煤矿开采对地下水环境破坏机理及其影响因素研究

2021-08-23李鹏强

科学技术创新 2021年23期

李鹏强

（山西省煤炭地质资源环境调查院，山西太原 030006）

1 煤矿开采对地下水环境破坏机理

煤矿开采区的地下水含水层经过采动破坏后呈现三种形式：矿井基础建设和煤矿生产过程中开凿井筒、开掘巷道等生产活动会影响破坏含水层,导致矿井涌水现象的发生；采空区覆岩导水裂缝带，在受力后波及顶板含水层破坏,致使地下水向进下渗漏而破坏水环境；在煤矿开采裂隙诱导下,底板高压水在受力后突破煤层的隔水底板进入采空区,引发煤层底板突水现象。

下面对后两种含水层采动破坏机理进行研究。

1.1 煤炭开采对上覆含水层的破坏机理

煤层开采后,其上覆层必然会发生移动并遭受破坏。而覆岩开采时所产生的移动和受到破坏会呈现出突出的分带性, 分带性的特征与采矿条件以及地质环境等均有密切相关。当开采方法选择走向长壁全部垮落法，对缓倾斜中的厚煤层进行开采时，当开采深度到达一定限度时,会出现覆岩移动并被破坏，同时还会呈现出三个不同的开采影响带, 通常自下而上顺序呈垮落带、裂缝带和弯曲带,被简称为“三带”,对覆岩含水层和隔水层的结构和渗透性产生不同程度的影响和破坏。

1.2 煤炭开采对下伏含水层的破坏机理研究

煤层采动后，顶板岩层会产生移动并遭到破坏,同时下伏岩层也会受到作用而产生范围性移动并遭到力的破坏, 从而会引起底板承压含水层遭受一定的破坏。煤层底板采动矿压破坏带的形成,会直接影响隔水层的厚度,使其变薄，同时使底板岩体的完整性以及抵抗承压水突出的能力也随之降低, 同时在该带内会生成程度不同的贯通性裂隙, 且在开采区的采空区下方底板岩体会一直处于卸压膨胀,裂隙呈现扩张状态,且促进其导水性。由底板采动而生成的贯通裂隙一定会加强承压水的连通性,因此，极有可能导致底板承压水突出而遭到破坏。

2 煤矿开采对地下水环境的影响因素研究

2.1 案例分析

马家岩煤矿开采采用斜井开拓方式，根据矿井现状，设计充分利用马家岩坑口已有的工业场地是整合后矿井工业场地。达产时布置有4 个井筒：新掘主斜井、新掘副斜井、利用原有的主斜井作为行人斜井、利用原有的回风井作为回风斜井。

本井田设计开采4、7、9#煤层，井田内4、7、9 号煤层现保留资源/储量69898kt，工业资源/储量69617.6kt，由于矿井北部井田与太原市汾河水库饮用水源二级保护区重叠实施禁采，扣除井田内禁采区域的资源储量，该矿设计储量50844.6kt, 设计可采储量30658.8kt。矿井服务年限20.7a，其中，首采4 号煤层服务年限8.4a，7#、9#煤层服务年限12.3a。

2.2 地下水环境影响因素分析

2.2.1 工业场地及矸石场（Ⅰ类建设项目）。在工程建设时期工业广场及选煤厂施工对地下水环境的影响主要是基础开挖与回填、钻孔、灌浆柱桩及钢筋砼柱桩等。在生产期间，主要是选煤厂的细煤泥水处理系统跑冒滴漏极有可能会通过包气带而渗入浅层区域的地下水，从而导致地下水的水质受到污染。而矸石场也主要是由淋溶液极有可能会通过包气带而渗入浅层区域的地下水，从而导致地下水的水质受到污染。

2.2.2 地下开采区域（Ⅱ类建设项目）。影响该开采区域的地下水环境影的主要因素有，矿井在开采运行期间对开采区地下水水位、水资源以及水文地质环境的影响。因此该开采区域的评价因子体现为：开采区地下水水位以及其动态变化。

2.3 煤矿开采对地下水水量的影响

2.3.1 煤矿开采对上覆含水层的影响分析。煤层顶板因开采垮落而生成的垮落带以及导水裂隙带，受其影响，使得地表水、地下含水层与开采煤层之间的隔水层均受到不同程度的破坏。通过冒落带、裂隙带最大高度预计，预测井下采煤对地下含水层、地表水体等产生的影响。

由马家岩矿井的整体设计报告可知，本井田的采煤方式选择机械化放顶煤一次采全高采煤法，全部跨落法管理顶板，4#、7#、9#煤层上覆岩层为中硬岩层，冒落带、裂隙带高度预测结果如下：

4 号煤层平均厚度7.63m，一次采全高，计算后导水裂隙带为42.67m～53.87m，冒落带高度11.71m～16.11m。7 号煤层平均厚度1.21m，一次采全高，计算后导水裂隙带为16.24～27.44m，冒落带高度2.7～7.1m。9 号煤层平均厚度11.66m，一次采全高，计算后导水裂隙带为46.79～57.99m，冒落带高度13.6～18.0m。

1947年，tPA最初发现于动物组织中，当时人们只知道其可激活纤溶酶原，因此最初也称其为纤溶酶原激酶。之后发现，其可从多种组织中提取纯化获得，且与另一种内源性纤溶酶原激活剂尿激酶不同的是，tPA对纤维蛋白具有高度亲和力，可在血块表面高效激活纤溶酶原［1-3］。

2.3.2 煤矿开采对上覆含水层的影响分析。马家岩井田4#煤层开采后，导水裂隙带呈现的最高范围上限为54.98m，其中裂隙带会直接导通其上部二叠系山西组裂隙水含水层及二叠系下石盒子组裂隙水含水层，导通最高层至第四系松散岩类孔隙水含水层，冒落带使得各含水层之间的隔水层遭到破坏，使得4#煤层上覆含水层与其下部石炭系裂隙水含水层之间发生水力联系，进而对其造成影响。

7#煤层开采后，导水裂隙带最大高度30.20m，其裂隙带导通最高层为石炭系裂隙水含水层；9#煤层开采后，导水裂隙带最大高度59.13m，其裂隙带导通最高层为石炭系裂隙水含水层，由于7#煤层与9#煤层之间的最大距离为28.48m，所以，9#煤层导水裂隙带直接导通7#煤层及其导水裂隙带。

煤炭开采过程中，含水层中的地下水会通过导水裂隙带进入井下，使含水层地下水转化为矿井水，通过矿井排水方式排出，对二叠系碎屑岩裂隙含水层受到严重破坏。由原来的天然顺地层逐渐倾向于流动，再逐由人工开采排泄替代，伴随煤矿不断的开采，对其的影响也会随之增大。煤层采空后的导致的下沉带，会引发地表塌陷，由于塌陷区边缘的拉张裂缝产生的发育带，导到第四系松散岩类的部分孔隙含的水层因受力而被全部贯通，最终将破坏并疏干第四系松散岩类孔隙含水层。考虑到局部地区风化壳发育深度及断层可能同导水裂隙带联通的情况，通过相关资料进行预测，极有可能会出现松散岩类孔隙浅层水的基底遭受破坏的现象，会给局部区域的浅部含水层的整体结构引发不同程度的破坏。

2.3.3 煤矿开采对下伏含水层的影响分析。根据以上突水系数计算，4# 煤层带压区面积1.73km2，最大突水系数为0.033Mpa/m；7# 煤层带压区面积2.44km2，最大突水系数为0.041Mpa/m；9# 煤层带压区面积2.55km2，最大突水系数为0.045Mpa/m，详见表1。

表1 煤层带压情况统计表

4、7 号和9#煤层承压区突水系数值均低于有构造破坏地段临界突水系数0.06MPa/m，煤层开采一般不会对奥陶系岩溶水产生影响。但是井田范围内分布有三条断层，煤矿开采遇到导通岩溶含水层的断层时，有可能造成底板突水，对岩溶地下水产生影响。

2.3.4 煤矿开采对饮用水源地及村庄居民饮用水源的影响分析。评价区范围内有7 个村庄，分别为杨家焉、新舍科、新庄、赤土华、辽庄及河杨树底村，村庄饮用水源主要来自松散岩类孔隙水、二叠系砂岩裂隙水含水层及奥陶系岩溶含水层，根据前述分析，煤矿开采后形成塌陷，可能发育裂缝并影响到地表，开采煤层以上的含水层有可能被贯通，并以矿坑排水方式将开采煤层以上第四系松散层孔隙含水层及二叠系砂岩裂隙水含水层中的地下水基本疏干。对上述村庄居民饮用水源造成一定程度的影响。根据煤矿开采对下伏含水层的影响分析可知，4、7号和9 号煤层突水系数值均低于0.06MPa/m，对奥灰水的影响较小。煤矿为安全开采如果采用疏水降压措施，可能对奥灰水产生较大影响，对周边饮用奥陶系岩溶水水井的村庄带来一定影响。表2 为评价区内村庄饮用水源情况。

表2 评价区内村庄饮用水源情况表

2.4 煤矿开采对地下水水质的影响

2.4.1 地下水污染途径。（1）工业场地地下水污染途径。马家岩煤矿工业广场污水主要可能来自矿井水净化车间、生活污水处理站。其中，井下排水至地面后首先进入井下水处理厂进行处理，经一元化净水器处理后，全部回用于井下生产使用。矿井水主要污染物是SS，如果矿井水处理站发生事故或者跑冒滴漏，矿井水会垂直下渗；生活污水主要污染物是COD、BOD5、SS。如果发生事故或者跑冒滴漏，生活污水会垂直下渗，可能会对地下水造成影响。为防范和控制事故时及事故处理过程中产生的污水对周边地下水环境造成污染及危害，矿井正常涌水量为900m3/d（37.5m3/h），最大涌水量1200m3/d（50m3/h），生活污水产生量为320m3/d。由于非正常情况导致防渗失效后，相关污染物会不同程度发生渗漏，渗漏污染物会进入包气带，向地下渗透并渗入含水层。（2）矸石场地下水污染途径。矸石场对水源地区的水质产生的影响因素主要有在大气降水淋滤后，会导致矸石中的有害物质慢慢渗入到地表水或地下水中，从而影响地下水水质环境。通常，通过提前的防范措施会对矸石场做全面的防渗处理，在矸石场四周提前修筑好排水渠道，尽可能地降低地下水的污染；也有可能，尽管做了防渗处理，但依然出现渗漏，淋溶废水的下渗也会引起地下水水质遭受不同程度的污染。

2.4.2 地下水污染防治措施。为避免淋溶废水的下渗引起地下水水质遭受污染，可在矸石四周转场位置沿沟再加修建疏水渠道，使山体汇流雨水能够顺畅排放，最大程度的降低矸石在雨水中的浸泡时间。每隔20m 修建一条排水沟，并与沟边的疏水渠道相连，用于排放不同高度的来水；沟底应做简单的防渗措施，覆盖1m 厚的粘土并夯实。矸石沟的沟坡由于基本都是砂岩出露，入渗能力比较强，为防止对地下含水层的污染，建议在沟底修建的涵洞及坡体两侧修建挡渣墙和截水沟，在矸石山东端用毛石修筑挡渣墙，挡渣墙按重力渣墙修筑，挡土墙高5.5米，基础埋深不小于2 米，基础地面设10-15°的坑滑坡和不小于1 米的前趾脚。挡渣墙前面修筑截水沟，防止矸石山坡面和渗出的污水乱流，污染河道和环境。