西曲煤矿开采对区域地下水环境影响分析

卢丽娜

（山西省水资源研究所，山西 太原 030001）

1 概况

西曲煤矿于1984年12月建成投产，行政区划隶属古交市西曲街道河口镇管辖，工业场地东距古交市市区约0.5 km，主要由主生产区、辅助生产区、行政办公区及职工家属生活区构成，总占地面积68 hm2。

井田南北长约6.5 km，东西宽约6 km，井田面积40.692 7 km2，年生产规模400万t，服务年限为29.3年。煤炭资源属太原西山煤田，含煤地层主要为山西组和太原组，批准开采2+3、4、8、9号煤层。其中山西组2+3、4号煤层为上组煤，太原组8、9号煤层为下组煤。截止2014年底，西曲井田内2+3号煤层已基本枯竭，从2015年后主要开采4、8、9号煤层。根据井田范围煤层赋存特征和开采条件，开采分两个水平，第一水平标高为+983 m，第二水平标高为+1 072 m，全部为生产水平。

2 井田构造及水文地质条件

2.1 井田地层及构造

西曲井田内地层自老到新出露的有古生界石炭系上统太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组，上统上石盒子组及新生界第三系、第四系。矿井的西北部地质构造比较复杂，而东部相对简单。地层倾角一般为5°左右。井田整体属于单斜构造，基本上是向南偏西倾斜。井田内的主要地质构造为断层和陷落柱，其次为宽缓的褶皱，还有冲刷现象等。

2.2 地下含水层和隔水层情况

井田区域含水层从上至下主要有：第三系与第四系松散岩孔隙含水岩组，第三系红土、砾石层以及第四系黄土，都分布山顶、山坡或低凹处，厚度虽然较大，但都不含水，主要补给来源为地表径流及大气降水；二叠系石盒子组砂岩裂隙含水岩组，岩性主要为砂岩、砂质泥岩及泥岩互层，风化裂隙发育，其富水性弱；石炭系山西组砂岩裂隙含水岩组，岩性主要由砂岩、砂质泥岩、泥岩及煤组成，其富水性弱；石炭系太原组砂岩夹薄层灰岩裂隙含水岩组，岩性是由泥岩、砂岩、石灰岩及煤层组成；奥陶系岩溶裂隙含水岩组，主要含水层有峰峰组岩溶裂隙含水层、上下马家沟组岩溶裂隙含水层，岩性以石灰岩为主，含水层富水性较好，地下水为埋藏型的承压裂隙溶洞水，有一小部分奥灰水带压。

井田区域隔水层主要有：山西组2号煤层与8号煤层之间的隔水层段，2号煤层底部与8号煤相距74 m左右，隔水层厚度稳定，隔水性能良好，可以阻隔上部含水层与太原组石灰岩之间的水力联系；太原组9号煤层底板至奥陶系顶面之间的隔水层，9号煤层底板至奥灰顶面之间的岩层，主要阻挡奥灰岩溶承压水向上部含水层和煤层充水，隔水岩层厚度较大，分布较稳定，主要岩性由砂岩、石灰岩夹泥页岩组成，底部为铝土质泥页岩，具有较好的隔水作用；峰峰组下段隔水层，这段隔水层是峰峰组岩溶裂隙含水层与上马家沟组岩溶裂隙含水层之间的良好隔水层。

3 煤矿开采对区域地下水环境的影响

煤炭开采前各含水层之间有一定厚度的隔水层相隔，彼此间水力联系微弱，水位存在一定差异，一般情况下，各含水层地下水的运动以层间径流为主，仅在构造裂隙部位才有可能与其它含水层发生水力联系。煤炭开采则扰乱了原始地下水的运动模式，使煤系含水层地下水的排泄，由原来天然的顺地层沿倾向方向径流排泄转变为人工排泄为主，开采后形成以矿井为中心的降落漏斗，从而破坏了地下水的循环体系，改变了井田范围内地下水天然补给、径流、排泄条件。

当一个煤层开采后，其上部岩层移动时，如果导水裂缝带达到地表，就会使地表水与井下连通，使地表水渗入矿井内，如果导水裂缝带达不到地表，但达到了煤系上覆某一含水层，就会使该含水层破坏，改变其径流特征，使含水层的水漏入井下，形成矿坑水。矿坑排水将造成地下水资源的破坏。

4 煤矿开采对地下水环境影响分析

井田2+3、4、8、9号煤层埋深分别为17.33～288.93m、10.05～308.6 m、41.24～356.48 m与53.97～371.41 m，平均采深分别为149.55m、159.325m、193.67m与212.69m，属浅、中埋藏型煤层。通过计算得出，井田2+3、4、8、9号煤层开采后形成的最大垮落带高度分别为23.92 m、12.90 m、25.05 m与15.60 m，最大导水裂缝带高度分别为89.33 m、50.44 m、122.53 m与61.55 m。

4.1 对第三、第四系松散岩类孔隙水、基岩风化带裂隙水的影响

根据垮落带与导水裂缝带的计算结果，在井田东南部煤层浅埋区、以及煤层露头地带，导水裂缝带将会导入第三、第四系地层，造成第三、第四系松散岩类孔隙水渗入矿井转化为矿坑水，从而导致采煤区浅层地下水水位下降，出水量减少甚至干枯。在井田中部及西北部，煤层埋藏虽相对较深，但随着煤层的不断开采，受采煤形成的垂曲（扒缝）带影响，将造成井田地表变形，使浅层地下水含水层的水位和径流条件受到干扰，同样造成浅层地下水水位下降，出水量减少，对井田范围内的用水安全造成影响。

4.2 对煤系地层上覆二叠系砂岩裂隙水的影响

井田煤系上覆含水层主要是二叠系上、下石盒子组砂岩裂隙含水层。根据导水裂缝带的计算结果，开采上组煤2+3、4号煤层，产生的导水裂缝带会导入上石盒子组含水层，开采下组煤8、9号煤层，导水裂缝带不会导入上石盒子组含水层，且上、下石盒子组含水层之间有隔水层断绝其水力联系，因此，上组煤开采形成的导水裂缝带对上石盒子组含水层有一定影响，而下组煤开采对上石盒子组含水层影响有限。

开采上组煤2+3、4号煤层和下组煤8、9号煤层产生的导水裂缝带均会导入下石盒子组含水层，下石盒子组含水层中的地下水会通过导水裂缝带进入井下，改变其原天然顺地层的流动方式，转为人工开采排泄。所以，煤矿开采将对下石盒子含水层会产生一定的影响。

4.3 对石炭系山西组砂岩裂隙水的影响

山西组砂岩裂隙含水层为上组煤2+3、4号煤层的直接充水含水层，含水层岩性以中～粗砂岩或含砾粗砂岩为主，厚度不稳定，含水性差。根据导水裂缝带计算结果，上组煤2+3、4号煤层开采导水裂缝带在煤系地层充分发育，煤层开采时山西组砂岩裂隙水将通过导水裂缝直接进入矿坑，转化为矿坑水。

4.4 对石炭系太原组砂岩夹薄层灰岩岩溶裂隙水的影响

太原组砂岩夹薄层灰岩岩溶裂隙含水层为下组煤8、9号煤层的直接充水层。灰岩岩溶裂隙水主要赋存于太原组的灰岩中，根据导水裂缝带计算结果，开采下组煤8、9号煤层后，导水裂缝带会在煤系地层充分发育，石灰岩岩溶裂隙水将通过导水裂缝直接进入矿坑，转化为矿坑水。

由此可见，西曲煤矿采煤将会对井田区地下水补、径、排条件造成一定破坏，使地下水水质受到污染。虽然矿坑排水经处理后，部分回用于洗煤厂生产用水，但在矿井探放水期间，仍会有矿坑水外排，水质若未达到地表水排放标准，将会对地表水以及地下水环境产生不良影响。

4.5 对下伏奥灰岩溶地下水的影响

奥陶系中统上马家沟组岩溶裂隙水，是本井田主要煤系地层下伏含水层。奥陶系地层井田内无出露，埋藏较深，岩性以灰岩、白云岩、白云质灰岩为主，溶洞和溶孔发育。井田内奥陶系顶板至9号煤层底板间石炭系本溪组平均厚度为29.13 m，岩性主要为泥岩、粘土岩、铝土泥岩类，稳定性好，作为上覆煤系地层裂隙水和奥陶系石灰岩岩溶裂隙水之间的较稳定隔水层，具有较好的隔水性能。在没有采煤扰动的情况下，可以有效的隔绝奥灰水与其他含水层的水力联系。

根据钻孔揭露，井田内可采煤层大部分位于奥灰水位之上，仅在井田西南角红崖子断层以西到井田边界小范围奥灰水头高于煤层底板标高，属于带压开采煤层。按照突水系数的计算结果，井田最低可采煤层9号煤层最低处所承受的奥灰水突水系数为0.0308 MPa/m，小于《煤矿防治水规定》具有构造破坏的非正常块段突水系数临界值0.06 Mpa/m，由于有良好的隔水层存在，本井田煤层开采发生奥灰岩溶水突水可能性较小。因此，煤矿开采不会对下伏奥灰含水层造成明显影响。

5 结语

由上述分析可知，在煤矿开采过程中，形成的导水裂缝带会不同程度地导入煤系地层上覆各含水层，然后产生大量的矿坑涌水。使浅层地下水水位降低，地下水补给、径流、排泄条件造成破坏，发生变化；矿坑水的水质较差，不经处理排放会对水环境造成污染。在采煤后期，形成的垂曲带将会造成井田地表变形。因此，在煤炭开采时，严格按照采煤方法和煤炭开采厚度，选取合适的防水煤岩柱保护层厚度，最大程度保证导水裂缝带不波及到上覆含水层和地表，在采空区、新开采区隔离带以及地层断裂发育地带，必须设置保留一定范围的防水煤柱，严格控制越界开采；全面落实矿井水的综合利用方案，实现矿井非探放水期、“突水”、“透水”期的矿井水零排放目标，全面提升矿井水处理站处理标准，实现非正常工况下矿井水的达标排放，建设一定容积的矿井水集蓄水池，用于集蓄矿井探放水期、“突水”、“透水”期的矿井排水；建立水资源管理监测系统，做好地下水动态监测工作，在煤炭开采过程中，及时观测采空区积水、地下含水层水位水量的变化情况，并制定相应的防水治水措施。煤矿也应积极配合区域水资源管理部门进一步加强矿区及周边区域水环境监测的工作。