榆陽煤礦礦井涌水來源及對紅石峽水源地的影響

蔣澤泉，郭亮亮，呂文宏

(1.陜西省煤田地質(zhì)局一八五隊，陜西 榆林 719000;2.陜西中能榆陽煤田有限公司，陜西 榆林 719000)

榆陽煤礦3號煤層開采，實測的綜采條件下導水裂隙帶發(fā)育高度為84.8 ～96.3 m，為采厚的 24.2～27.5倍，冒落帶高度為 14.2 ～17.2 m，為采厚的 4.06～4.91倍，由于 3煤的賦存厚度存在差異，因此井田內(nèi)綜采條件下導水裂隙帶高度發(fā)育不等，井田的東北角導高發(fā)育不大，而西北部導高發(fā)育最為劇烈，南部由北向南逐漸變小。與第四系含水層厚度圖對比分析，目前導水裂隙帶發(fā)育程度下，上部松散層不會直接與導水裂隙帶直接溝通，造成水資源嚴重影響，但由于缺少連續(xù)大面積厚層分布的隔水土層，井田西北部的松散層水資源將通過殘余基巖緩慢滲流至井下。

1 礦井涌水來源及影響范圍

1.1 礦井涌水量及來源

榆陽煤礦導水裂隙帶發(fā)育高度最大有90 m以上，此時礦井的直接充水層位應該是延安組含水層，鉆孔 ZP2、ZP1揭露的這兩層含水層時未見水位是為佐證;同時，在煤層開采后由于基巖和上覆松散層之間隔水層有限，即基巖含水層受松散層、風化基巖層越流補給，一般說來工作面最大涌水量出現(xiàn)在初次來壓期間，而榆陽煤礦2301工作面在初次來壓期間涌水量卻是正常的，并沒有出現(xiàn)突然增大的現(xiàn)象，說明礦井涌水有一定的間接補給水源，因此松散層及風化基巖含水層是礦井充水的間接充水層。經(jīng)調(diào)查，前期200萬 t/a產(chǎn)量時，礦井總涌水量為900 m3/h，其中井筒涌水量為105 m3/h，開采區(qū)東部3號煤層受古直羅河沖刷而變薄，其頂板砂巖含水層增厚，當開采至該段時，礦坑涌水量增大，后停止開采，并對其進行了封閉，現(xiàn)涌水量基本保持穩(wěn)定，涌水量約250 m3/h。井筒涌水量和東部礦坑涌水量共355 m3/h(8 520 m3/d)，在今后煤層開采時，基本保持不變。

根據(jù)地質(zhì)報告預測，改擴建后年產(chǎn)300萬 t的礦坑總涌水量為28 140 m3/d(1 172.5 m3/h)，這與實際礦井涌水量是相符合的。利用“大井法”預測，基巖的涌水量619 m3/h，這與目前的礦井涌水量差別較大，兩者之差為481 m3/h，說明有上覆水源(松散層與風化基巖層)越流參與。

1.2 礦井水的主要來源

1)基巖水

采空區(qū)范圍基本已經(jīng)疏干，依據(jù)大井法可以計算影響范圍“七里鎮(zhèn)砂巖”含水層為373 m，“真武洞砂巖”含水層為82 m。

2)風化基巖及松散層水

本次野外水文地質(zhì)調(diào)查共觀測7口民井(風化基巖有2口、松散砂層有5口)，這7口民井的水位變化情況可以看出風化基巖含水層幾乎沒有影響，僅僅受到沉降影響水位有過短暫的下降后，數(shù)月就在很大程度上恢復;另外，房采工作面對松散層幾乎沒有影響;綜采對松散層有一定的影響，嚴重影響范圍應該介于500～1 200 m，1 200 m以外影響不顯著。

自綜采工作面投產(chǎn)以來，礦井涌水量不斷上升，依據(jù)以上分析可以看出:綜采主要是疏放的“真武洞砂巖”和“七里鎮(zhèn)砂巖”兩層含水層，同時含部分松散砂層及風化基巖水，基巖含水層疏干后的影響范圍“七里鎮(zhèn)砂巖”含水層為373 m，“真武洞砂巖”含水層為82 m，松散層的嚴重影響范圍為500～1 200 m。

1.3 礦井水與各含水層的水質(zhì)比較分析

對已經(jīng)回采2年的綜采工作面2304采空區(qū)的礦井涌水進行水質(zhì)簡分析，礦井涌水檢測結(jié)果與各含水層水質(zhì)對比如表1所示。

表1 礦井涌水、松散層水及基巖水質(zhì)對比表

由表1可以看出:

(1)松散含水層與基巖含水層的水質(zhì)存在一定的差異，松散含水層多為低礦化度、低硬度 HCO3-Na·Ca型水，基巖含水層多為高礦化度、高硬度 HCO3-Ca或 HCO3·SO4-Na·Ca型水，說明兩者在天然狀態(tài)下有一定的水力聯(lián)系，但深部基巖含水層水動力環(huán)境較差，另外NH4+含量小，說明兩含水層天然狀態(tài)下基本沒有受到污染。

(2)礦井水中陰離子含量首位是SO42-，但 pH 值為 7.6，接近中性，與天然含水層 pH接近，說明礦井水酸化不明顯，因此SO42-的主要是源自涌水水源，而深部基巖含水層較松散含水層SO42明顯較大，礦井水更接近于基巖含水層。

(3)礦井水中Ca2+，Mg2+及礦化度遠高于松散含水層水平，但pH值略偏堿性，說明不是松散含水層酸化后溶蝕圍巖所致，其更接近于基巖含水層的含量。

(4)介于松散含水層與基巖含水層水質(zhì)的一定差異性，依據(jù)目前觀測的結(jié)果可以認為礦井涌水中有大量基巖含水層的成分，但礦井涌水中是否有大量松散含水層水源參與，需要進行長時間、大批量的水質(zhì)動態(tài)觀測來進一步判斷。

1.4 礦井涌水通道分析

現(xiàn)場實測及理論分析均發(fā)現(xiàn)導水裂隙帶沒有直接溝通隔水粘土層，但野外地質(zhì)調(diào)查及礦井涌水計算結(jié)果，均發(fā)現(xiàn)松散砂層潛水有不同程度的參與，說明導水裂隙帶以上范圍內(nèi)必然存在著一定相對微弱的滲流通道。

前述對關(guān)鍵隔水土層及巖層進行了室內(nèi)外采動滲透性變異測試，可以看出巖體受卸載應力路徑時，表現(xiàn)出滲透系數(shù)的增加，特別是隔水的軟巖影響最為顯著，說明即便是整體下沉帶內(nèi)巖體在采動條件下滲透性亦會有明顯變化，即有一定的越流量。與此相對比，隔水的土層原位測試結(jié)果顯示其滲透系數(shù)變化不明顯，即采動后仍然有天然狀態(tài)下的阻水特性，那么砂層潛水通過隔水粘土層下滲的通道是怎樣的，需要對采動條件下地表拉伸裂隙深度及地表裂隙與導水裂隙之間基巖隔水性進行分析。

地表拉伸裂隙是地表巖土層受煤層回采附加應力作用的產(chǎn)物，因此影響其發(fā)育深度的主要因素是地表巖土層的巖性及其所受到的附加應力大小，即與煤層的采深、采厚、采煤方法、地表巖土層性質(zhì)及其厚度等有主要的關(guān)系。如果地表為粘性土，其塑性較大，在地表環(huán)境下起拉伸變形值一般超過6～10 mm/m時才會發(fā)育裂隙，但地表巖性為塑性較小的砂質(zhì)粘土、粘土質(zhì)砂或巖石時，其受到拉伸變形達到2～3 mm/m時就會產(chǎn)生裂隙。

榆陽煤礦2303工作面為綜采工作面，工作面走向長1 375 m，傾向長195 m，采高為3.5m，煤層傾角小于1°，埋深較淺為183.0～195.2 m。在高強度開采條件下，地表出現(xiàn)多組平行的拉伸裂隙，裂隙在空間分布、幾何形態(tài)及位移特征上均滿足典型拉伸裂隙特征，依據(jù)相關(guān)的指標測試成果，地表附近的附加拉應力平均為 -5 200 Pa，風積沙拉伸破壞深度為2.12 m，風積沙總破壞深度為2.19 m，但裂隙的自穩(wěn)深度只有2.13 m，現(xiàn)場實際測量可知邊緣拉伸裂隙的最大發(fā)育深度為1.92 m，實際開挖測量破壞深度為2.08 m，說明計算值與實測值吻合良好;而黃土相比風積沙有其特有的結(jié)構(gòu)特性，內(nèi)聚力和抗拉強度較大，其拉伸破壞深度為4.2 m，總破壞深度為5.2 m，自穩(wěn)深度為14.3 m，實際觀測黃土地貌下煤炭開采引起的拉伸裂隙發(fā)育深度沒有大于5 m，而天然存在的直立黃土邊坡有大于10 m仍然自穩(wěn)的現(xiàn)象。

1.5 地表拉伸裂隙與導水裂隙之間巖石的隔水性分析

由以上分析可以看出地表拉伸裂隙沒有直接溝通砂層潛水和采空區(qū)，但會直接影響松散砂層與風化基巖含水層的水力聯(lián)系，即松散砂層潛水補給風化基巖含水層。

而導水裂隙帶并沒有直接溝通風化基巖含水層與采空區(qū)，由實施的ZP1和 ZP2兩個鉆孔揭露情況，可以看出兩裂隙帶之間剪切基巖帶主要巖性為粉砂巖、細砂巖、中砂巖等硬巖及少量砂質(zhì)泥巖等軟巖，且剪切帶的基巖中沒有大量的采動裂隙賦存，說明巖體沒有發(fā)生破壞，但其受到卸載影響，滲透系數(shù)有不同程度的提高(圖1)。為進一步確定剪切帶巖體滲透性，在鉆孔實施到該層位時進行了簡易注水試驗，15 min內(nèi)水位埋深由36 m下降到38.7 m，依據(jù)鉆孔變水頭注水試驗計算公式可得剪切帶內(nèi)的粉砂巖的滲透系數(shù)為0.043 m/d，為弱透水層。即導水裂隙帶與地表拉伸裂隙帶之間的剪切帶中硬巖所占比重較大，而隔水的軟件相對較小，且受卸載影響敏感，滲透系數(shù)較小有利于風化基巖和松散砂層潛水越流進入采空區(qū)(見圖1)。

圖1中砂層潛水主要通過隔水粘土層尖滅處(天窗)及地表拉伸裂隙補給風化基巖含水層;而風化基巖含水層與導水裂隙帶之間泥巖等軟巖不賦存，同時相對隔水的粉砂巖受采動影響，滲透性變大為弱透水層，使得風化基巖在一定程度上越流補給采空區(qū)。因此僅黃土隔水層連續(xù)大面積分布區(qū)域可以采用綜采而對上覆砂層潛水影響不大，黃土層尖滅或較薄時會有明顯的越流現(xiàn)象。

圖1 礦井涌水通道示意圖

根據(jù)預測，水位恢復過程可以分為初期的快速恢復期及后期的緩慢恢復期，且越至后期恢復越緩慢，2～3個月水位既可以恢復大部分，幾乎完全恢復則需要1年以上。

2 榆陽煤礦開采對紅石峽水源地的影響

前面已經(jīng)論述榆陽礦煤炭開采對地下水的影響，可以看出風化基巖基本不受影響，短期內(nèi)既可以恢復，松散層也只有500～1 200 m的影響范圍，基巖含水層雖然已經(jīng)局部疏干但是影響范圍也只有82～373 m的影響范圍。因此，榆陽煤礦的開采不會直接造成紅石峽水源地的水位下降，只是在有限的程度上對紅石峽水源地的匯水面積有一定的影響。

紅石峽水源地的匯水區(qū)域內(nèi)有較多的煤礦，均開采3號煤層，眾多煤礦的開采使得紅石峽水源地的匯水面積減少，紅石峽水源地的上游頭道河則發(fā)源于松散砂層，自源頭起其就受煤礦開采影響，有明顯的減流(圖2)。因此，榆陽煤礦開采對紅石峽水源地有一定的影響。

圖2 頭道河則受煤礦開采影響有明顯減流

3 結(jié)語

(1)通過礦井水涌水量計算、礦井水水質(zhì)分析，榆陽煤礦礦井水主要來源于延安組基巖裂隙水，部分來源于基巖頂面風化帶裂隙水及第四系薩拉烏蘇組潛水;

(2)礦井水的涌水通道主要是煤層開采形成的導水裂隙帶，部分地面拉張裂縫也促進了薩拉烏蘇組地下水的入滲，并有微量到達礦井，形成礦井水;

(3)現(xiàn)階段，多個煤礦同時開采3號煤層，對紅石峽水源地產(chǎn)生了一定的影響，其中包括榆陽煤礦開采導致地下水滲漏而減少了紅石峽水源地的補給來源，但影響較輕微，在充填開采條件下，影響會進一步降低。

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