神頭泉域煤炭開(kāi)采對(duì)地下水環(huán)境的影響及保護(hù)措施

安廣楠，張 偉，李 敏，李 佳，王臨清，康 浩

(1.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境工程評(píng)估中心，北京 100012；2.中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司，北京 100120)

1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

北辛窯井田位于朔州平原西南部，為神頭巖溶泉域水文地質(zhì)單元的徑流區(qū)的一部分。井田內(nèi)褶曲、斷層比較發(fā)育，有26條正斷層，井田地層總體走向北東，傾向南東或北西。主要含水層自下而上可分為：奧陶系中統(tǒng)上下馬家溝組灰?guī)r巖溶裂隙含水層，太原組砂巖裂隙含水層，山西組砂巖裂隙含水層，上、下石盒子組及石千峰組底部砂巖裂隙含水層，松散層孔隙含水層[1]。按水動(dòng)力特征差異、沉積物成因類型差異、巖性、富水性差異等，將區(qū)內(nèi)地下水進(jìn)行劃分見(jiàn)表1。北辛窯井田補(bǔ)給、徑流、排泄區(qū)示意見(jiàn)圖1。

2 煤炭開(kāi)采對(duì)各個(gè)含水層的影響

2.1 煤炭開(kāi)采對(duì)上覆含水層及煤系含水層的影響分析

井下煤炭采出后，采空區(qū)周?chē)膸r層發(fā)生位移、變形乃至破壞，上覆巖層根據(jù)變形和破壞的程度不同分為冒落、裂縫和彎曲三帶，其中裂縫帶又分為連通和非連通兩部分，通常將冒落帶和裂隙帶的連通部分稱為導(dǎo)水裂縫帶。井下開(kāi)采對(duì)上覆含水層的影響程度主要取決于覆巖破壞形成的導(dǎo)水裂縫帶高度是否波及水體[2-4]。麻家梁煤礦臨近北辛窯煤礦，與北辛窯不同，其處于正在開(kāi)采狀態(tài)，本次研究在分析2011年11月至2012年12月麻家梁煤礦首采面進(jìn)行的“麻家梁煤礦首采面巨厚富水松散含水層下破碎頂板特厚煤層綜放開(kāi)采防治水技術(shù)研究”研究成果基礎(chǔ)上，根據(jù)“上三帶”理論對(duì)上覆巖層變形破壞垂直分帶特征進(jìn)行分析，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論計(jì)算和水質(zhì)分析法等多種方法進(jìn)行導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度計(jì)算，得出北辛窯煤礦開(kāi)采后，導(dǎo)水裂隙帶計(jì)算值為28.82～312.40 m，平均為127.24 m，距第四系底板距離0～252.2 m。根據(jù)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度計(jì)算結(jié)果，第四系松散巖類孔隙潛水含水層、二疊系石千峰組底部砂巖裂隙含水層、二疊系上石盒子組砂巖裂隙含水層在井田西部區(qū)域有導(dǎo)通，導(dǎo)通范圍為2.64 km2。導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度導(dǎo)通了二疊系下石盒子組砂巖裂隙含水層、山西組砂巖裂隙含水層和太原組裂隙含水層。該含水巖段(組)為煤層開(kāi)采的直接充水含水巖段(組)，地下水通過(guò)導(dǎo)水裂縫帶進(jìn)入礦井，以礦井水的形式排出。

2.2 煤炭開(kāi)采對(duì)下伏含水層的影響分析

煤層下伏奧陶系巖溶裂隙含水層，亦是神頭泉域賦存的含水層，為該區(qū)域主要具有供水意義的含水層，是重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象。奧陶系巖溶裂隙含水層水位標(biāo)高為1 056.56～1 077.13 m，單位涌水量0.1645～1.0614 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.2930～4.7000 m/d，奧灰水水位部分在煤層之上，井田局部帶壓開(kāi)采。主要煤層帶壓系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

表3 6號(hào)煤層突水系數(shù)計(jì)算結(jié)果

井田可采煤層2號(hào)煤層除斷層外不具有突水危險(xiǎn)性，5號(hào)煤、6號(hào)煤開(kāi)采時(shí)奧灰水突水系數(shù)分別為0～0.103 MPa/m、0～0.161MPa/m，部分地段突水系數(shù)大于正常臨界系數(shù)0.06 MPa/m，所以5號(hào)煤、6號(hào)煤層底板存在奧灰突水可能。圖2、圖3為5號(hào)、6號(hào)煤突水危險(xiǎn)評(píng)價(jià)分區(qū)。

圖2 5號(hào)煤突水危險(xiǎn)評(píng)價(jià)分區(qū)

圖3 6號(hào)煤突水危險(xiǎn)評(píng)價(jià)分區(qū)

3 地下水保護(hù)措施

由于北辛窯井田處在神頭泉域巖溶水系統(tǒng)西南側(cè)，致使煤層開(kāi)采形成了巖溶承壓水體上的帶壓開(kāi)采，全井田煤層大部分處于奧灰?guī)r溶水壓之下，因此為了在采煤的同時(shí)保護(hù)地下水資源，降低對(duì)地下水環(huán)境造成的影響，根據(jù)研究區(qū)的地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，以及煤層帶壓情況，有針對(duì)性地提出保護(hù)措施。

3.1 安全區(qū)地下水保護(hù)措施

井田中部不帶壓區(qū)為安全區(qū)，針對(duì)安全區(qū)可采取常規(guī)的防治水措施，采掘施工前必須做好水害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作，堅(jiān)持“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、有疑必探，先探后掘、先治后采”的原則，做好水害排查制度，加強(qiáng)日常管理工作[5，6]。

3.2 相對(duì)安全區(qū)地下水保護(hù)措施

根據(jù)突水系數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果，當(dāng)突水系數(shù)在0～0.06 MPa/m，即突水系數(shù)小于0.06 MPa/m時(shí)為相對(duì)安全區(qū)。針對(duì)此區(qū)域，要詳細(xì)查明奧灰水巖溶裂隙空間發(fā)育特征、富水性空間特征、奧陶系灰?guī)r頂部風(fēng)化層空間發(fā)育特征和阻水性并進(jìn)行評(píng)價(jià)；詳細(xì)查明斷層、褶曲等構(gòu)造裂隙發(fā)育特征、導(dǎo)水性，及其承壓水導(dǎo)升高度；注意超前探，探測(cè)是否發(fā)育未發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)水?dāng)鄬覽7-9]。

3.3 危險(xiǎn)區(qū)地下水保護(hù)措施

根據(jù)突水系數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果，南部、東北部和斷層帶突水系數(shù)大于0.06 MPa/m，為危險(xiǎn)區(qū)；突水系數(shù)小于0.06 MPa/m的構(gòu)造發(fā)育地帶同樣為危險(xiǎn)區(qū)。針對(duì)這兩個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域，提出針對(duì)性的措施[10-14]。

(1)構(gòu)造發(fā)育地段危險(xiǎn)區(qū)。斷層導(dǎo)水性探查：采用綜合物探方法確定斷層富水性異常區(qū)，對(duì)斷層富水性異常區(qū)采用注漿方法進(jìn)行封堵；斷層防隔水煤柱留設(shè)：若確定其斷層為含水或?qū)當(dāng)鄬訒r(shí)，留設(shè)斷層防隔水煤柱，經(jīng)計(jì)算，防隔水煤巖柱寬度為20～117.73 m。

(2)突水系數(shù)大于0.06 MPa/m的危險(xiǎn)區(qū)。一是采取工程措施，例如采取底板隔水層探測(cè)：綜合物探探測(cè)底板斷層破碎帶的位置和分布，底板斷層帶及探測(cè)隔水層較薄地帶加固注漿的措施，保障奧灰水不進(jìn)入礦井；底板隔水層注漿加固：通過(guò)對(duì)奧灰之上的薄層灰?guī)r含水層注漿，改造其富水性，加固底板，封堵水源補(bǔ)給通道，提高其阻水能力，形成一定厚度的有效隔水層。二是將大于0.06 MPa/m的危險(xiǎn)區(qū)實(shí)施禁采，保護(hù)奧灰含水層。

4 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合上述研究?jī)?nèi)容，工程開(kāi)采期間，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)，開(kāi)展水文地質(zhì)詳細(xì)勘查工作，做好奧灰含水層突水涌水預(yù)測(cè)專題研究。為更好地保護(hù)奧灰含水層，在突水系數(shù)大于0.06 MPa/m的區(qū)域，實(shí)施禁采；在突水系數(shù)不大于0.06 MPa/m的區(qū)域內(nèi)斷層，應(yīng)留設(shè)足夠保護(hù)煤柱，禁止對(duì)奧灰水采用疏水降壓的方法進(jìn)行采煤，切實(shí)保護(hù)神頭泉域巖溶水資源。