陽煤碾溝煤礦開采對上覆含水層預測及影響分析

武曉毅

(山西省生態(tài)環(huán)境研究中心，山西 太原 030009)

陽煤碾溝煤礦開采對上覆含水層預測及影響分析

武曉毅

(山西省生態(tài)環(huán)境研究中心，山西 太原 030009)

對陽煤碾溝煤礦的水文地質(zhì)條件進行了詳細的分析。在此基礎上，對導水裂隙帶高度進行了計算預測，并分析了在服務年限內(nèi)煤礦開采對上覆含水層的影響。

煤礦開采;上覆含水層;導水裂隙帶;垮落帶

煤炭的大規(guī)模開發(fā)和利用，既給人類帶來了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，也對人類生存環(huán)境產(chǎn)生了一系列的消極影響。由于煤炭開采對煤系上覆含水層的破壞不可避免，該部分水資源主要以礦坑水的方式產(chǎn)生，將對部分含水層產(chǎn)生一定的疏干作用。如何有效適宜地預測分析煤炭開采對上覆含水層造成的影響，并采取合理有效的措施來保護地下水環(huán)境，越來越受到人們的關注。現(xiàn)結(jié)合實際，以陽煤碾溝煤業(yè)有限公司120萬t/a礦井兼并重組整合工程為實例，分析煤礦開采對上覆含水的影響［1］。

1 工程概況

1.1 項目概況

山西陽煤集團碾溝煤業(yè)有限公司井田位于清徐縣清源鎮(zhèn)碾底村、澗溝村一帶。井田地理坐標為:東經(jīng)112°15'06″～112°19'57″，北緯37°38'43″～37°40'48″。根據(jù)晉煤重組辦發(fā)［2009］19號文《關于太原市清徐縣煤礦企業(yè)兼并重組整合方案(部分)的批復》，山西陽煤集團碾溝煤業(yè)有限公司批準礦井生產(chǎn)能力為120萬t/a，開采03－9號煤層，開采深度為1 050 m～580 m，井田面積10.177 7 km2。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

本井田位于西山煤田的東部，受區(qū)域性構(gòu)造碾底斷層、碾底向斜、碾底背斜、黃嶺斷層的影響，井田構(gòu)造形態(tài)總體為走向NE、傾向NW的單斜，同時伴生有次一級褶曲，地層傾角5°～12°，井田陷落柱較為發(fā)育。構(gòu)造類型為簡單類。

本礦區(qū)鉆孔揭露及地表出露的地層有，奧陶系中統(tǒng)峰峰組，石炭系中統(tǒng)本溪組，石炭系上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組，二疊系下統(tǒng)下石盒子組，二疊系上統(tǒng)上石盒子組，新生界第四系中、上更新統(tǒng)。

1.3 水文地質(zhì)概況

井田地處晉西黃土高原，地形復雜。地勢總體東、西高，中間低的態(tài)勢。最高點位于礦井中西部的馬鳴山，標高1 295.9 m;最低點位于礦井中南部的溝谷中，標高為917.0 m。最大相對高差為378.9 m。屬剝蝕低中山區(qū)。巖石裸露，溝谷縱橫。

根據(jù)含水介質(zhì)巖性及地下水的賦存特征，區(qū)域地下水類型可劃分為，第四系松散孔隙含水層，二疊系上、下石盒子組砂巖裂隙含水層，二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水層，石炭系上統(tǒng)太原組砂巖、灰?guī)r巖溶裂隙含水層，奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水層5大類。

井田內(nèi)隔水層主要可劃分為，太原組泥質(zhì)巖隔水層、石炭系本溪組隔水層。

1.4 開拓概況

本井田主要含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組地層和石炭系上統(tǒng)太原組地層，井田內(nèi)03號、2號煤已基本采空。礦井采用斜井開拓方式開采4號、5號、6號、8(8+9)號、9號煤層，4號、5號、6號、8號、9號煤層均采用綜采一次采全高采煤工藝，8+9號煤層合并區(qū)采用綜采放頂煤一次采全高采煤工藝。礦井前期主水平標高+845 m，聯(lián)合布置，分層開采井田東部的8號、9號煤層;前期輔助水平標高+905 m，聯(lián)合布置，分層開采井田東部的4號、5號、6號煤層。后期主水平標高+780 m，聯(lián)合布置，分層開采井田西部的8號、9號煤層;后期輔助水平標高+900 m，聯(lián)合布置，分層開采井田西部的4號、5號、6號煤層。全井田劃分為5個采區(qū)。井田東部為一采區(qū);井田西部劃分為4個采區(qū)，分別為+900 m水平二采區(qū)、+780 m水平二采區(qū)、+900 m水平三采區(qū)、+780 m水平三采區(qū)。采區(qū)開采順序為，一采區(qū)→+900 m水平二采區(qū)→+780 m水平二采區(qū)→+900 m水平三采區(qū)→+780 m水平三采區(qū)。各采區(qū)內(nèi)各煤層采用由上而下順序開采。

本工程首采區(qū)為一采區(qū)的4號、9號煤層。

2 煤礦開采對上覆含水層影響計算

煤層開采后，采空區(qū)周圍的巖層會發(fā)生位移、變形，甚至破壞，上覆巖層根據(jù)變形和破壞程度的不同分為冒落帶、裂縫帶和彎沉帶3帶。其中，裂縫帶又分為連通和非連通2部分。通常將冒落帶和裂縫帶的連通部分稱為導水裂隙帶［2－3］。

導水裂隙帶發(fā)育高度與煤層賦存地質(zhì)條件、頂板巖性、煤層開采厚度等均有密切關系。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》，煤層開采后所形成的導水裂隙帶高度可參考規(guī)程中表7.12－1中的公式進行預計。

1)上、下煤層的最小間距大于回采下層煤的垮落帶高度時，上、下層煤的導水裂隙帶最大高度可按上、下層煤的厚度分別計算，取其中標高最高者作為兩層煤的導水裂隙帶最大高度。

2)下層煤的垮落帶高度接觸到或完全進入上層煤范圍內(nèi)時，上層煤的導水裂隙帶最大高度采用本煤層的開采厚度計算，下層煤的導水裂隙帶最大高度則應采用上、下層煤的綜合開采厚度計算，取其中標高最高者為兩層煤的導水裂隙帶最大高度。計算公式見式(1)。

式中:M1為上層煤開采厚度，m;M2為下層煤開采厚度，m;h1－2為上、下層煤之間的距離，m;y2為下層煤的冒高和采厚之比。

3)如果上、下層煤之間的間距很小，則采用綜合開采厚度為累計厚度。計算公式見式(2)。

井田內(nèi)03、2、4、5號煤層直接頂板多為粉砂巖，局部為中粒砂巖或細粒砂巖，屬中硬巖石;6、8+9、9號煤層的直接頂板或老頂均為石灰?guī)r，屬堅硬巖石。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》，冒落帶(Hm)、導水裂隙帶(Hli)的高度可用以下公式計算。

03、2、4、5號煤層冒落帶、導水裂隙帶高度計算公式采用式(3)～(5)。

導水裂隙帶:

6、8+9、9號煤層冒落帶、導水裂隙帶高度計算公式采用式(6)～(8)。

導水裂隙帶:

式中:M為累計采煤厚度，m。

導水裂隙帶最大高度取兩式之最大值。為了具體分析導水裂隙帶發(fā)育高度及其導通情況，本報告結(jié)合鉆孔資料來計算并分析各煤層冒落帶與導水裂隙帶發(fā)育高度及其導通情況。詳見表1和第79頁表2～表7。

表1 3號煤層垮落帶與導水裂隙帶高度計算表

2號煤層與03號煤層的垮落帶已經(jīng)接觸到上層煤范圍內(nèi)，屬于近煤層開采的第2種情況。因此，03號煤的導水裂隙帶最大高度采用本層煤的開采厚度計算，取值為36.08 m。2號的導水裂隙帶最大高度計算應采用上、下煤層的綜合開采厚度。03號取1.70 m，2號取3.65 m，取最小間距8.63 m，得2號煤導水裂隙帶最大高度為45.20 m。

表2 2號煤層垮落帶與導水裂隙帶高度計算表

表3 4號煤層垮落帶與導水裂隙帶高度計算表

4號煤與2號煤層間距小于垮落帶高度，屬于近煤層開采的第1種情況，按上、下層煤的厚度分別計算，取其中最大值作為煤層的導水裂隙帶高度。

表4 5號煤層垮落帶與導水裂隙帶高度計算表

4號煤層的垮落帶已經(jīng)接觸到上層煤范圍內(nèi)，屬于近煤層開采的第2種情況，5號的導水裂隙帶最大高度計算應采用上、下煤層的綜合開采厚度。4號取2.54 m，5號取4.50 m，取最小間距6.43 m，得2號煤導水裂隙帶最大高度為54.18 m。近煤層開采的第1種情況，按上、下層煤的厚度分別計算，取其中最大值作為煤層的導水裂隙帶高度。

表5 6號煤層垮落帶與導水裂隙帶高度計算表

表6 8(8+9)號煤層垮落帶與導水裂隙帶高度計算表

8+9號煤與6號煤層間距小于垮落帶高度，屬于近煤層開采的第1種情況，按上、下層煤的厚度分別計算，取其中最大值作為煤層的導水裂隙帶高度。

表7 9號煤層垮落帶與導水裂隙帶高度計算表

9號煤層的垮落帶已經(jīng)進入到上層煤范圍內(nèi)，屬于近煤層開采的第2種情況，9號的導水裂隙帶最大高度計算應采用上、下煤層的綜合開采厚度。8+9號取6.07 m，9號取 6.80 m，取最小間距3.60 m，得9號煤導水裂隙帶最大高度為90.91 m。

3 結(jié)語

根據(jù)計算可知，2號煤采空后煤層頂板冒落帶高度9.45 m～12.29 m，導水裂隙帶高度27.89 m～45.20 m，最大導通高度可達上覆二疊系下統(tǒng)下石盒子組碎屑巖裂隙含水層;4號煤采空后煤層頂板冒落帶高度 5.34 m～10.41 m，導水裂隙帶高度26.73 m～41.85 m，最大導通高度可達上覆二疊系下統(tǒng)下石盒子組碎屑巖裂隙含水層;5號煤采空后煤層頂板冒落帶高度6.91 m～13.41 m，導水裂隙帶高度32.36 m～54.18 m，最大導通高度可達上覆二疊系下統(tǒng)下石盒子組碎屑巖裂隙含水層;6號煤采空后煤層頂板冒落帶高度4.18 m～14.27 m，導水裂隙帶高度43.78 m～58.9 m，最大導通高度可達上覆石炭系上統(tǒng)太原碎屑巖含水層以及K3砂巖含水層;8(8+9)號煤采空后煤層頂板冒落帶高度9.89 m～23.62 m，導水裂隙帶高度46.94 m～81.94 m，最大導通高度可達上覆石炭系上統(tǒng)太原碎屑巖含水層以及K3砂巖含水層;9號煤采空后煤層頂板冒落帶高度7.18 m～24.96 m，導水裂隙帶高度52.17 m～90.91 m，最大導通高度可達上覆石炭系上統(tǒng)太原碎屑巖含水層以及K3砂巖含水層。

綜上所述，碾溝煤礦煤全部開采后，最高導水裂隙帶高度可達二疊系下統(tǒng)下石盒子組碎屑巖含水層。煤系上覆二疊系下統(tǒng)山西組碎屑巖裂隙含水層、石炭系上統(tǒng)太原組碎屑巖裂隙含水層會被導水裂隙帶直接導通，雖然中間夾雜連續(xù)穩(wěn)定的砂質(zhì)泥巖、泥巖，滲透系數(shù)小、隔水性能良好，減小了煤系地層與含水層間的水力聯(lián)系，但由于導水裂隙帶將導通二疊系砂巖層間隔水層，使含水層通過導水裂隙帶與煤系地層發(fā)生水力聯(lián)系，含水層地下水轉(zhuǎn)化為礦井水，通過礦井排水方式排出，對二疊系碎屑巖裂隙含水層破壞嚴重。

雖然最大導水裂隙帶高度不會直接導通上石盒子組中、下段含水層和第四系松散巖類孔隙含水層，但煤層采空后形成的下沉帶會造成地表塌陷，塌陷邊緣往往為水平拉伸變形區(qū)，在水平拉伸變形區(qū)為拉張裂縫發(fā)育密集帶并影響到地表，通過塌陷區(qū)邊緣的拉張裂縫發(fā)育帶，上石盒子組含水層和第四系松散巖類孔隙含水層被全部貫通。換言之，采煤對含水層的破壞及對地下水的疏干影響并不局限于所謂的“兩帶”范圍，最終將破壞并疏干上石盒子組含水層和第四系松散巖類孔隙含水層。

應當指出的是，井田北部的碾底斷層，橫切白石河河谷，斷裂規(guī)模較大，其斷裂帶富水或?qū)阅苌形床槊?，是潛在的白石河地表水向本礦井充水的通道，應留設保安煤柱，并嚴密防范。

［1］ 師幸生.太原市煤礦開采對地下水的影響研究［J］.山西水利科技，2011(2):75－77.

［2］李新旺，關天強，張紅升，等.望田煤礦開采對地下水影響的研究［J］.中國煤炭，2012，38(1):41－44.

［3］徐耀先，楊健.煤礦開采區(qū)地下水環(huán)境影響評價方法與治理研究［J］.環(huán)境科學導刊，2009，28(5):71－74.

Prediction and influence analysis on the overlying aquifer in Yangmei Niangou Mine

WU Xiaoyi

(Shanxi Ecological Environment Research Center，Taiyuan Shanxi 030009，China)

On the analysis of hydrogeology characteristics of Yangmei Niangou mine，the water flowing fractured belt height are predicted.Then this paper studies the influence of the coal mining on the overlying aquifer in the length of service.

mine exploration;overlying aquifer;water flowing fractured zone;cross zone

P64

A

1004－7050(2016)06－0077－03

10.16525/j.cnki.cn14－1109/tq.2016.06.23

2016－08－04

武曉毅，女，1978年出生，2006年畢業(yè)于太原理工大學，研究生，工程師，從事環(huán)評、驗收、水環(huán)境保護研究工作。