陽(yáng)煤碾溝煤礦開(kāi)采對(duì)上覆含水層預(yù)測(cè)及影響分析

武曉毅

(山西省生態(tài)環(huán)境研究中心，山西 太原 030009)

陽(yáng)煤碾溝煤礦開(kāi)采對(duì)上覆含水層預(yù)測(cè)及影響分析

武曉毅

(山西省生態(tài)環(huán)境研究中心，山西 太原 030009)

對(duì)陽(yáng)煤碾溝煤礦的水文地質(zhì)條件進(jìn)行了詳細(xì)的分析。在此基礎(chǔ)上，對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行了計(jì)算預(yù)測(cè)，并分析了在服務(wù)年限內(nèi)煤礦開(kāi)采對(duì)上覆含水層的影響。

煤礦開(kāi)采;上覆含水層;導(dǎo)水裂隙帶;垮落帶

煤炭的大規(guī)模開(kāi)發(fā)和利用，既給人類帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，也對(duì)人類生存環(huán)境產(chǎn)生了一系列的消極影響。由于煤炭開(kāi)采對(duì)煤系上覆含水層的破壞不可避免，該部分水資源主要以礦坑水的方式產(chǎn)生，將對(duì)部分含水層產(chǎn)生一定的疏干作用。如何有效適宜地預(yù)測(cè)分析煤炭開(kāi)采對(duì)上覆含水層造成的影響，并采取合理有效的措施來(lái)保護(hù)地下水環(huán)境，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。現(xiàn)結(jié)合實(shí)際，以陽(yáng)煤碾溝煤業(yè)有限公司120萬(wàn)t/a礦井兼并重組整合工程為實(shí)例，分析煤礦開(kāi)采對(duì)上覆含水的影響［1］。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

山西陽(yáng)煤集團(tuán)碾溝煤業(yè)有限公司井田位于清徐縣清源鎮(zhèn)碾底村、澗溝村一帶。井田地理坐標(biāo)為:東經(jīng)112°15'06″～112°19'57″，北緯37°38'43″～37°40'48″。根據(jù)晉煤重組辦發(fā)［2009］19號(hào)文《關(guān)于太原市清徐縣煤礦企業(yè)兼并重組整合方案(部分)的批復(fù)》，山西陽(yáng)煤集團(tuán)碾溝煤業(yè)有限公司批準(zhǔn)礦井生產(chǎn)能力為120萬(wàn)t/a，開(kāi)采03－9號(hào)煤層，開(kāi)采深度為1 050 m～580 m，井田面積10.177 7 km2。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

本井田位于西山煤田的東部，受區(qū)域性構(gòu)造碾底斷層、碾底向斜、碾底背斜、黃嶺斷層的影響，井田構(gòu)造形態(tài)總體為走向NE、傾向NW的單斜，同時(shí)伴生有次一級(jí)褶曲，地層傾角5°～12°，井田陷落柱較為發(fā)育。構(gòu)造類型為簡(jiǎn)單類。

本礦區(qū)鉆孔揭露及地表出露的地層有，奧陶系中統(tǒng)峰峰組，石炭系中統(tǒng)本溪組，石炭系上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組，二疊系下統(tǒng)下石盒子組，二疊系上統(tǒng)上石盒子組，新生界第四系中、上更新統(tǒng)。

1.3 水文地質(zhì)概況

井田地處晉西黃土高原，地形復(fù)雜。地勢(shì)總體東、西高，中間低的態(tài)勢(shì)。最高點(diǎn)位于礦井中西部的馬鳴山，標(biāo)高1 295.9 m;最低點(diǎn)位于礦井中南部的溝谷中，標(biāo)高為917.0 m。最大相對(duì)高差為378.9 m。屬剝蝕低中山區(qū)。巖石裸露，溝谷縱橫。

根據(jù)含水介質(zhì)巖性及地下水的賦存特征，區(qū)域地下水類型可劃分為，第四系松散孔隙含水層，二疊系上、下石盒子組砂巖裂隙含水層，二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水層，石炭系上統(tǒng)太原組砂巖、灰?guī)r巖溶裂隙含水層，奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水層5大類。

井田內(nèi)隔水層主要可劃分為，太原組泥質(zhì)巖隔水層、石炭系本溪組隔水層。

1.4 開(kāi)拓概況

本井田主要含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組地層和石炭系上統(tǒng)太原組地層，井田內(nèi)03號(hào)、2號(hào)煤已基本采空。礦井采用斜井開(kāi)拓方式開(kāi)采4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、8(8+9)號(hào)、9號(hào)煤層，4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、8號(hào)、9號(hào)煤層均采用綜采一次采全高采煤工藝，8+9號(hào)煤層合并區(qū)采用綜采放頂煤一次采全高采煤工藝。礦井前期主水平標(biāo)高+845 m，聯(lián)合布置，分層開(kāi)采井田東部的8號(hào)、9號(hào)煤層;前期輔助水平標(biāo)高+905 m，聯(lián)合布置，分層開(kāi)采井田東部的4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)煤層。后期主水平標(biāo)高+780 m，聯(lián)合布置，分層開(kāi)采井田西部的8號(hào)、9號(hào)煤層;后期輔助水平標(biāo)高+900 m，聯(lián)合布置，分層開(kāi)采井田西部的4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)煤層。全井田劃分為5個(gè)采區(qū)。井田東部為一采區(qū);井田西部劃分為4個(gè)采區(qū)，分別為+900 m水平二采區(qū)、+780 m水平二采區(qū)、+900 m水平三采區(qū)、+780 m水平三采區(qū)。采區(qū)開(kāi)采順序?yàn)椋徊蓞^(qū)→+900 m水平二采區(qū)→+780 m水平二采區(qū)→+900 m水平三采區(qū)→+780 m水平三采區(qū)。各采區(qū)內(nèi)各煤層采用由上而下順序開(kāi)采。

本工程首采區(qū)為一采區(qū)的4號(hào)、9號(hào)煤層。

2 煤礦開(kāi)采對(duì)上覆含水層影響計(jì)算

煤層開(kāi)采后，采空區(qū)周?chē)膸r層會(huì)發(fā)生位移、變形，甚至破壞，上覆巖層根據(jù)變形和破壞程度的不同分為冒落帶、裂縫帶和彎沉帶3帶。其中，裂縫帶又分為連通和非連通2部分。通常將冒落帶和裂縫帶的連通部分稱為導(dǎo)水裂隙帶［2－3］。

導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與煤層賦存地質(zhì)條件、頂板巖性、煤層開(kāi)采厚度等均有密切關(guān)系。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》，煤層開(kāi)采后所形成的導(dǎo)水裂隙帶高度可參考規(guī)程中表7.12－1中的公式進(jìn)行預(yù)計(jì)。

1)上、下煤層的最小間距大于回采下層煤的垮落帶高度時(shí)，上、下層煤的導(dǎo)水裂隙帶最大高度可按上、下層煤的厚度分別計(jì)算，取其中標(biāo)高最高者作為兩層煤的導(dǎo)水裂隙帶最大高度。

2)下層煤的垮落帶高度接觸到或完全進(jìn)入上層煤范圍內(nèi)時(shí)，上層煤的導(dǎo)水裂隙帶最大高度采用本煤層的開(kāi)采厚度計(jì)算，下層煤的導(dǎo)水裂隙帶最大高度則應(yīng)采用上、下層煤的綜合開(kāi)采厚度計(jì)算，取其中標(biāo)高最高者為兩層煤的導(dǎo)水裂隙帶最大高度。計(jì)算公式見(jiàn)式(1)。

式中:M1為上層煤開(kāi)采厚度，m;M2為下層煤開(kāi)采厚度，m;h1－2為上、下層煤之間的距離，m;y2為下層煤的冒高和采厚之比。

3)如果上、下層煤之間的間距很小，則采用綜合開(kāi)采厚度為累計(jì)厚度。計(jì)算公式見(jiàn)式(2)。

井田內(nèi)03、2、4、5號(hào)煤層直接頂板多為粉砂巖，局部為中粒砂巖或細(xì)粒砂巖，屬中硬巖石;6、8+9、9號(hào)煤層的直接頂板或老頂均為石灰?guī)r，屬堅(jiān)硬巖石。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》，冒落帶(Hm)、導(dǎo)水裂隙帶(Hli)的高度可用以下公式計(jì)算。

03、2、4、5號(hào)煤層冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算公式采用式(3)～(5)。

導(dǎo)水裂隙帶:

6、8+9、9號(hào)煤層冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算公式采用式(6)～(8)。

導(dǎo)水裂隙帶:

式中:M為累計(jì)采煤厚度，m。

導(dǎo)水裂隙帶最大高度取兩式之最大值。為了具體分析導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度及其導(dǎo)通情況，本報(bào)告結(jié)合鉆孔資料來(lái)計(jì)算并分析各煤層冒落帶與導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度及其導(dǎo)通情況。詳見(jiàn)表1和第79頁(yè)表2～表7。

表1 3號(hào)煤層垮落帶與導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算表

2號(hào)煤層與03號(hào)煤層的垮落帶已經(jīng)接觸到上層煤范圍內(nèi)，屬于近煤層開(kāi)采的第2種情況。因此，03號(hào)煤的導(dǎo)水裂隙帶最大高度采用本層煤的開(kāi)采厚度計(jì)算，取值為36.08 m。2號(hào)的導(dǎo)水裂隙帶最大高度計(jì)算應(yīng)采用上、下煤層的綜合開(kāi)采厚度。03號(hào)取1.70 m，2號(hào)取3.65 m，取最小間距8.63 m，得2號(hào)煤導(dǎo)水裂隙帶最大高度為45.20 m。

表2 2號(hào)煤層垮落帶與導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算表

表3 4號(hào)煤層垮落帶與導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算表

4號(hào)煤與2號(hào)煤層間距小于垮落帶高度，屬于近煤層開(kāi)采的第1種情況，按上、下層煤的厚度分別計(jì)算，取其中最大值作為煤層的導(dǎo)水裂隙帶高度。

表4 5號(hào)煤層垮落帶與導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算表

4號(hào)煤層的垮落帶已經(jīng)接觸到上層煤范圍內(nèi)，屬于近煤層開(kāi)采的第2種情況，5號(hào)的導(dǎo)水裂隙帶最大高度計(jì)算應(yīng)采用上、下煤層的綜合開(kāi)采厚度。4號(hào)取2.54 m，5號(hào)取4.50 m，取最小間距6.43 m，得2號(hào)煤導(dǎo)水裂隙帶最大高度為54.18 m。近煤層開(kāi)采的第1種情況，按上、下層煤的厚度分別計(jì)算，取其中最大值作為煤層的導(dǎo)水裂隙帶高度。

表5 6號(hào)煤層垮落帶與導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算表

表6 8(8+9)號(hào)煤層垮落帶與導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算表

8+9號(hào)煤與6號(hào)煤層間距小于垮落帶高度，屬于近煤層開(kāi)采的第1種情況，按上、下層煤的厚度分別計(jì)算，取其中最大值作為煤層的導(dǎo)水裂隙帶高度。

表7 9號(hào)煤層垮落帶與導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算表

9號(hào)煤層的垮落帶已經(jīng)進(jìn)入到上層煤范圍內(nèi)，屬于近煤層開(kāi)采的第2種情況，9號(hào)的導(dǎo)水裂隙帶最大高度計(jì)算應(yīng)采用上、下煤層的綜合開(kāi)采厚度。8+9號(hào)取6.07 m，9號(hào)取 6.80 m，取最小間距3.60 m，得9號(hào)煤導(dǎo)水裂隙帶最大高度為90.91 m。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)計(jì)算可知，2號(hào)煤采空后煤層頂板冒落帶高度9.45 m～12.29 m，導(dǎo)水裂隙帶高度27.89 m～45.20 m，最大導(dǎo)通高度可達(dá)上覆二疊系下統(tǒng)下石盒子組碎屑巖裂隙含水層;4號(hào)煤采空后煤層頂板冒落帶高度 5.34 m～10.41 m，導(dǎo)水裂隙帶高度26.73 m～41.85 m，最大導(dǎo)通高度可達(dá)上覆二疊系下統(tǒng)下石盒子組碎屑巖裂隙含水層;5號(hào)煤采空后煤層頂板冒落帶高度6.91 m～13.41 m，導(dǎo)水裂隙帶高度32.36 m～54.18 m，最大導(dǎo)通高度可達(dá)上覆二疊系下統(tǒng)下石盒子組碎屑巖裂隙含水層;6號(hào)煤采空后煤層頂板冒落帶高度4.18 m～14.27 m，導(dǎo)水裂隙帶高度43.78 m～58.9 m，最大導(dǎo)通高度可達(dá)上覆石炭系上統(tǒng)太原碎屑巖含水層以及K3砂巖含水層;8(8+9)號(hào)煤采空后煤層頂板冒落帶高度9.89 m～23.62 m，導(dǎo)水裂隙帶高度46.94 m～81.94 m，最大導(dǎo)通高度可達(dá)上覆石炭系上統(tǒng)太原碎屑巖含水層以及K3砂巖含水層;9號(hào)煤采空后煤層頂板冒落帶高度7.18 m～24.96 m，導(dǎo)水裂隙帶高度52.17 m～90.91 m，最大導(dǎo)通高度可達(dá)上覆石炭系上統(tǒng)太原碎屑巖含水層以及K3砂巖含水層。

綜上所述，碾溝煤礦煤全部開(kāi)采后，最高導(dǎo)水裂隙帶高度可達(dá)二疊系下統(tǒng)下石盒子組碎屑巖含水層。煤系上覆二疊系下統(tǒng)山西組碎屑巖裂隙含水層、石炭系上統(tǒng)太原組碎屑巖裂隙含水層會(huì)被導(dǎo)水裂隙帶直接導(dǎo)通，雖然中間夾雜連續(xù)穩(wěn)定的砂質(zhì)泥巖、泥巖，滲透系數(shù)小、隔水性能良好，減小了煤系地層與含水層間的水力聯(lián)系，但由于導(dǎo)水裂隙帶將導(dǎo)通二疊系砂巖層間隔水層，使含水層通過(guò)導(dǎo)水裂隙帶與煤系地層發(fā)生水力聯(lián)系，含水層地下水轉(zhuǎn)化為礦井水，通過(guò)礦井排水方式排出，對(duì)二疊系碎屑巖裂隙含水層破壞嚴(yán)重。

雖然最大導(dǎo)水裂隙帶高度不會(huì)直接導(dǎo)通上石盒子組中、下段含水層和第四系松散巖類孔隙含水層，但煤層采空后形成的下沉帶會(huì)造成地表塌陷，塌陷邊緣往往為水平拉伸變形區(qū)，在水平拉伸變形區(qū)為拉張裂縫發(fā)育密集帶并影響到地表，通過(guò)塌陷區(qū)邊緣的拉張裂縫發(fā)育帶，上石盒子組含水層和第四系松散巖類孔隙含水層被全部貫通。換言之，采煤對(duì)含水層的破壞及對(duì)地下水的疏干影響并不局限于所謂的“兩帶”范圍，最終將破壞并疏干上石盒子組含水層和第四系松散巖類孔隙含水層。

應(yīng)當(dāng)指出的是，井田北部的碾底斷層，橫切白石河河谷，斷裂規(guī)模較大，其斷裂帶富水或?qū)阅苌形床槊鳎菨撛诘陌资拥乇硭虮镜V井充水的通道，應(yīng)留設(shè)保安煤柱，并嚴(yán)密防范。

［1］ 師幸生.太原市煤礦開(kāi)采對(duì)地下水的影響研究［J］.山西水利科技，2011(2):75－77.

［2］李新旺，關(guān)天強(qiáng)，張紅升，等.望田煤礦開(kāi)采對(duì)地下水影響的研究［J］.中國(guó)煤炭，2012，38(1):41－44.

［3］徐耀先，楊健.煤礦開(kāi)采區(qū)地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法與治理研究［J］.環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊，2009，28(5):71－74.

Prediction and influence analysis on the overlying aquifer in Yangmei Niangou Mine

WU Xiaoyi

(Shanxi Ecological Environment Research Center，Taiyuan Shanxi 030009，China)

On the analysis of hydrogeology characteristics of Yangmei Niangou mine，the water flowing fractured belt height are predicted.Then this paper studies the influence of the coal mining on the overlying aquifer in the length of service.

mine exploration;overlying aquifer;water flowing fractured zone;cross zone

P64

A

1004－7050(2016)06－0077－03

10.16525/j.cnki.cn14－1109/tq.2016.06.23

2016－08－04

武曉毅，女，1978年出生，2006年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，研究生，工程師，從事環(huán)評(píng)、驗(yàn)收、水環(huán)境保護(hù)研究工作。