杭来湾煤矿301盘区分层限高开采对松散层潜水的影响

2020-01-09张博龙

陕西煤炭 2020年1期

张博龙

(陕西有色榆林煤业有限公司，陕西榆林 719000)

0 引言

随着近年来国家煤炭资源整合和去产能工作的持续进行，国家加大决心淘汰小型煤矿和产能落后煤矿，安全、高效、机械化程度高的大型矿井优势明显，陕北作为国家重要的能源重化工基地，在区域经济繁荣和发展中发挥着举足轻重的作用。近年来陕北地区采矿活动引起的环境问题日益凸显，特别是不加约束的高强度开采，势必造成采空区范围内生态水位下降、水井干涸、河水断流、植被大面积枯死、水土流失、土地沙化等一系列生态问题，导致原本生态脆弱的陕北风沙滩地区生态环境进一步恶化，造成的影响和破坏短时间内无法恢复和消除[1-2]。未来如何实现煤炭资源开发与生态环境保护的协调发展，实现煤炭资源绿色开采，将是陕北生态脆弱区亟待解决的问题[3-5]。

以杭来湾煤矿301盘区为研究对象，通过对矿井生产过程中采空区地表沉陷监测、采空区松散层潜水水位变化、采空区植被和农作物的生长状况等这些直接和生态水位密切相关的指示因素进行长期观测和对比分析，验证了杭来湾煤矿采用分层限高开采的方法，可有效避免煤层开采形成的冒裂带破坏离石组黄土隔水层造成第四系松散层潜水下渗，将生态水位控制在合理范围内，从而保护了该区域第四系松散含水层的结构稳定，达到保水采煤的目的。

1 矿井概况

杭来湾煤矿位于陕北侏罗纪煤田榆神矿区一期规划区西南部，是陕西有色榆林新材料循环经济产业园的配套矿井，井田东西走向长约12.0 km，南北倾向宽约7.7 km，面积90.364 km2；井田内地质构造简单，煤层倾角0.5°左右，煤层赋存稳定；矿井资源储量1 300.28 Mt，可采储量729.74 Mt，矿井核定生产能力8.00 Mt/a，服务年限67.9 a。

杭来湾煤矿301盘区位于整个井田的东北部，盘区3#煤可采厚度8.27～10.41 m，平均9.13 m，采用限高分层长壁综合机械化采煤法，首先开采3#煤上分层，采高限制为5 m，全部垮落法管理顶板。301盘区由东向西布置有10个综采工作面(30101—30110工作面)，已开采的30102工作面走向长度平均4 313.3 m，倾向长度平均299.1 m。

2 矿井地质及水文地质特征

2.1 含水层

第四系萨拉乌苏组松散层含水岩组：含水层岩性主要为第四系细砂层、黄土层孔隙发育带，弱-中等富水性。经物探揭露结合水文地质资料，勘查区内松散层稳定水位深度为2.90～18.35 m，稳定水位标高1 231.72～1 263.37 m，属潜水类型，主要为大气降水、区域性侧向补给及沙漠凝结水补给，受降雨影响，区域内地下水位年变幅为1.0～3.0 m。

侏罗系中统直罗组、侏罗系中统延安组砂岩承压含水岩组：主要含水层为基岩风化带裂隙含水层，岩性一般为中粗砂岩。经物探揭示及区域水文地质资料，侏罗系中统基岩承压含水层稳定水位深度为3.98～28.32 m，稳定标高1 243.31～1 262.01 m，属碎屑岩类裂隙承压水类型，在基岩露头处大气降水补给、含水层之间的垂向渗透补给以及同一含水层沿地层倾向的补给。

第四系萨拉乌苏组松散层潜水一方面接受大气降水的补给，另一方面通过垂直下渗作用，间接补给风化岩孔隙裂隙承压水，侏罗系中统直罗组、延安组风化岩孔隙裂隙承压水通过顶板垮落形成的导水裂隙带进入采空区，是矿井的直接充水水源。

2.2 隔水层

在松散层段，隔水层为第四系黄土，岩性为粉质粘土及粉砂质粘土，含灰白色不规则豆状、颗粒状钙质结核。系新生界第四系与中生界侏罗系基岩之间隔水层；在基岩段，隔水层主要由侏罗纪中统直罗组和延安组泥岩、粉砂质泥岩及粉细砂岩等组成。埋藏较深时在含水层之间起到较好的隔水作用，但在煤层开采后形成的导水裂隙带内的泥岩和粉砂质泥岩减弱或失去隔水性能；在煤系中，隔水层为厚度较大且连续分布的泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及粉砂岩等，为层间裂隙承压水的隔水层，与含水层相间分布，厚度一般为10～40 m。井田隔水层分布如图1所示。

杭来湾井田煤层埋藏深度适中，富水性极强的第四系松散层潜水主要分布在井田东北部的沙漠滩地区，从隔水层分布图可以看出，相对隔水层在全井田范围内分布较广，隔水层直接阻断和减弱了富水性强的第四系萨拉乌苏组潜水对下部基岩含水层的垂向补给；另外下部基岩中层状分布的泥岩、砂质泥岩等，在一定程度上减弱了含水层之间的相互补给，也是较好的隔水层。

3 开采对松散层潜水的影响

陕北沙漠滩地区域生态脆弱、水资源相对匮乏，植物的生存条件跟生态水位密切相关。对榆神矿区沙漠滩地区的研究表明：最适合沙漠地区植被和农作物生长的地下水位埋深，即合理生态地下水位埋深为1.5～5.0 m；地下水位埋深≥5 m时，植被的长势变差；地下水位埋深≥12 m时，植被和农作物大面积枯死，沙漠化程度进一步加剧[6]。

图1 杭来湾井田隔水层分布

3.1 采空区地下水水位及民用水井调查

采煤造成的地表沉陷和冒裂带是影响松散层潜水水位变化的主要原因，而松散层潜水水位的变化，又是影响生态水位变化的重要因素。根据杭来湾煤矿301盘区综采工作面上方3个松散层潜水水位观测孔的长期观测数据(其中1#、2#观测点位于采空区，3#观测点作为参照点位于未采区)，分别记录各观测点回采前3个月到回采后半年内的水位变化情况，从得到的水位变化曲线(图2)可以看出：位于采空区的1#、2#观测点水位在回采前普遍出现了一定幅度的下降，回采完成后有了较大幅度的下降，考虑到采空区地表沉陷后逐渐稳定和压实，1#、2#观测点水位在回采完成半年内有了较小幅度的回升，位于未采区的3#观测点受丰水期到枯水期的交替影响，水位仅出现小幅度变化。由于采煤造成的地表变形下沉(最大下沉量为2.5 m)，对水位埋深会产生较大影响，在考虑地表沉陷的前提下，实测的相对水位下降幅度为2.5～4.9 m，绝对水位下降幅度达到5～6.4 m；通过后期的跟踪观测发现，1#和2#观测点水位经过一定幅度的下降后，含水层在地表沉陷不断压实的过程中达到了新的平衡，水位变化逐渐趋于稳定。

图2 301盘区松散层潜水水位变化图

对采空区范围内民井的调查发现，开采造成的采空区地表变形和沉陷是第四系松散层潜水水位下降的直接原因，采空区沉陷和变形虽然没有严重破坏松散层潜水含水层的稳定结构，但是由于侏罗系中统基岩承压水几乎被疏干，含水层之间的水力平衡被打破，引起第四系松散层潜水的垂直入渗量的增加，在补给量保持稳定的情况下，位于采空区的大部分民井水位都出现了一定程度的降低，除个别民井由于深度较浅集水程度有限，采空区沉陷后出现了出水困难或干枯现象，大部分民井原有的使用功能未受到较大影响。

3.2 采空区地表水体调查

经过野外调查在30102工作面采空区上方有两个村民自建的鱼塘，占地面积分别为1 138 m2和1 103 m2，如图3所示。从30102工作面回采完成后一直存在至今，通过向村民了解得知，该鱼塘底部并未进行防水处理，鱼塘中的水存在自然下渗和横向补给现象，因此鱼塘需要定期进行蓄水，据调查30102工作面回采后并未发现鱼塘水位明显下降，蓄水次数也没有因工作面回采而变得频繁。

在实际观测中发现，受地表水的横向补给和地形因素的影响，鱼塘附近和地形低洼区域潜水位埋藏深度较浅，该区域经过采空区地表沉陷后，潜水位被抬升至地表，在小范围内形成积水区，可见地表沉陷未严重破坏第四系松散层潜水层导致鱼塘水向下渗漏，因此开采未对生态水位产生较大影响。

图3 30102工作面采空区上部鱼塘

3.3 采空区和未采区植被及农作物生长情况

通过对煤矿采空区和采空区塌陷影响半径以外的未采区地表典型植被和农作物的长势情况进行调查，如图4、图5。典型植被和农作物的长势情况良好，并未出现明显差异，可见采空区和未采区的生态水位均保持在植被和农作物正常生长的范围之内，而采煤造成的地表沉陷和地表裂缝虽在一定程度上引起区域生态水位的下降，但未突破植被和农作物的生长极限，植被的生存环境未发生根本性变化。