来源及影响范围

1.1 矿井涌水量及来源

榆阳煤矿导水裂隙带发育高度最大有90 m以上，此时矿井的直接充水层位应该是延安组含水层，钻孔 ZP2、ZP1揭露的这两层含水层时未见水位是为佐证;同时，在煤层开采后由于基岩和上覆松散层之间隔水层有限，即基岩含水层受松散层、风化基岩层越流补给，一般说来工作面最大涌水量出现在初次来压期间，而榆阳煤矿2301工作面在初次来压期间涌水量却是正常的，并没有出现突然增大的现象，说明矿井涌水有一定的间接补给水源，因此松散层及风化基岩含水层是矿井充水的间接充水层。经调查，前期200万 t/a产量时，矿井总涌水量为900 m3/h，其中井筒涌水量为105 m3/h，开采区东部3号煤层受古直罗河冲刷而变薄，其顶板砂岩含水层增厚，当开采至该段时，矿坑涌水量增大，后停止开采，并对其进行了封闭，现涌水量基本保持稳定，涌水量约250 m3/h。井筒涌水量和东部矿坑涌水量共355 m3/h(8 520 m3/d)，在今后煤层开采时，基本保持不变。

根据地质报告预测，改扩建后年产300万 t的矿坑总涌水量为28 140 m3/d(1 172.5 m3/h)，这与实际矿井涌水量是相符合的。利用“大井法”预测，基岩的涌水量619 m3/h，这与目前的矿井涌水量差别较大，两者之差为481 m3/h，说明有上覆水源(松散层与风化基岩层)越流参与。

1.2 矿井水的主要来源

1)基岩水

采空区范围基本已经疏干，依据大井法可以计算影响范围“七里镇砂岩”含水层为373 m，“真武洞砂岩”含水层为82 m。

2)风化基岩及松散层水

本次野外水文地质调查共观测7口民井(风化基岩有2口、松散砂层有5口)，这7口民井的水位变化情况可以看出风化基岩含水层几乎没有影响，仅仅受到沉降影响水位有过短暂的下降后，数月就在很大程度上恢复;另外，房采工作面对松散层几乎没有影响;综采对松散层有一定的影响，严重影响范围应该介于500～1 200 m，1 200 m以外影响不显著。

自综采工作面投产以来，矿井涌水量不断上升，依据以上分析可以看出:综采主要是疏放的“真武洞砂岩”和“七里镇砂岩”两层含水层，同时含部分松散砂层及风化基岩水，基岩含水层疏干后的影响范围“七里镇砂岩”含水层为373 m，“真武洞砂岩”含水层为82 m，松散层的严重影响范围为500～1 200 m。

1.3 矿井水与各含水层的水质比较分析

对已经回采2年的综采工作面2304采空区的矿井涌水进行水质简分析，矿井涌水检测结果与各含水层水质对比如表1所示。

表1 矿井涌水、松散层水及基岩水质对比表

由表1可以看出:

(1)松散含水层与基岩含水层的水质存在一定的差异，松散含水层多为低矿化度、低硬度 HCO3-Na·Ca型水，基岩含水层多为高矿化度、高硬度 HCO3-Ca或 HCO3·SO4-Na·Ca型水，说明两者在天然状态下有一定的水力联系，但深部基岩含水层水动力环境较差，另外NH4+含量小，说明两含水层天然状态下基本没有受到污染。

(2)矿井水中阴离子含量首位是SO42-，但 pH 值为 7.6，接近中性，与天然含水层 pH接近，说明矿井水酸化不明显，因此SO42-的主要是源自涌水水源，而深部基岩含水层较松散含水层SO42明显较大，矿井水更接近于基岩含水层。

(3)矿井水中Ca2+，Mg2+及矿化度远高于松散含水层水平，但pH值略偏碱性，说明不是松散含水层酸化后溶蚀围岩所致，其更接近于基岩含水层的含量。

(4)介于松散含水层与基岩含水层水质的一定差异性，依据目前观测的结果可以认为矿井涌水中有大量基岩含水层的成分，但矿井涌水中是否有大量松散含水层水源参与，需要进行长时间、大批量的水质动态观测来进一步判断。

1.4 矿井涌水通道分析

现场实测及理论分析均发现导水裂隙带没有直接沟通隔水粘土层，但野外地质调查及矿井涌水计算结果，均发现松散砂层潜水有不同程度的参与，说明导水裂隙带以上范围内必然存在着一定相对微弱的渗流通道。

前述对关键隔水土层及岩层进行了室内外采动渗透性变异测试，可以看出岩体受卸载应力路径时，表现出渗透系数的增加，特别是隔水的软岩影响最为显著，说明即便是整体下沉带内岩体在采动条件下渗透性亦会有明显变化，即有一定的越流量。与此相对比，隔水的土层原位测试结果显示其渗透系数变化不明显，即采动后仍然有天然状态下的阻水特性，那么砂层潜水通过隔水粘土层下渗的通道是怎样的，需要对采动条件下地表拉伸裂隙深度及地表裂隙与导水裂隙之间基岩隔水性进行分析。

地表拉伸裂隙是地表岩土层受煤层回采附加应力作用的产物，因此影响其发育深度的主要因素是地表岩土层的岩性及其所受到的附加应力大小，即与煤层的采深、采厚、采煤方法、地表岩土层性质及其厚度等有主要的关系。如果地表为粘性土，其塑性较大，在地表环境下起拉伸变形值一般超过6～10 mm/m时才会发育裂隙，但地表岩性为塑性较小的砂质粘土、粘土质砂或岩石时，其受到拉伸变形达到2～3 mm/m时就会产生裂隙。

榆阳煤矿2303工作面为综采工作面，工作面走向长1 375 m，倾向长195 m，采高为3.5m，煤层倾角小于1°，埋深较浅为183.0～195.2 m。在高强度开采条件下，地表出现多组平行的拉伸裂隙，裂隙在空间分布、几何形态及位移特征上均满足典型拉伸裂隙特征，依据相关的指标测试成果，地表附近的附加拉应力平均为 -5 200 Pa，风积沙拉伸破坏深度为2.12 m，风积沙总破坏深度为2.19 m，但裂隙的自稳深度只有2.13 m，现场实际测量可知边缘拉伸裂隙的最大发育深度为1.92 m，实际开挖测量破坏深度为2.08 m，说明计算值与实测值吻合良好;而黄土相比风积沙有其特有的结构特性，内聚力和抗拉强度较大，其拉伸破坏深度为4.2 m，总破坏深度为5.2 m，自稳深度为14.3 m，实际观测黄土地貌下煤炭开采引起的拉伸裂隙发育深度没有大于5 m，而天然存在的直立黄土边坡有大于10 m仍然自稳的现象。

1.5 地表拉伸裂隙与导水裂隙之间岩石的隔水性分析

由以上分析可以看出地表拉伸裂隙没有直接沟通砂层潜水和采空区，但会直接影响松散砂层与风化基岩含水层的水力联系，即松散砂层潜水补给风化基岩含水层。

而导水裂隙带并没有直接沟通风化基岩含水层与采空区，由实施的ZP1和 ZP2两个钻孔揭露情况，可以看出两裂隙带之间剪切基岩带主要岩性为粉砂岩、细砂岩、中砂岩等硬岩及少量砂质泥岩等软岩，且剪切带的基岩中没有大量的采动裂隙赋存，说明岩体没有发生破坏，但其受到卸载影响，渗透系数有不同程度的提高(图1)。为进一步确定剪切带岩体渗透性，在钻孔实施到该层位时进行了简易注水试验，15 min内水位埋深由36 m下降到38.7 m，依据钻孔变水头注水试验计算公式可得剪切带内的粉砂岩的渗透系数为0.043 m/d，为弱透水层。即导水裂隙带与地表拉伸裂隙带之间的剪切带中硬岩所占比重较大，而隔水的软件相对较小，且受卸载影响敏感，渗透系数较小有利于风化基岩和松散砂层潜水越流进入采空区(见图1)。

图1中砂层潜水主要通过隔水粘土层尖灭处(天窗)及地表拉伸裂隙补给风化基岩含水层;而风化基岩含水层与导水裂隙带之间泥岩等软岩不赋存，同时相对隔水的粉砂岩受采动影响，渗透性变大为弱透水层，使得风化基岩在一定程度上越流补给采空区。因此仅黄土隔水层连续大面积分布区域可以采用综采而对上覆砂层潜水影响不大，黄土层尖灭或较薄时会有明显的越流现象。

图1 矿井涌水通道示意图

根据预测，水位恢复过程可以分为初期的快速恢复期及后期的缓慢恢复期，且越至后期恢复越缓慢，2～3个月水位既可以恢复大部分，几乎完全恢复则需要1年以上。

2 榆阳煤矿开采对红石峡水源地的影响

前面已经论述榆阳矿煤炭开采对地下水的影响，可以看出风化基岩基本不受影响，短期内既可以恢复，松散层也只有500～1 200 m的影响范围，基岩含水层虽然已经局部疏干但是影响范围也只有82～373 m的影响范围。因此，榆阳煤矿的开采不会直接造成红石峡水源地的水位下降，只是在有限的程度上对红石峡水源地的汇水面积有一定的影响。

红石峡水源地的汇水区域内有较多的煤矿，均开采3号煤层，众多煤矿的开采使得红石峡水源地的汇水面积减少，红石峡水源地的上游头道河则发源于松散砂层，自源头起其就受煤矿开采影响，有明显的减流(图2)。因此，榆阳煤矿开采对红石峡水源地有一定的影响。