地下采礦引起地表積水機理初探

張洪順 高孟玉

地下采礦引起地表積水機理初探

張洪順 高孟玉

由于采礦引起的地表塌陷，容易在采空區(qū)上方的塌陷坑內(nèi)積水，使大量耕地受淹和鹽堿化，并有可能在一定程度上改變地表徑流方向和匯水條件，使礦區(qū)水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境發(fā)生改變和調(diào)整。通過分析地表塌陷坑積水的工程地質(zhì)因素、水文地質(zhì)因素、開采因素和塌陷坑積水的條件，提出了地表塌陷坑積水的必要條件，為礦區(qū)水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的改善及綜合治理、保證礦區(qū)煤炭生產(chǎn)的順利進行，提供理論基礎(chǔ)。

地表塌陷坑；導水裂隙帶；隔水層；大氣降水

在地下煤層開采后，采空區(qū)周圍巖層的應力平衡狀態(tài)遭到破壞，隨著煤層開采面積的擴大，采動影響便自下而上逐漸波及地表，引起地表下沉，在采空區(qū)上方地面形成一個比采空區(qū)范圍大的洼地，即地表下沉盆地，也叫塌陷坑。在有些礦區(qū)如兩淮、唐山、鐵法、雙鴨山、遼源等礦區(qū)，采礦破壞了地表、地下水系，形成了大面積低洼區(qū)，陸地被水淹沒，甚至形成了沼澤地，通過徑流，會破壞周圍的土地、水域，其影響面將遠遠超過沉陷區(qū)的地域和空間。隨著煤礦開采范圍的不斷擴大，塌陷、破壞的土地日益增多，使農(nóng)田荒蕪，嚴重破壞了礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，特別是地表為較厚的(大于5m)粘土或砂質(zhì)粘土層時，則可形成隔水層，通過大氣降水或其它淺層地下水的補給，就會在地表產(chǎn)生大面積積水，使大量耕地受淹和鹽堿化，尤其是長年積水的塌陷區(qū)內(nèi)，耕地可耕性的降低常常是永久性的，為了保護耕地和改善礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，對礦區(qū)地表塌陷坑積水機理的詳細分析，是減小塌陷區(qū)的范圍和對塌陷區(qū)綜合治理的前提條件。

1 地表積水的地質(zhì)因素

1.1工程地質(zhì)因素。

工程地質(zhì)因素主要包括煤層覆巖的巖性、力學強度、巖性組合以及巖體性質(zhì)：回采后煤層頂板的再生性；風化基巖的工程地質(zhì)性質(zhì)(主要是采動變形特征)。工程地質(zhì)條件差異使煤層回采后對頂板的采動影響不同，冒落帶及裂隙帶發(fā)育狀況有明顯差別，影響導水裂隙帶的高度和滲透效果。覆巖的巖性是控制導水裂隙帶發(fā)育的重要因素，一些脆性巖層，如較致密的砂巖、粉砂巖則冒落帶發(fā)育較高，且裂隙的導水性能好；粘塑性較強的泥巖，裂隙導水性差，易重新閉合；介于硬脆性與粘塑性間的巖層其冒落帶發(fā)育也介于兩者之間，一般巖層在風化后其泥質(zhì)含量多有增加，其粘塑性也隨之增加，特別是原巖泥質(zhì)含量較高的巖層，導水裂隙帶的發(fā)育受到限制，在煤層采動影響后，許多新生的裂隙也可能較快地閉合；但在一些泥質(zhì)成分較低的風化砂巖中，煤層采動影響下其導水性有顯著的增強。在工程地質(zhì)條件中，主要考慮地表巖土層的組合關(guān)系以及可能在導水裂隙帶范圍內(nèi)的那些巖層。

地表巖土層構(gòu)成隔水層一般有以下兩種形式：(1)地表或地表淺層粘塑性巖石，當應力超過彈性極限后，發(fā)生破裂，產(chǎn)生隱蔽裂隙和閉合裂隙，在地表水下滲過程中，泥巖體積將發(fā)生體積膨脹，使裂隙閉合，阻止地表水下滲。(2)地表或地表淺層主要由粘土和砂質(zhì)粘土組成，從力學性質(zhì)來看屬粘性土，阻隔地表水與地下含水層發(fā)生水力聯(lián)系。

1.2 水文地質(zhì)因素。

水文地質(zhì)因素指煤層露頭位置、層數(shù)、厚度、間距及傾角等因素以及地表淺層含水層的補給與排泄條件。當風化裂隙帶含水層、第四系松散含水層等淺層地下水的水頭壓力高于塌陷坑底部時，由于回采導致的塌陷坑就變?yōu)榕判箙^(qū)，使淺層地下水在重力作用下，沿著潛水面坡度最大的方向流動，這樣使淺層地下水由垂直下滲或地下徑流轉(zhuǎn)化為側(cè)向補給，潛水水位與塌陷坑底部的水位差越大，越有利于潛水向塌陷坑的側(cè)向補給，補給量取決于含水層的巖性、厚度、巖石成因類型、結(jié)構(gòu)、含水空間形態(tài)、導水性和富水性等。

雨水是地表積水的主要來源，其中一部分垂直下滲，一部分沿著地表塌陷坑表面從四周向盆地中央?yún)R流，大氣降水量愈大，地表塌陷坑積水愈多，對于傾盆暴雨，大部分降雨量通過地表徑流匯入塌陷坑，塌陷坑坡度愈大，降水愈容易形成地表徑流。

2 地表積水的開采因素

煤礦開采在上覆巖層中產(chǎn)生了破壞程度不同的三帶，即冒落帶、裂隙帶和彎曲帶。冒落帶把層狀結(jié)構(gòu)中的隔水層、含水層統(tǒng)統(tǒng)變?yōu)樯Ⅲw塊狀結(jié)構(gòu)的透水體，破壞巖層雜亂無章地堆積，越靠近煤層破壞越大，巖塊間空隙多而大，連通性強，能導水，也能導砂；裂隙帶把多層結(jié)構(gòu)的隔水層、含水層變?yōu)榻y(tǒng)一的層體塊狀結(jié)構(gòu)的透水層，原隔水層被破壞，產(chǎn)生一系列垂直于層面的斷開裂隙以及層與層之間的離層裂隙，這些斷開裂隙與離層裂隙縱橫交錯，一般只導水，不導砂透泥。冒落帶和裂隙帶合起來叫導水裂隙帶或冒裂帶，其巖層強度降低，阻隔水能力下降。采空區(qū)導水裂隙帶以上至地表為彎曲帶，彎曲帶巖層裂隙不發(fā)育，呈整體下沉，隔水層沒有破壞的層體結(jié)構(gòu)，在地表形成塌陷盆地，塌陷盆地的坡緣往往產(chǎn)生楔形張開裂隙，一般深度3～10 m，但與導水裂隙帶不連通。

開采因素主要包括煤層開采方法、開采深度、開采厚度、強度以及煤層頂板管理方法，這些因素直接影響到導水裂隙帶和彎曲帶。

2.1 采煤方法與頂板管理方法的影響。

采用全部冒落法開采，導水裂隙帶的高度較大。如采用全部充填法采煤，頂板巖層由于充填物的支撐，可以不產(chǎn)生或基本不產(chǎn)生冒落帶，導水裂隙帶的高度也比全部冒落法小得多。 采用條帶或房柱法開采，如果所留礦柱能夠支撐住上覆巖層，則頂板巖層可基本不產(chǎn)生破壞，相應導水裂隙帶高度也很小。

2.2 煤層開采厚度的影響。

導水裂隙帶的高度隨著煤層開采厚度的增加而增加。(1)當一次采全高時，裂高與采厚成線性關(guān)系，采高大則裂高大。(2)厚煤層分層開采時，與一次采全厚不同，不是線性關(guān)系，而是隨著累計采厚的增加，裂高與煤層累計采厚的平方根成正比，即：

(1)

式中：H —導水裂隙帶高度，m；

K —巖性系數(shù)；

M —累計采厚，m。

上述關(guān)系可以理解為第一層(或第一分層)采后，頂板冒落、斷裂和彎曲，在采下一層時，已破壞的上覆巖層在未達到充分冒落的情況下，覆巖急速下沉，使導水裂隙帶的發(fā)育受到了抑制。因此，導水裂隙帶的高度與累計采厚的比值并非是線性的，而是隨著分層數(shù)的增加逐漸減小。

2.3 采空區(qū)尺寸的影響。

當采空區(qū)尺寸小時，導水裂隙帶的高度也小，隨著采空區(qū)尺寸的增加，裂高也增加，直到裂高達到最大，這時地表并沒有達到充分采動，形成最大裂高所需的臨界采空區(qū)尺寸要遠遠小于地表達到充分采動的尺寸，因回采工作面的尺寸大于或等于1.4 倍平均采深時，地表才能達到充分采動，以后趨于穩(wěn)定，不再隨開采范圍的擴大而增加。

3 地表積水的條件

煤層開采引起地表出現(xiàn)下沉盆地后，大氣降水通過直接或地表徑流補給下沉盆地，如果塌陷坑的底部低于地表淺層含水層的壓力水頭時，就會得到淺層含水層的側(cè)向補給，如果導水裂隙帶的最大高度達到地表水體的底板時，地表水就會通過導水裂隙帶向下滲流，在地表不可能積水；當?shù)乇硭w的底板至被開采煤層的頂板的最短距離大于導水裂隙帶的最大高度，而且又無導水斷裂或?qū)萋渲葘ǖ来嬖跁r，則該地表水體中的水將不會直接下滲，地表就會積水，具體數(shù)值應視隔水層的性質(zhì)而定，對于堅硬或半堅硬的基巖隔水層一般為10～20m，對于塑性粘土層則只須5～10m 即可。如地表是較厚的(大于5 m)粘土或砂質(zhì)粘土層時，則此粘土或砂質(zhì)粘土層可作為保護層，阻止地表水大量垂直下滲。

如粘土或砂質(zhì)粘土層的厚度較大(30m 以上)時，即使位于采動導水裂隙帶的高度以內(nèi)，也不易產(chǎn)生導水裂隙帶，即使一時產(chǎn)生了，也會很快閉合。

4 實例分析

以新發(fā)礦東部采區(qū)為例分析，其上地表松散層厚3～6m，地表裂縫深度為0.4～0.6(直接測量)，基巖厚度為150～230m，煤層厚度為1.2～1.6m，煤層偽頂為頁巖，平均厚度為1.62m，直接頂為粉砂巖，平均厚度為3.54m，老頂為砂礫巖，平均厚度為15.21m，煤層傾角為18度，采用單一長壁陷落法開采，煤層為充分采動，地表下沉系數(shù)為0.6，地表塌陷坑內(nèi)積水如圖1 所示。

圖1 地表塌陷坑積水示意圖

h張= 0.6 m

h≥h裂+h保+h風+h張=150-3.6-31.57=114.83m

通過以上計算可知，基巖隔水層的厚度為114.83m，能夠有效地阻止地表水大量垂直下滲，通過大氣降水和地表徑流使塌陷坑常年積水，造成大量土地被淹。

5 結(jié)論

根據(jù)礦區(qū)煤層的賦存條件及水文地質(zhì)條件，選擇合理的采煤方法，可減小塌陷區(qū)的范圍，降低開采對礦區(qū)水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的惡化。條件允許時，可考慮地表塌陷區(qū)積水的整治措施，一是利用煤矸石或電廠粉煤灰造地復田；二是塌陷區(qū)積水的綜合利用，包括塌陷區(qū)疏干和利用塌陷區(qū)積水進行灌溉等，從而為礦區(qū)創(chuàng)造較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

StudyofReasonsofSurfaceWaterAccumulationCausedbyMining

Zhang Hongshun Gao Mengyu

Surface subsidence due to mining may easily cause the water accumulation in the pits over the goaf, which makes farmlands inundated and Stalinize, and it also may change the direction of surface runoff and water catchment conditions . The article analyzes reasons of the accumulated water from the aspects of the geologic, hydrologic and mining . The paper discusses the necessary conditions of the accumulated water of surface subsidence, which provides the theoretical basis for improvement and comprehensive control of water and ecological environment in mining area and ensures the regular coal production of the coal mines .

surface subsidence; water conducted zone; aquifuge; atmospheric precipitation1

ClassNo.:TD803DocumentMark:A

張欽祥 宋瑞斌)

張洪順，助理工程師，雞東縣興農(nóng)鎮(zhèn)安監(jiān)站，黑龍江·雞西。郵政編碼：158200

高孟玉，助理工程師，雞東縣興農(nóng)鎮(zhèn)安監(jiān)站，黑龍江·雞西。郵政編碼：158200

1672-6758(2010)05-0054-2

TD803

A