神头泉域煤炭开采对地下水环境的影响及保护措施

安广楠，张 伟，李 敏，李 佳，王临清，康 浩

(1.生态环境部环境工程评估中心，北京 100012；2.中煤科工集团北京华宇工程有限公司，北京 100120)

1 研究区水文地质条件

北辛窑井田位于朔州平原西南部，为神头岩溶泉域水文地质单元的径流区的一部分。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。主要含水层自下而上可分为：奥陶系中统上下马家沟组灰岩岩溶裂隙含水层，太原组砂岩裂隙含水层，山西组砂岩裂隙含水层，上、下石盒子组及石千峰组底部砂岩裂隙含水层，松散层孔隙含水层[1]。按水动力特征差异、沉积物成因类型差异、岩性、富水性差异等，将区内地下水进行划分见表1。北辛窑井田补给、径流、排泄区示意见图1。

2 煤炭开采对各个含水层的影响

2.1 煤炭开采对上覆含水层及煤系含水层的影响分析

井下煤炭采出后，采空区周围的岩层发生位移、变形乃至破坏，上覆岩层根据变形和破坏的程度不同分为冒落、裂缝和弯曲三带，其中裂缝带又分为连通和非连通两部分，通常将冒落带和裂隙带的连通部分称为导水裂缝带。井下开采对上覆含水层的影响程度主要取决于覆岩破坏形成的导水裂缝带高度是否波及水体[2-4]。麻家梁煤矿临近北辛窑煤矿，与北辛窑不同，其处于正在开采状态，本次研究在分析2011年11月至2012年12月麻家梁煤矿首采面进行的“麻家梁煤矿首采面巨厚富水松散含水层下破碎顶板特厚煤层综放开采防治水技术研究”研究成果基础上，根据“上三带”理论对上覆岩层变形破坏垂直分带特征进行分析，采用现场实测、理论计算和水质分析法等多种方法进行导水裂缝带发育高度计算，得出北辛窑煤矿开采后，导水裂隙带计算值为28.82～312.40 m，平均为127.24 m，距第四系底板距离0～252.2 m。根据导水裂隙带发育高度计算结果，第四系松散岩类孔隙潜水含水层、二叠系石千峰组底部砂岩裂隙含水层、二叠系上石盒子组砂岩裂隙含水层在井田西部区域有导通，导通范围为2.64 km2。导水裂缝带发育高度导通了二叠系下石盒子组砂岩裂隙含水层、山西组砂岩裂隙含水层和太原组裂隙含水层。该含水岩段(组)为煤层开采的直接充水含水岩段(组)，地下水通过导水裂缝带进入矿井，以矿井水的形式排出。

2.2 煤炭开采对下伏含水层的影响分析

煤层下伏奥陶系岩溶裂隙含水层，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。奥陶系岩溶裂隙含水层水位标高为1 056.56～1 077.13 m，单位涌水量0.1645～1.0614 L/(s·m)，渗透系数0.2930～4.7000 m/d，奥灰水水位部分在煤层之上，井田局部带压开采。主要煤层带压系数计算结果见表2、表3。

表3 6号煤层突水系数计算结果

井田可采煤层2号煤层除断层外不具有突水危险性，5号煤、6号煤开采时奥灰水突水系数分别为0～0.103 MPa/m、0～0.161MPa/m，部分地段突水系数大于正常临界系数0.06 MPa/m，所以5号煤、6号煤层底板存在奥灰突水可能。图2、图3为5号、6号煤突水危险评价分区。

图2 5号煤突水危险评价分区

图3 6号煤突水危险评价分区

3 地下水保护措施

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灰岩溶水压之下，因此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，根据研究区的地质及水文地质条件，以及煤层带压情况，有针对性地提出保护措施。

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[5，6]。

3.2 相对安全区地下水保护措施

根据突水系数评价结果，当突水系数在0～0.06 MPa/m，即突水系数小于0.06 MPa/m时为相对安全区。针对此区域，要详细查明奥灰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；注意超前探，探测是否发育未发现的导水断层[7-9]。

3.3 危险区地下水保护措施

根据突水系数评价结果，南部、东北部和断层带突水系数大于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，提出针对性的措施[10-14]。

(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，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，底板断层带及探测隔水层较薄地带加固注浆的措施，保障奥灰水不进入矿井；底板隔水层注浆加固：通过对奥灰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。二是将大于0.06 MPa/m的危险区实施禁采，保护奥灰含水层。

4 结 语

结合上述研究内容，工程开采期间，应加强对地质构造的探测，开展水文地质详细勘查工作，做好奥灰含水层突水涌水预测专题研究。为更好地保护奥灰含水层，在突水系数大于0.06 MPa/m的区域，实施禁采；在突水系数不大于0.06 MPa/m的区域内断层，应留设足够保护煤柱，禁止对奥灰水采用疏水降压的方法进行采煤，切实保护神头泉域岩溶水资源。