煤礦開采對淺層地下水的影響評價(jià)

李學(xué)軍，張?zhí)煳模?杰

（1.寧夏回族自治區(qū)礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查院（自治區(qū)礦產(chǎn)地質(zhì)研究所），寧夏 銀川 750021；2.寧夏德坤巖土工程有限公司，寧夏 銀川 750021）

1 概 況

長城三號煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市鄂托克前旗西部，與寧夏回族自治區(qū)接壤地帶。距離上海廟鎮(zhèn)6 km，距寧夏回族自治區(qū)銀川市40 km，與西部的寧夏回族銀川市興慶區(qū)月牙湖鄉(xiāng)牧民新村相鄰，行政區(qū)劃隸屬內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市鄂托克前旗上海廟鎮(zhèn)管轄。井田中心點(diǎn)地理坐標(biāo)為東經(jīng)106°36′50″，北緯38°23′08″，東西最寬處約5.43 km，南北最長約12.38 km，面積47.30 km2。

該區(qū)地處毛烏素沙地西南邊緣，地形北高南低、東高西低，呈緩波狀起伏，相對高差較小，海拔1 200～1 238 m，地表多分布鏈狀沙丘，大部分被植被固定，少數(shù)呈流動的壟狀及新月狀沙丘，地貌類型為丘陵（沙丘）。

長城三號礦井先期開采地段位于井田西部邊界一帶，首采區(qū)為九煤層露頭以東區(qū)域，頂板采用自然跨落方式管理。九煤層開采水平標(biāo)高+550 m，埋深371 m（西部邊界一帶埋深最淺）。九煤層開采后，采空區(qū)地表出現(xiàn)了較大范圍的沉陷[1]，采煤沉陷區(qū)西部已波及寧夏銀川市興慶區(qū)月牙湖鄉(xiāng)牧民新村一帶（圖1）。由于上述采空沉陷區(qū)處于該區(qū)潛水地下水徑流的上游區(qū)域，并且近年來采煤沉陷區(qū)及下游大部區(qū)域出現(xiàn)地下水水位持續(xù)降低、水資源枯竭、水質(zhì)持續(xù)惡化的狀況，因此在對長城三號礦井九煤層“兩帶”高度進(jìn)行計(jì)算、分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合礦井充水因素及采掘等相關(guān)資料，對長城三號煤礦采煤及沉陷是否對淺層地下水造成影響作出評價(jià)。

圖1 地表沉陷區(qū)影像Fig.1 Image of surface subsidence area

2 礦井地層、水文地質(zhì)

2.1 礦井地層

井田內(nèi)地層由淺至深依次為第四系，新近系章恩堡組，二疊系上統(tǒng)石盒子組、二疊系下統(tǒng)山西組，石炭系上統(tǒng)太原組，石炭系中統(tǒng)土坡組[2]，分述如下。

（1）第四系。井田內(nèi)廣泛發(fā)育，厚度1～60 m，平均厚度26 m。上部為沙土層及風(fēng)積沙丘。中部為黃土地層，主要為灰黃色亞沙土、亞粘土。下部為河流沖積成因的松散砂礫石層。地表多為固定-半固定沙丘。

（2）新近系章恩堡組。地表零星出露，厚度63～350 m，平均厚200 m。頂、中部為棕紅色半膠結(jié)紅土地層，主要由砂質(zhì)粘土夾少量礫石組成，下部為棕紅色亞粘土，間夾石膏薄層。底部發(fā)育淺紫灰色半膠結(jié)砂礫層，礫石成分主要由石英巖、灰?guī)r組成。該層厚度5～60 m，平均厚度20 m 左右。

（3）二疊系上統(tǒng)石盒子組。廣泛分布，巖性及厚度總體穩(wěn)定，平均厚度229 m。上部為紫、暗紫色粉、細(xì)砂巖及灰紫色泥巖，屬河湖相沉積。下部以灰綠、灰黑色粉砂巖為主，泥巖、砂質(zhì)泥巖次之。

（4）二疊系山西組。為陸相（河、湖、沼澤相）沉積。主要由灰、灰白色細(xì)、中粒砂巖、深灰色粉砂巖及灰黑色泥巖和煤層組成，厚度100 m左右。

（5）石炭系上統(tǒng)太原組。井田內(nèi)廣泛分布，屬近海型沉積地層，為井田主要的含煤地層。平均厚約73 m。

（6）石炭系中統(tǒng)土坡組。厚度4～503 m，平均厚71 m。主要由深灰-灰黑色粉砂巖、砂質(zhì)泥巖組成，間夾泥巖、細(xì)砂巖薄層。

2.2 井田水文地質(zhì)特征

根據(jù)地層巖性、埋藏條件、地下水賦存特征，將含水層劃分為第四系松散孔隙潛水含水層、新近系清水營組底部砂礫石孔隙承壓含水層、二疊系石炭系砂巖裂隙承壓含水層。由新至老分述如下。

（1）第四系松散巖類孔隙潛水含水層。

全區(qū)廣泛發(fā)育，主要由黃土和風(fēng)積沙組成，與下伏新近系章恩堡組地層呈不整合接觸。地層厚度0.57～60 m，平均厚度26 m。結(jié)構(gòu)松散，透水性好。第四系潛水靜水位埋深12.31 m，含水層滲透系數(shù)20.04 m/d，單位涌水量2.53 L/s·m。地下水溶解性總固體含量自東向西升高顯著，最低1 197.72 mg/ L，最高達(dá)4 611 mg/ L，水化學(xué)類型為SO42·CL--Na+型。

（2）新近系章恩堡組底部砂礫石孔隙承壓含水層。

新近系底部砂礫石含水層位于新近系砂質(zhì)粘土底部，主要由砂礫石組成。含3～5 礫石層，以最底部礫石層的厚度最大，礫石層累計(jì)厚度5.45～60.48 m，平均厚19.78 m。礫徑大部在2～50 mm，最大可達(dá)150 mm。礫石分選、磨圓總體較差。泥質(zhì)膠結(jié)較差，孔隙較發(fā)育，透水性較好。單位涌水量0.008～0.141 L/s·m，富水性為弱，局部偏中等，為承壓水性質(zhì)。含水層富水性平面上差異較大。地下水溶解性總固體含量2 000 mg/L 左右，氟離子含量達(dá)2.80 mg/L，地下水為CL-·SO42-Na+型水。

（3）二疊系石炭系砂巖裂隙承壓含水層。

含水層平均厚度167 m，水位埋深8.59～75.52 m，單位涌水量0.00 084～0.0 900 L/s·m，富水性弱，含水層富水性平面上差別較大。地下水礦化度5 055 mg/L，化學(xué)類型為SO42-·CL--Na+型水。

2.3 隔水層分布及其特征

根據(jù)巖性、地層組合及分布特征，由淺至深劃分為新近系上部砂質(zhì)粘土隔水層、二疊系石盒子組粉砂巖及泥巖隔水層、石炭系太原組下段粉砂巖及砂質(zhì)泥巖隔水層。本文僅對煤系地層上覆的新近系上部砂質(zhì)粘土隔水層的特征進(jìn)行說明。

新近系上部粘土層為第四系潛水與下伏含水層間良好的隔水層，厚度83～397 m，平均181 m，全礦區(qū)廣泛分布。巖性以紫紅色砂質(zhì)粘土為主，呈塊狀，膠結(jié)較好，含少量沙質(zhì)，濕時(shí)具塑性，透水性極差，局部夾半膠結(jié)砂巖、泥灰?guī)r及片狀石膏結(jié)晶體薄層，與下伏地層呈不整合接觸（圖2）。

圖2 新近系泥巖層巖芯照片F(xiàn)ig.2 Core photos of Neogene mudstone strata

3 “兩帶”高度計(jì)算及含水層連通性分析

煤層開采后，上覆巖層因失去支撐打破了原始的應(yīng)力平衡狀態(tài)，出現(xiàn)下沉并發(fā)生變形或斷裂破壞。覆巖變形及破壞程度主要取決于煤層頂板的巖性特征、巖層組合、構(gòu)造特征、煤層開采方法、開采厚度、井下支護(hù)及上覆巖層的總體厚度等諸多因素。圍巖變形和破壞程度在平面上隨遠(yuǎn)離采空區(qū)而減輕，在垂向上越接近采掘工作面，巖層的破壞程度越大。

煤層開采后上覆巖體按其影響程度從垂向上自下而上大致可分為3 個(gè)不同的開采影響帶，即垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶和彎曲變形帶。將導(dǎo)水裂縫帶及垮落帶稱為“兩帶”，其可成為地下水運(yùn)移的良好通道。當(dāng)垮落帶及導(dǎo)水裂縫帶向上部延伸并溝通上部含水層或剝蝕面含水層時(shí)，將使溝通的各含水層間發(fā)生密切的水力聯(lián)系，特別是當(dāng)開采煤層較淺時(shí)，兩帶高度會波及至淺部，淺層地下水向下伏含水層或工作面補(bǔ)給，并導(dǎo)致淺部地下水流場發(fā)生改變。因此，準(zhǔn)確計(jì)算煤層開采條件下的“兩帶”高度值，對于科學(xué)分析和判斷礦井建設(shè)和礦井采掘活動對淺層地下水是否造成影響有著重要的意義[3]。

3.1 “兩帶”高度理論計(jì)算

該礦煤層為近水平分布，采用長臂式綜采工藝一次采全高，頂板為全部垮落式管理。九煤層上覆地層屬中硬巖層，煤層傾角＜15°，巖石單軸抗壓強(qiáng)度多在20～40 MPa，根據(jù)《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB/T 12719-2021），選用式（1）計(jì)算。

H垮=（3～4）M；此次計(jì)算時(shí)選擇Hc=4 M。

式中：H垮為垮落帶最大高度，m；H導(dǎo)為導(dǎo)水裂縫帶（包括垮落帶）最大高度，m；M 為累計(jì)采煤厚度；n 為煤層開采層數(shù)。

依上述公式，計(jì)算九煤層垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶高度，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶計(jì)算結(jié)果一覽Table 1 List of calculation results of caving zone and water conduction fracture zone

3.2 “兩帶”高度連通性分析

煤層采空后，上覆地層因失去支撐，在重力作用下發(fā)生橫向及縱向位移，內(nèi)部出現(xiàn)變形和破壞?！皟蓭А保迓鋷А?dǎo)水裂縫帶）高度影響范圍內(nèi)，巖層內(nèi)部出現(xiàn)嚴(yán)重變形，巖層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大破壞，巖體內(nèi)部出現(xiàn)較多裂隙，兩帶高度內(nèi)的含水層相互導(dǎo)通。“兩帶”之上的巖層雖出現(xiàn)了一定程度的位移和變形，但這種位移和變形具有整體性，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)并未發(fā)生較大破壞，仍保持有原始地層的特征。從本質(zhì)上看，彎曲變形帶并不具有導(dǎo)水裂縫帶和垮落帶巖層所具有的破壞特征，加之煤層上覆巖層中數(shù)泥巖類隔水層分布最多，其隔水效果較好。在水浸條件下泥巖類地層極易軟化膨脹，有利于裂隙的彌合修復(fù)。其次，第四系下伏有巨厚的古近系泥巖地層，因其具有良好的隔水性能，并在區(qū)域上穩(wěn)定分布，能有效阻隔第四系潛水向下伏巖層的滲透和補(bǔ)給，減弱了第四系潛水與下伏含水層間的水力聯(lián)系。

該礦先期開采地段位于井田西部，開采九煤層。煤層底板標(biāo)高869.70—260.00 m，厚度2.41～4.30 m，煤層埋深最深可達(dá)980 m，最淺約371.00 m 左右。第四系地層厚度24.00 m 左右，新近系厚度252.00～277.00 m。

采用上述公式計(jì)算，九煤層“兩帶”（垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶）最大高度64.40 m?！皟蓭А备叨冗h(yuǎn)小于上覆巖層的總厚度。九煤層采后導(dǎo)水裂縫帶的最大高度僅切入到山西組上部，距上覆第四系含水層距離尚遠(yuǎn)（圖3）。據(jù)井下揭露，太原組、山西組砂巖裂隙含水層為九煤層開采條件下的充水來源主要。上覆的新近系及第四系孔隙含水層對九煤層的充水影響甚微[4-6]。另外，第四系松散層下伏有巨厚的新近系泥巖地層，因其在區(qū)域上穩(wěn)定分布，為良好的隔水層，能有效阻隔第四系潛水向下伏巖層滲透補(bǔ)給，減弱了與下伏含水層之間的水力聯(lián)系。

圖3 九煤層“兩帶”高度及地層剖面示意Fig.3 Height of'two zones'and stratigraphic section of No.9 coal seam

綜上所述，九煤層開采條件下，“兩帶”高度未導(dǎo)通淺部含水層。

3.3 采煤沉陷區(qū)淺層地下水現(xiàn)狀

據(jù)實(shí)地調(diào)查，煤層采空區(qū)域出現(xiàn)了明顯的地表沉陷，使此區(qū)域更有利于大氣降水匯集及入滲，同時(shí)也更有利于淺層地下水向沉陷中心區(qū)域匯集。

經(jīng)鉆孔揭露，采空區(qū)域沉陷幅度較大，從而加大了該區(qū)域第四系含水層的相對厚度，增加了該區(qū)域供水井井內(nèi)實(shí)際的水柱高度（圖4）。從整個(gè)潛水地下水流場來看，沉陷區(qū)域已成為本區(qū)域淺層地下水開采相對有利的地段，在井群同時(shí)開采工況下，出現(xiàn)沉陷區(qū)域與周邊區(qū)域爭奪地下水的局面[7-9]。

圖4 沉陷區(qū)淺部地層剖面示意Fig.4 Stratigraphic section of subsidence area shallow

4 礦井充水因素

通過分析鄰近生產(chǎn)礦井的充水因素及水文地質(zhì)特征，結(jié)合長城三礦井下揭露資料分析，第四系孔隙潛水含水層的主要補(bǔ)給來源為大氣降水，由于下伏有巨厚的新近系泥巖隔水地層，大氣降水不能直接補(bǔ)給深部的基巖含水層[10-11]。礦井涌水主要為采空區(qū)積水及煤層頂板砂巖含水層涌水，煤層采空后頂板巖層導(dǎo)水裂隙帶人工通道、各種節(jié)理及張性斷裂破碎帶等形成的構(gòu)造裂隙通道為該礦井主要的充水通道[12-14]。

5 淺層地下水流場特征

經(jīng)調(diào)查，該區(qū)域第四系松散潛水地下水的開發(fā)利用程度較高，井點(diǎn)分布密度大，多為人工開挖大口徑井及機(jī)械鉆鑿的砂管井，井深30～50 m。采用管道系統(tǒng)輸水，滴灌的方式實(shí)施綠化灌溉。由于開采時(shí)段集中、開采量大，加之井距普遍偏小，導(dǎo)致該區(qū)地下水資源呈過量開采局面，井點(diǎn)間已呈相互干擾運(yùn)行狀態(tài)。

從統(tǒng)測數(shù)據(jù)來看，潛水水位埋深由南至北漸深，最淺2.10 m，最深達(dá)22.06 m。從水位統(tǒng)測數(shù)據(jù)來看，牧民新村以東區(qū)域水位較高，約1 247～1 227 m。西部區(qū)域水位高程約1 217 m。從第四系潛水水位等值線圖（圖5）可以看出，該區(qū)域潛水地下水總體由地勢較高的東南區(qū)域向地勢較低的西北區(qū)域的月牙湖鄉(xiāng)牧民新村至黃河一帶徑流，地下水徑流方向與本區(qū)地形傾斜趨勢基本一致，且受下伏的新近系泥巖頂面形態(tài)制約，地下水水力坡度為5.8‰左右。月牙湖鄉(xiāng)牧民新村處于地下水徑流的下游區(qū)。

圖5 潛水地下水等水位線圖Fig.5 Groundwater level contour map of phreatic water

從各點(diǎn)統(tǒng)測資料及潛水地下水等水位線圖來看，無論采空區(qū)范圍內(nèi)還是未采空區(qū)域，潛水地下水在全區(qū)廣泛分布，地下水賦存狀態(tài)并未出現(xiàn)明顯改變，第四系潛水地下水流場形態(tài)未出現(xiàn)明顯異常，無局部疏干及出現(xiàn)地下水降落漏斗的形態(tài)特征，說明第四系下伏巨厚的泥巖地層具有良好的隔水能力，煤層開采對淺層地下水影響不大[15-17]。

6 水文鉆孔長觀資料分析

據(jù)長城三礦長觀孔資料，在工作面開采后，新近系底部含水層地下水水位，多年觀測呈基本穩(wěn)定狀態(tài)。靜止水位標(biāo)高1 169.803—1 173.573 m，水位變幅僅3.77 m，也證明井下疏排水對新近系底部礫巖層地下水的影響不大，“兩帶”高度并未溝通新近系底部礫巖含水層，新近系及第四系地下水與下伏基巖地下水之間的水力聯(lián)系較弱。

7 水文動態(tài)觀測分析

根據(jù)鉆孔長觀資料結(jié)合氣象資料分析來看，大氣降水時(shí)空分布與礦井涌水量的變化上沒有明顯的一致性。大氣降水時(shí)空分布與新近系底部水位變化上也無明顯的一致性[18-19]。說明淺層地下水與下伏新近系含水層地下水間的水力聯(lián)系較弱[20]，新近系地下水與下伏基巖地下水間的水力聯(lián)系較弱，這也間接說明第四系淺層地下水與下伏含水層間的水力聯(lián)系較弱[21-24]。

8 水化學(xué)類型對比分析

從水質(zhì)分析結(jié)果來看，太原組砂巖裂隙水的水化學(xué)類型為SO42·CL-Na+型，第四系潛水地下水化學(xué)類型為CL-·SO42-Na+型水，即2 個(gè)含水層的水化學(xué)類型略有差異，證明第四系潛水與下部含水層間沒有明顯的補(bǔ)給聯(lián)系。

9 結(jié)論

在開采條件下，受采動影響，九煤層的“兩帶”高度遠(yuǎn)小于其上覆基巖層厚度，并未延伸至新近系底部的礫巖含水層，與第四系含水層相距更遠(yuǎn)。其次第四系下伏有巨厚、穩(wěn)定的新近系泥巖隔水層，阻隔了第四系潛水地下水向下伏巖層滲透補(bǔ)給，減弱了第四系潛水地下水與下伏基巖地下水之間的水力聯(lián)系。另外，“兩帶”高度以淺地層雖發(fā)生整體彎曲變形和下沉，地面出現(xiàn)一定幅度的沉陷，但彎曲變形帶內(nèi)巖層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并未遭到根本性的破壞，其仍具有較好的隔水能力。從長觀資料結(jié)合水文動態(tài)觀測資料及不同含水層的地下水水化學(xué)類型進(jìn)行比對分析，也證明第四系淺層地下水與下伏含水層間的水力聯(lián)系較弱。綜上所述，長城三號礦井采煤沉陷對淺層地下水的影響較小。

分析認(rèn)為，近年來該采煤沉陷區(qū)及下游大部區(qū)域出現(xiàn)地下水水位持續(xù)降低、水資源日趨枯竭、水質(zhì)持續(xù)惡化的狀況，主要因素有以下幾個(gè)方面。

（1）自然因素。該區(qū)氣候干旱，大氣降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，地下水補(bǔ)給匱乏。

（2）人為因素。該區(qū)域井點(diǎn)密集，開采量大，且開采時(shí)段集中，井群間相互干擾明顯，水位下降幅度較大，對淺層地下水的開采強(qiáng)度已超出了地下水資源的承載能力，從而出現(xiàn)淺層地下水的水位持續(xù)下降，地下水水資源逐年枯竭。當(dāng)水位下降后，地下水在交替運(yùn)移過程中，不斷融濾并積累了新近系高鹽背景地層中的鹽分，使地下水中的鹽分濃度持續(xù)增高。在地表回灌過程中，又經(jīng)強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用，水中的鹽分滯留于地表，又被回灌水重新帶入地下水中，導(dǎo)致地下水在開采灌溉回滲及循環(huán)過程中被不斷濃縮，從而造成淺層地下水資源總量在持續(xù)減少、水質(zhì)持續(xù)惡化的局面。

建議加強(qiáng)對地下水資源的保護(hù)和開發(fā)，科學(xué)合理地開發(fā)地下水資源，對影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境進(jìn)行修復(fù)和改善。對開采煤層頂板進(jìn)行科學(xué)管理，采取有效的支護(hù)措施，合理留設(shè)保護(hù)煤柱，減輕對地表環(huán)境的沉陷破壞及對地下水可能造成的不利影響。要加強(qiáng)對沉陷區(qū)的動態(tài)監(jiān)測，對沉陷影響較大的區(qū)域及時(shí)進(jìn)行復(fù)墾和治理。