煤礦開采沉陷地表積水預測

譚洪偉

（中煤科工集團北京華宇工程有限公司北京100120）

煤礦開采沉陷地表積水預測

譚洪偉

（中煤科工集團北京華宇工程有限公司北京100120）

煤礦井采后地表積水區(qū)分布預測和治理方案規(guī)劃在大部分井工煤礦項目環(huán)評和土地復墾方案編制時會涉及，這是現代化井工煤礦建設前期工作需要思考的問題。就井工煤礦開采沉陷后地表積水預測，文章通過沉陷后地形、地表水水量平衡的角度進行分析，為井工煤礦地表積水區(qū)分布預測提供一定參考。

煤礦；沉陷區(qū)；地表積水預測

煤炭是我國重要的能源，開采歷史久遠，隨著采煤技術和裝備的革新，現代化的大型礦井應運而生，產能從幾百萬至幾千萬噸不等。煤炭井采后會引起地表沉陷，并可能形成地表積水，造成土地受淹和鹽堿化[1]，在高潛水位地區(qū)，沉陷區(qū)地表積水尤為明顯[2-4]。消除沉陷區(qū)地表積水影響、修復沉陷區(qū)生態(tài)環(huán)境成為煤炭開采中面臨的重要生態(tài)問題，也是現代化煤礦建設前期工作需要思考的問題。

煤礦井采后，不是所有的沉陷區(qū)地表都會受積水影響，眾多研究人員對沉陷區(qū)地表積水機理和計算模型進行了研究和分析[1，4-7]。文章提出通過沉陷后地形初步分析和地表水水量平衡深入分析的方式，判斷沉陷區(qū)地表是否受到積水影響。

1　積水區(qū)預測初判

積水區(qū)初判主要是對沉陷后的地形情況進行分析，判別沉陷區(qū)地表是否形成凹地。若沉陷后地面沒有形成明顯的凹地，則不會有積水區(qū)形成；反之，若沉陷后地面形成有明顯的凹地，則該區(qū)域可能會有積水區(qū)形成。其主要原因在于，沉陷區(qū)積水需要有一地形條件，即可以蓄集水量的凹地，若沒有可以積水的凹地，沉陷區(qū)內的地表水都會以地表徑流的方式流向下游，而不在沉陷區(qū)內蓄積。

沉陷后地面不會形成明顯的凹地的情況一般在沉陷前地形坡度較大的區(qū)域，如丘陵坡地，沉陷后地形的坡向較沉陷前沒有明顯改變，僅坡度產生了變化；而沉陷后地表容易形成凹地的情況一般在沉陷前地形坡度較小的區(qū)域，如丘陵緩坡區(qū)、平原區(qū)，沉陷后地形的坡向較沉陷前會發(fā)生改變。

判別沉陷區(qū)是否形成凹地，主要利用開采沉陷軟件按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》、結合煤礦開拓布置、地質情況計算開采沉陷等值線圖，再通過軟件將開采前地形與開采沉陷等值線圖疊加后生成沉陷后地形進行分析。

2　積水區(qū)預測深入分析

當沉陷區(qū)地面形成凹地條件時，就需通過進一步分析，預測是否形成積水區(qū)，主要通過對區(qū)域的地表水水量平衡進行分析。

△E=I-Q

式中：△E為某時段內的水量平衡差，I、Q分別為某時段內的地表水補給量和排泄量。

在不考慮人為因素的情況下，沉陷區(qū)地表水補給量主要是大氣降水、河川徑流和地下水補給，排泄量主要是河流排放、蒸發(fā)量、地表水滲漏。水量補給量和排泄量需根據當地的水文地質資料進行分析確定，水量平衡關系如圖1所示。

圖1　水量平衡關系圖

2.1補給項對沉陷區(qū)積水的影響

2.1.1大氣降水

當雨水降落地表后，一部分下滲轉變?yōu)榈叵滤?，一部分形成地面徑流，最終都流向流域的最低處。但也不是所有的降水都會形成地表徑流，徑流的產生與暴雨強度、下墊面情況密切相關，根據徑流產生情況，可以分為“超滲產流”和“蓄滿產流”[8]。

若降水會形成地面徑流，則地面徑流會逐漸在流域的最低處匯集，并在地表形成積水區(qū)；若降水不會形成地面徑流，降水轉變?yōu)榈叵滤?，則需要分析其他補給項后確定是否存在地表積水。

2.1.2河川徑流

河川徑流是沉陷區(qū)重要的補給項，尤其對于臨河煤礦或者礦田內有河流穿過的煤礦，由于開采沉陷造成地表變化，改變河流走向，河川徑流在沉陷區(qū)的最低處蓄積并形成水面。

當有河川徑流匯入沉陷區(qū)時，則地表會形成積水區(qū)，反之，若無河川徑流匯入沉陷區(qū)，則需分析其他補給項確定是否存在地表積水。

2.1.3地下水補給

一般地，當潛水水位較高，使得潛水水位高于沉陷后地面標高，則潛水會轉變?yōu)榈乇硭?，地表形成積水區(qū)；反之，若流域內潛水水位較低，不超過沉陷后地面標高，無地下水轉變?yōu)榈乇硭?，則需分析其他補給項確定是否存在地表積水。

2.2排泄項對沉陷區(qū)積水的影響

2.2.1河流排放

一般而言，河流排放只有在積水區(qū)水面達到沉陷區(qū)邊界最低點高程時才會形成，其僅能控制積水面積不會超過河流水面水位高程一致的等高線合圍的區(qū)域，其猶如木桶的“短板效應”一樣。這也進一步說明，沉陷區(qū)形成凹地是積水的前提條件。

2.2.2蒸發(fā)量

蒸發(fā)量與當地的氣候條件、積水區(qū)水面密切相關，屬于一個變化量，只有當形成積水水面時，蒸發(fā)量才納入水量平衡中考慮，并隨著水面大小的變化而變化。

2.2.3地表水滲漏

地表水是否產生滲漏與潛水水位、地表水水位相關，當地表水水位高于潛水水位時，表現為地表水向地下水補給，產生滲漏；當地表水水位低于潛水水位時，表現為地下水向地表水補給，不會地表水產生滲漏；當兩者水位一致時，則地表水與地下水不形成轉換，也不產生地表水滲漏。

2.3積水區(qū)面積確定

通過分析確定的沉陷區(qū)地表水補給量和排泄量，由水量平衡公式計算出某時段沉陷區(qū)地表水的水量平衡差后。積水區(qū)面積可通過繪制沉陷區(qū)“庫容-面積-高程曲線”的方式求得，某時段內的積水區(qū)庫容與地表水的水量平衡差一致。

2.4水量平衡分析結論

在水量平衡中，地表水的補充量是沉陷區(qū)是否積水的關鍵因素，當沉陷區(qū)地表水有補給量時，才會有積水區(qū)形成。地表水排泄量對積水區(qū)的影響主要是控制積水區(qū)存在的時段，當沉陷區(qū)有積水形成時，若某時段分析的排泄量小于補給量，則形成永久性積水區(qū)，且積水區(qū)會逐漸擴大，并在某一時段達到水量平衡，即排泄量等于補給量；若分析的排泄量大于補給量，形成的積水區(qū)會逐漸變小，甚至干枯露出地表，并在某一時段達到水量平衡，如新疆部分地區(qū)，由于地下潛水水位較低，某次降雨徑流或溶雪性洪水，在凹地內形成積水區(qū)，并在之后的一段時間內由于積水蒸發(fā)、下滲，在地表形成“白板地”。從水量平衡的角度而言，排泄量總體上與補給量是平衡的。

3　結語

綜上所述，沉陷區(qū)地表積水受沉陷后地形、地表水補給量共同影響，當沉陷后地表存在凹地且地表水存在補給量，則會形成積水區(qū)，反之，若不具備以上兩個條件，則不會形成積水區(qū)。在分析沉陷后地表是否積水時，可先通過分析沉陷后地形情況，再分析沉陷區(qū)地表水補給量的方式進行判斷。

從水量平衡的角度分析，沉陷區(qū)有積水形成時，在一個水文周期內，當沉陷區(qū)的補給量大于或等于排泄量，則積水區(qū)永久性積水區(qū)；反之，若沉陷區(qū)的補給量小于排泄量，則積水區(qū)為臨時性積水區(qū)。

需要說明的是，由于煤礦建設前期獲得的水文地質資料是煤礦開采沉陷前的數據，在進行地下水水位分析時，應該充分考慮沉陷導致地下水水位的變化和導水裂隙帶高度對潛水水位的影響。

[1]李建新,王來貴.地下開礦引起地表積水機理初探.中國科技論文在線.http://www.paper.edu.cn.

[2]葛中華,沈文.高潛水平原煤礦沉陷積水區(qū)治理研究.煤炭學報[J].1994（4）.19（2）：182-187.

[3]渠俊峰,李鋼,張紹良.高潛水水位采煤沉陷區(qū)復墾與濕地生態(tài)保護.中國水土保持[J].2014（1）：37-39.

[4]陸垂裕,陸春輝,李慧,等.淮南采煤沉陷區(qū)積水過程地下水作用機制.農業(yè)工程學報[J].2015（5）31（10）:122-130.

[5]郝英臣,龔斌,等.礦區(qū)淺層地下水污染機理探討.中國安全科學學報[J].2007（5）17（5）：5-8.

[6]余洋,葉珊珊，陳超,等.采煤沉陷盆地的積水承載力研究.西南大學學報:自然科學版[J].2015（10）37（10）:183-188.

[7]何強,吳侃,許冬.平原地區(qū)采煤沉陷積水計算模型構建與影響分析.金屬礦山[J].2015（3）465：173-177.

[8]劉俊民,余新曉.水文與水資源學[M].北京:中國林業(yè)出版社, 1999.

譚洪偉（1981—），男，本科，工程師，主要從事水土保持方案編制及生態(tài)恢復治理工作。