煤矿开采对区域水环境影响分析

陈 静,高建辉

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001）

0 前言

近年随着陕西省大量煤矿开采工作的展开，对区域水环境造成了一系列的影响，因此对煤矿开采后，导水裂隙带是存在着高度发育至第四系潜水贯通隔水层至地表，造成突水事故的危害；地下煤层被开采后是否引起地表变形，对煤层上覆岩层及含水层造成影响；是否会对地表河川径流、潜层地下水以及井田内居民用水等产生的影响进行分析至关重要[1]。

本文以陕北煤田榆神矿区神树畔井田开采为例，预测井田开采后导水裂隙带发育高度，分析对河川径流、地下水，区域水生态和水源地陆域补给区等的影响，为井田突水防治、根据井田水环境破坏影响制定井田保护措施提供理论基础和数据支持，为推进煤矿开采对区域水环境影响的理论探索和经验应用抛砖引玉。

神树畔井田地处陕北煤田榆神矿区一期规划区的南部，地处榆林城区东北方向直距32 km处，隶属榆林市榆阳区麻黄梁镇管辖。井田地处毛乌素沙漠与陕北黄土高原接壤地带，井田东部多被沙漠覆盖，分布沙丘、沙梁，其余为第四系黄土覆盖，呈现沟壑纵横的黄土梁峁地貌景观。井田可采煤层位于井田侏罗系中统延安组，自上而下依次为3、6、9号煤层，主采煤层为3号煤层，厚度10.52～11.75 m，平均11.16 m，埋深170.15～292.73 m。3煤层具有具有埋藏浅、厚度大，全区可采的特点，本次主要分析3号煤层的开采对对区域水环境的影响。

1 导水裂隙带发育高度预测

3号煤层采用综采放顶煤法，割煤3.5 m，顶煤放落7.0～8.2 m，采放比约2.2，合计采煤高度10.5~11.7 m。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》经验公式[2]，结合目前综采导水裂隙带发育高度预测新的理论研究和经验应用，计算得3号煤层导水裂隙带高度为115.2~127.5 m，最大发育高度127.5 m。

3号煤层位于延安组第三段，煤层与第四系之间的平均距离176 m，煤层上覆延安组第四段（厚度为21.17~79.55 m）和中统直罗组（厚度为1.34~28.73 m），导水裂隙127.5 m，将穿透延安组第四段和中统直罗组，发育到上新统静乐组红土隔水层下部，静乐组厚度67.07～154.67 m，为棕红色粘土及粉砂质粘土，夹多层钙质结核层及钙板，较致密，为第四系潜水与基岩风化裂隙带潜水间良好的隔水层，且静乐组至煤层之间的基岩中还连续分布有厚度为10～40 m的泥岩、对裂隙带发育有很好的阻隔闭合作用。故3号煤的开采后导水裂隙贯通隔水层的几率较小，不会导通具有供水意义的第四系潜水含水至地表。可采煤层地质柱状图见图1。

图1 可采煤层地质柱状图

2 煤矿开采对区域的影响分析

2.1 对河川径流的影响

神树畔井田内水系不发育，处于秃尾河支流的红柳沟支沟贺家沟源头，井田内地表水体为贺家沟及其支沟，支沟上分布部分小型水库及坑塘（或淤地坝），小型水库多数已淤满停用，坑塘建设时间早，稳固性差。煤矿开采后引起的地表下沉，尤其是工作面周围的裂缝，对贺家沟及坑塘将不可避免地产生影响。根据神树畔井田开采计划，贺家沟及后峁水库下资源开采约在20年之后，此时水库基本已淤满。虽然导水裂隙不会导通隔水层而到达地表，但生产中还是应加强观测，必要时采用减小局部开采高度等保护性开采措施，减小对地表水体的影响，同时也能防止地表水泄露给矿井生产造成安全隐患。

2.2 对地下水的影响

神树畔井田地下水分为第四系潜水和碎屑岩类裂隙承压水，第四系潜水具有供水意义。井田含煤地层为侏罗系中统延安组，一般煤层开采后按照垮落先后及岩石破坏程度从下到上一次形成垮落带、裂隙带及缓慢下沉带。处于缓慢下沉带的岩层仅产生变形，不造成上部水体的泄露，而对含水层的影响主要是由裂隙带产生[3]。因此，本次重点分析导水裂隙带发育对第四系潜水含水层结构、水位、水质及地下水流失量的影响进行预测分析。

2.2.1 对地下水含水层结构的影响分析

井田各岩层受开采影响情况见表1，由表可知，3号煤层的开采对延安组第四段的碎屑岩类裂隙空隙潜水及承压水含水层和中统直罗组结构破坏，其内地下水涌入井下。延安组第四段以上的静乐组、第四系中更新统离石组和全新统仅是随其下部的沉陷而缓慢下沉，其岩层结构不受破坏性影响，即第四系潜水的含水层结构不受破坏性影响。

表1 煤系地层及各含水层受主采煤层开采影响的综合预测情况

2.2.2 对地下水位的影响

随着井下的开采，煤层上覆岩层不断发生垮落，形成垮落带和导水裂隙带，并在地表产生裂隙和沉陷区，因此，造成地下含水层结构和地下水径流、排泄条件发生变化，上覆岩层内的含水层由水平径流排泄为主将转化为以垂直渗漏为主，形成一定范围和程度的下降漏斗，地下水水位因此发生变化。

3号煤层埋藏较浅，直接充水含水层富水性弱，煤层直接顶板岩性为泥岩、粉砂质泥岩，基本顶板岩性为延安组第四段细粒长石砂岩（真武洞砂岩），含水量贫乏，富水性弱，其上覆又有全区分布的厚67.07～154.67 m的静乐组红土隔水层存在，起到了隔离上覆第四系潜水的作用。井田开采后，导水裂隙带会影响到侏罗系中统直罗组、延安组第四段的岩层，其地下水沿导水裂隙带泄漏于井下，并以井下排水的方式排往地面，该岩层内的地下水位会下降，形成比开采范围大得多的漏斗区、水位最大可降到3号煤层底板[4]。第四系潜水含水层位于上新统静乐组之上，垮落带和导水裂隙带受中统直罗组和静乐组粘土层阻隔，故含水层的补给和排泄条件不受影响。

2.2.3 对地下水水质的影响

第四系潜水的水质类型为：HCO3－Ca·Mg·Na型水为主，次为 HCO3－Ca·Mg 及 HCO3－Ca·Na 型水，矿化度均小于 500 mg/L，水位埋深靠近沟底区较浅，一般7～12 m，靠近黄土梁峁区较深，一般30～50 m。由于沟底大多出露红土隔水层，故黄土含水层多以上层滞水存在。通过上述分析知，井田开采对该含水层几乎不产生影响，因此对该含水层的水质也不产生影响。

中生界碎屑岩类裂隙孔隙潜水及承压水的水质类型为：HCO3Cl-Na·Mg·Ca 型 、HCO3·Cl－Na·Ca，矿化度 232.34～286.00 mg/L。通过上述分析知，本井田地下开采对该含水层的水位和水量虽产生较大的影响，但不直接影响该含水层的水质。

2.2.4 影响地下水半径和流失量计算

根据《城市地下水工程与管理手册》稳定流抽水试验计算水文地质参数中的经验公式来估算其影响半径：

式中：R为影响半径，m；Sw为水位下降值，m；K为渗透系数，m/d。

计算结果：延安组含水层R为23.4～170.5 m，即沿开采边界外延23.4～170.5 m。碎屑岩类裂隙承压水含水层R为40.6～98.3 m，即沿开采边界外延40.6～98.3 m。

由于采煤引起的矿井涌水即为地下水流失量，根据矿井现有涌水量及地质条件分析结果，神树畔井田井涌水量1560 m3/d，全年按330 d工作日计，矿坑全年涌水量51.48万m3。

矿井充水主要为延安组第三段裂隙承含水层及上部基岩风化带裂隙潜水含水层水，这部分水本属清洁水，仅在流经煤层时带入煤粉、岩粉、以及生产机械滴漏的石油类，属含悬浮物矿井水，经相关措施处理后可以作为地面、井下的生产补充水。

2.3 地表沉陷对区域水生态影响

煤矿开采后会引起地表沉陷和地裂缝，进而对区域水生态造成影响。

3号煤层开采后地表沉陷6.52～7.28 m，平均6.93 mm，全井田开采后地表沉陷最大值10.4 m，沉陷影响范围在井田边界外侧101.77～309.3 m范围内。由此可知，井田的开采会对原地形标高和地表形态产生一定影响，但考虑到沉陷的整体性和区域地形本身相对高差较大，10.34 m的地表沉陷的最终影响不会改变区域总体地貌类型。

井田煤层开采后，地表沉陷往往使地面形成大小不等的地表裂缝，产生的地表沉陷和地裂缝会使地表潜水沿裂缝下渗，同时地表会出现更多的土沙移动，加速水土流失和土壤沙化，使土质疏松，涵水能力下降，不利于高大乔木和低矮草灌等植被生长，进而对区域水生态环境造成影响[5]。根据调查，井田内的主要土地类型为灌木林地，其次为草地，耕地主要为水浇地，地表沉陷对林木的影响为林木歪斜、倾倒，致使沉陷盆地边缘农作物减产40%。同时项目建设时场地平整、道路建设、井田开采和辅助系统建设等工程，需进行植被清除、地表开挖和地面建设，造成直接施工区域内地表植被的完全破坏。施工运输、施工机械、人员践踏、临时占地等也将会使施工区及周围植被受到不同程度的影响。

井田主要为风沙滩地和覆沙黄土丘陵，生态环境脆弱，水土流失较严重，加之井田地表植被破坏，地下开采随之产生的地表沉陷，均会对区域水生态环境造成影响。参考国内相关井田煤层开采后地表恢复经验，开采过后由于受地表土层吸收、缓冲作用，地表裂缝等会重新变窄或闭合并逐步趋于稳定，结合人工及时填平，做好沉陷区整治及复垦工作，加大工业场地、进场道路等的植被绿化，会对区域水生态环境的影响程度有所降低[6]。

2.4 对水源地陆域补给区的影响

神树畔井田范围内的地形、地貌属于风沙滩地区，属于秃尾河流域，井田全区四周较高中间低洼，西北～东南北长约3.6 km，西南～东北宽约4.4 km，面积约15.77 km2，占秃尾河流域陆域总补给区的0.47%，因此本井田的建设对水源地补给影响较小。

3 结论与建议

（1）神树畔井田主采煤层3号煤层导水裂隙带高度115.2~127.5 m，平均121.8 m，最大发育高度127.5 m，煤层顶部与第四系底部之间的平均距离约176 m，未至第四系潜水层。同时第四系潜水之间存在着厚度67.07～154.67 m的较为致密的静乐组红土隔水层，故3号煤的开采后导水裂隙贯通隔水层的几率较小，不会导通具有供水意义的第四系潜水含水至地表。

（2）3号煤层开采后会破坏其上覆层延安组第四段的碎屑岩类裂隙空隙潜水及承压水含水层和中统直罗组的结构，其内的地下水涌入井下，经相关措施处理后可以作为地面、井下的生产补充水，延安组第四段岩层仅是随其下部的沉陷而缓慢下沉，结构不受破坏性影响，即第四系潜水含水层的结构不受破坏性影响，即水位、水质和补给排泄条件均影响轻微。

（3）3号煤层开采后全井田地表沉陷最大值10.34 m，但区域地形的相对高差较大，10.34 m的地表沉陷的最终影响不会改变区域总体地貌类型。但地表沉陷往往使地面形成大小不等的地表裂缝，产生的地表沉陷和地裂缝会使地表潜水沿裂缝下渗，同时地表会出现更多的土沙移动，加速水土流失和土壤沙化，使土质疏松，涵水能力下降，不利于高大乔木和低矮草灌等植被生长，进而对区域水生态环境造成影响。建议建设单位及时人工填平，做好沉陷区整治及复垦工作，加大工业场地、进场道路等的植被绿化，降低对区域水生态环境的影响程度。

[1]于双忠,彭向峰,李文平等.煤矿工程地质学[M].北京:煤炭工业出版社,1994.

[2]国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[S].北京:煤炭工业出版社,2000.

[3]康永华,黄福昌,席京德.综采重复开采的覆岩破坏规律[J].煤炭科学技术,2001,29(1):22－24.

[4]王旭锋,张东升,马立强,等.河下采煤覆岩采动裂隙分布特征的数值分析[J].矿业研究与开发,2008,28(5):61-63.

[5]施龙青,于小鸽,魏久传等.华丰井田4煤层顶板砾岩水突出影响因素分析[J].中国矿业大学学报,2010,39(1):26-31.

[6]夏筱红,隋旺华,杨伟峰.多煤层开采覆岩破断过程的模型试验与数值模拟[J].工程地质学报,2008,16(4):528-532.