煤礦開采對區域水環境影響分析

陳 靜,高建輝

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

0 前言

近年隨著陜西省大量煤礦開采工作的展開，對區域水環境造成了一系列的影響，因此對煤礦開采后，導水裂隙帶是存在著高度發育至第四系潛水貫通隔水層至地表，造成突水事故的危害；地下煤層被開采后是否引起地表變形，對煤層上覆巖層及含水層造成影響；是否會對地表河川徑流、潛層地下水以及井田內居民用水等產生的影響進行分析至關重要[1]。

本文以陜北煤田榆神礦區神樹畔井田開采為例，預測井田開采后導水裂隙帶發育高度，分析對河川徑流、地下水，區域水生態和水源地陸域補給區等的影響，為井田突水防治、根據井田水環境破壞影響制定井田保護措施提供理論基礎和數據支持，為推進煤礦開采對區域水環境影響的理論探索和經驗應用拋磚引玉。

神樹畔井田地處陜北煤田榆神礦區一期規劃區的南部，地處榆林城區東北方向直距32 km處，隸屬榆林市榆陽區麻黃梁鎮管轄。井田地處毛烏素沙漠與陜北黃土高原接壤地帶，井田東部多被沙漠覆蓋，分布沙丘、沙梁，其余為第四系黃土覆蓋，呈現溝壑縱橫的黃土梁峁地貌景觀。井田可采煤層位于井田侏羅系中統延安組，自上而下依次為3、6、9號煤層，主采煤層為3號煤層，厚度10.52～11.75 m，平均11.16 m，埋深170.15～292.73 m。3煤層具有具有埋藏淺、厚度大，全區可采的特點，本次主要分析3號煤層的開采對對區域水環境的影響。

1 導水裂隙帶發育高度預測

3號煤層采用綜采放頂煤法，割煤3.5 m，頂煤放落7.0～8.2 m，采放比約2.2，合計采煤高度10.5~11.7 m。根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》經驗公式[2]，結合目前綜采導水裂隙帶發育高度預測新的理論研究和經驗應用，計算得3號煤層導水裂隙帶高度為115.2~127.5 m，最大發育高度127.5 m。

3號煤層位于延安組第三段，煤層與第四系之間的平均距離176 m，煤層上覆延安組第四段（厚度為21.17~79.55 m）和中統直羅組（厚度為1.34~28.73 m），導水裂隙127.5 m，將穿透延安組第四段和中統直羅組，發育到上新統靜樂組紅土隔水層下部，靜樂組厚度67.07～154.67 m，為棕紅色粘土及粉砂質粘土，夾多層鈣質結核層及鈣板，較致密，為第四系潛水與基巖風化裂隙帶潛水間良好的隔水層，且靜樂組至煤層之間的基巖中還連續分布有厚度為10～40 m的泥巖、對裂隙帶發育有很好的阻隔閉合作用。故3號煤的開采后導水裂隙貫通隔水層的幾率較小，不會導通具有供水意義的第四系潛水含水至地表。可采煤層地質柱狀圖見圖1。

圖1 可采煤層地質柱狀圖

2 煤礦開采對區域的影響分析

2.1 對河川徑流的影響

神樹畔井田內水系不發育，處于禿尾河支流的紅柳溝支溝賀家溝源頭，井田內地表水體為賀家溝及其支溝，支溝上分布部分小型水庫及坑塘（或淤地壩），小型水庫多數已淤滿停用，坑塘建設時間早，穩固性差。煤礦開采后引起的地表下沉，尤其是工作面周圍的裂縫，對賀家溝及坑塘將不可避免地產生影響。根據神樹畔井田開采計劃，賀家溝及后峁水庫下資源開采約在20年之后，此時水庫基本已淤滿。雖然導水裂隙不會導通隔水層而到達地表，但生產中還是應加強觀測，必要時采用減小局部開采高度等保護性開采措施，減小對地表水體的影響，同時也能防止地表水泄露給礦井生產造成安全隱患。

2.2 對地下水的影響

神樹畔井田地下水分為第四系潛水和碎屑巖類裂隙承壓水，第四系潛水具有供水意義。井田含煤地層為侏羅系中統延安組，一般煤層開采后按照垮落先后及巖石破壞程度從下到上一次形成垮落帶、裂隙帶及緩慢下沉帶。處于緩慢下沉帶的巖層僅產生變形，不造成上部水體的泄露，而對含水層的影響主要是由裂隙帶產生[3]。因此，本次重點分析導水裂隙帶發育對第四系潛水含水層結構、水位、水質及地下水流失量的影響進行預測分析。

2.2.1 對地下水含水層結構的影響分析

井田各巖層受開采影響情況見表1，由表可知，3號煤層的開采對延安組第四段的碎屑巖類裂隙空隙潛水及承壓水含水層和中統直羅組結構破壞，其內地下水涌入井下。延安組第四段以上的靜樂組、第四系中更新統離石組和全新統僅是隨其下部的沉陷而緩慢下沉，其巖層結構不受破壞性影響，即第四系潛水的含水層結構不受破壞性影響。

表1 煤系地層及各含水層受主采煤層開采影響的綜合預測情況

2.2.2 對地下水位的影響

隨著井下的開采，煤層上覆巖層不斷發生垮落，形成垮落帶和導水裂隙帶，并在地表產生裂隙和沉陷區，因此，造成地下含水層結構和地下水徑流、排泄條件發生變化，上覆巖層內的含水層由水平徑流排泄為主將轉化為以垂直滲漏為主，形成一定范圍和程度的下降漏斗，地下水水位因此發生變化。

3號煤層埋藏較淺，直接充水含水層富水性弱，煤層直接頂板巖性為泥巖、粉砂質泥巖，基本頂板巖性為延安組第四段細粒長石砂巖（真武洞砂巖），含水量貧乏，富水性弱，其上覆又有全區分布的厚67.07～154.67 m的靜樂組紅土隔水層存在，起到了隔離上覆第四系潛水的作用。井田開采后，導水裂隙帶會影響到侏羅系中統直羅組、延安組第四段的巖層，其地下水沿導水裂隙帶泄漏于井下，并以井下排水的方式排往地面，該巖層內的地下水位會下降，形成比開采范圍大得多的漏斗區、水位最大可降到3號煤層底板[4]。第四系潛水含水層位于上新統靜樂組之上，垮落帶和導水裂隙帶受中統直羅組和靜樂組粘土層阻隔，故含水層的補給和排泄條件不受影響。

2.2.3 對地下水水質的影響

第四系潛水的水質類型為：HCO3－Ca·Mg·Na型水為主，次為 HCO3－Ca·Mg 及 HCO3－Ca·Na 型水，礦化度均小于 500 mg/L，水位埋深靠近溝底區較淺，一般7～12 m，靠近黃土梁峁區較深，一般30～50 m。由于溝底大多出露紅土隔水層，故黃土含水層多以上層滯水存在。通過上述分析知，井田開采對該含水層幾乎不產生影響，因此對該含水層的水質也不產生影響。

中生界碎屑巖類裂隙孔隙潛水及承壓水的水質類型為：HCO3Cl-Na·Mg·Ca 型 、HCO3·Cl－Na·Ca，礦化度 232.34～286.00 mg/L。通過上述分析知，本井田地下開采對該含水層的水位和水量雖產生較大的影響，但不直接影響該含水層的水質。

2.2.4 影響地下水半徑和流失量計算

根據《城市地下水工程與管理手冊》穩定流抽水試驗計算水文地質參數中的經驗公式來估算其影響半徑：

式中：R為影響半徑，m；Sw為水位下降值，m；K為滲透系數，m/d。

計算結果：延安組含水層R為23.4～170.5 m，即沿開采邊界外延23.4～170.5 m。碎屑巖類裂隙承壓水含水層R為40.6～98.3 m，即沿開采邊界外延40.6～98.3 m。

由于采煤引起的礦井涌水即為地下水流失量，根據礦井現有涌水量及地質條件分析結果，神樹畔井田井涌水量1560 m3/d，全年按330 d工作日計，礦坑全年涌水量51.48萬m3。

礦井充水主要為延安組第三段裂隙承含水層及上部基巖風化帶裂隙潛水含水層水，這部分水本屬清潔水，僅在流經煤層時帶入煤粉、巖粉、以及生產機械滴漏的石油類，屬含懸浮物礦井水，經相關措施處理后可以作為地面、井下的生產補充水。

2.3 地表沉陷對區域水生態影響

煤礦開采后會引起地表沉陷和地裂縫，進而對區域水生態造成影響。

3號煤層開采后地表沉陷6.52～7.28 m，平均6.93 mm，全井田開采后地表沉陷最大值10.4 m，沉陷影響范圍在井田邊界外側101.77～309.3 m范圍內。由此可知，井田的開采會對原地形標高和地表形態產生一定影響，但考慮到沉陷的整體性和區域地形本身相對高差較大，10.34 m的地表沉陷的最終影響不會改變區域總體地貌類型。

井田煤層開采后，地表沉陷往往使地面形成大小不等的地表裂縫，產生的地表沉陷和地裂縫會使地表潛水沿裂縫下滲，同時地表會出現更多的土沙移動，加速水土流失和土壤沙化，使土質疏松，涵水能力下降，不利于高大喬木和低矮草灌等植被生長，進而對區域水生態環境造成影響[5]。根據調查，井田內的主要土地類型為灌木林地，其次為草地，耕地主要為水澆地，地表沉陷對林木的影響為林木歪斜、傾倒，致使沉陷盆地邊緣農作物減產40%。同時項目建設時場地平整、道路建設、井田開采和輔助系統建設等工程，需進行植被清除、地表開挖和地面建設，造成直接施工區域內地表植被的完全破壞。施工運輸、施工機械、人員踐踏、臨時占地等也將會使施工區及周圍植被受到不同程度的影響。

井田主要為風沙灘地和覆沙黃土丘陵，生態環境脆弱，水土流失較嚴重，加之井田地表植被破壞，地下開采隨之產生的地表沉陷，均會對區域水生態環境造成影響。參考國內相關井田煤層開采后地表恢復經驗，開采過后由于受地表土層吸收、緩沖作用，地表裂縫等會重新變窄或閉合并逐步趨于穩定，結合人工及時填平，做好沉陷區整治及復墾工作，加大工業場地、進場道路等的植被綠化，會對區域水生態環境的影響程度有所降低[6]。

2.4 對水源地陸域補給區的影響

神樹畔井田范圍內的地形、地貌屬于風沙灘地區，屬于禿尾河流域，井田全區四周較高中間低洼，西北～東南北長約3.6 km，西南～東北寬約4.4 km，面積約15.77 km2，占禿尾河流域陸域總補給區的0.47%，因此本井田的建設對水源地補給影響較小。

3 結論與建議

（1）神樹畔井田主采煤層3號煤層導水裂隙帶高度115.2~127.5 m，平均121.8 m，最大發育高度127.5 m，煤層頂部與第四系底部之間的平均距離約176 m，未至第四系潛水層。同時第四系潛水之間存在著厚度67.07～154.67 m的較為致密的靜樂組紅土隔水層，故3號煤的開采后導水裂隙貫通隔水層的幾率較小，不會導通具有供水意義的第四系潛水含水至地表。

（2）3號煤層開采后會破壞其上覆層延安組第四段的碎屑巖類裂隙空隙潛水及承壓水含水層和中統直羅組的結構，其內的地下水涌入井下，經相關措施處理后可以作為地面、井下的生產補充水，延安組第四段巖層僅是隨其下部的沉陷而緩慢下沉，結構不受破壞性影響，即第四系潛水含水層的結構不受破壞性影響，即水位、水質和補給排泄條件均影響輕微。

（3）3號煤層開采后全井田地表沉陷最大值10.34 m，但區域地形的相對高差較大，10.34 m的地表沉陷的最終影響不會改變區域總體地貌類型。但地表沉陷往往使地面形成大小不等的地表裂縫，產生的地表沉陷和地裂縫會使地表潛水沿裂縫下滲，同時地表會出現更多的土沙移動，加速水土流失和土壤沙化，使土質疏松，涵水能力下降，不利于高大喬木和低矮草灌等植被生長，進而對區域水生態環境造成影響。建議建設單位及時人工填平，做好沉陷區整治及復墾工作，加大工業場地、進場道路等的植被綠化，降低對區域水生態環境的影響程度。

[1]于雙忠,彭向峰,李文平等.煤礦工程地質學[M].北京:煤炭工業出版社,1994.

[2]國家煤炭工業局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[S].北京:煤炭工業出版社,2000.

[3]康永華,黃福昌,席京德.綜采重復開采的覆巖破壞規律[J].煤炭科學技術,2001,29(1):22－24.

[4]王旭鋒,張東升,馬立強,等.河下采煤覆巖采動裂隙分布特征的數值分析[J].礦業研究與開發,2008,28(5):61-63.

[5]施龍青,于小鴿,魏久傳等.華豐井田4煤層頂板礫巖水突出影響因素分析[J].中國礦業大學學報,2010,39(1):26-31.

[6]夏筱紅,隋旺華,楊偉峰.多煤層開采覆巖破斷過程的模型試驗與數值模擬[J].工程地質學報,2008,16(4):528-532.