岩溶发育地区煤矿矿山开采对水资源的影响研究

2022-07-08曹鹏兰吉川麻勇陈俊尧刘瑶

四川有色金属 2022年2期

曹鹏，兰吉川，麻勇，陈俊尧，刘瑶

（1.四川省凉山生态环境监测中心站，四川西昌 615000； 2.四川省海蓝晴天环保服务有限公司，四川成都 610041； 3.重庆交通大学，重庆南岸 400076)

煤炭作为全球分布最为广泛、储量最为丰富的化石燃料，在整个工业体系中起着至关重要的作用。中国已经探明的煤炭储量为141595Mt，占全球总储量的13.24%，排名第四位［1］。在全国已探明的煤炭储量中，西南地区占比6%［2］，云贵川边区产煤量居全国12大产煤片区第五位，其中四川省目前拥有大型煤矿9座，中型煤矿13座，小型煤矿1845座，煤矿拥有量在西南地区排名第二［3］。

西南地区岩溶发育且分布广泛，落水洞、溶洞、地下河等十分丰富。在煤矿资源开发中，难免会造成水资源污染、含隔水层破坏、地下水水位下降等一系列问题［4］，同时矿井也有极大的渗漏风险，严重损害了企业和人民的利益［5］。

因此，研究矿区岩溶水赋存特征，预算矿井涌水量，分析矿山开采过程中对水资源的影响，有利于做好生产过程中矿井充水防治工作，降低对水资源的不利影响，对煤矿安全生产和水资源保护具有重要意义。

2 研究区概况

2.1 矿区地质概况

本文选取四川某煤矿作为研究对象，矿区位于四川盆地南部边缘向云贵高原的过渡地带，山脉总体上呈东西走向，地形切割较深，起伏大，总体地势南高北低。矿区出露最新地层为第四系，最老地层为二叠系中统栖霞组。含煤地层为二叠系上统龙潭组和长兴组，主要可采煤层为B3、B4煤层，均位于龙潭组上部，

矿区剥蚀地貌与岩溶地貌并存，以构造剥蚀作用为主的飞仙关组碎屑岩组，其岩性坚硬，形成脊状单面山，控制本区山脉走向。陵江组岩组以溶蚀型的槽谷、溶丘、中低山地貌为主；栖霞组岩组石牙、溶槽、漏斗、洼地等岩溶地貌发育，形成了裸露型岩溶峰丛地貌类型，地下暗河纵贯全区，溶洞规模大、数量多。

总体来看，可采煤层距其上部的飞仙关组约23m，距其下部的茅口组约80m。矿区地层岩性如图1所示。

图1 矿区煤系地层柱状图

2.2 矿区水文地质概况

矿区属亚热带季风气候，雨量充沛，气候潮湿。地表水系分属南广河、长宁河、古宋河水系，矿区处于分水岭地带，地表水、地下水补给量受降雨控制，一部分雨水形成面流或片流向溪沟排泄，汇入地表水系。另一部分沿岩层裂隙渗入地层，补给地下水，在地形低洼处或沟谷切割处以下降泉的形式出露于地表。

矿区内岩溶发育，有茅口组、栖霞组强岩溶含水层，出露于矿区外围北部。地表常见落水洞、溶蚀洼地，地下溶洞、暗河等星罗棋布，含水性极强，且分布不均匀，地下水主要存在形式为暗河管道集中汇水，水化学类型为SO4-HCO3-Ca型。总体来看，该矿区属于顶底板岩溶水为主的矿床。

3 研究方法

3.1 涌水量计算

该煤矿包含两个矿井，其中一号矿井涌水主要为采空区涌水；二号矿井涌水主要来自地表渗水、采空水及顶板裂隙水，涌水详情见表1。

表1 矿井涌水量一览表

由表1可知，一号矿井实测涌水量为195.192m3/h；二号矿井实测涌水量为242.97m3/h。矿井涌水量计算方法主要有：水文地质比拟法、类比外推法、解析法等［6］。本次采用水文地质比拟法预测矿井涌水量［7］。因矿床充水的主要来源为大气降水，涌水量受降水量影响明显，根据每个月的降水情况推算不同月份的矿井涌水量。计算公式如下，

上式中，Q为预算矿井涌水量，m3/h；Q0为代入计算的矿井涌水量，m3/h；S0为矿井采空区平面投影面积，m2；S1为矿井未采区平面投影面积，m2；Qi为每月预算矿井涌水总量，m3/h；Pi为每月平均降水量，mm；P为多年平均月降水量，mm。将上述参数代入(1)中，矿井涌水量计算结果见表2。

表2 矿井涌水量计算结果

由表2可知，一号井正常涌水量为341.82m3/h，二号井为694.53m3/h。降水数据由当地气象局取得，代入（2）中每月预算矿井涌水量结果见图2。

图2 矿井月平均涌水总量

由图2可知，11月至次年2月为枯水期，矿井涌水量最小，矿井涌水总量分别为260.34m3/h、78.44m3/h、68.42m3/h及123.49m3/h；3～5月，10月为平水期，矿井涌水总量分别为338.77m3/h、772.67m3/h、1320.05m3/h及665.87m3/h；丰水期6～9月，矿井涌水总量分别为2129.44m3/h、2686.83m3/h、2423.16m3/h及1568.71m3/h。涌水量受降雨季节性影响较为明显，雨季应加强涌水观测、预报，避免发生突水事故，而旱季应加强矿区涌水保障措施。

3.2 导水裂隙带计算

该煤矿可采煤层位于龙潭组顶部。煤层回采后冒落带最大高度（Hm）和导水裂隙影响高度（HL），按《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》（2017年修订版）的公式计算，其中：

冒落带高度如下，

导水裂隙带高度如下，

上式中，M为煤层采高，m；W为冒落过程中顶板的下沉值，取经验值0.1m；K为岩石碎胀系数，取经验值1.2；α为煤层倾角。

一号井许可开采煤层倾角α=15°，B4煤层厚度为0.90m～1.12m，平均1.01m；B3煤层厚度为1.01m～2.08m，平均为1.55m，煤层采高M=1.1m，由式（3）及式（4），可得冒落带高度Hm=5.17m，导水裂隙带高度HL为14.92m～26.12m。

二号井许可开采煤层倾角α=28°，B4煤层厚度为0.46m～1.01m，平均0.83m；B3煤层厚度为0.65m～2.16m，平均为1.57m，煤层采高M=1.0m，由式（3）及式（4），可得冒落带高度Hm=5.10m，导水裂隙带高度HL为13.63m～24.83m。

3.3 地下水影响半径

煤矿开采项目的实施会对项目区上、下伏含水层造成影响，此影响程度可以根据影响半径推算［8］，一般用库萨金公式或奚哈德公式计算，

库萨金公式为，

奚哈德公式为，

上式中：R为地下水影响半径，m；S为地下水疏干水位降深，m；H为含水层厚度，m；K为渗透系数，m/d。（5）式适用于潜水，（6）式适用于承压水。根据上述参数取值得到地下水影响半径，如表3所示。

表3 地下水影响半径计算结果

由表3可知，矿区长兴组、飞仙关组裂隙潜水含水层的影响半径为412.63m；茅口组、栖霞组岩溶承压含水层的影响半径为833.27m。

4 结果与讨论

4.1 导水裂隙对地下水资源的影响

煤炭开采对地下含水层的影响因素主要为井下开采形成的采空区破坏原地层结构，向上发育的导水裂隙带若发育到上部含水层中，会使其他含水层的地下水进入疏干层，从而导致该含水层的水量漏失。

长兴组和飞仙关组含水层是矿井顶板充水的直接含水层。一、二号矿井的导水裂隙带发育最大高度分别为24.83m和26.12m，而主要可采煤层距离其顶板含水层只有23m，导水裂隙带已经深入到煤层上部含水层中。一旦将隔水层挖穿会使该含水层中的水大量漏失，导致含水层水位下降，破坏与其有水力联系的其他含水层，改变径流特征，在采煤巷道揭露初始阶段地下水可能大量涌入矿井，导致矿井充水。故在煤矿的开采过程中应设置安保煤柱，防止挖穿隔水层。

4.2 采煤对含水层的影响

（1）对上伏含水层的影响

煤层的开采会改变地层受力状态，对上伏含水层地下水水位线分布态势产生影响，在煤矿开采区附近形成降水漏斗。煤矿可采煤层导水裂隙带高度大于距其顶板的距离，在煤矿的开采过程中上伏含水层会遭到破坏，在矿山导水裂隙带412.63m的影响范围内，上伏含水层会发生剥离，导致矿井周边区域含水层流场改变，地下水将向矿坑汇集，造成矿井充水。

（2）对下伏含水层的影响

茅口组和栖霞组含水层是煤矿底板充水的直接含水层。在一号井范围内，属暗河系统的补给区，且远离B3、B4煤层，因此对煤矿的开采影响不大。在二号井范围内，灰岩的地下水位为+700.49m～+740m～+817.21m，低于+883m，在开采上山采区的煤层时，岩溶水影响较小；开采标高低于+700m时，在其833.27m的地下水影响半径内，岩溶将对矿井有突水威胁。在煤矿开采过程中要加强水文地质勘查工作，预防将底板隔水层挖穿导致的矿井突水威胁。