采礦初期礦區(qū)含水層破壞現(xiàn)狀分析與預(yù)測(cè)

韓 暖，吝瑞華，孔繁龍

（1.中國煤炭地質(zhì)總局 第二水文地質(zhì)隊(duì)，河北 邢臺(tái) 054000；2.國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司 察哈素煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

1 概況

我國是世界第一產(chǎn)煤大國，也是煤炭消費(fèi)大國，煤炭資源的開發(fā)在推動(dòng)我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，也給地質(zhì)環(huán)境造成了一定的負(fù)面影響，特別是對(duì)地下水資源的影響和破壞。為將礦山開采對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響和破壞程度降到最低，實(shí)現(xiàn)煤炭可持續(xù)發(fā)展，開展礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與治理恢復(fù)工作，對(duì)礦山生產(chǎn)活動(dòng)造成的礦山地質(zhì)環(huán)境影響進(jìn)行現(xiàn)狀評(píng)估和預(yù)測(cè)評(píng)估是非常重要的。本文以內(nèi)蒙古察哈素煤礦為例，從含水層結(jié)構(gòu)、水位、水質(zhì)等方面進(jìn)行了煤礦開采前期對(duì)含水層影響和破壞的現(xiàn)狀及預(yù)測(cè)評(píng)估，為煤礦制定措施、降低對(duì)地下水資源的破壞程度提供一定依據(jù)。

察哈素煤礦面積156 km2，區(qū)內(nèi)地層由老至新發(fā)育有三疊系上統(tǒng)延長組（T3y）、侏羅系中下統(tǒng)延安組（J1-2y）、侏羅系中統(tǒng)直羅組（J2z）、白堊系下統(tǒng)志丹群（K1zh）、第四系（Q）。侏羅系中統(tǒng)延安組（J1-2y）為該區(qū)主要含煤地層，共含可采煤層14 層（2-1上、2-1中、2-1下、2-2上、3-1、4-1、4-1上、5-1、5-2、5-2下、6-1中、6-2上、6-2中、6-2下、8），礦井目前開采煤層2-2 上和3-1 煤層位于侏羅系中統(tǒng)延安組（J1-2y）三巖段和二巖段。

2 井田構(gòu)造

井田構(gòu)造簡單，總體構(gòu)造形態(tài)為一向南西西傾斜的單斜構(gòu)造，傾向230°～260°，傾角一般1°～3°，地層產(chǎn)狀沿走向及傾向均有一定變化，但變化不大。沿走向發(fā)育有寬緩的波狀起伏，井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)褶皺構(gòu)造，也未發(fā)現(xiàn)有陷落柱發(fā)育。

3 井田水文地質(zhì)條件

3.1 含、隔水巖組

根據(jù)區(qū)內(nèi)地下水的水力性質(zhì)及賦存條件的不同，可劃分為3 大類，即松散巖類孔隙潛水含水巖組，碎屑巖類孔脈、裂隙潛水含巖組，碎屑巖類孔隙、裂隙承壓水含水巖組，如圖1 所示。由于區(qū)內(nèi)第四系地層不連續(xù)沉積在下伏地層之上，沒有穩(wěn)定的隔水層，上覆第四系地下水與下伏白堊系地下水水力聯(lián)系密切，構(gòu)成統(tǒng)一含水層，屬于統(tǒng)一地下水系統(tǒng)，具有統(tǒng)一潛水位。因此按照地下水系統(tǒng)理論，礦區(qū)內(nèi)含水巖組可劃分為3 個(gè)相對(duì)的含水巖組以及2 個(gè)相對(duì)的隔水巖組。

圖1 鄂爾多斯盆地東西向區(qū)域水文地質(zhì)剖面圖Fig.1 The east-west regional hydrogeological profile chart of Ordos Basin

含水巖組主要為第I 含水巖組為第四系（Q）松散巖類孔隙潛水含水層、白堊系下統(tǒng)志丹群（K1zh）碎屑巖類孔隙、裂隙潛水含水巖組；第Ⅱ含水巖組（侏羅系中統(tǒng)直羅組（J2z）底至3 煤層底）為侏羅系中下統(tǒng)延安組（J1-2y）碎屑巖類孔隙、裂隙承壓含水巖組；第Ⅲ含水巖組（3 煤層底泥巖底界至6 煤組含水層）為侏羅系中下統(tǒng)延安組（J1-2y）碎屑巖類孔隙、裂隙承壓含水組。

2 個(gè)相對(duì)的隔水巖組分別為侏羅系中統(tǒng)直羅組（J2z）相對(duì)隔水巖組和侏羅系中下統(tǒng)延安組（J1-2y）相對(duì)隔水巖組（三煤層底部）。

3.2 地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件

（1）潛水。井田內(nèi)潛水主要賦存于溝谷內(nèi)第四系沖洪積砂礫石層中及白堊系志丹群（K1zh）地層中。潛水的主要補(bǔ)給來源為大氣降水。由于本區(qū)降水量稀少，所以潛水的補(bǔ)給量較小。潛水沿河流流向徑流，排泄方式主要為向河流下游的徑流排泄，其次為人工挖井開采排泄、蒸發(fā)排泄以及向下部承壓水的滲入排泄。

（2）承壓水。井田內(nèi)承壓水主要賦存于侏羅系中統(tǒng)（J2z）、中下統(tǒng)延安組（J1-2y）砂巖中。大氣降水通過上覆地層的直接滲入補(bǔ)給是承壓水的補(bǔ)給源之一，區(qū)外承壓水的側(cè)向徑流是另一補(bǔ)給來源。承壓水一般沿地層傾向即西南方向徑流。承壓水以側(cè)向徑流排泄為主，次為人工開采排泄。當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面標(biāo)高+1 225.93 m。

3.3 礦床充水因素分析

區(qū)內(nèi)各含水層由不同粒度的砂巖組成，不同程度地發(fā)育有孔腺、裂隙；區(qū)內(nèi)無地表水體，地形、地貌及氣象條件均不利于大氣降水的入滲，降水多以洪水的形式排泄出礦區(qū)外，只有少量滲入補(bǔ)給下部第I 含水巖段。第II、III 含水巖段的補(bǔ)給源以側(cè)向徑流補(bǔ)給為主。直接充水含水層組富水性弱、補(bǔ)給條件差，主要隔水層隔水性能良好，大幅限制了地下水對(duì)礦井的充水量。大氣降水是井田充水水源的主要補(bǔ)給源。礦井水多來自煤層頂板，以滲水或滴水的形式進(jìn)入礦井。

4 含水層破壞現(xiàn)狀分析

本區(qū)煤層開采的主要充水水源為第Ⅱ含水巖組、第Ⅲ含水巖組等。

4.1 采礦活動(dòng)對(duì)含水層結(jié)構(gòu)的影響

現(xiàn)狀條件下，礦山前期生產(chǎn)期間開采侏羅系中下統(tǒng)延安組2-2上煤層、3-1 煤層，其中開采2-2上煤層后形成的導(dǎo)水裂隙帶高度一般不大于50 m，開采3-1 煤層后形成的導(dǎo)水裂隙帶高度一般不大于60 m。導(dǎo)水裂隙帶破壞了侏羅系中統(tǒng)直羅組（J2z）底至3 煤層碎屑巖類孔隙、裂隙含水層，造成該含水層結(jié)構(gòu)破壞，使含水層處于疏干狀態(tài)，導(dǎo)水裂隙帶已破壞原有含水層結(jié)構(gòu)。

4.2 礦山開采對(duì)主要含水層水位的影響

該礦山前期生產(chǎn)期間，礦井正常涌水量4 326 m3/d。根據(jù)礦山目前的水文監(jiān)測(cè)工作，礦山對(duì)含水層組進(jìn)行水位監(jiān)測(cè)，近三年水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表1～表3。

表1 1 號(hào)孔水位監(jiān)測(cè)水位標(biāo)高Table 1 Water level elevation of No.1 hole water level monitoring

表2 2 號(hào)孔水位監(jiān)測(cè)水位標(biāo)高Table 2 Water level elevation of No.2 hole water level monitoring

表3 3 孔水位監(jiān)測(cè)水位標(biāo)高Table 3 Water level elevation of No.3 hole water level monitoring

第I 含水巖組：該含水層與第II 含水巖組間有80 m 厚的泥巖、砂質(zhì)泥巖作為穩(wěn)定隔水層，有效阻隔了第I 含水巖組與礦井水的直接水力聯(lián)系。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，隨著煤礦的開采，評(píng)估區(qū)不同地段第I 含水巖組水位未發(fā)生明顯下降，水位總體比較穩(wěn)定，無突然性的大幅度下降和上升。

第II 含水巖組：延安組2-2上煤層、3-1 煤層開采期間，該含水層受開采導(dǎo)水裂隙帶影響，呈疏干狀態(tài)，水位已顯著下降。

第III 含水巖組：該含水層組位于現(xiàn)開采煤層以下，受開采影響較小。

4.3 礦山開采對(duì)主要含水層水質(zhì)的影響

煤系地層受影響的各含水層，水質(zhì)在局部區(qū)域由于隔水層破壞，相互貫通，相對(duì)富水區(qū)的地下水泄漏于井下，使其各含水層內(nèi)的地下水在地下混合并泄漏于井下采空區(qū)，地下水質(zhì)也有可能發(fā)生惡化，根據(jù)礦區(qū)資料，含水層水質(zhì)測(cè)試結(jié)果見表4。

由表4 可看出，各含水層水力聯(lián)系較差，地下水補(bǔ)給徑流緩慢，循環(huán)條件相對(duì)較差，礦山開采對(duì)地下含水層水質(zhì)有一定影響，但影響程度較輕。

表4 第I 含水巖組地下水水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果Table 4 Detection results of groundwater quality in the No.I water-bearing rock group

由表4 可看出，各含水層水力聯(lián)系較差，地下水補(bǔ)給徑流緩慢，循環(huán)條件相對(duì)較差，礦山開采對(duì)地下含水層水質(zhì)有一定影響，但影響程度較輕。

評(píng)估區(qū)地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用居民的井水，有1 號(hào)水井（井深70 m）、2 號(hào)水井（井深10 m）。

此次評(píng)價(jià)采用《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T148 48-2017）之三類水標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)當(dāng)?shù)匚廴驹刺攸c(diǎn)及其未來礦山生產(chǎn)活動(dòng)可能產(chǎn)生的污染組分特征，確定本次評(píng)價(jià)因子為pH 值、總硬度、硫酸鹽、NH3-N、NO3-N、CN-、As、Ar-OH、Cl-、F-、Mn、Fe、Cd、Cr6+、高錳酸鹽指數(shù)，共16 項(xiàng)。第一含水巖組地下水監(jiān)測(cè)結(jié)果見表4。

4.4 礦山開采對(duì)地表水體及生產(chǎn)生活用水影響

礦區(qū)地表水系不發(fā)育。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和對(duì)該地區(qū)的水文地質(zhì)資料分析，井田內(nèi)村莊居民飲用水主要來源于村民在村莊附近溝谷中打旱井（井深一般3～5 m），截第四系松散巖類含水層潛水和白堊系下統(tǒng)志丹群含水層淺部潛水，其中以第四系松散類含水層潛水為主?，F(xiàn)狀條件下村民生產(chǎn)生活用水未受到明顯影響。第四系（Q）松散巖類孔隙潛水含水層和碎屑巖類孔隙、裂隙潛水含水巖組與礦井充水彼此之間無直接水力聯(lián)系，礦床開采對(duì)其影響程度較輕，地表水體及第I 含水層不受礦山開采影響。

4.5 含水層現(xiàn)狀評(píng)估結(jié)論

綜上所述，現(xiàn)狀條件下，評(píng)估區(qū)該煤礦開采活動(dòng)對(duì)含水層的影響程度嚴(yán)重，詳見表5。

表5 含水層現(xiàn)狀評(píng)估一覽Table 5 List of aquifer status assessment

5 含水層破壞預(yù)測(cè)評(píng)估

根據(jù)礦山工程分析，礦山未來可能對(duì)地下含水層產(chǎn)生影響包括3 個(gè)方面，即含水層結(jié)構(gòu)、含水層水位和含水層水質(zhì)。

5.1 采礦活動(dòng)對(duì)含水層結(jié)構(gòu)的影響

開采塌陷對(duì)地下含水層的影響主要是因?yàn)槊禾块_采后頂板發(fā)生垮落，形成導(dǎo)水裂隙帶，使含水層遭到破壞，導(dǎo)致地下水漏失，水位下降，并間接對(duì)與被破壞含水層有水力聯(lián)系的其他含水層產(chǎn)生影響。含水層的破壞程度取決于覆巖破壞形成的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。

5.1.1 導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)

導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與煤層賦存地質(zhì)條件、頂板巖性、煤層開采厚度等均有密切關(guān)系。本井田為近水平煤層，煤層傾角1°～3°，井田巖石的總體質(zhì)量為中等，煤層頂板巖性大部分為中硬。根據(jù)“三下采煤規(guī)范”中推薦的公式，垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶及防水煤巖柱高度以下公式計(jì)算：

垮落帶高度預(yù)測(cè)公式：

導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)公式：

式中：∑M 為累計(jì)采厚，m；n 為分層層數(shù)，m；Hm為垮落高度帶，m；HLi為導(dǎo)水裂隙帶最大高度，m；Hb為保護(hù)層厚度，m；Hsb為防水煤巖柱高度，m。

依據(jù)地質(zhì)報(bào)告中的煤層資料，按上述的導(dǎo)水裂隙帶高度、保護(hù)層厚度計(jì)算公式，該煤礦垮落帶高度、保護(hù)層厚度、防水煤巖柱高度計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 礦井一水平采區(qū)開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度計(jì)算結(jié)果Table 6 Calculation results of the water conduction fracture zone development height of mine level 1

續(xù)表

5.1.2 含水層結(jié)構(gòu)影響預(yù)測(cè)評(píng)估

根據(jù)導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)結(jié)果，礦區(qū)近期及中遠(yuǎn)期開采各含水層與導(dǎo)水裂隙帶關(guān)系及影響評(píng)估結(jié)論見表7。

表7 各含水層與導(dǎo)水裂隙帶關(guān)系及影響評(píng)估Table 7 The relationship between each aquifer and water conduction fracture zone and influence assessment

5.2 礦井疏排水對(duì)含水層影響范圍預(yù)測(cè)

該礦在正常開采過程中，預(yù)測(cè)未來礦井正常涌水量為180.25 m3/h，即4 326 m3/d，礦井最大涌水量為258.71 m3/h，即6 209 m3/d，礦井正常涌水量為大于3 000 m3/d 且小于10 000 m3/d。

該礦礦區(qū)范圍南北長約13.81 km，東西寬約12.50 km，面積156 km2。礦山近期及中遠(yuǎn)期主要開采2 煤層組及3-1 煤層，井田范圍內(nèi)的第II 承壓水含水巖組內(nèi)的水將全部被疏干，并且還會(huì)導(dǎo)致周邊未開采區(qū)域內(nèi)的同層含水層水位產(chǎn)生下降，對(duì)周邊同層含水層影響區(qū)域半徑可采用下式計(jì)算：

式中：R 為影響半徑，m；Sw為水位降深值，m；K為滲透系數(shù)，m/d。

根據(jù)式（6）求出各含水層在被完全疏干情況下對(duì)周邊同層含水層的影響半徑，結(jié)果見表8。

表8 計(jì)算參數(shù)選擇和計(jì)算結(jié)果Table 8 Calculating parameters determination and calculation results

根據(jù)表8 可知，察哈素礦山近期及中遠(yuǎn)期開采煤層僅對(duì)第II 含水巖組含水層進(jìn)行疏干，平均影響半徑為井田開采范圍外104.05 m。

5.3 含水層水質(zhì)影響預(yù)測(cè)評(píng)估

礦山采煤大量抽排地下水，改變了地下水的補(bǔ)徑排條件，使地下水集中向采煤巷道聚集。地下水在徑流過程中，溶入了流經(jīng)途徑中不同巖性的化學(xué)成份，特別是流經(jīng)煤系地層時(shí)，地下水的水質(zhì)中硫酸根離子含量增大，水質(zhì)pH 值減小，使礦井涌水水質(zhì)變差。

礦山在開采過程中，采掘巷道穿過含水層、導(dǎo)水?dāng)鄬訒r(shí)，及時(shí)采取了堵水措施，對(duì)較大的導(dǎo)水?dāng)鄬右话悴捎昧粼O(shè)保護(hù)煤柱的方法，降低了各隔水層通過斷層之間進(jìn)行溝通。總體評(píng)價(jià)礦山開采造成各含水層之間串通的可能性小，礦井疏排水造成各含水層水質(zhì)惡化的可能性小，影響較輕。

5.4 礦山開采對(duì)地表水體及生產(chǎn)生活用水影響

礦井開采影響范圍內(nèi)有多個(gè)自然村，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和對(duì)該地區(qū)的水文地質(zhì)資料分析，井田內(nèi)村莊居民飲用水主要來源于村民在村莊附近溝谷中打旱井，主要取第四系松散巖類含水層潛水和白堊系下統(tǒng)志丹群含水層淺部潛水，其中以第四系松散類含水層潛水為主。

根據(jù)由導(dǎo)水裂隙帶計(jì)算可知，礦井煤炭開采不會(huì)導(dǎo)通第四系松散層潛水含水層，不會(huì)導(dǎo)改居民飲用水源層的漏失。

受采煤沉陷所導(dǎo)致的地表變形影響，沉陷區(qū)內(nèi)淺層地下水含水層底板也會(huì)相應(yīng)下沉變形，局部區(qū)域地下水流場(chǎng)將發(fā)生變化，這種情況可能會(huì)使得局部淺層地下水水位下降，使得在此區(qū)域取用淺層地下水的供水井受到影響，嚴(yán)重時(shí)，當(dāng)?shù)叵滤唤抵寥∷滓韵?，水井將枯竭?/p>

5.5 含水層預(yù)測(cè)評(píng)估結(jié)論

綜上所述，該礦井煤層開采造成第Ⅱ含水巖組（侏羅系中統(tǒng)直羅組（J2z）底至3 煤層）結(jié)構(gòu)破壞，含水層疏干；各含水層未有明顯串通，水質(zhì)影響較輕；礦山開采未造成地表水體漏失，基本不影響區(qū)內(nèi)生活生產(chǎn)用水；采礦活動(dòng)在礦山近期及中遠(yuǎn)期內(nèi)含水層影響嚴(yán)重。礦山近期及中遠(yuǎn)期內(nèi)含水層預(yù)測(cè)評(píng)估分區(qū)如圖2、圖3 所示，分區(qū)描述見表9、表10。

表9 礦山含水層影響預(yù)測(cè)分區(qū)說明（近期5 a）Table 9 Mine aquifer influence prediction zoning description(recent 5 years)

表10 礦山含水層影響預(yù)測(cè)分區(qū)說明（中遠(yuǎn)期）Table 10 Mine aquifer influence prediction zoning description(medium and long term)

圖2 礦山近期含水層預(yù)測(cè)評(píng)估分區(qū)Fig.2 Mine recent aquifer prediction and assessment zoning

圖3 礦山中遠(yuǎn)期含水層預(yù)測(cè)評(píng)估分區(qū)Fig.3 Mine aquifer prediction and assessment zoning in medium and long term

6 結(jié)論

以內(nèi)蒙古察哈素煤礦為例，認(rèn)真分析、預(yù)測(cè)評(píng)估了煤礦開采前期對(duì)地下水資源的影響、破壞情況，為煤礦制定措施保護(hù)水資源、實(shí)現(xiàn)綠色礦山建設(shè)提供依據(jù)。

（1）現(xiàn)狀條件下，評(píng)估區(qū)該煤礦開采活動(dòng)對(duì)含水層的影響程度嚴(yán)重。

（2）未來煤礦開采，預(yù)測(cè)礦井直接充水含水層結(jié)構(gòu)將被破壞，含水層將被疏干，影響嚴(yán)重。

（3）礦山近期及中遠(yuǎn)期開采煤層僅對(duì)第II 含水巖組含水層進(jìn)行疏干，平均影響半徑為井田開采范圍外104.05 m。

（4）礦山開采造成各含水層之間串通的可能性小，礦井疏排水造成各含水層水質(zhì)惡化的可能性小，影響較輕。

（5）礦井開采影響范圍內(nèi)有多個(gè)自然村，受采煤沉陷所導(dǎo)致的地表變形影響可能會(huì)使得在此區(qū)域淺層地下水的供水井受到影響，嚴(yán)重時(shí)，當(dāng)?shù)叵滤唤抵寥∷滓韵?，水井將枯竭?/p>