富源縣阿令德煤礦開采對地下水環(huán)境的影響分析

江建明

摘要：本文對富源縣阿令德煤礦的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行了分析，明確認(rèn)識了礦區(qū)的水文地質(zhì)特征。依據(jù)礦床充水因素，包括含水層及斷層的分析，利用水文地質(zhì)比擬法及大井法分別預(yù)測了礦坑涌水量并進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，兩種方法均可以較好地預(yù)測礦坑涌水量，大井法可計(jì)算地下水水位影響范圍，體現(xiàn)了其在地下水環(huán)境影響評價(jià)過程中的重要性和優(yōu)越性。可為礦山設(shè)計(jì)部門制定一系列排水措施提供可靠依據(jù)。

Abstract： This paper analyzes the geological structure of the Arende Coal Mine in Fuyuan County and clearly understands the hydrogeological characteristics of the mining area. According to the water-filling factors of the deposit， including the analysis of aquifers and faults， the hydrogeological comparison method and the large well method were used to predict the water inflow of the pits and compare them. The results show that both methods can better predict the amount of water influx in the mine. The large well method can calculate the influence range of groundwater level， which reflects its importance and superiority in the process of groundwater environmental impact assessment. It can provide a reliable basis for the mine design department to develop a series of drainage measures.

關(guān)鍵詞：地質(zhì)構(gòu)造;比擬法;大井法;礦坑涌水量;影響分析

Key words： geological structure;comparison method;large well method;mine water inflow;impact analysis

中圖分類號：TD82;X824.03 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）01-0079-04

0 ?引言

礦坑涌水量是指在礦山開拓與開采過程中，單位時(shí)間內(nèi)涌入礦坑（包括井、巷和開采系統(tǒng)）的水量[1]。礦坑涌水量預(yù)測是一項(xiàng)重要而復(fù)雜的工作，是礦床水文地質(zhì)勘探的重要組成部分。其主要任務(wù)是：預(yù)測礦井水疏降至一定標(biāo)高后，在正常補(bǔ)給條件下的相對穩(wěn)定的礦坑正常涌水量，預(yù)測不利條件下，如受降雨影響的礦區(qū)，在豐水年雨季時(shí)或者甚至遭受特大暴雨補(bǔ)給時(shí)，礦坑的涌水量，即最大礦坑涌水量，為礦山設(shè)計(jì)、開采部門提供礦山排水設(shè)計(jì)依據(jù);預(yù)測枯水年代時(shí)的最小可能涌水量（簡稱最小涌水量），為利用礦坑水提供水量下限;預(yù)測正常補(bǔ)給條件下在給定疏干時(shí)間內(nèi)將礦坑水疏降到一定標(biāo)高時(shí)的疏干涌水量，為礦山基建、生產(chǎn)部門提供參考依據(jù)[2]。目前，國內(nèi)外礦井涌水量的具體預(yù)測方法大致可分為兩大類[3]：第一類為確定性分析方法;第二類為不確定性分析方法，也稱為統(tǒng)計(jì)分析方法。確定性分析方法中包括解析法[4-5]、水均衡法和數(shù)值法[6-7]。非確定性分析方法主要包括水文地質(zhì)比擬法[6]、回歸分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[8]、時(shí)間序列法[9]等。

本文以富源縣阿令德煤礦為例，在研究區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，根據(jù)水文地質(zhì)比擬法、解析法中最為常見的大井法進(jìn)行礦坑涌水量預(yù)測，并分析礦區(qū)開采對周圍環(huán)境的影響。

1 ?研究區(qū)概況

富源縣阿令德煤礦二號井位于曲靖市富源縣墨紅鎮(zhèn)境內(nèi)。地理坐標(biāo)東經(jīng)104°12′52″～104°13′35″，北緯25°26′35″～25°27′37″。礦區(qū)面積：1.248km2，開采標(biāo)高：1820m～1360m，生產(chǎn)規(guī)模15萬t/a。

2 ?區(qū)域水文地質(zhì)條件

2.1 地層巖性及富水性

根據(jù)巖性、巖相的組合特征及富水性，將礦區(qū)內(nèi)各含、隔水層自上而下分述如下：

2.1.1 第四系（Q）孔隙弱含水層

零星分布于礦區(qū)西北部。主要由黃褐色、紫紅色松散的亞粘土、砂石、碎塊等殘坡積物為主，次為洪沖積物，地滑堆積物及人工堆積物。結(jié)構(gòu)松散，厚度0～9m。富水性受季節(jié)變化影響較大，且因區(qū)內(nèi)地形陡峻，溝谷沖刷作用強(qiáng)烈，地下水補(bǔ)給條件較差，含水層富水性弱，對礦床充水無直接影響。

2.1.2 三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組第二、三段（T1f2-3）碎屑巖裂隙含水層

為紫紅色、紫灰色、紫色粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖組成，總厚290m，表層風(fēng)化破碎強(qiáng)烈，風(fēng)化裂隙發(fā)育，含風(fēng)化裂隙水，礦區(qū)內(nèi)無泉點(diǎn)出露。本段主要含淺部風(fēng)化裂隙水，富水性弱，為裂隙弱含水層。距含煤地層較遠(yuǎn)，且有T1f1、T1k等數(shù)個(gè)相對含、隔水層相隔，對礦床充水無直接影響。

2.1.3 三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組第一段（T1f1）相對隔水層

為粉砂巖、泥巖夾細(xì)砂巖組成，厚度130m，地表裂隙不發(fā)育，為卡以頭組以上的隔水層，對礦床開采有一定的隔水作用。地面少見泉點(diǎn)出露，只在該組砂巖的底部層面，有個(gè)別季節(jié)性的散狀滲出水，流量甚微，為相對隔水層。

2.1.4 三疊系下統(tǒng)卡以頭組（T1k）碎屑巖裂隙弱含水層

為黃綠色泥質(zhì)粉砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖等，厚度100m，裂隙發(fā)育，接受降雨補(bǔ)給，常見裂隙水下降泉出露。滲透系數(shù)0.001267～0.00245m/d，平均0.002044 m/d。水化學(xué)類型屬HCO3-～（K++Na+）·Ca2+型水。在該組底部常有5～10m灰綠色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖組成相對隔水層，自然條件下與煤系無水力聯(lián)系，但下部為含煤地層，當(dāng)大面積回采后，形成冒落裂隙帶時(shí)，將溝通該含水層對礦坑充水，故屬頂板間接充水含水層，對礦井充水有間接影響。

2.1.5 二疊系上統(tǒng)長興、龍?zhí)督M碎屑巖裂隙弱含水層

長興組（P3c）：為黃灰、灰色粉砂質(zhì)泥巖，泥巖夾菱鐵質(zhì)粉砂巖及煤層煤線，厚86m，裂隙發(fā)育，含裂隙水，礦區(qū)內(nèi)無泉點(diǎn)出露。是礦床開采的主要充水含水層，以裂隙水為主，對礦床開采充水有直接和間接的影響。

龍?zhí)督M（P3l），為灰、淺灰色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖夾粉砂巖、細(xì)砂巖、菱鐵礦和煤層等，地層厚166m，裂隙發(fā)育，受煤層頂板裂隙水影響，含裂隙水，富水性弱，是礦床充水的主要含水層，以裂隙水充水為主。含水層靜止水位標(biāo)高1956.10～2173.21m，平均標(biāo)高2052.98 m。單位涌水量0.001516～0.00213L/s·m。滲透系數(shù)0.001076～0.001309m/d，平均0.001009m/d。富水性弱，屬含隔水相間的弱裂隙含水層。水化學(xué)類型屬HCO3-—（K++Na+）型水。該層為礦坑直接充水的弱裂隙含水層，對礦井充水有直接影響。

2.2 斷層水文地質(zhì)特征

礦區(qū)位于恩洪礦區(qū)中段西側(cè)的富源—彌勒斷裂帶東緣，區(qū)內(nèi)構(gòu)造線形態(tài)總體呈北北東—南南西向展布。本礦區(qū)總體為一單斜構(gòu)造，地層走向近南北向，傾向東，傾角19～40°，一般傾角25°左右，區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)3條斷距較大的斷層，各斷層的水文地質(zhì)特征及其對礦床開采的影響如下：

①F4正斷層：位于礦區(qū)西部邊緣地帶，走向北西，傾向西，傾角68～75°，斷距均在10m～20m間，為張扭性正斷層，斷層破碎帶寬約2.0m，充填物主要為泥巖、粉砂巖碎塊及煤屑，膠結(jié)較致密，破碎帶附近5m范圍內(nèi)巖層裂隙稍發(fā)育。據(jù)主井、副井、風(fēng)井巷道揭露，斷層影響帶有淋水、滴水現(xiàn)象，初始涌水量約0.6～1.3L/s，之后又趨于平穩(wěn)，雨季時(shí)有加強(qiáng)，現(xiàn)正常涌水量為0.5～0.9L/s。斷層影響帶節(jié)理裂隙發(fā)育，富水性中等，雨季富水性及導(dǎo)水性較旱季強(qiáng)，該斷層北端與補(bǔ)木河相交，對礦床充水有較大影響，要嚴(yán)防補(bǔ)木河水通過斷層破碎帶滲入生產(chǎn)巷道。巷道揭露斷層附近時(shí)應(yīng)做好探放水工作，或留設(shè)防隔水保安煤（巖）柱，以預(yù)防透水事故的發(fā)生。

②F6逆斷層：位于礦區(qū)西部邊緣地帶，走向北東，傾向北西，傾角68～75°，斷距10m～20m間，為張扭性逆斷層，深部被F4正斷層切割，斷層破碎帶寬約2.0m，充填物主要為泥巖、粉砂巖碎塊及煤屑，膠結(jié)較致密，破碎帶附近5m范圍內(nèi)巖層裂隙稍發(fā)育。據(jù)主井、副井、風(fēng)井巷道揭露，斷層影響帶略有滴水現(xiàn)象，未出現(xiàn)礦井水量增加的現(xiàn)象，兩盤地層均為裂隙弱含水層，斷層帶富水性、導(dǎo)水性弱，但該斷層南端與補(bǔ)木河相交，對礦床充水有一定影響，要嚴(yán)防補(bǔ)木河水通過斷層破碎帶滲入生產(chǎn)巷道。

③F11逆斷層：位于礦區(qū)東部，走向近南北，傾向東，傾角約70°，斷層地表出露長大于1.5km，斷距30m～50m。斷層破碎帶寬約2.5m，充填物主要為泥巖、粉砂巖碎塊及煤屑，具有明顯壓扭性，膠結(jié)較致密，破碎帶附近5m范圍內(nèi)巖層裂隙較發(fā)育。據(jù)主井巷道揭露，斷層影響帶略有滴水現(xiàn)象，在開采F11斷層附近煤層時(shí)，未出現(xiàn)礦井水量增加的現(xiàn)象，故斷該斷層導(dǎo)水性及富水性均較差。但該斷層與礦區(qū)內(nèi)溪溝相交，對礦床充水有一定影響，要嚴(yán)防溪溝水通過斷層破碎帶滲入生產(chǎn)巷道。

④其余均屬隱伏斷層，井下有巷道控制，斷距均小于10m，斷層帶主要為粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，兩盤地層均為裂隙弱含水層，斷層帶富水性、導(dǎo)水性弱，對礦床充水基本無影響。

2.3 地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄特征

礦區(qū)地處云貴高原山區(qū)，地勢總體呈東高西低、南高北低，地形起伏變化大，沖溝發(fā)育，有利于地表水、地下水的排泄給。地表水體主要為補(bǔ)木河，雨季最大流量1.65m3/s，旱季最小流量0.48 m3/s。礦區(qū)內(nèi)的大部分補(bǔ)給源主要為大氣降水的補(bǔ)給，礦井主要充水含水層在原始狀態(tài)下屬承壓水系統(tǒng)，經(jīng)巷道揭露后，地下水轉(zhuǎn)為潛水。本區(qū)地下水以大氣降雨補(bǔ)給為主，地表河流補(bǔ)給為輔，以紊流方式總體向西徑流，以下降泉的形式于就近溝谷地帶排泄出地表。

3 ?礦區(qū)涌水量預(yù)測

3.1 比擬法

根據(jù)水文地質(zhì)勘察報(bào)告，礦山目前的開采M9煤層基本采空，巷道及采空區(qū)控制范圍面積973712m2，礦井巷道開采控制最低標(biāo)高為1448.77m，生產(chǎn)礦井初見水位標(biāo)高平均值1782.5m。現(xiàn)狀礦井旱季涌水量為576m3/d，雨季涌水量為777m3/d。礦井涌水量計(jì)算采用現(xiàn)有生產(chǎn)礦井巷道控制范圍礦井排水資料，采用比擬法計(jì)算礦區(qū)1360m水平礦井涌水量，計(jì)算公式如下：

式中符號代表意義及參數(shù)確定：

Q旱、Q雨：預(yù)測水平1360m生產(chǎn)礦井旱季、雨季礦井涌水量（m3/d）。

Q0旱：已知煤礦坑道實(shí)際旱季涌水量，Q0旱=576m3/d、Q0雨=777m3/d。

F：礦井涌水量預(yù)測面積（m2），F(xiàn)=1248338m2。

S：礦井涌水量預(yù)測水位降低值（m），采用生產(chǎn)礦井初見水位標(biāo)高平均值與計(jì)算水平標(biāo)高之差，礦井平均水位標(biāo)高1782.5m。即S=1782.5-1360=442.5m。

F0：已知生產(chǎn)礦井坑道系統(tǒng)控制范圍面積（m2），F(xiàn)0=973712m2。

S0：已知生產(chǎn)礦井坑道控制范圍內(nèi)水位降低值（m），采用生產(chǎn)井平均初見水位標(biāo)高與巷道控制最低平均標(biāo)高之差，即S0=1782.5-1444.19=338.31m。

將以上各項(xiàng)參數(shù)代入計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果見表1。

3.2 大井法

礦區(qū)采用大井法進(jìn)行礦坑用水量預(yù)測，其坑底開采半徑為 630m，即 r0 =630m，又因?yàn)殚_采區(qū)為承壓轉(zhuǎn)無壓型，故采用以下承壓轉(zhuǎn)無壓公式進(jìn)行礦坑涌水量計(jì)算：

式中：Q 為礦坑涌水量（m3/d）; K為滲透系數(shù)（m/d）;H為水頭高度，礦井涌水量預(yù)測水位降低值（m）;M 為有效含水層厚度（m）。

R0=R+r0，其中 R 為影響半徑。

參數(shù)的獲?。焊鶕?jù)水文地質(zhì)勘察報(bào)告K=0.001009m/d;H=1782.5m（平均水位）-1360（開采中段）=422.5m;M≤ H=422.5m;（承壓轉(zhuǎn)無壓）=551.72m;R0=R+r0=1181.72m。

代入公式計(jì)算得：Q=743.76（m3 /d）。

4 ?煤炭開采對地下水環(huán)境的影響分析

由表2可知，礦井煤層開采將引起自采止線外一定范圍的巖層地下水發(fā)生漏失，對含水層的影響半徑為該地層內(nèi)所在采區(qū)邊界外延552m。

根據(jù)現(xiàn)場踏勘，礦區(qū)周邊范圍內(nèi)有泉點(diǎn)3處及1處生產(chǎn)用水井。其分布見表3。

根據(jù)表3可知，煤礦生產(chǎn)用水井水主要由周邊補(bǔ)木河補(bǔ)給，設(shè)計(jì)對補(bǔ)木河留設(shè)保護(hù)煤柱，漏失的可能性小。煤礦采動時(shí)主要導(dǎo)致龍?zhí)督M含水層中地下水漏失，泉Qs3、Qs5位于飛仙關(guān)組，現(xiàn)狀未漏失，與龍?zhí)督M地層之間有卡以頭組（T1k）碎屑巖裂隙弱含水層相隔，卡以頭組為黃綠色泥質(zhì)粉砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖等，厚度100m，有隔水層作用，故Qs3、Qs5漏失可能性小。Qs3受采煤沉陷影響，泉點(diǎn)出露位置可能發(fā)生變化。

泉Qs4位于西部井田內(nèi)的卡以頭組，該泉水主要為斷層導(dǎo)水形成，設(shè)計(jì)對斷層留設(shè)保護(hù)煤柱，現(xiàn)狀調(diào)查Qs4未受開采影響，預(yù)計(jì)煤礦開采對其影響小。建議建設(shè)單位在開采的過程中加強(qiáng)對泉Qs4的觀測，發(fā)現(xiàn)水量減少，需及時(shí)為箐地村解決飲水問題。

5 ?總結(jié)

①從已有水文地質(zhì)資料及對水文地質(zhì)條件的認(rèn)識上看，大井法計(jì)算結(jié)果比水文比擬法計(jì)算的結(jié)果偏小。但兩結(jié)果計(jì)算的值比較接近，均可以較好地預(yù)測礦坑涌水量。

②通過礦區(qū)含水層的分布情況及礦區(qū)開采對含水層的影響半徑分析，可以預(yù)測周邊泉點(diǎn)的漏失情況，為保護(hù)居民的飲用水源提前好預(yù)防措施。

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