榆神礦區(qū)煤炭開采對水資源影響分區(qū)評價(jià)

康 華， 林平選，2

(1. 陜西省水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查中心， 陜西 西安 710068； 2.礦山地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理與防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710054)

1 研究背景

榆神礦區(qū)是國家重點(diǎn)建設(shè)的14個(gè)大型煤炭基地中100余個(gè)礦區(qū)之一，礦區(qū)面積約5 265 km2，已探明煤炭資源儲(chǔ)量733.45×108t，在國家能源戰(zhàn)略中占據(jù)重要地位。然而其地處毛烏素沙漠與黃土高原接壤地帶，生態(tài)環(huán)境脆弱，地下水是水資源的重要組成部分，對經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境有著重要影響。煤炭開采會(huì)改變上覆含水層結(jié)構(gòu)，影響地下水的補(bǔ)、徑、排條件[1-3]。采煤后，地下水的自然流場將發(fā)生改變，水流由開采前的橫向運(yùn)動(dòng)向垂向運(yùn)動(dòng)過渡，礦坑排水導(dǎo)致地下水位下降[4-6]。王蘇健等[7-8]負(fù)責(zé)開展實(shí)施的《陜北神南礦區(qū)煤炭開采對水資源影響評價(jià)》、《神南水文地質(zhì)專項(xiàng)研究》項(xiàng)目研究了水資源受采動(dòng)影響動(dòng)態(tài)變化過程，建立了多重介質(zhì)地下水探查與預(yù)測評價(jià)方法；王雙明等[9]主持的《榆神礦區(qū)三期規(guī)劃區(qū)煤炭開采對水資源影響評價(jià)》項(xiàng)目，通過數(shù)值模擬預(yù)測了礦井涌水量；張茂省等[10]在《干旱半干旱地區(qū)水資源及其環(huán)境問題》專著中，闡述了陜北能源化工基地水資源形成條件和特征，分析了采煤對地下水的響應(yīng)與對策。上述針對本礦區(qū)煤炭開采對水資源影響的研究，缺乏系統(tǒng)性水文地質(zhì)資料支撐，未對影響程度進(jìn)行具體的分級分區(qū)，結(jié)論不易推廣應(yīng)用。

西安地質(zhì)調(diào)查中心[11]完成的《陜北能源化工基地地下水勘查研究》項(xiàng)目，雖將采煤對地下水資源影響程度進(jìn)行了分級，但分級理論依據(jù)不完善，科學(xué)合理評價(jià)煤炭開采對水資源影響對于榆神礦區(qū)后續(xù)煤炭資源規(guī)劃、開發(fā)及水資源與生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要指導(dǎo)意義。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)概況

榆神礦區(qū)地勢總體西北高東南低，西北部為沙漠灘地地貌，東南部為黃土丘陵梁峁地貌，分別占礦區(qū)總面積的81.74%、15.88%。侏羅系中統(tǒng)延安組為榆神礦區(qū)含煤地層，厚度在0～329.69 m之間，總體東薄西厚、北薄南厚，本組煤有20多層，可采煤層1～12層，中上部含煤較好，厚度大，中下部含煤層較薄。

依據(jù)區(qū)域地下水含水介質(zhì)、賦存條件及分布規(guī)律，含水層主要分為新生界松散巖類含水層、中生界基巖含水層以及燒變巖含水層。新生界松散巖類含水層主要包括：風(fēng)積沙層和薩拉烏蘇組潛水含水層以及溝谷沖積層含水層。薩拉烏蘇組與上覆風(fēng)積沙總厚度0～172.10 m，對84個(gè)鉆孔抽水試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)分析可見，含水層厚度即砂層厚度是其富水性強(qiáng)弱的主要因素(表1)。

基巖類含水層包括洛河組、安定組、直羅組和延安組，洛河組含水層僅分布于研究區(qū)西部。風(fēng)積沙層、薩拉烏蘇組潛水含水層和白堊系洛河組含水層與生態(tài)環(huán)境關(guān)系密切，富水性較好，具有集中供水意義，是區(qū)內(nèi)煤炭開采過程中需要保護(hù)的含水層，也是本次影響評價(jià)的目標(biāo)含水層。地下水的補(bǔ)給以大氣降水、側(cè)向徑流、灌溉回歸為主。

表1 鉆孔抽水試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表

3 分區(qū)方法及標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)研究區(qū)煤層賦存情況和導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律，煤炭開采對水資源的影響可分為直接影響和間接影響。在導(dǎo)水裂縫帶揭穿目標(biāo)含水層的區(qū)域?yàn)橹苯佑绊憛^(qū)，含水層地下水將通過導(dǎo)水裂縫帶涌入礦井，涌水量的大小取決于含水層的厚度，厚度越大，涌水量將越大。在導(dǎo)水裂縫帶未揭穿目標(biāo)含水層的區(qū)域?yàn)殚g接影響區(qū)，由于煤炭開采改變了地下水動(dòng)力條件，地下水主要以越流的形式滲入礦井。根據(jù)滲流基本原理，目標(biāo)含水層通過保護(hù)層越流進(jìn)入礦井的水量可用下式表示：

(1)

式中：W為目標(biāo)含水層通過保護(hù)層越流進(jìn)入礦井的水量，m3/d；ΔH為滲透水壓力差，m；M為保護(hù)層厚度，m；K為保護(hù)層滲透系數(shù)，m/d；F為滲透面積，m2；T為滲透時(shí)間，d。

根據(jù)水文地質(zhì)資料，侏羅系承壓水水頭和目標(biāo)含水層水位(或水頭)在天然條件下相差不大，煤炭開采后，侏羅系承壓水水頭最大降至目標(biāo)含水層底板，因此，滲透水壓力差可用潛水含水層的厚度表示。同時(shí)，在區(qū)域上保護(hù)層的巖性組成差異不大，其滲透系數(shù)變化不大。因此，單位時(shí)間單位面積越流進(jìn)入礦井的水量取決于滲透水壓力差與保護(hù)層厚度的比值，這個(gè)比值即為影響系數(shù)，影響系數(shù)越大，則越流量越大。公式如下：

(2)

式中：P為影響系數(shù)；ΔH為滲透水壓力差，m；M為保護(hù)層厚度，m；MJ為煤層上覆基巖厚度，m；h為導(dǎo)水裂隙帶高度，m；Mm為首采煤層厚度，m，當(dāng)Mm>8 m時(shí)，按8 m計(jì)算。

若M<0，即P<0，表明導(dǎo)水裂縫帶揭穿目標(biāo)含水層；M>0，即P>0，表明導(dǎo)水裂縫帶未揭穿目標(biāo)含水層，具體分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

注：H代表含水層厚度。

4 分區(qū)結(jié)果及分析

通過對區(qū)內(nèi)528個(gè)鉆孔保護(hù)層厚度與含水層厚度的統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)一步計(jì)算得到影響系數(shù)，結(jié)合水文地質(zhì)條件、煤層埋藏特征及導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律，將榆神礦區(qū)煤炭開采對水資源影響程度劃分為無水采煤區(qū)、間接影響區(qū)、直接影響區(qū)3大類，并進(jìn)一步劃分成數(shù)個(gè)亞區(qū)(表2，圖1)。

直接影響區(qū)：呈近南北向條帶狀分布于升富煤礦、錦界煤礦、隆德煤礦、大保當(dāng)井田、西灣井田、方家畔煤礦、榆樹灣煤礦、杭來灣煤礦、薛廟灘煤礦及沙炭灣煤礦。由于煤炭開采后，導(dǎo)水裂隙帶揭穿目標(biāo)含水層，各含水層互相貫通，上覆含水層地下水直接滲入礦坑，煤礦排水將引起采區(qū)內(nèi)水位下降，附近村莊人畜飲水受到影響。在據(jù)杭來灣煤礦30102工作面1.2 km處的水位監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，從2015年12月至2017年4月，地下水位下降幅度約2 m。

直接影響區(qū)總面積761 km2，占研究區(qū)總面積的14.45%，煤炭開采對水資源影響明顯。根據(jù)含水層厚度，可劃分出9處直接影響大區(qū)，面積55 km2，占研究區(qū)總面積的1.04%，該區(qū)域砂層厚度大于40 m，意味著可能會(huì)產(chǎn)生較大的礦井涌水量。

間接影響區(qū)：主要分布于三、四期規(guī)劃區(qū)，面積3 668 km2，占研究區(qū)總面積的69.67%。煤炭開采后，目標(biāo)含水層隔水底板有效厚度變小，滲透水壓力差變大，對目標(biāo)含水層的影響主要是以越流形式補(bǔ)給礦井水。根據(jù)影響系數(shù)，可分為間接影響較小、中等和較大3個(gè)亞區(qū)。

間接影響較大區(qū)影響系數(shù)大于1.0，在直接影響區(qū)周邊呈斑塊狀分布于錦界煤礦、隆德煤礦、金雞灘煤礦及惠寶煤礦。本區(qū)錦界煤礦砂層厚度18.4～38.49 m，保護(hù)層厚度4.79～11.05 m，影響系數(shù)1.66～8.04；金雞灘煤礦砂層厚度18.02～54.21 m，保護(hù)層厚度5.08～26.82 m，影響系數(shù)1.00～9.29；隆德煤礦砂層厚度33.06～41.5 m，保護(hù)層厚度27.44～30.26 m，影響系數(shù)1.2～1.37。該區(qū)總面積127 km2，占研究區(qū)總面積的2.42%。

間接影響中等區(qū)影響系數(shù)為0.5～1.0，主要分布于爾林灘二號(hào)井田大部、孟家灣二、三號(hào)井田、爾林灘一號(hào)井田、爾林兔三、六號(hào)井田局部及隆德煤礦中部，其中，爾林灘一號(hào)、二號(hào)井田區(qū)砂層厚度普遍大于100 m，最高可達(dá)172 m，在全區(qū)范圍內(nèi)都處于較大值，然而該區(qū)保護(hù)層厚度亦較厚，普遍大于200 m，最高可達(dá)235 m，使得煤炭開采對水資源造成的影響并非特別顯著。總體來看，間接影響中等區(qū)較間接影響較大區(qū)保護(hù)層厚度增厚，均在100 m以上，該區(qū)總面積423 km2，占研究區(qū)總面積的8.03%。

圖1 影響程度分區(qū)圖

間接影響較小區(qū)影響系數(shù)為0～0.5，砂層厚度相對較小，保護(hù)層厚度較大，煤炭開采對目標(biāo)含水層影響較小，該區(qū)在研究區(qū)中、西部廣泛分布，面積3 118 km2，占總面積的59.22%。

無水采煤區(qū)：分布于研究區(qū)東部、北部黃土梁峁地帶，煤層上覆地層巖性以黃土、粉土、粉質(zhì)黏土為主，據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)資料，統(tǒng)降單位涌水量約0.02～0.05 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.10～0.90 m/d，屬弱富水-貧水區(qū)，不具有集中供水意義，且水位埋深大于25 m，煤炭開采對水資源和生態(tài)影響輕微。該區(qū)總面積836 km2，占研究區(qū)總面積的15.88%。

綜上分區(qū)結(jié)果，直接影響區(qū)及間接影響較大區(qū)主要分布于升富煤礦、錦界煤礦、隆德煤礦、榆樹灣煤礦、杭來灣煤礦、大保當(dāng)煤礦、金雞灘煤礦等，據(jù)收集資料，錦界煤礦位于青草界溝，具有有利的匯水條件，溝北砂層厚度最大可達(dá)70 m，保護(hù)層厚度小，約4.79～11.05 m，實(shí)測礦井涌水量95 952 m3/d；隆德煤礦、榆樹灣煤礦、杭來灣煤礦、金雞灘煤礦實(shí)測涌水量分別為24 000、 13 340、 12 672、12 493 m3/d。位于內(nèi)蒙的母杜柴登井田、巴彥高勒井田及紅柳林煤礦與本次研究區(qū)的間接影響中等區(qū)毗連，其實(shí)測礦井涌水量分別為27 576、48 000、22 814 m3/d。涌水量較大的煤礦，也正是本次研究區(qū)的直接影響區(qū)、間接影響較大區(qū)及中等區(qū)范圍所在。由此可見，本次評價(jià)真實(shí)有效地反映了煤炭開采對水資源影響程度的大小、分區(qū)方法及標(biāo)準(zhǔn)正確可行。該方法對地質(zhì)、水文地質(zhì)條件相似區(qū)域具有借鑒意義。

5 結(jié) 論

(1)直接影響區(qū)呈近南北向條帶狀展布于升富煤礦至沙炭灣煤礦，面積761 km2，占總面積的14.45%；間接影響較大區(qū)在直接影響區(qū)周邊呈斑塊狀分布，面積127 km2，占總面積的2.42%，直接影響區(qū)及間接影響較大區(qū)涵蓋的煤礦主要有升富煤礦、錦界煤礦、隆德煤礦、榆樹灣煤礦、杭來灣煤礦、大保當(dāng)煤礦、金雞灘煤礦等；間接影響中等區(qū)及較小區(qū)在三、四期規(guī)劃區(qū)廣泛分布，面積分別為423、3 118 km2，占總面積的8.03%、59.22%；無水采煤區(qū)分布于研究區(qū)東部、北部黃土梁峁地帶，面積836 km2，占總面積的15.88%。

(2)首次利用滲流基本原理，推導(dǎo)得出榆神礦區(qū)煤炭開采對水資源的影響系數(shù)計(jì)算公式，提出影響程度分區(qū)方法及標(biāo)準(zhǔn)，煤礦涌水實(shí)測數(shù)據(jù)表明該方法及標(biāo)準(zhǔn)正確可行，對水文地質(zhì)條件相似區(qū)域具有借鑒意義。

6 煤炭開采區(qū)的水資源保護(hù)建議

(1)制定區(qū)域地下水資源保護(hù)-煤炭開采規(guī)劃。在區(qū)域性煤炭工業(yè)大規(guī)劃的框架下，合理布排煤炭開發(fā)格局、開采次序，適時(shí)調(diào)整開發(fā)規(guī)劃，選擇科學(xué)合理的開采方法，將地下水資源開發(fā)與煤炭資源開采相結(jié)合[12]。礦井排水應(yīng)集中統(tǒng)一處理，作為工業(yè)供水和農(nóng)業(yè)用水水源，減少地下水和地表水的開采利用量[13-14]。

(2)大力推廣保水采煤技術(shù)。根據(jù)煤層賦存特征、含水層特征和地表生態(tài)特征，大力推廣保水采煤技術(shù)，達(dá)到避免或減少采煤對含水層的影響[15]。

(3)建設(shè)應(yīng)急后備水源。利用煤炭開采形成的采空區(qū)巖體空隙儲(chǔ)水，將安全煤柱用人工壩體連接形成水庫壩體，充分利用采空區(qū)矸石對礦井水的自然凈化作用，建設(shè)煤礦地下水庫[16-17]。