巖溶水高水頭區(qū)煤炭開采對地下水環(huán)境的影響

張 偉

(中煤科工集團(tuán) 北京華宇工程有限公司，北京 100120)

山西省巖溶地下水水量豐富、水質(zhì)優(yōu)良，是山西省生產(chǎn)、生活的主要水源。在煤炭開采與水資源的保護(hù)問題中，巖溶水無論是受到煤炭開采的影響，還是對煤礦生產(chǎn)安全造成的威脅，都是尤為重要和突出的[1]。特別是在巖溶水水量豐富、水頭較高的神頭泉域，這個(gè)問題更為突出。其中北辛窯井田處在神頭泉域巖溶水系統(tǒng)西南側(cè)，致使煤層開采形成了巖溶承壓水體上的帶壓開采，全井田2、5、6煤層大部分處于奧陶系灰?guī)r巖溶水壓之下，因此，通過分析北辛窯的井田構(gòu)造和水文地質(zhì)條件，研究巖溶水高水頭區(qū)煤炭開采可能對巖溶水造成的影響，并提出有針對性的防治措施具有重要意義。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

北辛窯井田位于朔州平原西南部，為神頭泉域巖溶水文地質(zhì)單元徑流區(qū)的一部分。井田內(nèi)褶曲、斷層比較發(fā)育，有26條正斷層，井田地層總體走向北東，傾向南東或北西。井田內(nèi)含水層由新到老依次劃分為第四系松散層孔隙含水層，上、下石盒子組及石千峰組底部砂巖裂隙含水層，山西組砂巖裂隙含水層，太原組砂巖裂隙含水層，奧陶系中統(tǒng)上下馬家溝組灰?guī)r巖溶裂隙含水層[1]。其中，奧陶系中統(tǒng)上下馬家溝組灰?guī)r巖溶裂隙含水層巖性以灰色、淺灰色中厚層狀石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主，富水性由中等到強(qiáng)，富水性不均一。井田南部、東北部富水性強(qiáng)，其他地帶富水性中等[2，3]。奧陶系巖溶裂隙水富水性分區(qū)見圖1。

圖1 奧陶系巖溶裂隙水富水性分區(qū)示意

2 煤炭開采對奧陶系灰?guī)r含水層的影響

煤層下伏奧陶系巖溶裂隙含水層，該含水層亦是神頭泉域賦存的含水層，為該區(qū)域主要具有供水意義的含水層，是重點(diǎn)保護(hù)對象。

2.1 構(gòu)造對奧陶系灰?guī)r含水層的影響

井田內(nèi)主要發(fā)育有北北東、北東東向背向斜，并在井田內(nèi)發(fā)育有26條正斷層，其中不小于100 m的正斷層9條。井田內(nèi)其他正斷層落差較大，巖體承受壓力變形，巖石破裂充填膠結(jié)差，導(dǎo)水性好，部分地段含煤地層與奧陶系灰?guī)r直接接觸，并發(fā)生水力聯(lián)系，從而形成地下水的潰入性通道，存在突水的可能性，詳見圖2。

2.2 奧陶系灰?guī)r突水可能性判斷

奧陶系灰?guī)r水水位部分在煤層之上，井田局部帶壓開采，2號煤開采時(shí)突水系數(shù)為0～0.044 MPa/m，5號煤開采時(shí)突水系數(shù)為0～0.103 MPa/m，6號煤開采時(shí)突水系數(shù)為0～0.161 MPa/m，見表1至表3。2號煤層斷層附近具有突水危險(xiǎn)性，其他區(qū)域均屬于帶壓相對安全區(qū)；5號和6號煤層突水危險(xiǎn)區(qū)面積分別為12.84 km2和18.12 km2。突水危險(xiǎn)區(qū)主要位于井田北部和南部及斷層發(fā)育地段，該區(qū)水壓大，富水性中等到強(qiáng)，有效隔水層等效厚度小，構(gòu)造發(fā)育好，下組煤在采掘過程中發(fā)生突水的可能性較大。

表1 2號煤層突水系數(shù)計(jì)算結(jié)果

表2 5號煤層突水系數(shù)計(jì)算結(jié)果

表3 6號煤層突水系數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖2 BS4-G4鉆孔斷層剖面示意

2.3 采煤對奧陶系灰?guī)r含水層水量的影響

在帶壓區(qū)的斷層采取了留設(shè)保護(hù)煤柱，突水系數(shù)大于0.06 MPa/m區(qū)域?qū)嵤┙珊?，考慮對奧陶系灰?guī)r含水層的影響來自煤炭開采造成煤系含水層的疏水降壓，增大了煤層含水層和奧陶系灰?guī)r含水層的水位差，將增大奧陶系灰?guī)r含水層向煤層越流補(bǔ)給量，根據(jù)達(dá)西定律計(jì)算如下：

Q=K·I·A

式中：K=1×10-8cm/s(巖性：主要為泥質(zhì)巖及本溪組鋁質(zhì)泥巖)；

I=3(根據(jù)6號煤層可開采區(qū)水力坡度取平均值)；

A=17.90 km2(6號煤層開采底板面積)；

Q奧陶系灰?guī)r越流補(bǔ)給量=4.64 m3/d。

由此可知，開采后會增加奧陶系灰?guī)r含水層對煤系含水層的越流補(bǔ)給量。經(jīng)計(jì)算，越流補(bǔ)給量很小。

3 煤炭開采過程中巖溶水的保護(hù)措施

由于北辛窯井田處在神頭泉域巖溶水系統(tǒng)西南側(cè)，致使煤層開采形成了巖溶承壓水體上的帶壓開采，全井田煤層大部分處于奧陶系灰?guī)r巖溶水壓之下。為了在采煤的同時(shí)保護(hù)地下水資源，降低對地下水環(huán)境造成的影響程度，通過研究區(qū)域地質(zhì)及水文地質(zhì)條件以及煤層帶壓情況，有針對性地提出了一系列保護(hù)措施。

3.1 安全區(qū)地下水保護(hù)措施

井田中部不帶壓區(qū)為安全區(qū)，針對安全區(qū)可采取常規(guī)的防治水措施。采掘施工前必須做好水害預(yù)測預(yù)報(bào)工作，堅(jiān)持“預(yù)測預(yù)報(bào)、有疑必探，先探后掘、先治后采”的原則，做好水害排查制度，加強(qiáng)日常管理工作[4-5]。

3.2 相對安全區(qū)地下水保護(hù)措施

根據(jù)突水系數(shù)評價(jià)結(jié)果，當(dāng)突水系數(shù)小于0.06 MPa/m時(shí)為相對安全區(qū)。針對此區(qū)域，要詳細(xì)查明奧陶系灰?guī)r水巖溶裂隙空間發(fā)育特征，富水性空間特征、奧陶系灰?guī)r頂部風(fēng)化層空間發(fā)育特征和阻水性，并進(jìn)行評價(jià)；詳細(xì)查明斷層、褶曲等構(gòu)造裂隙發(fā)育特征、導(dǎo)水性，及其承壓水導(dǎo)升高度；注意做好超前探查，探測是否發(fā)育未發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)水?dāng)鄬覽6-7]。

3.3 危險(xiǎn)區(qū)地下水保護(hù)措施

根據(jù)突水系數(shù)評價(jià)結(jié)果，在南部、東北部和斷層帶附近突水系數(shù)大于0.06 MPa/m，為危險(xiǎn)區(qū)；突水系數(shù)小于0.06 MPa/m的構(gòu)造發(fā)育地帶同樣為危險(xiǎn)區(qū)。針對這兩個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域，提出針對性措施。

(1)構(gòu)造發(fā)育地段危險(xiǎn)區(qū)。斷層導(dǎo)水性探查：采用綜合物探方法確定斷層富水性異常區(qū)，對斷層富水性異常區(qū)采用注漿方法進(jìn)行封堵。

斷層防隔水煤柱留設(shè)：若確定其斷層為含水或?qū)當(dāng)鄬訒r(shí)，要留設(shè)斷層防隔水煤柱，經(jīng)計(jì)算，防隔水煤巖柱寬度為20～117.73 m。

(2)突水系數(shù)大于0.06 MPa/m的危險(xiǎn)區(qū)。一是采取工程措施。例如：采取底板隔水層探測：綜合物探探測底板斷層破碎帶的位置和分布，在底板斷層帶及探測隔水層較薄地帶加固注漿措施，保障奧陶系灰?guī)r水不進(jìn)入礦井[8-9]；對底板隔水層注漿加固：通過對奧陶系灰?guī)r之上的薄層灰?guī)r含水層注漿，改造其富水性，加固底板，封堵水源補(bǔ)給通道，提高其阻水能力，形成一定厚度的有效隔水層。

二是對突水系數(shù)大于0.06 MPa/m的危險(xiǎn)區(qū)實(shí)施禁采，保護(hù)奧陶系灰?guī)r含水層。