煤礦開(kāi)采沉陷地表積水預(yù)測(cè)

譚洪偉

（中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司北京100120）

煤礦開(kāi)采沉陷地表積水預(yù)測(cè)

譚洪偉

（中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司北京100120）

煤礦井采后地表積水區(qū)分布預(yù)測(cè)和治理方案規(guī)劃在大部分井工煤礦項(xiàng)目環(huán)評(píng)和土地復(fù)墾方案編制時(shí)會(huì)涉及，這是現(xiàn)代化井工煤礦建設(shè)前期工作需要思考的問(wèn)題。就井工煤礦開(kāi)采沉陷后地表積水預(yù)測(cè)，文章通過(guò)沉陷后地形、地表水水量平衡的角度進(jìn)行分析，為井工煤礦地表積水區(qū)分布預(yù)測(cè)提供一定參考。

煤礦；沉陷區(qū)；地表積水預(yù)測(cè)

煤炭是我國(guó)重要的能源，開(kāi)采歷史久遠(yuǎn)，隨著采煤技術(shù)和裝備的革新，現(xiàn)代化的大型礦井應(yīng)運(yùn)而生，產(chǎn)能從幾百萬(wàn)至幾千萬(wàn)噸不等。煤炭井采后會(huì)引起地表沉陷，并可能形成地表積水，造成土地受淹和鹽堿化[1]，在高潛水位地區(qū)，沉陷區(qū)地表積水尤為明顯[2-4]。消除沉陷區(qū)地表積水影響、修復(fù)沉陷區(qū)生態(tài)環(huán)境成為煤炭開(kāi)采中面臨的重要生態(tài)問(wèn)題，也是現(xiàn)代化煤礦建設(shè)前期工作需要思考的問(wèn)題。

煤礦井采后，不是所有的沉陷區(qū)地表都會(huì)受積水影響，眾多研究人員對(duì)沉陷區(qū)地表積水機(jī)理和計(jì)算模型進(jìn)行了研究和分析[1，4-7]。文章提出通過(guò)沉陷后地形初步分析和地表水水量平衡深入分析的方式，判斷沉陷區(qū)地表是否受到積水影響。

1　積水區(qū)預(yù)測(cè)初判

積水區(qū)初判主要是對(duì)沉陷后的地形情況進(jìn)行分析，判別沉陷區(qū)地表是否形成凹地。若沉陷后地面沒(méi)有形成明顯的凹地，則不會(huì)有積水區(qū)形成；反之，若沉陷后地面形成有明顯的凹地，則該區(qū)域可能會(huì)有積水區(qū)形成。其主要原因在于，沉陷區(qū)積水需要有一地形條件，即可以蓄集水量的凹地，若沒(méi)有可以積水的凹地，沉陷區(qū)內(nèi)的地表水都會(huì)以地表徑流的方式流向下游，而不在沉陷區(qū)內(nèi)蓄積。

沉陷后地面不會(huì)形成明顯的凹地的情況一般在沉陷前地形坡度較大的區(qū)域，如丘陵坡地，沉陷后地形的坡向較沉陷前沒(méi)有明顯改變，僅坡度產(chǎn)生了變化；而沉陷后地表容易形成凹地的情況一般在沉陷前地形坡度較小的區(qū)域，如丘陵緩坡區(qū)、平原區(qū)，沉陷后地形的坡向較沉陷前會(huì)發(fā)生改變。

判別沉陷區(qū)是否形成凹地，主要利用開(kāi)采沉陷軟件按照《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》、結(jié)合煤礦開(kāi)拓布置、地質(zhì)情況計(jì)算開(kāi)采沉陷等值線(xiàn)圖，再通過(guò)軟件將開(kāi)采前地形與開(kāi)采沉陷等值線(xiàn)圖疊加后生成沉陷后地形進(jìn)行分析。

2　積水區(qū)預(yù)測(cè)深入分析

當(dāng)沉陷區(qū)地面形成凹地條件時(shí)，就需通過(guò)進(jìn)一步分析，預(yù)測(cè)是否形成積水區(qū)，主要通過(guò)對(duì)區(qū)域的地表水水量平衡進(jìn)行分析。

△E=I-Q

式中：△E為某時(shí)段內(nèi)的水量平衡差，I、Q分別為某時(shí)段內(nèi)的地表水補(bǔ)給量和排泄量。

在不考慮人為因素的情況下，沉陷區(qū)地表水補(bǔ)給量主要是大氣降水、河川徑流和地下水補(bǔ)給，排泄量主要是河流排放、蒸發(fā)量、地表水滲漏。水量補(bǔ)給量和排泄量需根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)資料進(jìn)行分析確定，水量平衡關(guān)系如圖1所示。

圖1　水量平衡關(guān)系圖

2.1補(bǔ)給項(xiàng)對(duì)沉陷區(qū)積水的影響

2.1.1大氣降水

當(dāng)雨水降落地表后，一部分下滲轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵滤徊糠中纬傻孛鎻搅鳎罱K都流向流域的最低處。但也不是所有的降水都會(huì)形成地表徑流，徑流的產(chǎn)生與暴雨強(qiáng)度、下墊面情況密切相關(guān)，根據(jù)徑流產(chǎn)生情況，可以分為“超滲產(chǎn)流”和“蓄滿(mǎn)產(chǎn)流”[8]。

若降水會(huì)形成地面徑流，則地面徑流會(huì)逐漸在流域的最低處匯集，并在地表形成積水區(qū)；若降水不會(huì)形成地面徑流，降水轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵滤瑒t需要分析其他補(bǔ)給項(xiàng)后確定是否存在地表積水。

2.1.2河川徑流

河川徑流是沉陷區(qū)重要的補(bǔ)給項(xiàng)，尤其對(duì)于臨河煤礦或者礦田內(nèi)有河流穿過(guò)的煤礦，由于開(kāi)采沉陷造成地表變化，改變河流走向，河川徑流在沉陷區(qū)的最低處蓄積并形成水面。

當(dāng)有河川徑流匯入沉陷區(qū)時(shí)，則地表會(huì)形成積水區(qū)，反之，若無(wú)河川徑流匯入沉陷區(qū)，則需分析其他補(bǔ)給項(xiàng)確定是否存在地表積水。

2.1.3地下水補(bǔ)給

一般地，當(dāng)潛水水位較高，使得潛水水位高于沉陷后地面標(biāo)高，則潛水會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榈乇硭乇硇纬煞e水區(qū)；反之，若流域內(nèi)潛水水位較低，不超過(guò)沉陷后地面標(biāo)高，無(wú)地下水轉(zhuǎn)變?yōu)榈乇硭瑒t需分析其他補(bǔ)給項(xiàng)確定是否存在地表積水。

2.2排泄項(xiàng)對(duì)沉陷區(qū)積水的影響

2.2.1河流排放

一般而言，河流排放只有在積水區(qū)水面達(dá)到沉陷區(qū)邊界最低點(diǎn)高程時(shí)才會(huì)形成，其僅能控制積水面積不會(huì)超過(guò)河流水面水位高程一致的等高線(xiàn)合圍的區(qū)域，其猶如木桶的“短板效應(yīng)”一樣。這也進(jìn)一步說(shuō)明，沉陷區(qū)形成凹地是積水的前提條件。

2.2.2蒸發(fā)量

蒸發(fā)量與當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、積水區(qū)水面密切相關(guān)，屬于一個(gè)變化量，只有當(dāng)形成積水水面時(shí)，蒸發(fā)量才納入水量平衡中考慮，并隨著水面大小的變化而變化。

2.2.3地表水滲漏

地表水是否產(chǎn)生滲漏與潛水水位、地表水水位相關(guān)，當(dāng)?shù)乇硭桓哂跐撍粫r(shí)，表現(xiàn)為地表水向地下水補(bǔ)給，產(chǎn)生滲漏；當(dāng)?shù)乇硭坏陀跐撍粫r(shí)，表現(xiàn)為地下水向地表水補(bǔ)給，不會(huì)地表水產(chǎn)生滲漏；當(dāng)兩者水位一致時(shí)，則地表水與地下水不形成轉(zhuǎn)換，也不產(chǎn)生地表水滲漏。

2.3積水區(qū)面積確定

通過(guò)分析確定的沉陷區(qū)地表水補(bǔ)給量和排泄量，由水量平衡公式計(jì)算出某時(shí)段沉陷區(qū)地表水的水量平衡差后。積水區(qū)面積可通過(guò)繪制沉陷區(qū)“庫(kù)容-面積-高程曲線(xiàn)”的方式求得，某時(shí)段內(nèi)的積水區(qū)庫(kù)容與地表水的水量平衡差一致。

2.4水量平衡分析結(jié)論

在水量平衡中，地表水的補(bǔ)充量是沉陷區(qū)是否積水的關(guān)鍵因素，當(dāng)沉陷區(qū)地表水有補(bǔ)給量時(shí)，才會(huì)有積水區(qū)形成。地表水排泄量對(duì)積水區(qū)的影響主要是控制積水區(qū)存在的時(shí)段，當(dāng)沉陷區(qū)有積水形成時(shí)，若某時(shí)段分析的排泄量小于補(bǔ)給量，則形成永久性積水區(qū)，且積水區(qū)會(huì)逐漸擴(kuò)大，并在某一時(shí)段達(dá)到水量平衡，即排泄量等于補(bǔ)給量；若分析的排泄量大于補(bǔ)給量，形成的積水區(qū)會(huì)逐漸變小，甚至干枯露出地表，并在某一時(shí)段達(dá)到水量平衡，如新疆部分地區(qū)，由于地下潛水水位較低，某次降雨徑流或溶雪性洪水，在凹地內(nèi)形成積水區(qū)，并在之后的一段時(shí)間內(nèi)由于積水蒸發(fā)、下滲，在地表形成“白板地”。從水量平衡的角度而言，排泄量總體上與補(bǔ)給量是平衡的。

3　結(jié)語(yǔ)

綜上所述，沉陷區(qū)地表積水受沉陷后地形、地表水補(bǔ)給量共同影響，當(dāng)沉陷后地表存在凹地且地表水存在補(bǔ)給量，則會(huì)形成積水區(qū)，反之，若不具備以上兩個(gè)條件，則不會(huì)形成積水區(qū)。在分析沉陷后地表是否積水時(shí)，可先通過(guò)分析沉陷后地形情況，再分析沉陷區(qū)地表水補(bǔ)給量的方式進(jìn)行判斷。

從水量平衡的角度分析，沉陷區(qū)有積水形成時(shí)，在一個(gè)水文周期內(nèi)，當(dāng)沉陷區(qū)的補(bǔ)給量大于或等于排泄量，則積水區(qū)永久性積水區(qū)；反之，若沉陷區(qū)的補(bǔ)給量小于排泄量，則積水區(qū)為臨時(shí)性積水區(qū)。

需要說(shuō)明的是，由于煤礦建設(shè)前期獲得的水文地質(zhì)資料是煤礦開(kāi)采沉陷前的數(shù)據(jù)，在進(jìn)行地下水水位分析時(shí)，應(yīng)該充分考慮沉陷導(dǎo)致地下水水位的變化和導(dǎo)水裂隙帶高度對(duì)潛水水位的影響。

[1]李建新,王來(lái)貴.地下開(kāi)礦引起地表積水機(jī)理初探.中國(guó)科技論文在線(xiàn).http://www.paper.edu.cn.

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[3]渠俊峰,李鋼,張紹良.高潛水水位采煤沉陷區(qū)復(fù)墾與濕地生態(tài)保護(hù).中國(guó)水土保持[J].2014（1）：37-39.

[4]陸垂裕,陸春輝,李慧,等.淮南采煤沉陷區(qū)積水過(guò)程地下水作用機(jī)制.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)[J].2015（5）31（10）:122-130.

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[8]劉俊民,余新曉.水文與水資源學(xué)[M].北京:中國(guó)林業(yè)出版社, 1999.

譚洪偉（1981—），男，本科，工程師，主要從事水土保持方案編制及生態(tài)恢復(fù)治理工作。