望田煤礦開(kāi)采對(duì)地下水影響的研究

李新旺 關(guān)天強(qiáng) 張紅升 李 穎 張曉波

（1.河北工程大學(xué)資源學(xué)院，河北省邯鄲市，056038；2.山西省第三地質(zhì)工程勘察院，山西省晉中市，030620）

望田煤礦開(kāi)采對(duì)地下水影響的研究

李新旺1關(guān)天強(qiáng)1張紅升1李 穎2張曉波2

（1.河北工程大學(xué)資源學(xué)院，河北省邯鄲市，056038；2.山西省第三地質(zhì)工程勘察院，山西省晉中市，030620）

根據(jù)望田煤礦的地質(zhì)情況，計(jì)算煤層開(kāi)采后形成的冒落帶和裂縫帶的高度以及煤礦開(kāi)采排水導(dǎo)致地下水位降落漏斗分布范圍，分析煤層開(kāi)采對(duì)上部和下部含水層以及村民用水的影響，預(yù)測(cè)評(píng)估了2011－2015年采礦活動(dòng)對(duì)地下含水層的影響。

礦山開(kāi)采 地下水 冒落帶 裂隙帶

山西忻州神達(dá)望田煤業(yè)公司地處黃河?xùn)|岸，山西黃土高原的西北邊緣，屬低山丘陵區(qū)。井田總面積7.9584km2，生產(chǎn)規(guī)模120萬(wàn)t／a，礦井服務(wù)年限為29a。礦井水文地質(zhì)條件屬中等類(lèi)型。井田內(nèi)可采煤層有8＃、11＃和13＃煤層。井田8＃煤層直接充水含水層為頂板砂巖裂隙含水層，11＃和13＃煤層充水含水層為其上部的砂巖含水層，富水性弱。井田西部8＃、11＃和13＃煤層均位于奧灰水位之下，屬帶壓開(kāi)采，礦山開(kāi)采對(duì)地下水的影響已成為重要的問(wèn)題。

1 冒落帶及裂隙帶最大高度確定

開(kāi)采煤層后，由于存在礦山壓力，使煤層上履巖層形成冒落帶、裂隙帶和緩慢下沉帶“三帶”，見(jiàn)圖1。通過(guò)對(duì)裂隙帶最大高度的預(yù)計(jì)，可以預(yù)測(cè)井下采煤對(duì)地下含水層、地表水體等產(chǎn)生的破壞及影響。

13＃煤層頂板石灰?guī)r抗壓強(qiáng)度平均為30.8MPa，屬中硬類(lèi)巖石。因此，根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》推薦的《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》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)程》）中附表6－1可知，中硬型厚煤層開(kāi)采的冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度計(jì)算公式為：

式中：Hm——冒落帶高度，m；

HL——導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，m；

∑M——累計(jì)采厚，m。

根據(jù)《規(guī)程》中近距離煤層垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度的計(jì)算，第一種情況，上、下兩層煤的最小垂距h大于回采下層煤的垮落帶高度Hxm時(shí)，上、下層煤的導(dǎo)水裂隙帶最大高度可按上、下兩層煤的厚度分別選用公式計(jì)算，取其中標(biāo)高最高者作為兩層煤的導(dǎo)水裂隙帶最大高度。第二種情況，下層煤的垮落帶接觸到或完全進(jìn)入上層煤范圍內(nèi)時(shí)，上層煤的導(dǎo)水裂隙帶最大高度采用本層煤的開(kāi)采厚度計(jì)算，下層煤的導(dǎo)水裂隙帶最大高度，則應(yīng)采用上、下層煤的綜合開(kāi)采厚度計(jì)算，取其中標(biāo)高最高者為兩層煤的導(dǎo)水裂隙帶最大高度。

圖1 望田煤礦煤層剖面示意圖

8＃煤層上沒(méi)有可采煤層，不會(huì)出現(xiàn)垮落帶接觸或進(jìn)入上層煤的情況，所以按第一種情況計(jì)算，導(dǎo)水裂隙帶厚度用公式（2）和（3）單獨(dú)計(jì)算后取最大值，見(jiàn)圖1。8＃與11＃煤層之間的距離18.42～38.12m，平均31.63m，最小垂距h大于冒落帶高度9.03m，垮落帶高度未接觸8＃煤層，所以按第一種情況計(jì)算，導(dǎo)水裂隙帶厚度用公式（2）和（3）單獨(dú)計(jì)算后取最大值。由于本礦11＃與13＃煤層間距最大僅為14.28m，而13＃煤層垮落帶高度為17.41m，因此按《規(guī)程》采用11＃與13＃煤層的綜合開(kāi)采厚度計(jì)算13＃煤層開(kāi)采后產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶高度（第二種情況）。各煤層開(kāi)采產(chǎn)生的垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。由表可見(jiàn)，13＃煤層開(kāi)采后產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶高度最大為97.22m，兩帶高度為114.63m。

表1 冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶計(jì)算結(jié)果

2 開(kāi)采煤層與含水層之間的相互位置

望田煤礦13＃煤層位于太原組底部，煤層上部的含水層由下至上為太原組砂巖裂隙含水層、山西組砂巖裂隙含水層，含水層由中、粗粒砂巖組成，屬弱富水性含水層。二迭系地層為砂巖與泥巖層，含水層富水性弱。13＃煤層開(kāi)采產(chǎn)生的兩帶高度最大為114.63m，將導(dǎo)通山西組地層，局部可達(dá)二疊系下石盒子組地層。開(kāi)采煤層與含水層關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 開(kāi)采煤層與含水層關(guān)系

3 開(kāi)采煤層對(duì)上部含水層的影響和破壞

煤礦開(kāi)采后，產(chǎn)生的兩帶高度最大為114.63m，煤層上部山西組和下石盒子組均在影響范圍內(nèi)，礦井生產(chǎn)能力達(dá)120萬(wàn)t／a時(shí)，其正常礦井涌水量為1800m3／d，最大礦井涌水量2400 m3／d，井田內(nèi)13＃煤層上部主要的含水層均會(huì)被疏干破壞。在井田東部13＃煤層埋深較淺處，導(dǎo)水裂縫帶將溝通地表，地表水與13＃煤層產(chǎn)生水力聯(lián)系。

4 開(kāi)采煤層對(duì)下部奧灰含水層的影響

據(jù)井田內(nèi)路家溝水井資料，揭露奧灰266.70m，奧灰水位標(biāo)高830.00m，井田內(nèi)奧灰水位標(biāo)高829.00～831.50m，8＃煤層的最低底板標(biāo)高為730m，11＃煤層的最低底板標(biāo)高為700m，13＃煤層的最低底板標(biāo)高為690m，煤層下部處于承壓開(kāi)采狀態(tài)，見(jiàn)圖2。

圖2 望田煤礦8＃煤層帶壓開(kāi)采示意圖

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》附錄7突水系數(shù)計(jì)算公式：

式中：TS——突水系數(shù)，MPa／m；

P——煤層底板隔水層承受的靜水壓力，MPa；

M——底板至隔水層厚度，m。突水系數(shù)的大小可以顯現(xiàn)煤礦開(kāi)采對(duì)地下含水層的影響程度，突水系數(shù)大，則該塊段處于突水危險(xiǎn)區(qū)，底板易受破壞，形成突水，煤礦開(kāi)采對(duì)地下含水層的影響就大，反之則小。

井田西南邊界處奧灰水頭高度830m，8＃煤層底至奧灰頂有效隔水層厚度96.14m，11＃煤層底板至奧灰頂板有效隔水層厚度63.20m，13＃煤層底板至奧灰頂板有效隔水層厚度51.50m，8＃、11＃和13＃煤層突水系數(shù)分別為0.017MPa／m、0.025MPa／m和0.031MPa／m。井田4個(gè)鉆孔均為奧陶系灰?guī)r地層鉆孔，根據(jù)式（4）各煤層突水系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》附錄四中“底板受構(gòu)造破壞塊段系數(shù)一般不大于0.06，正常塊段不大于0.10”的規(guī)定，結(jié)合本煤礦實(shí)際情況，帶壓開(kāi)采分區(qū)劃分如下：

TS＜0.06

可能突水區(qū)，煤礦開(kāi)采對(duì)奧灰水層影響較小。

突水危險(xiǎn)區(qū)，煤礦開(kāi)采對(duì)奧灰水層影響較大。

從以上計(jì)算結(jié)果可知，8＃煤層突水系數(shù)為0.001～0.021MPa／m，11＃煤層突水系數(shù)0.010～0.029MPa／m，13＃煤層突水系數(shù)為0.012～0.036MPa／m，均小于正常塊段內(nèi)臨界突水系數(shù)0.10MPa／m，小于構(gòu)造破壞塊段臨界突水系數(shù)0.06MPa／m，均屬于相對(duì)安全區(qū)。由此可見(jiàn)，煤礦開(kāi)采對(duì)奧灰水層影響相對(duì)較小。

表3 各煤層突水系數(shù)計(jì)算表

5 煤礦開(kāi)采排水導(dǎo)致地下水位降落漏斗分布范圍分析

礦區(qū)煤層開(kāi)采后對(duì)地下水資源的破壞范圍隨地下水含水層類(lèi)型的不同而異。對(duì)位于地表淺部的松散巖類(lèi)孔隙水與基巖風(fēng)化裂隙水來(lái)說(shuō)，由于補(bǔ)給來(lái)源較近，地表相對(duì)高處往往為其補(bǔ)給邊界，因此其影響范圍基本位于地表裂縫塌陷區(qū)內(nèi)及其附近地表相對(duì)分水嶺處；對(duì)于深埋于地下的層狀碎屑巖孔隙裂隙水來(lái)說(shuō)，由于其補(bǔ)給來(lái)源較遠(yuǎn)，其影響范圍可用水文地質(zhì)學(xué)中的大井法概略計(jì)算。將煤礦采空區(qū)假設(shè)為一個(gè)大井，礦坑形態(tài)按不規(guī)則形，假想大井引用半徑r0，設(shè)計(jì)礦坑系統(tǒng)面積F采用資源儲(chǔ)量計(jì)算確定的面積，F(xiàn)＝7.9584km2，根據(jù)：

計(jì)算得r0＝1594m。

本礦井地層傾角平均4°左右，各煤層頂板以上采煤影響帶內(nèi)含水層可概化為近水平含水層。將煤礦采空區(qū)假設(shè)為一個(gè)大井，礦井排水假設(shè)為抽水，可根據(jù)抽水試驗(yàn)中影響半徑的公式來(lái)概略的計(jì)算礦井排水的影響范圍。

式中：R——影響半徑，m；

K——滲透系數(shù)，m／d，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告滲透系數(shù)K＝0.0377m／d；

S——水位降深，m。

礦區(qū)煤層開(kāi)采后礦井疏干高度（水位降深S）最大約為110m，根據(jù)式（6）計(jì)算得13＃煤層開(kāi)采后礦井排水最大影響范圍約為213m。排水影響半徑R0＝R＋r0＝1807m。

可見(jiàn)，礦區(qū)開(kāi)采疏干地下水范圍面積較大，采煤疏干地下含水層的影響超出礦區(qū)范圍，具有區(qū)域性的特點(diǎn)，地下水資源一旦受到破壞，短時(shí)間內(nèi)難以恢復(fù)。

6 煤礦開(kāi)采對(duì)村民用水的影響

礦區(qū)及周邊村民飲用水依靠井水，礦區(qū)煤層開(kāi)采后井田內(nèi)淺層地下水水井已被疏干，當(dāng)前礦區(qū)村莊飲用水源是深井巖溶水，水質(zhì)水量穩(wěn)定，今后礦區(qū)村民用水受采煤影響較小。

井田內(nèi)13＃煤層開(kāi)采后，其上部主要的含水層均會(huì)被疏干破壞，煤層開(kāi)采疏干地下水影響面積較廣，具有區(qū)域性特點(diǎn)；礦區(qū)村莊飲用水源是深井巖溶水，今后礦區(qū)村民用水受采煤影響較小。

7 采礦活動(dòng)對(duì)地下含水層的影響預(yù)測(cè)評(píng)估

2011－2015年礦山開(kāi)采1301采區(qū)，礦井井下正常排水量為1800m3／d。2011－2015年13＃煤層上部主要含水層水位下降幅度較大，地下水呈半疏干狀態(tài)，影響范圍為開(kāi)采煤層外213m。由于碎屑巖裂隙水富水性弱，其他區(qū)地下水位下降幅度小，主要含水層受13＃煤層開(kāi)采影響較輕。根據(jù)《規(guī)范》附錄E，2011－2015年采礦活動(dòng)對(duì)5年期限內(nèi)地下含水層影響程度為“較嚴(yán)重”；未開(kāi)采區(qū)含水層受采煤排水疏干影響“較輕”。

［1］ 還祥生等.山西忻州神達(dá)望田煤業(yè)有限公司礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理方案［R］.北京：北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)總公司，2011

［2］ 三下采煤規(guī)程［S］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2000

［3］ 煤礦防治水規(guī)定［S］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2009

［4］ 戚春前.趙各莊礦煤炭深部開(kāi)采與地表淺部地下水位變化規(guī)律探討［J］.中國(guó)煤炭，2011（1）

［5］ 劉勇.導(dǎo)水裂隙帶法在貴州小型煤礦開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)煤炭，2011（4）

Study on the impact of mining on groundwater in Wangtian Coal Mine

Li Xinwang1，Guan Tianqiang1，Zhang Hongsheng1，Li Ying2，Zhang Xiaobo2
（1.School of Natural Resources，Hebei University of Engineering，Handan，Hebei 056038，China；2.The Third Geological Engineering Exploration Institute in Shanxi，Jinzhong，Shanxi 030620，China）

After analyzing the geological features of Wangtian Coal Mine，the paper calculates the height of caving zone and fractured zone that formed after coal mining；with the analysis of the impact of mining on the upper and lower aquifers，the paper calculates the funnel－like distribution range formed after the groundwater level depressing which results from the mining drainage.And then the paper estimates the impacts of coal mining activities on underground aquifers in 2011－2015.

coal mining，groundwater，caving zone，fractured zone

P641

A

李新旺（1979－），男，博士，副教授，河北工程大學(xué)資源學(xué)院副院長(zhǎng)，獲中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）采礦工程專(zhuān)業(yè)工學(xué)博士學(xué)位。研究方向?yàn)椴傻V工程。

（責(zé)任編輯 張毅玲）