杭來(lái)灣煤礦301盤(pán)區(qū)分層限高開(kāi)采對(duì)松散層潛水的影響

張博龍

(陜西有色榆林煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

隨著近年來(lái)國(guó)家煤炭資源整合和去產(chǎn)能工作的持續(xù)進(jìn)行，國(guó)家加大決心淘汰小型煤礦和產(chǎn)能落后煤礦，安全、高效、機(jī)械化程度高的大型礦井優(yōu)勢(shì)明顯，陜北作為國(guó)家重要的能源重化工基地，在區(qū)域經(jīng)濟(jì)繁榮和發(fā)展中發(fā)揮著舉足輕重的作用。近年來(lái)陜北地區(qū)采礦活動(dòng)引起的環(huán)境問(wèn)題日益凸顯，特別是不加約束的高強(qiáng)度開(kāi)采，勢(shì)必造成采空區(qū)范圍內(nèi)生態(tài)水位下降、水井干涸、河水?dāng)嗔?、植被大面積枯死、水土流失、土地沙化等一系列生態(tài)問(wèn)題，導(dǎo)致原本生態(tài)脆弱的陜北風(fēng)沙灘地區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化，造成的影響和破壞短時(shí)間內(nèi)無(wú)法恢復(fù)和消除[1-2]。未來(lái)如何實(shí)現(xiàn)煤炭資源開(kāi)發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)煤炭資源綠色開(kāi)采，將是陜北生態(tài)脆弱區(qū)亟待解決的問(wèn)題[3-5]。

以杭來(lái)灣煤礦301盤(pán)區(qū)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)礦井生產(chǎn)過(guò)程中采空區(qū)地表沉陷監(jiān)測(cè)、采空區(qū)松散層潛水水位變化、采空區(qū)植被和農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況等這些直接和生態(tài)水位密切相關(guān)的指示因素進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)和對(duì)比分析，驗(yàn)證了杭來(lái)灣煤礦采用分層限高開(kāi)采的方法，可有效避免煤層開(kāi)采形成的冒裂帶破壞離石組黃土隔水層造成第四系松散層潛水下滲，將生態(tài)水位控制在合理范圍內(nèi)，從而保護(hù)了該區(qū)域第四系松散含水層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，達(dá)到保水采煤的目的。

1 礦井概況

杭來(lái)灣煤礦位于陜北侏羅紀(jì)煤田榆神礦區(qū)一期規(guī)劃區(qū)西南部，是陜西有色榆林新材料循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園的配套礦井，井田東西走向長(zhǎng)約12.0 km，南北傾向?qū)捈s7.7 km，面積90.364 km2；井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，煤層傾角0.5°左右，煤層賦存穩(wěn)定；礦井資源儲(chǔ)量1 300.28 Mt，可采儲(chǔ)量729.74 Mt，礦井核定生產(chǎn)能力8.00 Mt/a，服務(wù)年限67.9 a。

杭來(lái)灣煤礦301盤(pán)區(qū)位于整個(gè)井田的東北部，盤(pán)區(qū)3#煤可采厚度8.27～10.41 m，平均9.13 m，采用限高分層長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤法，首先開(kāi)采3#煤上分層，采高限制為5 m，全部垮落法管理頂板。301盤(pán)區(qū)由東向西布置有10個(gè)綜采工作面(30101—30110工作面)，已開(kāi)采的30102工作面走向長(zhǎng)度平均4 313.3 m，傾向長(zhǎng)度平均299.1 m。

2 礦井地質(zhì)及水文地質(zhì)特征

2.1 含水層

第四系薩拉烏蘇組松散層含水巖組：含水層巖性主要為第四系細(xì)砂層、黃土層孔隙發(fā)育帶，弱-中等富水性。經(jīng)物探揭露結(jié)合水文地質(zhì)資料，勘查區(qū)內(nèi)松散層穩(wěn)定水位深度為2.90～18.35 m，穩(wěn)定水位標(biāo)高1 231.72～1 263.37 m，屬潛水類型，主要為大氣降水、區(qū)域性側(cè)向補(bǔ)給及沙漠凝結(jié)水補(bǔ)給，受降雨影響，區(qū)域內(nèi)地下水位年變幅為1.0～3.0 m。

侏羅系中統(tǒng)直羅組、侏羅系中統(tǒng)延安組砂巖承壓含水巖組：主要含水層為基巖風(fēng)化帶裂隙含水層，巖性一般為中粗砂巖。經(jīng)物探揭示及區(qū)域水文地質(zhì)資料，侏羅系中統(tǒng)基巖承壓含水層穩(wěn)定水位深度為3.98～28.32 m，穩(wěn)定標(biāo)高1 243.31～1 262.01 m，屬碎屑巖類裂隙承壓水類型，在基巖露頭處大氣降水補(bǔ)給、含水層之間的垂向滲透補(bǔ)給以及同一含水層沿地層傾向的補(bǔ)給。

第四系薩拉烏蘇組松散層潛水一方面接受大氣降水的補(bǔ)給，另一方面通過(guò)垂直下滲作用，間接補(bǔ)給風(fēng)化巖孔隙裂隙承壓水，侏羅系中統(tǒng)直羅組、延安組風(fēng)化巖孔隙裂隙承壓水通過(guò)頂板垮落形成的導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入采空區(qū)，是礦井的直接充水水源。

2.2 隔水層

在松散層段，隔水層為第四系黃土，巖性為粉質(zhì)粘土及粉砂質(zhì)粘土，含灰白色不規(guī)則豆?fàn)?、顆粒狀鈣質(zhì)結(jié)核。系新生界第四系與中生界侏羅系基巖之間隔水層；在基巖段，隔水層主要由侏羅紀(jì)中統(tǒng)直羅組和延安組泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及粉細(xì)砂巖等組成。埋藏較深時(shí)在含水層之間起到較好的隔水作用，但在煤層開(kāi)采后形成的導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)的泥巖和粉砂質(zhì)泥巖減弱或失去隔水性能；在煤系中，隔水層為厚度較大且連續(xù)分布的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及粉砂巖等，為層間裂隙承壓水的隔水層，與含水層相間分布，厚度一般為10～40 m。井田隔水層分布如圖1所示。

杭來(lái)灣井田煤層埋藏深度適中，富水性極強(qiáng)的第四系松散層潛水主要分布在井田東北部的沙漠灘地區(qū)，從隔水層分布圖可以看出，相對(duì)隔水層在全井田范圍內(nèi)分布較廣，隔水層直接阻斷和減弱了富水性強(qiáng)的第四系薩拉烏蘇組潛水對(duì)下部基巖含水層的垂向補(bǔ)給；另外下部基巖中層狀分布的泥巖、砂質(zhì)泥巖等，在一定程度上減弱了含水層之間的相互補(bǔ)給，也是較好的隔水層。

3 開(kāi)采對(duì)松散層潛水的影響

陜北沙漠灘地區(qū)域生態(tài)脆弱、水資源相對(duì)匱乏，植物的生存條件跟生態(tài)水位密切相關(guān)。對(duì)榆神礦區(qū)沙漠灘地區(qū)的研究表明：最適合沙漠地區(qū)植被和農(nóng)作物生長(zhǎng)的地下水位埋深，即合理生態(tài)地下水位埋深為1.5～5.0 m；地下水位埋深≥5 m時(shí)，植被的長(zhǎng)勢(shì)變差；地下水位埋深≥12 m時(shí)，植被和農(nóng)作物大面積枯死，沙漠化程度進(jìn)一步加劇[6]。

圖1 杭來(lái)灣井田隔水層分布

3.1 采空區(qū)地下水水位及民用水井調(diào)查

采煤造成的地表沉陷和冒裂帶是影響松散層潛水水位變化的主要原因，而松散層潛水水位的變化，又是影響生態(tài)水位變化的重要因素。根據(jù)杭來(lái)灣煤礦301盤(pán)區(qū)綜采工作面上方3個(gè)松散層潛水水位觀測(cè)孔的長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)(其中1#、2#觀測(cè)點(diǎn)位于采空區(qū)，3#觀測(cè)點(diǎn)作為參照點(diǎn)位于未采區(qū))，分別記錄各觀測(cè)點(diǎn)回采前3個(gè)月到回采后半年內(nèi)的水位變化情況，從得到的水位變化曲線(圖2)可以看出：位于采空區(qū)的1#、2#觀測(cè)點(diǎn)水位在回采前普遍出現(xiàn)了一定幅度的下降，回采完成后有了較大幅度的下降，考慮到采空區(qū)地表沉陷后逐漸穩(wěn)定和壓實(shí)，1#、2#觀測(cè)點(diǎn)水位在回采完成半年內(nèi)有了較小幅度的回升，位于未采區(qū)的3#觀測(cè)點(diǎn)受豐水期到枯水期的交替影響，水位僅出現(xiàn)小幅度變化。由于采煤造成的地表變形下沉(最大下沉量為2.5 m)，對(duì)水位埋深會(huì)產(chǎn)生較大影響，在考慮地表沉陷的前提下，實(shí)測(cè)的相對(duì)水位下降幅度為2.5～4.9 m，絕對(duì)水位下降幅度達(dá)到5～6.4 m；通過(guò)后期的跟蹤觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，1#和2#觀測(cè)點(diǎn)水位經(jīng)過(guò)一定幅度的下降后，含水層在地表沉陷不斷壓實(shí)的過(guò)程中達(dá)到了新的平衡，水位變化逐漸趨于穩(wěn)定。

圖2 301盤(pán)區(qū)松散層潛水水位變化圖

對(duì)采空區(qū)范圍內(nèi)民井的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，開(kāi)采造成的采空區(qū)地表變形和沉陷是第四系松散層潛水水位下降的直接原因，采空區(qū)沉陷和變形雖然沒(méi)有嚴(yán)重破壞松散層潛水含水層的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，但是由于侏羅系中統(tǒng)基巖承壓水幾乎被疏干，含水層之間的水力平衡被打破，引起第四系松散層潛水的垂直入滲量的增加，在補(bǔ)給量保持穩(wěn)定的情況下，位于采空區(qū)的大部分民井水位都出現(xiàn)了一定程度的降低，除個(gè)別民井由于深度較淺集水程度有限，采空區(qū)沉陷后出現(xiàn)了出水困難或干枯現(xiàn)象，大部分民井原有的使用功能未受到較大影響。

3.2 采空區(qū)地表水體調(diào)查

經(jīng)過(guò)野外調(diào)查在30102工作面采空區(qū)上方有兩個(gè)村民自建的魚(yú)塘，占地面積分別為1 138 m2和1 103 m2，如圖3所示。從30102工作面回采完成后一直存在至今，通過(guò)向村民了解得知，該魚(yú)塘底部并未進(jìn)行防水處理，魚(yú)塘中的水存在自然下滲和橫向補(bǔ)給現(xiàn)象，因此魚(yú)塘需要定期進(jìn)行蓄水，據(jù)調(diào)查30102工作面回采后并未發(fā)現(xiàn)魚(yú)塘水位明顯下降，蓄水次數(shù)也沒(méi)有因工作面回采而變得頻繁。

在實(shí)際觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)，受地表水的橫向補(bǔ)給和地形因素的影響，魚(yú)塘附近和地形低洼區(qū)域潛水位埋藏深度較淺，該區(qū)域經(jīng)過(guò)采空區(qū)地表沉陷后，潛水位被抬升至地表，在小范圍內(nèi)形成積水區(qū)，可見(jiàn)地表沉陷未嚴(yán)重破壞第四系松散層潛水層導(dǎo)致魚(yú)塘水向下滲漏，因此開(kāi)采未對(duì)生態(tài)水位產(chǎn)生較大影響。

圖3 30102工作面采空區(qū)上部魚(yú)塘

3.3 采空區(qū)和未采區(qū)植被及農(nóng)作物生長(zhǎng)情況

通過(guò)對(duì)煤礦采空區(qū)和采空區(qū)塌陷影響半徑以外的未采區(qū)地表典型植被和農(nóng)作物的長(zhǎng)勢(shì)情況進(jìn)行調(diào)查，如圖4、圖5。典型植被和農(nóng)作物的長(zhǎng)勢(shì)情況良好，并未出現(xiàn)明顯差異，可見(jiàn)采空區(qū)和未采區(qū)的生態(tài)水位均保持在植被和農(nóng)作物正常生長(zhǎng)的范圍之內(nèi)，而采煤造成的地表沉陷和地表裂縫雖在一定程度上引起區(qū)域生態(tài)水位的下降，但未突破植被和農(nóng)作物的生長(zhǎng)極限，植被的生存環(huán)境未發(fā)生根本性變化。

圖4 未采區(qū)植被及農(nóng)作物情況

圖5 采空區(qū)植被及農(nóng)作物情況

4 結(jié)論

(1)采煤引起的地表沉陷雖然導(dǎo)致第四系松散層潛水位的下降，但是未完全導(dǎo)通午城組和離石組隔水層，第四系松散層潛水含水層的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)完整性未受到破壞。

(2)采空區(qū)松散層潛水水位雖然有一定幅度下降，但仍在植被和農(nóng)作物正常生存范圍內(nèi)，未造成采空區(qū)范圍內(nèi)水井干涸、河水?dāng)嗔?、植物大面積枯死、水土流失和土地沙漠化等生態(tài)問(wèn)題。

(3)杭來(lái)灣煤礦在特厚煤層分層限高開(kāi)采條件下，實(shí)現(xiàn)了煤炭資源開(kāi)采與生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展的目標(biāo)，達(dá)到了保水采煤的目的。