南方丘陵山區采煤沉陷區尋找地下水的有利區研究

姚光華,陳正華

(1.地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室(成都理工大學)，四川 成都 610059；2.外生成礦與礦山環境重慶市重點實驗室(重慶地質礦產研究院)，重慶 400042；3.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室重慶研究中心，重慶 400042)

礦業開發過程中，由于礦井疏干排水，導致大面積區域性地下水位下降，造成疏干漏斗、泉水干枯、水資源逐步枯竭、河水斷流、地表水入滲或經塌陷灌入地下，影響了礦山地區的生態環境[1]。國內眾多學者針對采礦塌陷區土壤水開展了研究工作[2-6]，這些研究重點多側重在生態環境方面，然而對采沉區內解決水資源短缺研究較少，僅有的文獻多集中在北方地區[7-8]，對于中國南方丘陵山區這種以基巖裸露為主的煤礦開采引發巖溶水破壞模式，以及如何在采煤沉陷區內尋找地下水資源方面的研究和實踐幾乎沒有涉及。

本文以重慶南桐煤礦為研究區，結合礦區主要含水層破壞現狀，分析巖溶含水層受開采影響的破壞模式，提出采沉區尋找地下水的有利區域。研究成果既能保護礦區地下水和地表水的自然平衡，又能解決礦區水資源短缺問題，將為中國南方丘陵山區井工開采煤礦的安全生產和可持續運營、礦區人民的水資源保障和用水安全提供可靠的技術支持。

1 研究區背景

研究區為一北東低、南西高的侵蝕、剝蝕形成的低山丘陵地貌，大部分區域基巖裸露。區內煤層及煤層上部的主要含水層主要為二疊系上統長興組(P3c)和三疊系下統嘉陵江組(T1j1和T1j4)石灰巖，地表巖溶、漏斗、落水洞較發育，含水性強～中等。隔水層為二疊系上統龍潭組(P3l)、三疊系下統飛仙關組(T1f6-7)、嘉陵江組(T1j2-3)泥巖、砂質泥巖、泥灰巖及煤層。弱含水層三疊系下統飛仙關組(T1f1-5)泥巖、石灰巖互層。分布情況見圖1。

圖1 研究區含水層與隔水層分布平面圖

2 研究區主要含水層破壞現狀研究

2.1 煤層頂板P3c含水層破壞特征

研究區煤層傾角平均35°，可采煤層K1、K2、K3煤層總平均厚度5.27m，采動后裂隙帶高度引用緩斜、中硬復巖分層開采經驗公式計算[9]。

計算出導水裂縫帶高度：H =55.91m。

由于P3c石灰巖下距最上部K3煤層47.25m，裂縫帶的高度已經延伸到P3c灰巖以內，說明采空區上方裂隙帶在P3c石灰巖中可以相互導通，若地表河流切割P3c石灰巖，河水會沿著這些裂隙滲入礦井石門、巷道和采煤工作面。

煤層頂板長興組石灰巖(P3c)雖為強含水層，但含水性不均一，巖溶發育的相對深度在地表以下120m以內，以下為含水微弱。因此，P3c石灰巖含水層實際指的是淺部巖溶、裂隙發育段。這些淺部發育的風化裂隙、溶蝕(孔洞)與煤層大面積開采后形成的地表張裂隙、采動離層導水裂隙相互溝通。在淺部開采時直接向工作面涌水；在上水平開采結束、覆巖相對穩定后形成一個由離層裂隙導通的“地下水庫”[10](圖2)。

2.2 研究區含水層T1j1破壞特征

2011年T1j1含水層地下水已經形成明顯的降落漏斗[11]。圖3剖面顯示T1j1地層地下水受到嚴重破壞，采沉區內地表泉水干枯，地下水水位下降幅度大，形成降落漏斗；而采沉區外，地表泉水未干涸，地下水基本未受到破壞。

圖2 P3c石灰巖 “地下水庫”示意圖[10]

圖3 2011年采沉區降落漏斗[11]

3 含水層破壞模式研究

以研究區傾向剖面為例(圖4)，含水層破壞模式有以下三種。

3.1 采動破壞

3.1.1 拉裂破壞

圖4右側三角框內為采動外邊緣區，地表脆性巖體存在拉張裂隙，巖層空隙增大，儲水空間增大，有利于地下水的匯集與貯存。

3.1.2 剪切破壞

圖4左側三角框內為采動內邊緣區，地面向盆地中央傾斜，產生壓縮變形，當壓縮區與上一開采水平拉伸區疊加，地表出現拉伸后受擠壓的現象，發生剪切破壞，原裂縫出現錯動而產生倒“八”字型裂縫，增大儲水空間和增加地下水的運移通道。

3.1.3 離層破壞

圖4箭頭處為石灰巖與泥巖接觸面附近的錯動，產生離層現象，主要位于上硬下軟的巖層之間，這種離層裂縫，增大了儲水空間和運移通道，尤其是存在河水漏失現象時，河水沿離層裂縫匯集和向深部運移。

圖4 傾向剖面移動變形分區[12]

3.2 封閉不良鉆孔破壞

煤田地質勘查鉆孔完工后應將鉆孔用質地優良的水泥砂漿封閉，以防止地表水和各含水層地下水通過鉆孔進入將來開發的礦井。但二十世紀五十年代施工的煤田地質勘查鉆孔一般采用粘土和碎石，封閉到T1f底部，T1f及以上地層并沒有密封，井口段用水泥砂漿封閉；二十世紀八十年代以來施工的煤田地質勘查鉆孔采用水泥砂漿分段封閉，即：井口段(<10m)，孔底～ P3c頂面以上10～20m用水泥砂漿封閉，其余孔段用鉆井泥漿充填。因此，作為研究區透水性較弱的T1f地層被多個鉆孔導通，封閉不良鉆孔成為越流導水通道，一旦聯通了彎曲帶或整體移動帶，將會把T1f地層上方的T1j1地層地下水導通到下部的P3c石灰巖離層儲水帶，增加礦井涌水量。

3.3 導水斷層破壞

研究區北部發育的F3B、F1C、F22、F8B斷層對蒲河附近P3c石灰巖造成破壞，其破碎帶是降水及地表水體滲入礦井的良好通道。如F3B在南桐北翼+140m水平穿過烏龜山背斜進入西翼，F1C在北翼碰頭巖、F22在北翼水井溝、F8B在北翼蛇澇子等處穿越蒲河河床地帶，破壞了P3c石灰巖，導致井下采區的涌水量增大，例如碰頭巖下方5406采區1964年11月涌水492.43m3/h，5407采區1971年5月11日涌水442.0m3/h；水井溝下方5411采區1975年1月涌水311.61m3/h，5412采區1975年12月20日涌水713.66m3/h。涌水量大小相比于那些既沒有位于封閉不良鉆孔附近也不在導水斷層下方的采區正常涌水量100～200 m3/h明顯增大，說明斷層對河流附近P3c石灰巖的破壞造成的破碎帶是降水及地表水體滲入礦井的良好通道。

4 尋找地下水的有利區研究

依據含水層破壞特征及破壞模式的分析，丘陵山區采煤沉陷區地下水主要分布于兩個區域(圖5，圖6)：一個是T1j地層的“統一含水體”(Ⅰ)，另一個是P3c地層中的“離層裂隙儲水帶”(Ⅱ)。

圖5 剖面上采沉區內含水區域[12]

4.1 剖面上含水區域分布

4.1.1 “統一含水體”

含水區域Ⅰ為T1j地層的“統一含水體”，由于采動邊界拉裂巖層，致使T1j2-3地層隔水能力降低，導通T1j1和T1j4地層中的地下水，形成“統一含水體”。

4.1.2 “離層儲水帶”

含水區域Ⅱ為P3c地層的“離層裂隙儲水帶”，位于最下部開采水平及采空區上方P3c石灰巖中。

4.2 平面上含水區域分布

4.2.1 “統一含水體”

含水區域Ⅰ平面上分布范圍在T1j1地層與采動影響邊界之間，見圖中黃色區域Ⅰ。

4.2.2 “離層裂隙儲水帶”

含水區域Ⅱ平面分布范圍在最下部開采水平及采空區上方，匯集P3c石灰巖中地下水，見圖中紫紅色區域Ⅱ。

4.3 試驗驗證含水區域Ⅰ

此次研究在含水區域Ⅰ中T1j1和T1j4地層均布置了抽水試驗、壓水試驗，分兩個片區。

圖6 平面上采沉區內含水區域[12]

4.3.1 劉家河石橋片區

劉家河片區T1j1地層布置SK1、SK10兩個試驗孔。SK1用2L/s的流量抽水1個小時，地下水未見明顯下降，SK10以5m3/h的流量做抽水試驗，地下水也未見明顯下降；而SK1壓水試驗平均滲透率5.27(Lu)。根據壓水試驗及抽水試驗成果顯示，劉家河片區T1j1地層的滲透性能好，T1j1含水層富水性好，是良好的取水層位。

4.3.2 平山化工廠片區

平山化工廠片區T1j4地層布置SK6、SK7兩個試驗孔。SK6鉆孔揭露T1j2-4地層，抽水試驗計算滲透系數達到1m/d左右，SK7試驗孔的抽水試驗計算滲透系數達到3m/d左右，說明平山片區位于采動影響邊界內 T1j4地層的滲透性能好，是良好的取水層位。

綜上所述，T1j地層是研究區良好的取水層位，出水量大且穩定。

4.4 礦區資料驗證含水區域Ⅱ

隨著開拓深度向深部延深，礦井中地下水總是隨著巷道采掘工程的延深而逐漸向下水平匯集，隨著時間的推移和下部水平采掘工程加劇和擴大，上水平的涌水量逐漸減弱乃至枯竭，而下部水平的涌水量則逐漸增大。如-200m水平涌水量由1996年的674.55m3/h(占全礦井的76.9% )，上升到1998年的1271.32m3/h(占全礦井的82.1%)，隨后便不斷減少，到2006年僅為580.64(占全礦井的53.4%)，而同期-450m水平涌水量則由2000年的29.87m3/h(占全礦井的2.6%)，直線上升到2006年達395.11m3/h(占全礦井的36.4%)，再到2010年達到467.08m3/h(占全礦井的63.6% )。經過人工河床治理后，全井涌水量大幅度下降，-450m水平涌水量也降到了244.77m3/h，但是其所占全井涌水量的比例缺仍然升高到69.8%。

這個特征說明，離層儲水空間位于P3c與P3l地層之間，隨著同一開采水平的面積增大，開采水平延深，下水平離層帶儲水空間的水量所占比例越高，上水平離層帶由原儲水空間轉變為離層導水帶。

綜上所述，研究區的“離層儲水帶”位于最下部開采水平的采空區上方P3c石灰巖與P3l泥巖之間，且隨著巷道采掘工程的延深而逐漸向下水平匯集，下部離層帶儲水空間的水量所占比例越高。

5 結論

1) 南桐煤礦在多年采動影響下，含水層、隔水層均遭不同程度破壞，引發水環境劇烈改變，突出特征為：P3c含水層地下水形成一個由采動離層裂隙導通的“地下水庫”，T1j含水層地下水形成一個由拉張裂隙導通的“統一含水體”。

2) 通過含水層破壞模式研究，總結得出含水層破壞的三種破壞模式分別為：采動破壞、封閉不良鉆孔破壞和導水斷層破壞。

3) 多方法驗證地下水有集中分區儲存的規律，主要位于“統一含水體”中和“地下水庫”下部，這為采煤沉陷區含水層再造提供了理論依據，也為礦區地下水資源的有效利用和礦山地質環境的保護與修復指明了方向。

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