望田煤礦開采對地下水影響的研究

李新旺 關天強 張紅升 李 穎 張曉波

（1.河北工程大學資源學院，河北省邯鄲市，056038；2.山西省第三地質工程勘察院，山西省晉中市，030620）

望田煤礦開采對地下水影響的研究

李新旺1關天強1張紅升1李 穎2張曉波2

（1.河北工程大學資源學院，河北省邯鄲市，056038；2.山西省第三地質工程勘察院，山西省晉中市，030620）

根據望田煤礦的地質情況，計算煤層開采后形成的冒落帶和裂縫帶的高度以及煤礦開采排水導致地下水位降落漏斗分布范圍，分析煤層開采對上部和下部含水層以及村民用水的影響，預測評估了2011－2015年采礦活動對地下含水層的影響。

礦山開采 地下水 冒落帶 裂隙帶

山西忻州神達望田煤業公司地處黃河東岸，山西黃土高原的西北邊緣，屬低山丘陵區。井田總面積7.9584km2，生產規模120萬t／a，礦井服務年限為29a。礦井水文地質條件屬中等類型。井田內可采煤層有8＃、11＃和13＃煤層。井田8＃煤層直接充水含水層為頂板砂巖裂隙含水層，11＃和13＃煤層充水含水層為其上部的砂巖含水層，富水性弱。井田西部8＃、11＃和13＃煤層均位于奧灰水位之下，屬帶壓開采，礦山開采對地下水的影響已成為重要的問題。

1 冒落帶及裂隙帶最大高度確定

開采煤層后，由于存在礦山壓力，使煤層上履巖層形成冒落帶、裂隙帶和緩慢下沉帶“三帶”，見圖1。通過對裂隙帶最大高度的預計，可以預測井下采煤對地下含水層、地表水體等產生的破壞及影響。

13＃煤層頂板石灰巖抗壓強度平均為30.8MPa，屬中硬類巖石。因此，根據《煤礦防治水規定》推薦的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》（以下簡稱《規程》）中附表6－1可知，中硬型厚煤層開采的冒落帶和導水裂隙帶發育高度計算公式為：

式中：Hm——冒落帶高度，m；

HL——導水裂隙帶發育高度，m；

∑M——累計采厚，m。

根據《規程》中近距離煤層垮落帶和導水裂隙帶高度的計算，第一種情況，上、下兩層煤的最小垂距h大于回采下層煤的垮落帶高度Hxm時，上、下層煤的導水裂隙帶最大高度可按上、下兩層煤的厚度分別選用公式計算，取其中標高最高者作為兩層煤的導水裂隙帶最大高度。第二種情況，下層煤的垮落帶接觸到或完全進入上層煤范圍內時，上層煤的導水裂隙帶最大高度采用本層煤的開采厚度計算，下層煤的導水裂隙帶最大高度，則應采用上、下層煤的綜合開采厚度計算，取其中標高最高者為兩層煤的導水裂隙帶最大高度。

圖1 望田煤礦煤層剖面示意圖

8＃煤層上沒有可采煤層，不會出現垮落帶接觸或進入上層煤的情況，所以按第一種情況計算，導水裂隙帶厚度用公式（2）和（3）單獨計算后取最大值，見圖1。8＃與11＃煤層之間的距離18.42～38.12m，平均31.63m，最小垂距h大于冒落帶高度9.03m，垮落帶高度未接觸8＃煤層，所以按第一種情況計算，導水裂隙帶厚度用公式（2）和（3）單獨計算后取最大值。由于本礦11＃與13＃煤層間距最大僅為14.28m，而13＃煤層垮落帶高度為17.41m，因此按《規程》采用11＃與13＃煤層的綜合開采厚度計算13＃煤層開采后產生的導水裂隙帶高度（第二種情況）。各煤層開采產生的垮落帶和導水裂隙帶高度計算結果見表1。由表可見，13＃煤層開采后產生的導水裂隙帶高度最大為97.22m，兩帶高度為114.63m。

表1 冒落帶、導水裂縫帶計算結果

2 開采煤層與含水層之間的相互位置

望田煤礦13＃煤層位于太原組底部，煤層上部的含水層由下至上為太原組砂巖裂隙含水層、山西組砂巖裂隙含水層，含水層由中、粗粒砂巖組成，屬弱富水性含水層。二迭系地層為砂巖與泥巖層，含水層富水性弱。13＃煤層開采產生的兩帶高度最大為114.63m，將導通山西組地層，局部可達二疊系下石盒子組地層。開采煤層與含水層關系見表2。

表2 開采煤層與含水層關系

3 開采煤層對上部含水層的影響和破壞

煤礦開采后，產生的兩帶高度最大為114.63m，煤層上部山西組和下石盒子組均在影響范圍內，礦井生產能力達120萬t／a時，其正常礦井涌水量為1800m3／d，最大礦井涌水量2400 m3／d，井田內13＃煤層上部主要的含水層均會被疏干破壞。在井田東部13＃煤層埋深較淺處，導水裂縫帶將溝通地表，地表水與13＃煤層產生水力聯系。

4 開采煤層對下部奧灰含水層的影響

據井田內路家溝水井資料，揭露奧灰266.70m，奧灰水位標高830.00m，井田內奧灰水位標高829.00～831.50m，8＃煤層的最低底板標高為730m，11＃煤層的最低底板標高為700m，13＃煤層的最低底板標高為690m，煤層下部處于承壓開采狀態，見圖2。

圖2 望田煤礦8＃煤層帶壓開采示意圖

根據《煤礦防治水規定》附錄7突水系數計算公式：

式中：TS——突水系數，MPa／m；

P——煤層底板隔水層承受的靜水壓力，MPa；

M——底板至隔水層厚度，m。突水系數的大小可以顯現煤礦開采對地下含水層的影響程度，突水系數大，則該塊段處于突水危險區，底板易受破壞，形成突水，煤礦開采對地下含水層的影響就大，反之則小。

井田西南邊界處奧灰水頭高度830m，8＃煤層底至奧灰頂有效隔水層厚度96.14m，11＃煤層底板至奧灰頂板有效隔水層厚度63.20m，13＃煤層底板至奧灰頂板有效隔水層厚度51.50m，8＃、11＃和13＃煤層突水系數分別為0.017MPa／m、0.025MPa／m和0.031MPa／m。井田4個鉆孔均為奧陶系灰巖地層鉆孔，根據式（4）各煤層突水系數計算結果見表3。

根據《煤礦防治水規定》附錄四中“底板受構造破壞塊段系數一般不大于0.06，正常塊段不大于0.10”的規定，結合本煤礦實際情況，帶壓開采分區劃分如下：

TS＜0.06

可能突水區，煤礦開采對奧灰水層影響較小。

突水危險區，煤礦開采對奧灰水層影響較大。

從以上計算結果可知，8＃煤層突水系數為0.001～0.021MPa／m，11＃煤層突水系數0.010～0.029MPa／m，13＃煤層突水系數為0.012～0.036MPa／m，均小于正常塊段內臨界突水系數0.10MPa／m，小于構造破壞塊段臨界突水系數0.06MPa／m，均屬于相對安全區。由此可見，煤礦開采對奧灰水層影響相對較小。

表3 各煤層突水系數計算表

5 煤礦開采排水導致地下水位降落漏斗分布范圍分析

礦區煤層開采后對地下水資源的破壞范圍隨地下水含水層類型的不同而異。對位于地表淺部的松散巖類孔隙水與基巖風化裂隙水來說，由于補給來源較近，地表相對高處往往為其補給邊界，因此其影響范圍基本位于地表裂縫塌陷區內及其附近地表相對分水嶺處；對于深埋于地下的層狀碎屑巖孔隙裂隙水來說，由于其補給來源較遠，其影響范圍可用水文地質學中的大井法概略計算。將煤礦采空區假設為一個大井，礦坑形態按不規則形，假想大井引用半徑r0，設計礦坑系統面積F采用資源儲量計算確定的面積，F＝7.9584km2，根據：

計算得r0＝1594m。

本礦井地層傾角平均4°左右，各煤層頂板以上采煤影響帶內含水層可概化為近水平含水層。將煤礦采空區假設為一個大井，礦井排水假設為抽水，可根據抽水試驗中影響半徑的公式來概略的計算礦井排水的影響范圍。

式中：R——影響半徑，m；

K——滲透系數，m／d，根據地質報告滲透系數K＝0.0377m／d；

S——水位降深，m。

礦區煤層開采后礦井疏干高度（水位降深S）最大約為110m，根據式（6）計算得13＃煤層開采后礦井排水最大影響范圍約為213m。排水影響半徑R0＝R＋r0＝1807m。

可見，礦區開采疏干地下水范圍面積較大，采煤疏干地下含水層的影響超出礦區范圍，具有區域性的特點，地下水資源一旦受到破壞，短時間內難以恢復。

6 煤礦開采對村民用水的影響

礦區及周邊村民飲用水依靠井水，礦區煤層開采后井田內淺層地下水水井已被疏干，當前礦區村莊飲用水源是深井巖溶水，水質水量穩定，今后礦區村民用水受采煤影響較小。

井田內13＃煤層開采后，其上部主要的含水層均會被疏干破壞，煤層開采疏干地下水影響面積較廣，具有區域性特點；礦區村莊飲用水源是深井巖溶水，今后礦區村民用水受采煤影響較小。

7 采礦活動對地下含水層的影響預測評估

2011－2015年礦山開采1301采區，礦井井下正常排水量為1800m3／d。2011－2015年13＃煤層上部主要含水層水位下降幅度較大，地下水呈半疏干狀態，影響范圍為開采煤層外213m。由于碎屑巖裂隙水富水性弱，其他區地下水位下降幅度小，主要含水層受13＃煤層開采影響較輕。根據《規范》附錄E，2011－2015年采礦活動對5年期限內地下含水層影響程度為“較嚴重”；未開采區含水層受采煤排水疏干影響“較輕”。

［1］ 還祥生等.山西忻州神達望田煤業有限公司礦山地質環境保護與恢復治理方案［R］.北京：北京市地質礦產勘查開發總公司，2011

［2］ 三下采煤規程［S］.北京：煤炭工業出版社，2000

［3］ 煤礦防治水規定［S］.北京：煤炭工業出版社，2009

［4］ 戚春前.趙各莊礦煤炭深部開采與地表淺部地下水位變化規律探討［J］.中國煤炭，2011（1）

［5］ 劉勇.導水裂隙帶法在貴州小型煤礦開采沉陷預測中的應用［J］.中國煤炭，2011（4）

Study on the impact of mining on groundwater in Wangtian Coal Mine

Li Xinwang1，Guan Tianqiang1，Zhang Hongsheng1，Li Ying2，Zhang Xiaobo2
（1.School of Natural Resources，Hebei University of Engineering，Handan，Hebei 056038，China；2.The Third Geological Engineering Exploration Institute in Shanxi，Jinzhong，Shanxi 030620，China）

After analyzing the geological features of Wangtian Coal Mine，the paper calculates the height of caving zone and fractured zone that formed after coal mining；with the analysis of the impact of mining on the upper and lower aquifers，the paper calculates the funnel－like distribution range formed after the groundwater level depressing which results from the mining drainage.And then the paper estimates the impacts of coal mining activities on underground aquifers in 2011－2015.

coal mining，groundwater，caving zone，fractured zone

P641

A

李新旺（1979－），男，博士，副教授，河北工程大學資源學院副院長，獲中國礦業大學（北京）采礦工程專業工學博士學位。研究方向為采礦工程。

（責任編輯 張毅玲）