巖溶發(fā)育地區(qū)煤礦礦山開采對水資源的影響研究

曹鵬，蘭吉川，麻勇，陳俊堯，劉瑤

（1.四川省涼山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站， 四川西昌 615000； 2.四川省海藍晴天環(huán)保服務(wù)有限公司，四川成都 610041； 3.重慶交通大學， 重慶南岸 400076)

煤炭作為全球分布最為廣泛、儲量最為豐富的化石燃料，在整個工業(yè)體系中起著至關(guān)重要的作用。中國已經(jīng)探明的煤炭儲量為141595Mt，占全球總儲量的13.24%，排名第四位［1］。在全國已探明的煤炭儲量中，西南地區(qū)占比6%［2］，云貴川邊區(qū)產(chǎn)煤量居全國12大產(chǎn)煤片區(qū)第五位，其中四川省目前擁有大型煤礦9座，中型煤礦13座，小型煤礦1845座，煤礦擁有量在西南地區(qū)排名第二［3］。

西南地區(qū)巖溶發(fā)育且分布廣泛，落水洞、溶洞、地下河等十分豐富。在煤礦資源開發(fā)中，難免會造成水資源污染、含隔水層破壞、地下水水位下降等一系列問題［4］，同時礦井也有極大的滲漏風險，嚴重損害了企業(yè)和人民的利益［5］。

因此，研究礦區(qū)巖溶水賦存特征，預算礦井涌水量，分析礦山開采過程中對水資源的影響，有利于做好生產(chǎn)過程中礦井充水防治工作，降低對水資源的不利影響，對煤礦安全生產(chǎn)和水資源保護具有重要意義。

2 研究區(qū)概況

2.1 礦區(qū)地質(zhì)概況

本文選取四川某煤礦作為研究對象，礦區(qū)位于四川盆地南部邊緣向云貴高原的過渡地帶，山脈總體上呈東西走向，地形切割較深，起伏大，總體地勢南高北低。礦區(qū)出露最新地層為第四系，最老地層為二疊系中統(tǒng)棲霞組。含煤地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M和長興組，主要可采煤層為B3、B4煤層，均位于龍?zhí)督M上部，

礦區(qū)剝蝕地貌與巖溶地貌并存，以構(gòu)造剝蝕作用為主的飛仙關(guān)組碎屑巖組，其巖性堅硬，形成脊狀單面山，控制本區(qū)山脈走向。陵江組巖組以溶蝕型的槽谷、溶丘、中低山地貌為主；棲霞組巖組石牙、溶槽、漏斗、洼地等巖溶地貌發(fā)育，形成了裸露型巖溶峰叢地貌類型，地下暗河縱貫全區(qū)，溶洞規(guī)模大、數(shù)量多。

總體來看，可采煤層距其上部的飛仙關(guān)組約23m，距其下部的茅口組約80m。礦區(qū)地層巖性如圖1所示。

圖1 礦區(qū)煤系地層柱狀圖

2.2 礦區(qū)水文地質(zhì)概況

礦區(qū)屬亞熱帶季風氣候，雨量充沛，氣候潮濕。地表水系分屬南廣河、長寧河、古宋河水系，礦區(qū)處于分水嶺地帶，地表水、地下水補給量受降雨控制，一部分雨水形成面流或片流向溪溝排泄，匯入地表水系。另一部分沿巖層裂隙滲入地層，補給地下水，在地形低洼處或溝谷切割處以下降泉的形式出露于地表。

礦區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育，有茅口組、棲霞組強巖溶含水層，出露于礦區(qū)外圍北部。地表常見落水洞、溶蝕洼地，地下溶洞、暗河等星羅棋布，含水性極強，且分布不均勻，地下水主要存在形式為暗河管道集中匯水，水化學類型為SO4-HCO3-Ca型。總體來看，該礦區(qū)屬于頂?shù)装鍘r溶水為主的礦床。

3 研究方法

3.1 涌水量計算

該煤礦包含兩個礦井，其中一號礦井涌水主要為采空區(qū)涌水；二號礦井涌水主要來自地表滲水、采空水及頂板裂隙水，涌水詳情見表1。

表1 礦井涌水量一覽表

由表1可知，一號礦井實測涌水量為195.192m3/h；二號礦井實測涌水量為242.97m3/h。礦井涌水量計算方法主要有：水文地質(zhì)比擬法、類比外推法、解析法等［6］。本次采用水文地質(zhì)比擬法預測礦井涌水量［7］。因礦床充水的主要來源為大氣降水，涌水量受降水量影響明顯，根據(jù)每個月的降水情況推算不同月份的礦井涌水量。計算公式如下，

上式中，Q為預算礦井涌水量，m3/h；Q0為代入計算的礦井涌水量，m3/h；S0為礦井采空區(qū)平面投影面積，m2；S1為礦井未采區(qū)平面投影面積，m2；Qi為每月預算礦井涌水總量，m3/h；Pi為每月平均降水量，mm；P為多年平均月降水量，mm。將上述參數(shù)代入(1)中，礦井涌水量計算結(jié)果見表2。

表2 礦井涌水量計算結(jié)果

由表2可知，一號井正常涌水量為341.82m3/h，二號井為694.53m3/h。降水數(shù)據(jù)由當?shù)貧庀缶秩〉?，代入?）中每月預算礦井涌水量結(jié)果見圖2。

圖2 礦井月平均涌水總量

由圖2可知，11月至次年2月為枯水期，礦井涌水量最小，礦井涌水總量分別為260.34m3/h、78.44m3/h、68.42m3/h及123.49m3/h；3～5月，10月為平水期，礦井涌水總量分別為338.77m3/h、772.67m3/h、1320.05m3/h及665.87m3/h；豐水期6～9月，礦井涌水總量分別為2129.44m3/h、2686.83m3/h、2423.16m3/h及1568.71m3/h。涌水量受降雨季節(jié)性影響較為明顯，雨季應(yīng)加強涌水觀測、預報，避免發(fā)生突水事故，而旱季應(yīng)加強礦區(qū)涌水保障措施。

3.2 導水裂隙帶計算

該煤礦可采煤層位于龍?zhí)督M頂部。煤層回采后冒落帶最大高度（Hm）和導水裂隙影響高度（HL），按《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》（2017年修訂版）的公式計算，其中：

冒落帶高度如下，

導水裂隙帶高度如下，

上式中，M為煤層采高，m；W為冒落過程中頂板的下沉值，取經(jīng)驗值0.1m；K為巖石碎脹系數(shù)，取經(jīng)驗值1.2；α為煤層傾角。

一號井許可開采煤層傾角α=15°，B4煤層厚度為0.90m～1.12m，平均1.01m；B3煤層厚度為1.01m～2.08m，平均為1.55m，煤層采高M=1.1m，由式（3）及式（4），可得冒落帶高度Hm=5.17m，導水裂隙帶高度HL為14.92m～26.12m。

二號井許可開采煤層傾角α=28°，B4煤層厚度為0.46m～1.01m，平均0.83m；B3煤層厚度為0.65m～2.16m，平均為1.57m，煤層采高M=1.0m，由式（3）及式（4），可得冒落帶高度Hm=5.10m，導水裂隙帶高度HL為13.63m～24.83m。

3.3 地下水影響半徑

煤礦開采項目的實施會對項目區(qū)上、下伏含水層造成影響，此影響程度可以根據(jù)影響半徑推算［8］，一般用庫薩金公式或奚哈德公式計算，

庫薩金公式為，

奚哈德公式為，

上式中：R為地下水影響半徑，m；S為地下水疏干水位降深，m；H為含水層厚度，m；K為滲透系數(shù)，m/d。（5）式適用于潛水，（6）式適用于承壓水。根據(jù)上述參數(shù)取值得到地下水影響半徑，如表3所示。

表3 地下水影響半徑計算結(jié)果

由表3可知，礦區(qū)長興組、飛仙關(guān)組裂隙潛水含水層的影響半徑為412.63m；茅口組、棲霞組巖溶承壓含水層的影響半徑為833.27m。

4 結(jié)果與討論

4.1 導水裂隙對地下水資源的影響

煤炭開采對地下含水層的影響因素主要為井下開采形成的采空區(qū)破壞原地層結(jié)構(gòu)，向上發(fā)育的導水裂隙帶若發(fā)育到上部含水層中，會使其他含水層的地下水進入疏干層，從而導致該含水層的水量漏失。

長興組和飛仙關(guān)組含水層是礦井頂板充水的直接含水層。一、二號礦井的導水裂隙帶發(fā)育最大高度分別為24.83m和26.12m，而主要可采煤層距離其頂板含水層只有23m，導水裂隙帶已經(jīng)深入到煤層上部含水層中。一旦將隔水層挖穿會使該含水層中的水大量漏失，導致含水層水位下降，破壞與其有水力聯(lián)系的其他含水層，改變徑流特征，在采煤巷道揭露初始階段地下水可能大量涌入礦井，導致礦井充水。故在煤礦的開采過程中應(yīng)設(shè)置安保煤柱，防止挖穿隔水層。

4.2 采煤對含水層的影響

（1）對上伏含水層的影響

煤層的開采會改變地層受力狀態(tài)，對上伏含水層地下水水位線分布態(tài)勢產(chǎn)生影響，在煤礦開采區(qū)附近形成降水漏斗。煤礦可采煤層導水裂隙帶高度大于距其頂板的距離，在煤礦的開采過程中上伏含水層會遭到破壞，在礦山導水裂隙帶412.63m的影響范圍內(nèi)，上伏含水層會發(fā)生剝離，導致礦井周邊區(qū)域含水層流場改變，地下水將向礦坑匯集，造成礦井充水。

（2）對下伏含水層的影響

茅口組和棲霞組含水層是煤礦底板充水的直接含水層。在一號井范圍內(nèi)，屬暗河系統(tǒng)的補給區(qū)，且遠離B3、B4煤層，因此對煤礦的開采影響不大。在二號井范圍內(nèi)，灰?guī)r的地下水位為+700.49m～+740m～+817.21m，低于+883m，在開采上山采區(qū)的煤層時，巖溶水影響較?。婚_采標高低于+700m時，在其833.27m的地下水影響半徑內(nèi)，巖溶將對礦井有突水威脅。在煤礦開采過程中要加強水文地質(zhì)勘查工作，預防將底板隔水層挖穿導致的礦井突水威脅。

5 結(jié)論

本文以四川某煤礦為研究對象，通過水文地質(zhì)條件調(diào)查等研究，得到以下結(jié)論：

（1）該煤礦所處地區(qū)巖溶發(fā)育，巖層含水性極強，礦井涌水量較大，且受降雨季節(jié)性影響明顯。

（2）煤礦兩礦井的導水裂隙帶發(fā)育最大高度均達到煤層上部巖組的導水裂隙發(fā)育帶中，在煤礦的開采過程中應(yīng)設(shè)置安保煤柱，防止揭穿隔水層，造成礦井充水。

（3）對上伏含水層的影響：在該項目412.63m的影響半徑范圍內(nèi)，對上伏含水層有影響。對于下伏含水層的影響：在一號井范圍內(nèi)，對煤礦開采影響不大；在二號井范圍內(nèi)，當?shù)V井開采標高低于+700m時，在833.27m的地下水影響半徑內(nèi)，巖溶將對礦井有突水威脅。