岩溶水高水头区煤炭开采对地下水环境的影响

张 伟

(中煤科工集团 北京华宇工程有限公司，北京 100120)

山西省岩溶地下水水量丰富、水质优良，是山西省生产、生活的主要水源。在煤炭开采与水资源的保护问题中，岩溶水无论是受到煤炭开采的影响，还是对煤矿生产安全造成的威胁，都是尤为重要和突出的[1]。特别是在岩溶水水量丰富、水头较高的神头泉域，这个问题更为突出。其中北辛窑井田处在神头泉域岩溶水系统西南侧，致使煤层开采形成了岩溶承压水体上的带压开采，全井田2、5、6煤层大部分处于奥陶系灰岩岩溶水压之下，因此，通过分析北辛窑的井田构造和水文地质条件，研究岩溶水高水头区煤炭开采可能对岩溶水造成的影响，并提出有针对性的防治措施具有重要意义。

1 研究区水文地质条件

北辛窑井田位于朔州平原西南部，为神头泉域岩溶水文地质单元径流区的一部分。井田内褶曲、断层比较发育，有26条正断层，井田地层总体走向北东，倾向南东或北西。井田内含水层由新到老依次划分为第四系松散层孔隙含水层，上、下石盒子组及石千峰组底部砂岩裂隙含水层，山西组砂岩裂隙含水层，太原组砂岩裂隙含水层，奥陶系中统上下马家沟组灰岩岩溶裂隙含水层[1]。其中，奥陶系中统上下马家沟组灰岩岩溶裂隙含水层岩性以灰色、浅灰色中厚层状石灰岩、白云质灰岩为主，富水性由中等到强，富水性不均一。井田南部、东北部富水性强，其他地带富水性中等[2，3]。奥陶系岩溶裂隙水富水性分区见图1。

图1 奥陶系岩溶裂隙水富水性分区示意

2 煤炭开采对奥陶系灰岩含水层的影响

煤层下伏奥陶系岩溶裂隙含水层，该含水层亦是神头泉域赋存的含水层，为该区域主要具有供水意义的含水层，是重点保护对象。

2.1 构造对奥陶系灰岩含水层的影响

井田内主要发育有北北东、北东东向背向斜，并在井田内发育有26条正断层，其中不小于100 m的正断层9条。井田内其他正断层落差较大，岩体承受压力变形，岩石破裂充填胶结差，导水性好，部分地段含煤地层与奥陶系灰岩直接接触，并发生水力联系，从而形成地下水的溃入性通道，存在突水的可能性，详见图2。

2.2 奥陶系灰岩突水可能性判断

奥陶系灰岩水水位部分在煤层之上，井田局部带压开采，2号煤开采时突水系数为0～0.044 MPa/m，5号煤开采时突水系数为0～0.103 MPa/m，6号煤开采时突水系数为0～0.161 MPa/m，见表1至表3。2号煤层断层附近具有突水危险性，其他区域均属于带压相对安全区；5号和6号煤层突水危险区面积分别为12.84 km2和18.12 km2。突水危险区主要位于井田北部和南部及断层发育地段，该区水压大，富水性中等到强，有效隔水层等效厚度小，构造发育好，下组煤在采掘过程中发生突水的可能性较大。

表1 2号煤层突水系数计算结果

表2 5号煤层突水系数计算结果

表3 6号煤层突水系数计算结果

图2 BS4-G4钻孔断层剖面示意

2.3 采煤对奥陶系灰岩含水层水量的影响

在带压区的断层采取了留设保护煤柱，突水系数大于0.06 MPa/m区域实施禁采后，考虑对奥陶系灰岩含水层的影响来自煤炭开采造成煤系含水层的疏水降压，增大了煤层含水层和奥陶系灰岩含水层的水位差，将增大奥陶系灰岩含水层向煤层越流补给量，根据达西定律计算如下：

Q=K·I·A

式中：K=1×10-8cm/s(岩性：主要为泥质岩及本溪组铝质泥岩)；

I=3(根据6号煤层可开采区水力坡度取平均值)；

A=17.90 km2(6号煤层开采底板面积)；

Q奥陶系灰岩越流补给量=4.64 m3/d。

由此可知，开采后会增加奥陶系灰岩含水层对煤系含水层的越流补给量。经计算，越流补给量很小。

3 煤炭开采过程中岩溶水的保护措施

由于北辛窑井田处在神头泉域岩溶水系统西南侧，致使煤层开采形成了岩溶承压水体上的带压开采，全井田煤层大部分处于奥陶系灰岩岩溶水压之下。为了在采煤的同时保护地下水资源，降低对地下水环境造成的影响程度，通过研究区域地质及水文地质条件以及煤层带压情况，有针对性地提出了一系列保护措施。

3.1 安全区地下水保护措施

井田中部不带压区为安全区，针对安全区可采取常规的防治水措施。采掘施工前必须做好水害预测预报工作，坚持“预测预报、有疑必探，先探后掘、先治后采”的原则，做好水害排查制度，加强日常管理工作[4-5]。

3.2 相对安全区地下水保护措施

根据突水系数评价结果，当突水系数小于0.06 MPa/m时为相对安全区。针对此区域，要详细查明奥陶系灰岩水岩溶裂隙空间发育特征，富水性空间特征、奥陶系灰岩顶部风化层空间发育特征和阻水性，并进行评价；详细查明断层、褶曲等构造裂隙发育特征、导水性，及其承压水导升高度；注意做好超前探查，探测是否发育未发现的导水断层[6-7]。

3.3 危险区地下水保护措施

根据突水系数评价结果，在南部、东北部和断层带附近突水系数大于0.06 MPa/m，为危险区；突水系数小于0.06 MPa/m的构造发育地带同样为危险区。针对这两个危险区域，提出针对性措施。

(1)构造发育地段危险区。断层导水性探查：采用综合物探方法确定断层富水性异常区，对断层富水性异常区采用注浆方法进行封堵。

断层防隔水煤柱留设：若确定其断层为含水或导水断层时，要留设断层防隔水煤柱，经计算，防隔水煤岩柱宽度为20～117.73 m。

(2)突水系数大于0.06 MPa/m的危险区。一是采取工程措施。例如：采取底板隔水层探测：综合物探探测底板断层破碎带的位置和分布，在底板断层带及探测隔水层较薄地带加固注浆措施，保障奥陶系灰岩水不进入矿井[8-9]；对底板隔水层注浆加固：通过对奥陶系灰岩之上的薄层灰岩含水层注浆，改造其富水性，加固底板，封堵水源补给通道，提高其阻水能力，形成一定厚度的有效隔水层。

二是对突水系数大于0.06 MPa/m的危险区实施禁采，保护奥陶系灰岩含水层。