青龍煤礦開(kāi)采對(duì)水環(huán)境的影響

周林康 劉 虎

(太原碧藍(lán)水利工程設(shè)計(jì)有限公司，山西太原 030024)

青龍煤礦井田位于太原市東北陽(yáng)曲縣境內(nèi)，南距太原市區(qū)約28.5 km，西距陽(yáng)曲縣城約8 km，行政區(qū)劃隸屬于陽(yáng)曲縣東黃水鎮(zhèn)及黃寨鎮(zhèn)管轄。井田東西長(zhǎng)約8.4 km，南北寬約3.15 km，面積16.314 3 km2。青龍煤礦生產(chǎn)規(guī)模90萬(wàn) t/年，批采9號(hào)，11號(hào)，13號(hào)，15 號(hào)(15上，15中，15下)煤層，服務(wù)年限 8.2 年。礦井采用立井開(kāi)拓方式，采區(qū)內(nèi)開(kāi)采順序是單翼跳采，煤層間開(kāi)采順序?yàn)橄滦惺介_(kāi)采，工作面采用傾斜長(zhǎng)壁后退式開(kāi)采。隨著青龍煤礦的開(kāi)采，在推動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，不可避免地對(duì)水資源、水環(huán)境產(chǎn)生不同程度的影響，因此，進(jìn)行煤礦開(kāi)采對(duì)水環(huán)境的影響調(diào)查研究有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 井田地形地貌與水系

1.1 地形

青龍井田位于山西省陽(yáng)曲縣境內(nèi)，沁水煤田陽(yáng)曲向斜西南，地貌類型屬破碎黃土塬，地面切割深度20 m～30 m。地處山前沖洪積平原，東、西、北三面環(huán)山，中部和南部的地勢(shì)較平。按形態(tài)劃分的地貌類型包括山石地、黃土丘陵和河谷地三種。地形系山前丘陵，全為黃土覆蓋，井田內(nèi)無(wú)基巖出露，新生界蓋層厚度一般200 m～400 m。溝壑發(fā)育呈樹(shù)枝狀分布;地勢(shì)東北高，西南低，最高點(diǎn)為東北部邊緣，標(biāo)高1 045 m，最低點(diǎn)位于西南部，標(biāo)高882 m，最大相對(duì)高差163 m。

1.2 水系

青龍井田地表水屬黃河流域汾河水系，井田內(nèi)無(wú)常年性河流，只有汾河二級(jí)支流故縣河一條季節(jié)性河流。故縣河由井田東北向西南流經(jīng)井田，至龍興頭附近匯入楊興河，故縣河除雨季外，平時(shí)基本無(wú)水。

2 井田地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

2.1 地質(zhì)條件

2.1.1 地層

井田內(nèi)地表全部為黃土覆蓋，僅在東北部及西南部邊界外有奧陶系出露，地層由老至新分別為奧陶系下馬家溝組(O2x)、上馬家溝組(O2s)、中統(tǒng)峰峰組(O2f)，石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)、上統(tǒng)太原組(C3t)、上統(tǒng)山西組(C3s)，二疊系下統(tǒng)下石盒子組(P1x)、上統(tǒng)上石盒子組(P2s)，新第三系(N)，第四系(Q)。井田含煤地層包括石炭系中統(tǒng)本溪組及石炭系上統(tǒng)山西組、太原組，可采煤層主要賦存于太原組和山西組。煤系地層平均總厚116.09 m，含煤16層，煤層平均總厚 10.23 m;主要可采煤層 4層(9，11，13，15 煤)，平均總厚9.76 m。

2.1.2 地質(zhì)構(gòu)造

井田位于陽(yáng)曲斷陷內(nèi)次一級(jí)構(gòu)造——陽(yáng)曲向斜的東南翼，井田構(gòu)造受區(qū)域構(gòu)造所制約，在陽(yáng)曲向斜主體構(gòu)造的基礎(chǔ)上，發(fā)育有北東東向故縣背斜、東黃水向斜。井田發(fā)育北東、北西向兩組高角度正斷層，北西向斷層控制了井田的基本構(gòu)造格架，即井田基本構(gòu)造形態(tài)為一呈北東向展布、以陽(yáng)曲向斜為主體的寬緩向斜，地層傾角5°～15°，斷層較發(fā)育，構(gòu)造復(fù)雜程度中等。

2.2 水文地質(zhì)條件

2.2.1 含水層

井田地下水含水層有松散巖類孔隙含水層，基巖風(fēng)化殼裂隙含水層，二疊系碎屑巖類裂隙含水層，石炭系層間灰?guī)r巖溶裂隙含水層和奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層5個(gè)含水層組。其中以松散巖類孔隙含水層和奧陶系灰?guī)r巖溶含水層為主要含水層。奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層分上、下馬家溝組和峰峰組含水層，與礦井充水相關(guān)的主要是峰峰組含水層，水位標(biāo)高為770.72 m～799.31 m，單位涌水量為0.024 L/(s·m)～2.49 L/(s·m)，富水性屬弱～強(qiáng)富水，水質(zhì)類型為HCO3·SO3—Mg·Ca·Na型。松散巖類孔隙含水層又可分為新近系和第四系兩個(gè)含水層組，新近系含水層多由雜色、紅色粘土夾卵礫石、礫巖和鈣質(zhì)結(jié)核層組成，主要分布于山區(qū)丘陵內(nèi)側(cè)邊緣地帶，出露于河谷、沖溝的兩側(cè)及底部礫石層中，一般含水性較差，單井出水量為1 m3/d～10 m3/d;第四系含水層為近代沖、洪積之砂層、礫石、卵礫石層及粘土質(zhì)砂土層，區(qū)內(nèi)楊興河中下游地段第四系發(fā)育厚度大，含水性好，單井出水量為500 m3/d～1 000 m3/d。

2.2.2 隔水層

井田隔水層包括奧陶系巖溶水隔水層、石炭系底部隔水層、新近系底部紅色粘土隔水層和第四系粘土隔水層。奧陶系巖溶水隔水層，奧陶系峰峰組和上馬家溝組底部分別存在一至數(shù)層較厚的石膏層，是良好隔水層。石炭系底部隔水層，奧陶系頂面至15下號(hào)煤底板間的巖層沉積厚度為49.89 m～110.45 m，平均77.46 m，以泥質(zhì)巖類為主，夾薄～中厚層砂巖和薄層灰?guī)r，在全區(qū)普遍發(fā)育而構(gòu)成了良好的隔水層。新近系底部紅色粘土隔水層，新近系底部紅色粘土是良好的隔水層，全區(qū)普遍發(fā)育，厚度幾米至幾十米，隔水性能良好。第四系粘土隔水層，區(qū)內(nèi)第四系發(fā)育多層粘土層，具有隔水作用，但發(fā)育厚度及分布范圍不一。

3 采煤對(duì)地表水的影響分析

煤礦開(kāi)采過(guò)程中，不可避免地將對(duì)地質(zhì)環(huán)境造成一定的影響，其中具有重要影響的是冒落帶和裂縫帶。當(dāng)煤層開(kāi)采后，其冒落帶或裂縫帶到達(dá)地表，就會(huì)使地表水與井下連通，從而對(duì)地表水產(chǎn)生影響。采煤對(duì)地表水的影響直觀表現(xiàn)在地表基流上，煤系地層區(qū)天然基流來(lái)源于基巖裂隙水補(bǔ)給并沿地層裂隙、層理就近排泄到河道。煤礦開(kāi)采后，礦坑附近的基巖裂隙水排向礦坑，減少了基流來(lái)源;隨著采空區(qū)裂隙加大、加深，加速地表水向地下水的轉(zhuǎn)化過(guò)程，從而導(dǎo)致地表基流銳減［1，2］。根據(jù)青龍煤礦先期開(kāi)采地段的27個(gè)勘探鉆孔資料，統(tǒng)計(jì)了9號(hào)煤與上部巖層距離關(guān)系，9號(hào)煤頂板距地表的平均距離為406 m，距基巖頂板距離的平均距離為160 m，風(fēng)化殼厚度約為30 m～40 m。根據(jù)井田勘探資料先期開(kāi)采地段9號(hào)煤止煤深度321.83 m～744.85 m，煤層導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度24 m～97.5 m，煤層開(kāi)采后導(dǎo)水裂縫帶不會(huì)導(dǎo)通到地表，故不會(huì)與地表水產(chǎn)生水力聯(lián)系，對(duì)地表水的影響較小。

4 采煤對(duì)地下水的影響分析

4.1 對(duì)上覆含水層的影響分析

上覆含水層水進(jìn)入采掘空間最重要的導(dǎo)水通道是煤層開(kāi)采造成的導(dǎo)水裂縫帶。因此，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度是評(píng)價(jià)煤層開(kāi)采對(duì)上覆含水層影響的主要技術(shù)參數(shù)。根據(jù)《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》［3］中提供的公式，結(jié)合青龍煤礦實(shí)際地層、煤層情況，參考同區(qū)域運(yùn)峪煤礦實(shí)測(cè)資料，綜合估算青龍煤礦先期開(kāi)采地段導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度9號(hào)煤導(dǎo)水裂縫帶高度為24 m～97.5 m，11號(hào)煤導(dǎo)水裂縫帶高度為5.25 m～20.25 m，13號(hào)煤導(dǎo)水裂縫帶高度為4.5 m～34.5 m。

據(jù)此分析，開(kāi)采9號(hào)煤時(shí)導(dǎo)水裂縫帶將貫穿山西組砂巖含水層，破壞該含水層;在先期開(kāi)采區(qū)的南部邊界中部區(qū)域，導(dǎo)水裂縫帶可以直接到達(dá)基巖風(fēng)化殼含水層，影響風(fēng)化殼含水層;在先期開(kāi)采區(qū)的東部邊界區(qū)域，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育至新近系含水層，影響風(fēng)化殼含水層和新近系含水層。11號(hào)煤～9號(hào)煤之間的含水層為山西組K3砂巖含水層和太原組L4灰?guī)r含水層，開(kāi)采11號(hào)煤導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為5.25 m～20.25 m，平均高度為12.73 m。開(kāi)采11號(hào)煤將直接破壞K3砂巖含水層和L4灰?guī)r含水層。13號(hào)煤～11號(hào)煤之間的含水層為太原組L3灰?guī)r含水層，開(kāi)采13號(hào)煤導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為4.5 m～34.5 m，平均高度為13.65 m。開(kāi)采13號(hào)煤將直接破壞L3灰?guī)r含水層。

4.2 對(duì)下伏含水層的影響分析

采煤對(duì)下伏含水層影響的評(píng)價(jià)，以煤層與含水層之間的隔水層承受的最大靜水壓力(壓強(qiáng))與其厚度的比值突水系數(shù)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》中的有關(guān)規(guī)定和計(jì)算方法，結(jié)合青龍煤礦的地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，選擇突水系數(shù)為0.06 MPa/m為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，大于該值底板存在突水的可能性，小于該值則一般不發(fā)生底板突水。井田內(nèi)煤層下伏含水層主要為奧陶系峰峰組、上下馬家溝組含水層，為安全起見(jiàn)，本次研究以峰峰組含水層為研究對(duì)象。依據(jù)現(xiàn)有勘探資料計(jì)算，9號(hào)煤底板標(biāo)高為156.80 m～675.99 m，峰峰組頂板標(biāo)高為 5.37 m ～ 598.95 m，突水系數(shù)為0.019 MPa/m ～0.051 MPa/m，突水系數(shù)均小于0.06 MPa/m;11 號(hào)煤底板標(biāo)高為141.17 m～646.15 m，峰峰組頂板標(biāo)高為5.36 m～518.75 m，突水系數(shù)為0.019 MPa/m ～0.057 MPa/m，突水系數(shù)均不大于0.06 MPa/m，因此，9號(hào)，11號(hào)煤層先期開(kāi)采地段突水可能性小，為相對(duì)安全區(qū)。13號(hào)煤底板標(biāo)高為141.17 m～646.86 m，峰峰組頂板標(biāo)高為5.36 m ～598.95 m，突水系數(shù)為0.023 MPa/m～0.072 MPa/m，在先期開(kāi)采地段的西部邊界區(qū)域形成面積約為0.33 km2的危險(xiǎn)區(qū)，在此地段開(kāi)采時(shí)，應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的水文地質(zhì)勘探，在未探明情況前，不得開(kāi)采。

5 結(jié)語(yǔ)

1)根據(jù)井田勘探資料在先期開(kāi)采地段開(kāi)采9號(hào)煤后導(dǎo)水裂縫帶不會(huì)導(dǎo)通到地表，故不會(huì)與地表水產(chǎn)生水力聯(lián)系，對(duì)地表水產(chǎn)生的影響較小。

2)根據(jù)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度預(yù)測(cè)結(jié)果，開(kāi)采9號(hào)煤時(shí)在先期開(kāi)采區(qū)的南部邊界中部區(qū)域，影響風(fēng)化殼含水層;在先期開(kāi)采區(qū)的東部邊界區(qū)域，影響風(fēng)化殼含水層和新近系含水層;開(kāi)采11號(hào)煤將直接破壞K3砂巖含水層和L4灰?guī)r含水層;開(kāi)采13號(hào)煤將直接破壞L3灰?guī)r含水層。

3)根據(jù)突水系數(shù)計(jì)算結(jié)果，9號(hào)，11號(hào)煤層先期開(kāi)采地段突水可能性小，為相對(duì)安全區(qū);13號(hào)煤層先期開(kāi)采地段的西部邊界區(qū)域存在突水危險(xiǎn)，形成0.33 km2的危險(xiǎn)區(qū)，對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域須進(jìn)一步勘探論證后方可開(kāi)采。

［1］ 程世偉.雞西市煤炭資源型城市環(huán)境保護(hù)與生態(tài)可持續(xù)發(fā)展［D］.哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)，2011.

［2］ 張建成.大同地區(qū)煤炭開(kāi)采對(duì)水環(huán)境的影響分析和對(duì)策研究［J］.山西水利科技，2005，156(10):34-36.

［3］ 國(guó)家煤炭工業(yè)局.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［S］.

［4］ 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.煤礦防治水規(guī)定［S］.