探析煤炭开采对地下水的影响<br/>——以井工矿为例

探析煤炭开采对地下水的影响
——以井工矿为例

2016-08-18郭丽君

地下水 2016年4期

关键词：导水井田矸石

郭丽君

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐 830000)

探析煤炭开采对地下水的影响
——以井工矿为例

郭丽君

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐 830000)

煤炭在我国能源生产和消费中一直占有极其重要的地位，随着煤炭资源的大规模开采，引发的地下水问题日益突出，必须采取有效措施控制煤炭开采对地下水资源的破坏。新疆大型煤炭基地是我国煤炭生产力西移的重要承接区，以新疆煤炭基地中规划建设的一井工矿为例，从规划阶段介入，预测了该井田煤炭开采对地下水含水层及水量的影响，分析了矿区排矸场及生产、生活废污水对地下水环境的影响，并提出具有针对性的保护措施，为该矿井及其他矿井建设及运行期合理制定煤炭开采方案、地下水保护方案提供技术参考。

煤炭开采；地下水；导水裂缝带；矿井涌水

煤炭是我国的主要能源和重要工业原料，在我国的一次能源构成中，煤炭历来占据主导地位。随着国民经济发展对能源需求的不断增大，我国煤炭工业产量正以前所未有的发展速度逐年增加，煤炭开采引起的水文地质问题也日益凸显，尤其是煤炭开采对地下水的影响[1]。为此，国内不少学者围绕煤矿开采对地下水的影响及保护开展了大量研究，如薛强等(2005)建立了采煤矿区地下水水环境脆弱性评价指标体系，采用数学模型和DRASIC评价指标体系法进行了矿区地下水脆弱性研究[2]；张发旺等(2007)以神府东胜矿区为例，从地表水、包气带水、地下水及水体污染四方面分析了采煤塌陷对水环境的影响效应[3]；朱君等(2012)计算了梁家碛露天煤矿开采后地下水的疏干范围[4]；连玮(2013)根据采煤导水裂缝带发育程度分析了崔木井田开采对地下水含水层的影响，计算了地下水水位影响半径及矿井涌水量，提出合理控制采高、设置防水煤岩柱等“保水采煤”措施[5]；顾大钊(2014)提出利用煤炭开采形成的采空区作为储水空间，用人工坝体将不连续的煤柱坝体连接构成复合坝体，建设煤矿地下水库，在神东矿区建设了示范工程[6]；段瑞琪等(2015)利用地下水渗流模型，分析了龙门煤矿井下涌水对区域地下水流场的影响[7]。

从国内研究现状可知，基于地下水合理开发、利用及保护的煤炭开采研究对于制定煤炭开采方案、地下水保护方案，促进煤炭产业可持续发展有着非常重要的意义。本文以新疆哈密地区巴里坤矿区规划建设的一井工矿为例，预测了该井田煤炭开采对地下水含水层及水量的影响，分析了矿区排矸场及生产、生活废污水对地下水环境的影响，并提出矿井涌水有效利用措施，以期为煤矿建设、运行阶段地下水利用与保护提供技术支撑。

1　井田概况

新疆大型煤炭基地是国家第十四个大型煤炭基地，巴里坤矿区位于新疆四大煤炭基地之一的吐哈区，行政区划隶属于哈密地区巴里坤哈萨克自治县，矿区面积约712 km2，煤炭资源储量约30亿 t[8]。该井田位于巴里坤矿区西区，设计开拓方式为斜井开拓，生产能力为6.0 Mt/a。井田内及周边无地表水体和常年性河流，也无泉水出露，无居民点、自然保护区等保护对象。井田含煤地层主要为侏罗系西山窑组，可采、局部可采煤层4层，自上而下编号依次为B5、B4、B3-2、B3，可采煤层平均总厚为14.79 m。

该井田西南侧为DF1断层，东侧为F1大断裂，两断层均以隔水边界为主，仅地形有利于地表水入渗补给，故该井田为近封闭～半封闭的水文地质单元。根据岩性组合特征、地层富水性、抽水试验成果等，将井田划分为第四系上更新统～全新统、全新统透水不含水层，新近系中新～上新统昌吉河群含水层，侏罗系中统西山窑组裂隙含水层，侏罗系下统三工河组隔水层四个含(隔)水层。其中，第四系上更新统～全新统、全新统透水不含水层在井田内广泛分布，以冲洪积的砂砾石为主，无胶结，透水性较好，但所处位置无水源补给，不具储水条件；新近系中新～上新统昌吉河群含水层在井田外围零星出露，为相对含水层，富水性较弱；侏罗系中统西山窑组裂隙含水层为井田主要含煤地层，其上段为砂砾岩段、下段为含煤段，均为相对隔水层，仅煤层与顶底板之间的砂岩和砾岩层为相对含水层；侏罗系下统三工河组隔水层在井田外围零星出露，厚层状粉砂岩结构致密，为相对隔水层。根据各含(隔)水层的岩性特性和赋水性可知，井田内含水层地层岩性不利于矿床充水。

2　采煤对地下水资源的影响预测

煤层采出后，采空区周围的岩层会发生位移、变形甚至破坏，上覆岩层根据变形和破坏程度的不同分为冒落、裂缝和弯曲三带，其中裂缝带又分为连通和非连通两部分，通常将冒落带和裂缝带的连通部分称为导水裂缝带。开采沉陷对地下水含水层的影响主要表现在煤炭开采后顶板发生垮落形成垮落带和裂缝带，进而导致地下含水层遭到破坏、地下水漏失、水位下降，并间接对与已被破坏含水层存在水力联系的其他含水层产生影响。同时，开采沉陷对含水层的影响程度主要取决于覆岩破坏形成的导水裂缝带高度是否波及水体。

2.1采煤塌陷“导水裂缝带”高度预测

导水裂缝带发育高度与煤层赋存条件、顶板岩性、采煤方法、开采厚度、顶板管理方法等均有密切关系。根据井田可采煤层特征分析，冒落带、导水裂缝带高度预测选用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中覆岩岩性为“软弱”的计算公式[9]，即：

冒落带：Hm=(100∑M/6.2∑M+32)±1.5(M为采厚)

井田可采煤层冒落带、导水裂缝带高度计算结果见表1。根据表1计算结果，对比上、下两层煤的最小垂距与下层煤的冒落带高度可知，B4、B3-2、B3煤层的冒落带均进入上层煤。

表1　采煤冒落带、导水裂缝带高度计算成果表

2.2采煤对地下水含水层的影响分析

根据井田内勘探线上各钻孔煤层导水裂缝带发育高度计算结果分析可知，采煤导水裂缝带导入侏罗系中统西山窑组裂隙弱含水层、新近系昌吉河群裂隙孔隙弱含水层，极少数钻孔煤层导水裂缝带导入第四系透水不含水层，均未导通地表。

1)对煤系地层上覆含水层的影响

井田煤系地层上覆含水层有上更新统～全新统、全新统第四系透水不含水层，新近系中新～上新统昌吉河群含水层。根据采煤沉陷“导水裂缝带”发育高度计算结果可知，只有极少数钻孔煤层导水裂缝带导入第四系透水不含水层，未导通地表。考虑到大气降水、季节性融雪水可直接通过地表风化裂隙、孔隙补给地下水，采煤工作面将面临大气降水或季节性融雪水的危害，在导水裂缝带导入第四系的区域需留设防水煤岩柱，以保证安全开采；部分钻孔煤层导水裂缝带导通新近系中新～上新统昌吉河群含水层，该含水层岩性主要由褐红色粉砂质泥岩、粉砂岩、砾岩组成，在没有导入新近系的区域，泥岩、粉砂岩有很好的隔水作用。在导通区域，该含水层的地下水不再向下游径流，而是以矿井水的形式排泄至地面矿井水处理间，该含水层地下水位将逐渐下降。

2)对煤系地层含水层的影响

侏罗系中统西山窑组砂砾岩裂隙含水层为煤层开采的直接充水含水层，采煤导水裂缝带将导通该含水层，含水层中的地下水沿导水裂缝带进入井内，含水层水量随着煤层开采逐渐被疏干。煤炭开采后，该含水层中地下水的排泄方式将由原来天然的顺地层沿倾向方向转变为以人工开采排泄为主，以矿井水的形式排至地面矿井水处理间。

3)对煤系下伏含水层的影响

本井田煤系地层下伏石炭系石钱滩组基岩裂隙含水层，在侏罗系西山窑组和石炭系石钱滩组之间发育有侏罗系下统三工河组隔水层，该隔水层岩性主要以粉砂岩、粉砂质泥岩为主，隔水性能较好。因此，井田煤层开采对石炭系石钱滩组基岩裂隙含水层影响较小。

2.3采煤对地下水水量的影响分析

矿井涌水量计算以地下水动力学理论为基础，以符合《煤田钻孔稳定流抽水试验质量标准》的合格抽水试验资料为计算依据。设计采用“大井法”预算矿井涌水量，水文地质边界为西南至DF1断层、东至F1大断裂，充水水源为B5-B3煤层顶板导水裂缝带高度内的砂岩裂隙水，预算时井田煤系地层地下水全部按承压转无压处理，降水补给量忽略不计。

“大井法”计算公式为：

经计算，该井田煤层开采对地下水含水层的影响在以外开采边界外推4 485.5 m的范围内，矿井正常涌水量为206.5 m3/h，主要来自煤系地层含水层即侏罗系中统西山窑组砂砾岩裂隙含水层和煤层上覆含水层即新近系中新～上新统昌吉河群含水层，对区域水资源和生态环境影响不大。

3　矿区排污对地下水的影响

3.1排矸场对地下水的影响

本矿井建井期间矸石全部回填工业场地和作为场外公路路基材料；生产期间井下矸石尽量回填废弃巷道，考虑废弃巷道填满等异常情况时矸石的排放，故设地面临时排矸场，排矸场周围500 m范围内无村庄、无居民水井及其它地下水敏感点。矸石露天堆放经降雨溶淋后可溶解性元素随雨水迁移进入土壤和水体，可能会对土壤、地表水及地下水产生一定的影响，其影响程度取决于淋溶液中污染物的排放情况及所在地的环境地质条件。

1)矸石淋溶水成分分析

本矿井为规划矿井，矸石采样取用周边四座煤矿的煤矸石进行了浸出试验，以此模拟降雨条件下淋溶液成分，监测指标有PH值、氰化物、无机氟化物、六价铬、铅、镉、总铬、铜、锌、砷、镍、汞等。

根据煤矸石浸出试验结果，矸石浸出液各项分析指标均远小于《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》的要求，而且矸石不在《国家危险废物名录》中，由此类比本矿井煤矸石不属于危险固体废物，属于一般工业固体废弃物；各项分析指标均未超出《污水综合排放标准》中一级排放标准规定限值，且pH在6～9之间，表明矸石属于第Ⅰ类一般工业固体废物；各项分析指标均未超出《地下水环境质量标准》Ⅲ类标准限值，矸石淋溶液对地下水水质影响甚微。

2)矸石淋溶液对地下水的影响分析

在矸石浸出试验中，矸石浸出液的水质为矸石成分最大限度的浸出状态。从井田所在区域的气象资料看，本区属干旱荒漠区，降水极少、蒸发强烈，蒸发量为降水量的10倍以上，矸石的自然淋溶量较小。本区包气带对地下水的垂直下渗具有一定的阻隔能力，可以有效阻止污染物向地下水中运移。设计在矸石场周边沿地势设置截排水设施，防止雨季降水径流进入排矸场；矸石场基底部设置暗涵，及时排泄矸石淋滤水，有效减少雨水与矸石的接触时间，进一步降低矸石淋滤水对地下水环境的影响。

故，矸石淋溶液对周围土壤及地下水水质影响较小。

3.2废污水排放对地下水的影响

矿产资源在开发利用过程中产生的废水污染是造成水源恶化的主要因素之一[10]。《关于印发煤炭工业节能减排工作意见的通知》(发改能源[2007]1456号)指出：“矿井开采过程中矿井水必须进行净化处理和综合利用，矿区生产必须优先采用处理后的矿井水”，“选煤厂补充水必须首先采用处理后的矿井水或中水”。本矿井处于地表水与地下水比较匮乏的区域，在水源配置及供、用水平衡设计上，优先利用矿井涌水及生产、生活废污水作为工业场地生活、地面生产及井下生产用水，实现废水资源化，有效缓解了矿井建设需水与当地水资源紧缺间的矛盾，促进区域水资源优化配置和高效利用，属于水资源配置鼓励、提倡的配置方向。

该井田矿井涌水中Cl-、SO42-、矿化度等较高，经矿井水处理间混凝、沉淀、过滤、消毒等常规处理达到选煤用水水质指标后，复用于选煤厂生产补充水、防火灌浆用水；余水经反渗透脱盐装置预处理和脱盐处理达到生活饮用水标准、热水锅炉水质标准、井下消防及洒水水质标准后，复用于生活用水、锅炉房用水、井下洒水(如喷雾降尘、设备冷却、井下风流净化水幕、冲洗巷道等)和井下消防洒水；余水送至巴里坤县三塘湖盛坤源水利投资运行有限公司，由该公司统一调度供给巴里坤矿区其他企业使用。该矿井生产、生活废污水经污水处理站生化、沉淀、过滤、消毒处理后，出水水质达到绿化及道路清扫水质标准、选煤用水水质指标的有关要求后，全部复用于道路浇洒及绿化用水、选煤厂生产补充水。

本矿井无生产、生活废污水排入周边水域，对地下水水质及水环境基本无影响。但在投运后，要做好事故应急预案，防止污染地下水。

4　地下水保护措施

为减轻该井田煤炭开采对地下水的影响，应采前做好预防、采中强化监测和保护、采后及时治理，通过废污水综合利用、水质动态监测、留设防水煤岩柱等措施可有效保护、及时修复地下水环境。

4.1废污水处理复用

建设期生产、生活废污水排至施工工地废水沉淀池，沉淀后复用于施工用水；运行期矿井工业场地设1座地埋式污水处理站、1座矿井水处理间处理矿区生产、生活废污水及矿井涌水，处理达标后部分回收复用，部分送至下游企业回用，无废污水排放至环境水体中。

4.2制定水质监控方案

为及时反映矿区各系统排放水质变化与矿区排污关系，以控制污染物排放浓度，在污水处理站、矿井水处理间及排矸场的进、出水口处对水质进行逐月监测，并建立排污口监测数据档案，将主要污染物的种类、数量、浓度、排放去向、达标情况及设施运行情况记录在案。

4.3留设防水煤岩柱

本井田局部煤层导水裂缝带将导入第四系透水不含水层，为防止地表水沿导水裂缝带泄入井下对采煤工作面造成危害，需对导通区域留设防水煤岩柱。具体留设方式为煤层开采形成的导水裂缝带高度+保护层厚度进入第四系底板，则对该区域禁采。该井田防水煤岩柱保护层厚度取3A(，M为采厚，n为分层层数)，防水煤岩柱高度≥导水裂缝带高度+保护层厚度。

4.4地面沉陷保护措施

井田地处戈壁区，地势平坦，开采结束后预计会形成明显的地表裂缝、局部滑坡或沉陷坑。但井田开采面积大，开采沉陷引起的地表起伏与原地表自然起伏相比较小，不会形成下沉盆地，井田边界区坡度将增加，地形将向盆地内倾斜，井田内地形地貌基本维持原貌。对地表沉陷区域采取随沉随填、填后夯实的措施，采用人工或机械回填矸石、就近取土石挖高填低，或将矿井的矸石与锅炉灰渣等在地面加工制成不需要脱水处理的膏状浆体，采用充填泵或重力加压通过管道输送到井下，适时充填采空区，形成以膏体为主的上覆岩层支撑体系。