南方丘陵山區(qū)采煤沉陷區(qū)尋找地下水的有利區(qū)研究

姚光華,陳正華

(1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學(xué))，四川 成都 610059；2.外生成礦與礦山環(huán)境重慶市重點實驗室(重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院)，重慶 400042；3.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室重慶研究中心，重慶 400042)

礦業(yè)開發(fā)過程中，由于礦井疏干排水，導(dǎo)致大面積區(qū)域性地下水位下降，造成疏干漏斗、泉水干枯、水資源逐步枯竭、河水?dāng)嗔?、地表水入滲或經(jīng)塌陷灌入地下，影響了礦山地區(qū)的生態(tài)環(huán)境[1]。國內(nèi)眾多學(xué)者針對采礦塌陷區(qū)土壤水開展了研究工作[2-6]，這些研究重點多側(cè)重在生態(tài)環(huán)境方面，然而對采沉區(qū)內(nèi)解決水資源短缺研究較少，僅有的文獻多集中在北方地區(qū)[7-8]，對于中國南方丘陵山區(qū)這種以基巖裸露為主的煤礦開采引發(fā)巖溶水破壞模式，以及如何在采煤沉陷區(qū)內(nèi)尋找地下水資源方面的研究和實踐幾乎沒有涉及。

本文以重慶南桐煤礦為研究區(qū)，結(jié)合礦區(qū)主要含水層破壞現(xiàn)狀，分析巖溶含水層受開采影響的破壞模式，提出采沉區(qū)尋找地下水的有利區(qū)域。研究成果既能保護礦區(qū)地下水和地表水的自然平衡，又能解決礦區(qū)水資源短缺問題，將為中國南方丘陵山區(qū)井工開采煤礦的安全生產(chǎn)和可持續(xù)運營、礦區(qū)人民的水資源保障和用水安全提供可靠的技術(shù)支持。

1 研究區(qū)背景

研究區(qū)為一北東低、南西高的侵蝕、剝蝕形成的低山丘陵地貌，大部分區(qū)域基巖裸露。區(qū)內(nèi)煤層及煤層上部的主要含水層主要為二疊系上統(tǒng)長興組(P3c)和三疊系下統(tǒng)嘉陵江組(T1j1和T1j4)石灰?guī)r，地表巖溶、漏斗、落水洞較發(fā)育，含水性強～中等。隔水層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)、三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f6-7)、嘉陵江組(T1j2-3)泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r及煤層。弱含水層三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f1-5)泥巖、石灰?guī)r互層。分布情況見圖1。

圖1 研究區(qū)含水層與隔水層分布平面圖

2 研究區(qū)主要含水層破壞現(xiàn)狀研究

2.1 煤層頂板P3c含水層破壞特征

研究區(qū)煤層傾角平均35°，可采煤層K1、K2、K3煤層總平均厚度5.27m，采動后裂隙帶高度引用緩斜、中硬復(fù)巖分層開采經(jīng)驗公式計算[9]。

計算出導(dǎo)水裂縫帶高度：H =55.91m。

由于P3c石灰?guī)r下距最上部K3煤層47.25m，裂縫帶的高度已經(jīng)延伸到P3c灰?guī)r以內(nèi)，說明采空區(qū)上方裂隙帶在P3c石灰?guī)r中可以相互導(dǎo)通，若地表河流切割P3c石灰?guī)r，河水會沿著這些裂隙滲入礦井石門、巷道和采煤工作面。

煤層頂板長興組石灰?guī)r(P3c)雖為強含水層，但含水性不均一，巖溶發(fā)育的相對深度在地表以下120m以內(nèi)，以下為含水微弱。因此，P3c石灰?guī)r含水層實際指的是淺部巖溶、裂隙發(fā)育段。這些淺部發(fā)育的風(fēng)化裂隙、溶蝕(孔洞)與煤層大面積開采后形成的地表張裂隙、采動離層導(dǎo)水裂隙相互溝通。在淺部開采時直接向工作面涌水；在上水平開采結(jié)束、覆巖相對穩(wěn)定后形成一個由離層裂隙導(dǎo)通的“地下水庫”[10](圖2)。

2.2 研究區(qū)含水層T1j1破壞特征

2011年T1j1含水層地下水已經(jīng)形成明顯的降落漏斗[11]。圖3剖面顯示T1j1地層地下水受到嚴重破壞，采沉區(qū)內(nèi)地表泉水干枯，地下水水位下降幅度大，形成降落漏斗；而采沉區(qū)外，地表泉水未干涸，地下水基本未受到破壞。

圖2 P3c石灰?guī)r “地下水庫”示意圖[10]

圖3 2011年采沉區(qū)降落漏斗[11]

3 含水層破壞模式研究

以研究區(qū)傾向剖面為例(圖4)，含水層破壞模式有以下三種。

3.1 采動破壞

3.1.1 拉裂破壞

圖4右側(cè)三角框內(nèi)為采動外邊緣區(qū)，地表脆性巖體存在拉張裂隙，巖層空隙增大，儲水空間增大，有利于地下水的匯集與貯存。

3.1.2 剪切破壞

圖4左側(cè)三角框內(nèi)為采動內(nèi)邊緣區(qū)，地面向盆地中央傾斜，產(chǎn)生壓縮變形，當(dāng)壓縮區(qū)與上一開采水平拉伸區(qū)疊加，地表出現(xiàn)拉伸后受擠壓的現(xiàn)象，發(fā)生剪切破壞，原裂縫出現(xiàn)錯動而產(chǎn)生倒“八”字型裂縫，增大儲水空間和增加地下水的運移通道。

3.1.3 離層破壞

圖4箭頭處為石灰?guī)r與泥巖接觸面附近的錯動，產(chǎn)生離層現(xiàn)象，主要位于上硬下軟的巖層之間，這種離層裂縫，增大了儲水空間和運移通道，尤其是存在河水漏失現(xiàn)象時，河水沿離層裂縫匯集和向深部運移。

圖4 傾向剖面移動變形分區(qū)[12]

3.2 封閉不良鉆孔破壞

煤田地質(zhì)勘查鉆孔完工后應(yīng)將鉆孔用質(zhì)地優(yōu)良的水泥砂漿封閉，以防止地表水和各含水層地下水通過鉆孔進入將來開發(fā)的礦井。但二十世紀(jì)五十年代施工的煤田地質(zhì)勘查鉆孔一般采用粘土和碎石，封閉到T1f底部，T1f及以上地層并沒有密封，井口段用水泥砂漿封閉；二十世紀(jì)八十年代以來施工的煤田地質(zhì)勘查鉆孔采用水泥砂漿分段封閉，即：井口段(<10m)，孔底～ P3c頂面以上10～20m用水泥砂漿封閉，其余孔段用鉆井泥漿充填。因此，作為研究區(qū)透水性較弱的T1f地層被多個鉆孔導(dǎo)通，封閉不良鉆孔成為越流導(dǎo)水通道，一旦聯(lián)通了彎曲帶或整體移動帶，將會把T1f地層上方的T1j1地層地下水導(dǎo)通到下部的P3c石灰?guī)r離層儲水帶，增加礦井涌水量。

3.3 導(dǎo)水?dāng)鄬悠茐?/h3>

研究區(qū)北部發(fā)育的F3B、F1C、F22、F8B斷層對蒲河附近P3c石灰?guī)r造成破壞，其破碎帶是降水及地表水體滲入礦井的良好通道。如F3B在南桐北翼+140m水平穿過烏龜山背斜進入西翼，F(xiàn)1C在北翼碰頭巖、F22在北翼水井溝、F8B在北翼蛇澇子等處穿越蒲河河床地帶，破壞了P3c石灰?guī)r，導(dǎo)致井下采區(qū)的涌水量增大，例如碰頭巖下方5406采區(qū)1964年11月涌水492.43m3/h，5407采區(qū)1971年5月11日涌水442.0m3/h；水井溝下方5411采區(qū)1975年1月涌水311.61m3/h，5412采區(qū)1975年12月20日涌水713.66m3/h。涌水量大小相比于那些既沒有位于封閉不良鉆孔附近也不在導(dǎo)水?dāng)鄬酉路降牟蓞^(qū)正常涌水量100～200 m3/h明顯增大，說明斷層對河流附近P3c石灰?guī)r的破壞造成的破碎帶是降水及地表水體滲入礦井的良好通道。

4 尋找地下水的有利區(qū)研究

依據(jù)含水層破壞特征及破壞模式的分析，丘陵山區(qū)采煤沉陷區(qū)地下水主要分布于兩個區(qū)域(圖5，圖6)：一個是T1j地層的“統(tǒng)一含水體”(Ⅰ)，另一個是P3c地層中的“離層裂隙儲水帶”(Ⅱ)。

圖5 剖面上采沉區(qū)內(nèi)含水區(qū)域[12]

4.1 剖面上含水區(qū)域分布

4.1.1 “統(tǒng)一含水體”

含水區(qū)域Ⅰ為T1j地層的“統(tǒng)一含水體”，由于采動邊界拉裂巖層，致使T1j2-3地層隔水能力降低，導(dǎo)通T1j1和T1j4地層中的地下水，形成“統(tǒng)一含水體”。

4.1.2 “離層儲水帶”

含水區(qū)域Ⅱ為P3c地層的“離層裂隙儲水帶”，位于最下部開采水平及采空區(qū)上方P3c石灰?guī)r中。

4.2 平面上含水區(qū)域分布

4.2.1 “統(tǒng)一含水體”

含水區(qū)域Ⅰ平面上分布范圍在T1j1地層與采動影響邊界之間，見圖中黃色區(qū)域Ⅰ。

4.2.2 “離層裂隙儲水帶”

含水區(qū)域Ⅱ平面分布范圍在最下部開采水平及采空區(qū)上方，匯集P3c石灰?guī)r中地下水，見圖中紫紅色區(qū)域Ⅱ。

4.3 試驗驗證含水區(qū)域Ⅰ

此次研究在含水區(qū)域Ⅰ中T1j1和T1j4地層均布置了抽水試驗、壓水試驗，分兩個片區(qū)。

圖6 平面上采沉區(qū)內(nèi)含水區(qū)域[12]

4.3.1 劉家河石橋片區(qū)

劉家河片區(qū)T1j1地層布置SK1、SK10兩個試驗孔。SK1用2L/s的流量抽水1個小時，地下水未見明顯下降，SK10以5m3/h的流量做抽水試驗，地下水也未見明顯下降；而SK1壓水試驗平均滲透率5.27(Lu)。根據(jù)壓水試驗及抽水試驗成果顯示，劉家河片區(qū)T1j1地層的滲透性能好，T1j1含水層富水性好，是良好的取水層位。

4.3.2 平山化工廠片區(qū)

平山化工廠片區(qū)T1j4地層布置SK6、SK7兩個試驗孔。SK6鉆孔揭露T1j2-4地層，抽水試驗計算滲透系數(shù)達到1m/d左右，SK7試驗孔的抽水試驗計算滲透系數(shù)達到3m/d左右，說明平山片區(qū)位于采動影響邊界內(nèi) T1j4地層的滲透性能好，是良好的取水層位。

綜上所述，T1j地層是研究區(qū)良好的取水層位，出水量大且穩(wěn)定。

4.4 礦區(qū)資料驗證含水區(qū)域Ⅱ

隨著開拓深度向深部延深，礦井中地下水總是隨著巷道采掘工程的延深而逐漸向下水平匯集，隨著時間的推移和下部水平采掘工程加劇和擴大，上水平的涌水量逐漸減弱乃至枯竭，而下部水平的涌水量則逐漸增大。如-200m水平涌水量由1996年的674.55m3/h(占全礦井的76.9% )，上升到1998年的1271.32m3/h(占全礦井的82.1%)，隨后便不斷減少，到2006年僅為580.64(占全礦井的53.4%)，而同期-450m水平涌水量則由2000年的29.87m3/h(占全礦井的2.6%)，直線上升到2006年達395.11m3/h(占全礦井的36.4%)，再到2010年達到467.08m3/h(占全礦井的63.6% )。經(jīng)過人工河床治理后，全井涌水量大幅度下降，-450m水平涌水量也降到了244.77m3/h，但是其所占全井涌水量的比例缺仍然升高到69.8%。

這個特征說明，離層儲水空間位于P3c與P3l地層之間，隨著同一開采水平的面積增大，開采水平延深，下水平離層帶儲水空間的水量所占比例越高，上水平離層帶由原儲水空間轉(zhuǎn)變?yōu)殡x層導(dǎo)水帶。

綜上所述，研究區(qū)的“離層儲水帶”位于最下部開采水平的采空區(qū)上方P3c石灰?guī)r與P3l泥巖之間，且隨著巷道采掘工程的延深而逐漸向下水平匯集，下部離層帶儲水空間的水量所占比例越高。

5 結(jié)論

1) 南桐煤礦在多年采動影響下，含水層、隔水層均遭不同程度破壞，引發(fā)水環(huán)境劇烈改變，突出特征為：P3c含水層地下水形成一個由采動離層裂隙導(dǎo)通的“地下水庫”，T1j含水層地下水形成一個由拉張裂隙導(dǎo)通的“統(tǒng)一含水體”。

2) 通過含水層破壞模式研究，總結(jié)得出含水層破壞的三種破壞模式分別為：采動破壞、封閉不良鉆孔破壞和導(dǎo)水?dāng)鄬悠茐摹?/p>

3) 多方法驗證地下水有集中分區(qū)儲存的規(guī)律，主要位于“統(tǒng)一含水體”中和“地下水庫”下部，這為采煤沉陷區(qū)含水層再造提供了理論依據(jù)，也為礦區(qū)地下水資源的有效利用和礦山地質(zhì)環(huán)境的保護與修復(fù)指明了方向。

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