榆神礦區煤炭開采對水資源影響分區評價

康 華， 林平選，2

(1. 陜西省水工環地質調查中心， 陜西 西安 710068； 2.礦山地質災害成災機理與防控重點實驗室， 陜西 西安 710054)

1 研究背景

榆神礦區是國家重點建設的14個大型煤炭基地中100余個礦區之一，礦區面積約5 265 km2，已探明煤炭資源儲量733.45×108t，在國家能源戰略中占據重要地位。然而其地處毛烏素沙漠與黃土高原接壤地帶，生態環境脆弱，地下水是水資源的重要組成部分，對經濟發展和生態環境有著重要影響。煤炭開采會改變上覆含水層結構，影響地下水的補、徑、排條件[1-3]。采煤后，地下水的自然流場將發生改變，水流由開采前的橫向運動向垂向運動過渡，礦坑排水導致地下水位下降[4-6]。王蘇健等[7-8]負責開展實施的《陜北神南礦區煤炭開采對水資源影響評價》、《神南水文地質專項研究》項目研究了水資源受采動影響動態變化過程，建立了多重介質地下水探查與預測評價方法；王雙明等[9]主持的《榆神礦區三期規劃區煤炭開采對水資源影響評價》項目，通過數值模擬預測了礦井涌水量；張茂省等[10]在《干旱半干旱地區水資源及其環境問題》專著中，闡述了陜北能源化工基地水資源形成條件和特征，分析了采煤對地下水的響應與對策。上述針對本礦區煤炭開采對水資源影響的研究，缺乏系統性水文地質資料支撐，未對影響程度進行具體的分級分區，結論不易推廣應用。

西安地質調查中心[11]完成的《陜北能源化工基地地下水勘查研究》項目，雖將采煤對地下水資源影響程度進行了分級，但分級理論依據不完善，科學合理評價煤炭開采對水資源影響對于榆神礦區后續煤炭資源規劃、開發及水資源與生態環境保護具有重要指導意義。

2 礦區水文地質概況

榆神礦區地勢總體西北高東南低，西北部為沙漠灘地地貌，東南部為黃土丘陵梁峁地貌，分別占礦區總面積的81.74%、15.88%。侏羅系中統延安組為榆神礦區含煤地層，厚度在0～329.69 m之間，總體東薄西厚、北薄南厚，本組煤有20多層，可采煤層1～12層，中上部含煤較好，厚度大，中下部含煤層較薄。

依據區域地下水含水介質、賦存條件及分布規律，含水層主要分為新生界松散巖類含水層、中生界基巖含水層以及燒變巖含水層。新生界松散巖類含水層主要包括：風積沙層和薩拉烏蘇組潛水含水層以及溝谷沖積層含水層。薩拉烏蘇組與上覆風積沙總厚度0～172.10 m，對84個鉆孔抽水試驗成果統計分析可見，含水層厚度即砂層厚度是其富水性強弱的主要因素(表1)。

基巖類含水層包括洛河組、安定組、直羅組和延安組，洛河組含水層僅分布于研究區西部。風積沙層、薩拉烏蘇組潛水含水層和白堊系洛河組含水層與生態環境關系密切，富水性較好，具有集中供水意義，是區內煤炭開采過程中需要保護的含水層，也是本次影響評價的目標含水層。地下水的補給以大氣降水、側向徑流、灌溉回歸為主。

表1 鉆孔抽水試驗成果統計表

3 分區方法及標準

根據研究區煤層賦存情況和導水裂縫帶發育規律，煤炭開采對水資源的影響可分為直接影響和間接影響。在導水裂縫帶揭穿目標含水層的區域為直接影響區，含水層地下水將通過導水裂縫帶涌入礦井，涌水量的大小取決于含水層的厚度，厚度越大，涌水量將越大。在導水裂縫帶未揭穿目標含水層的區域為間接影響區，由于煤炭開采改變了地下水動力條件，地下水主要以越流的形式滲入礦井。根據滲流基本原理，目標含水層通過保護層越流進入礦井的水量可用下式表示：

(1)

式中：W為目標含水層通過保護層越流進入礦井的水量，m3/d；ΔH為滲透水壓力差，m；M為保護層厚度，m；K為保護層滲透系數，m/d；F為滲透面積，m2；T為滲透時間，d。

根據水文地質資料，侏羅系承壓水水頭和目標含水層水位(或水頭)在天然條件下相差不大，煤炭開采后，侏羅系承壓水水頭最大降至目標含水層底板，因此，滲透水壓力差可用潛水含水層的厚度表示。同時，在區域上保護層的巖性組成差異不大，其滲透系數變化不大。因此，單位時間單位面積越流進入礦井的水量取決于滲透水壓力差與保護層厚度的比值，這個比值即為影響系數，影響系數越大，則越流量越大。公式如下：

(2)

式中：P為影響系數；ΔH為滲透水壓力差，m；M為保護層厚度，m；MJ為煤層上覆基巖厚度，m；h為導水裂隙帶高度，m；Mm為首采煤層厚度，m，當Mm>8 m時，按8 m計算。

若M<0，即P<0，表明導水裂縫帶揭穿目標含水層；M>0，即P>0，表明導水裂縫帶未揭穿目標含水層，具體分區標準如表2所示。

表2 分區標準

注：H代表含水層厚度。

4 分區結果及分析

通過對區內528個鉆孔保護層厚度與含水層厚度的統計分析，進一步計算得到影響系數，結合水文地質條件、煤層埋藏特征及導水裂縫帶發育規律，將榆神礦區煤炭開采對水資源影響程度劃分為無水采煤區、間接影響區、直接影響區3大類，并進一步劃分成數個亞區(表2，圖1)。

直接影響區：呈近南北向條帶狀分布于升富煤礦、錦界煤礦、隆德煤礦、大保當井田、西灣井田、方家畔煤礦、榆樹灣煤礦、杭來灣煤礦、薛廟灘煤礦及沙炭灣煤礦。由于煤炭開采后，導水裂隙帶揭穿目標含水層，各含水層互相貫通，上覆含水層地下水直接滲入礦坑，煤礦排水將引起采區內水位下降，附近村莊人畜飲水受到影響。在據杭來灣煤礦30102工作面1.2 km處的水位監測數據顯示，從2015年12月至2017年4月，地下水位下降幅度約2 m。

直接影響區總面積761 km2，占研究區總面積的14.45%，煤炭開采對水資源影響明顯。根據含水層厚度，可劃分出9處直接影響大區，面積55 km2，占研究區總面積的1.04%，該區域砂層厚度大于40 m，意味著可能會產生較大的礦井涌水量。

間接影響區：主要分布于三、四期規劃區，面積3 668 km2，占研究區總面積的69.67%。煤炭開采后，目標含水層隔水底板有效厚度變小，滲透水壓力差變大，對目標含水層的影響主要是以越流形式補給礦井水。根據影響系數，可分為間接影響較小、中等和較大3個亞區。

間接影響較大區影響系數大于1.0，在直接影響區周邊呈斑塊狀分布于錦界煤礦、隆德煤礦、金雞灘煤礦及惠寶煤礦。本區錦界煤礦砂層厚度18.4～38.49 m，保護層厚度4.79～11.05 m，影響系數1.66～8.04；金雞灘煤礦砂層厚度18.02～54.21 m，保護層厚度5.08～26.82 m，影響系數1.00～9.29；隆德煤礦砂層厚度33.06～41.5 m，保護層厚度27.44～30.26 m，影響系數1.2～1.37。該區總面積127 km2，占研究區總面積的2.42%。

間接影響中等區影響系數為0.5～1.0，主要分布于爾林灘二號井田大部、孟家灣二、三號井田、爾林灘一號井田、爾林兔三、六號井田局部及隆德煤礦中部，其中，爾林灘一號、二號井田區砂層厚度普遍大于100 m，最高可達172 m，在全區范圍內都處于較大值，然而該區保護層厚度亦較厚，普遍大于200 m，最高可達235 m，使得煤炭開采對水資源造成的影響并非特別顯著?？傮w來看，間接影響中等區較間接影響較大區保護層厚度增厚，均在100 m以上，該區總面積423 km2，占研究區總面積的8.03%。

圖1 影響程度分區圖

間接影響較小區影響系數為0～0.5，砂層厚度相對較小，保護層厚度較大，煤炭開采對目標含水層影響較小，該區在研究區中、西部廣泛分布，面積3 118 km2，占總面積的59.22%。

無水采煤區：分布于研究區東部、北部黃土梁峁地帶，煤層上覆地層巖性以黃土、粉土、粉質黏土為主，據鉆孔抽水試驗資料，統降單位涌水量約0.02～0.05 L/(s·m)，滲透系數0.10～0.90 m/d，屬弱富水-貧水區，不具有集中供水意義，且水位埋深大于25 m，煤炭開采對水資源和生態影響輕微。該區總面積836 km2，占研究區總面積的15.88%。

綜上分區結果，直接影響區及間接影響較大區主要分布于升富煤礦、錦界煤礦、隆德煤礦、榆樹灣煤礦、杭來灣煤礦、大保當煤礦、金雞灘煤礦等，據收集資料，錦界煤礦位于青草界溝，具有有利的匯水條件，溝北砂層厚度最大可達70 m，保護層厚度小，約4.79～11.05 m，實測礦井涌水量95 952 m3/d；隆德煤礦、榆樹灣煤礦、杭來灣煤礦、金雞灘煤礦實測涌水量分別為24 000、 13 340、 12 672、12 493 m3/d。位于內蒙的母杜柴登井田、巴彥高勒井田及紅柳林煤礦與本次研究區的間接影響中等區毗連，其實測礦井涌水量分別為27 576、48 000、22 814 m3/d。涌水量較大的煤礦，也正是本次研究區的直接影響區、間接影響較大區及中等區范圍所在。由此可見，本次評價真實有效地反映了煤炭開采對水資源影響程度的大小、分區方法及標準正確可行。該方法對地質、水文地質條件相似區域具有借鑒意義。

5 結 論

(1)直接影響區呈近南北向條帶狀展布于升富煤礦至沙炭灣煤礦，面積761 km2，占總面積的14.45%；間接影響較大區在直接影響區周邊呈斑塊狀分布，面積127 km2，占總面積的2.42%，直接影響區及間接影響較大區涵蓋的煤礦主要有升富煤礦、錦界煤礦、隆德煤礦、榆樹灣煤礦、杭來灣煤礦、大保當煤礦、金雞灘煤礦等；間接影響中等區及較小區在三、四期規劃區廣泛分布，面積分別為423、3 118 km2，占總面積的8.03%、59.22%；無水采煤區分布于研究區東部、北部黃土梁峁地帶，面積836 km2，占總面積的15.88%。

(2)首次利用滲流基本原理，推導得出榆神礦區煤炭開采對水資源的影響系數計算公式，提出影響程度分區方法及標準，煤礦涌水實測數據表明該方法及標準正確可行，對水文地質條件相似區域具有借鑒意義。

6 煤炭開采區的水資源保護建議

(1)制定區域地下水資源保護-煤炭開采規劃。在區域性煤炭工業大規劃的框架下，合理布排煤炭開發格局、開采次序，適時調整開發規劃，選擇科學合理的開采方法，將地下水資源開發與煤炭資源開采相結合[12]。礦井排水應集中統一處理，作為工業供水和農業用水水源，減少地下水和地表水的開采利用量[13-14]。

(2)大力推廣保水采煤技術。根據煤層賦存特征、含水層特征和地表生態特征，大力推廣保水采煤技術，達到避免或減少采煤對含水層的影響[15]。

(3)建設應急后備水源。利用煤炭開采形成的采空區巖體空隙儲水，將安全煤柱用人工壩體連接形成水庫壩體，充分利用采空區矸石對礦井水的自然凈化作用，建設煤礦地下水庫[16-17]。