零散區(qū)塊煤炭資源開采對周邊水庫水資源的影響
——以幸福水庫為例

陳 川,陳俊賢

(貴州省地礦局117地質(zhì)大隊(duì),貴州 貴陽 550018)

0 引言

擬建某零散區(qū)塊位于貴州省黔西南州普安縣青山鎮(zhèn)歹蘇村長沖至野鹿寨一帶,距普安縣城直距約26 km、青山鎮(zhèn)北東約14 km,距興仁市18 km。地處貴州高原向廣西丘陵過渡的斜坡地帶,受西面的馬別河和東面的麻沙河深切割控制,地形起伏較大,溝壑縱橫,山脊走向近東西向,總體地勢南北低、中間高,相對高差較大。貴州省煤炭資源礦業(yè)開發(fā)對周邊水庫等水資源的影響一直以來都是經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)的焦點(diǎn)問題,因此對該類問題的研究,具有重要的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益,為類似工作提供參考。

1 鄰近礦井及水庫概況

1.1 王家寨煤礦

1.1.1 開采現(xiàn)狀

王家寨煤礦位于零散區(qū)塊東200 m,礦區(qū)面積為2.539 5 km2,生產(chǎn)規(guī)模45.00萬t,開采深度:自1 850 m至1 100 m標(biāo)高?？刹擅簩?層,目前采空區(qū)底板標(biāo)高1 515 m。現(xiàn)階段礦井正常涌水量為55.38 m3/h,最大涌水量為166.12 m3/h。礦井年度產(chǎn)生的礦井正常涌水量為48.51萬m3。礦區(qū)主要礦體位于當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面之上,地形有利于自然排水[1]。充水含水層富水性差,以大氣降水補(bǔ)給為主,地下水補(bǔ)給條件差,為頂板直接進(jìn)水的充水礦床。礦床水文類型為Ⅱ類Ⅱ型即水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度中等。

1.1.2 地質(zhì)環(huán)境影響現(xiàn)狀評價

區(qū)內(nèi)發(fā)育2處滑坡均位于龍?zhí)督M17、18、19號煤層露頭線附近,1處崩塌位于飛仙關(guān)組地層斜坡陡峭處,均由采礦引發(fā)。周邊沒有較大河流和泉水,溪溝水量沒有明顯減少的現(xiàn)象發(fā)生。水流量受大氣降水控制以及季節(jié)影響。采礦活動對地表水影響較小。

1.2 興隆煤礦

1.2.1 開采現(xiàn)狀

興隆煤礦位于零散區(qū)塊北200 m,礦區(qū)面積為3.901 8 km2,生產(chǎn)規(guī)模60萬t/a,開采深度1 700～1 300 m?？刹擅簩?層,目前采空區(qū)底板標(biāo)高1 490 m。現(xiàn)階段礦井正常涌水量107 m3/h,最大涌水量210 m3/h。礦井年度產(chǎn)生的礦井正常涌水量93.732萬m3。礦區(qū)內(nèi)所有礦體位于當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面以上;充水源地下水以基巖裂隙水為主,直接充水含水層富水性弱,頂板直接充水含水層富水性弱-中等[2];地形有利于自然排水。礦床水文地質(zhì)勘探類型可劃歸為Ⅱ類Ⅰ型即水文地質(zhì)條件簡單的裂隙充水礦床[3]。

1.2.2 地質(zhì)環(huán)境影響現(xiàn)狀評價

區(qū)內(nèi)發(fā)育1處滑坡均位于龍?zhí)督MC3、C4號煤層露頭線附近,3處崩塌和1處泥石流位于飛仙關(guān)組地層斜坡陡峭處,均為采礦引發(fā)。周邊沒有較大河流和泉水,溪溝水量沒有明顯減少,水流量受大氣降水控制、季節(jié)影響。采礦活動對地表水影響較小。

1.3 幸福水庫

位于零散區(qū)塊西2.7 km,幸福水庫原設(shè)計(jì)壩址以上集雨面積 18.037 km2。水庫為Ⅳ等小(1)型水庫。大壩為均質(zhì)土壩192 m×31.5 m(長×高)。正常水位1 605.3 m,設(shè)計(jì)洪水位1 607.49 m,校核洪水位1 607.57 m,幸福水庫總庫容801萬m3。如圖1所示。

圖1 零散煤炭資源區(qū)與鄰近礦井、水庫的位置關(guān)系Fig.1 Location relations of scattered coal resource areas and adjacent mines and reservoirs

壩址多年平均徑流量1 236萬m3。水庫地下水系統(tǒng)天然補(bǔ)給量計(jì)算公式:Q=M×365×86.4×F,計(jì)算得:102.29萬m3/a。幸福水庫水資源地表水補(bǔ)給來源占92.36%,地下水補(bǔ)給來源占7.24%,因此幸福水庫水資源主要是地表水補(bǔ)給來源。

2 零散區(qū)塊水文地質(zhì)條件

2.1 區(qū)域水文地質(zhì)

零散區(qū)塊所處大地構(gòu)造位置屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺黔北臺隆六盤水?dāng)嘞萜瞻残?gòu)造變形區(qū)中部,放馬坪背斜西北翼。地表分水嶺從斷頭山—香龍山一線為區(qū)域南盤江與北盤江水系的分水嶺。零散區(qū)塊位于該水文單元的補(bǔ)給區(qū)。區(qū)域內(nèi)碎屑巖分布面積較廣,大氣降水為該區(qū)域主要補(bǔ)給來源,地下水總體流向從北向南徑流,補(bǔ)給條件差,徑流途徑短,富水性弱,具有當(dāng)?shù)匮a(bǔ)給與排泄特點(diǎn),其排泄不受外圍的深切割河流控制。當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面為幸福水庫1 600 m。

2.2 零散區(qū)塊水文地質(zhì)

2.2.1 含、隔水巖組(層)特征

根據(jù)礦區(qū)內(nèi)出露地層巖性組合、地下水賦存條件、水力性質(zhì)及特征等自上而下,見表1。

表1 零散區(qū)塊含水巖組特征

2.2.2 地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件

區(qū)塊內(nèi)孔隙潛水主要接受大氣降水的入滲補(bǔ)給。蒸發(fā)及其他垂向排泄是潛水排泄的方式。

區(qū)塊內(nèi)主要出露地層為三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)裂隙含水層,補(bǔ)給條件差,富水性弱,主要以上層滯水及風(fēng)化裂隙水賦存,受降水下滲補(bǔ)給后沿巖層傾向徑流并在溝谷處形成侵蝕泉。具有補(bǔ)給條件差、徑流途徑短,當(dāng)?shù)匮a(bǔ)給當(dāng)?shù)嘏判沟奶攸c(diǎn)[4]。

總之,零散區(qū)塊內(nèi)的每一個小沖溝都是一個補(bǔ)、徑、排完整的水文地質(zhì)單元,其地表分水嶺就是水文地質(zhì)邊界,地下水在沖溝中就近補(bǔ)給就近排泄。

2.2.3 主要構(gòu)造破碎帶對地表水和地下水的影響

區(qū)塊內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較為簡單,區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)褶曲及斷層。構(gòu)造破碎帶及斷層則對地表水和地下水影響小。

2.2.4 地表水、地下水動態(tài)特征

零散區(qū)塊靠近分水嶺地帶,由于三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組碎屑巖區(qū)相對阻水,附近的井泉出露較少,地表坡度較陡,有利于地表水排泄。零散區(qū)塊內(nèi)發(fā)育2條季節(jié)性溪溝均向南西匯入野鹿寨—兩岔河溪溝,最終匯入幸福水庫。論證區(qū)地表水動態(tài)變化明顯,主要受大氣降水補(bǔ)給,與大氣降水具有正相關(guān)性,地表水的動態(tài)具有急漲暴落的山區(qū)雨源型河流特征,屬于不穩(wěn)定型。而據(jù)附近礦山排水量隨動態(tài)隨季節(jié)變化較為明顯,屬于較穩(wěn)定型[5]。

2.2.5 地下水埋深

從收集附近井田鉆孔所觀測的靜止水位埋深看出,在地勢高的坡頂?shù)貛?地下水位埋深大;在地勢低的坡腳地帶,地下水位埋深小。水位標(biāo)高+1 610.04～+1 776.96 m,各鉆孔平均水位標(biāo)高為+1 688.50 m。

2.3 礦井涌水量預(yù)測

根據(jù)相鄰井田涌水量資料,王家寨煤礦、興隆煤礦和零散區(qū)塊的地質(zhì)、水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件相似,且井筒巷道布置方式、掘進(jìn)方法、采煤方法均基本相似,因此將3個井田看似為1個“大井”,采用比擬法對礦井涌水量進(jìn)行預(yù)測[6]。

以“大井”預(yù)測計(jì)算為基礎(chǔ),按照規(guī)劃零散區(qū)塊面積在“大井”中所占比例,估算出規(guī)劃零散區(qū)塊開采礦井涌水量,即正常涌水量1 189 m3/d,最大涌水量2 333 m3/d。

2.4 礦床水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析

2.4.1 充水水源分析

零散區(qū)塊充水水源分析見表2。

表2 零散區(qū)塊充水水源分析

2.4.2 礦床水文地質(zhì)條件類型

零散區(qū)塊地下水為基巖裂隙水;茅口組強(qiáng)含水層與龍?zhí)督M可采煤層之間,有厚度較大的峨眉山玄武巖組地層組成的隔水層;龍?zhí)督M是礦床充水的直接含水層,長興大隆組是礦床充水的間接含水層,這些充水含水層含少量基巖裂隙水,富水性弱;從煤層的分布情況看,區(qū)內(nèi)大部分可采煤層位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面(1 600 m)之下。

綜上所述,井田水文地質(zhì)屬于第二類型,即是頂板充水為主的基巖裂隙充水礦床,水文地質(zhì)條件中等[7]。

3 零散區(qū)塊開采對水庫水資源影響分析

3.1 煤礦開采對水庫大壩安全的影響分析

零散區(qū)塊開采的煤層開采后最大影響半徑為273.08 m,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于礦界到大壩的2 700 m,其影響范圍有限,且礦井采用填充法開采,因此理論上地表移動不會波及到大壩[8]。

3.2 煤礦開采對地表水的影響分析

零散區(qū)塊低中淺切割侵蝕地貌山區(qū),地形起伏,沖溝坡度較大,有利于地表排泄,地表發(fā)育2條季節(jié)性溪溝最終匯入幸福水庫,其地表水與地下水之間的水力聯(lián)系主要通過飛仙關(guān)組(T1f)含水層進(jìn)行溝通。根據(jù)計(jì)算,最大導(dǎo)水裂隙帶高度標(biāo)高點(diǎn)為17煤層頂板上方37.73 m,未來導(dǎo)水裂隙帶與冒落帶只進(jìn)入P3c+d層,不會進(jìn)入T1f[9]。而17號煤層距地表溪溝河床底板覆巖厚度約310 m,覆巖為飛仙關(guān)組(T1f)透水性極差的泥巖、粉砂巖等,屬于隔水層,零散塊段開采產(chǎn)生地表裂縫與采空區(qū)貫通的可能性較小[10],地表水發(fā)生漏失的可能性小,不會改變溪溝的匯水功能,也不會直接影響溪溝的水量[11]。

3.3 煤礦開采對地下水的影響分析

采用徑流模數(shù)法估算零散區(qū)塊開采排水對水庫地下水補(bǔ)給量的減少影響量。Q=M×365×86.4×F,計(jì)算得:7.75萬m3/a。而水庫地下水天然補(bǔ)給量102.29萬m3/a,對幸福水庫地下水補(bǔ)給年影響程度為7.5%,由于幸福水庫水資源主要是地表水補(bǔ)給,幸福水庫水資源地表水補(bǔ)給來源占92.36%,地下水補(bǔ)給來源占7.24%,且地下水水資源補(bǔ)給主要為大氣降水,因此零散區(qū)塊開采對幸福水庫地下水水源補(bǔ)給影響很小。

3.4 水庫側(cè)滲對零散區(qū)塊的影響分析

未來零散區(qū)塊開采含水層影響范圍為1 128.17 m,其影響邊界距幸福水庫約2 km;影響半徑邊緣地帶的地下水位標(biāo)高1 688.50 m,也高于水庫正常水位標(biāo)高1 605.3 m;幸福水庫和零散區(qū)塊之間有飛仙關(guān)組(T1f),長興-大隆組(P3c+d)、龍?zhí)督M(P3l)3個弱透水層相隔,富水性弱,地下水補(bǔ)給條件差,因此煤礦開采在總體上不會改變與水庫區(qū)域地下水的徑流條件,其開采使水庫滲漏的可能性小[11-12]。

4 結(jié)論及建議

通過對零散區(qū)塊開采對水庫水資源影響的分析可知,煤礦開采后對幸福水庫壩體的安全沒有影響。區(qū)塊開采使附近地表水發(fā)生漏失的可能性小。零散區(qū)塊開采對幸福水庫地下水水源補(bǔ)給影響很小。零散區(qū)塊開采使水庫滲漏的可能性小。

(1)開采前要做好地質(zhì)勘查工作,特別是礦區(qū)水文地質(zhì)勘查工作,選擇正確的煤炭開采方式,可避免在煤炭開采過程中對地下含水層結(jié)構(gòu)的破壞及由此產(chǎn)生的一系列水資源環(huán)境失衡的問題。

(2)零散煤炭資源區(qū)塊未進(jìn)行過地面物探工作,對于斷裂構(gòu)造的富水性、導(dǎo)水性研究相對較少,且井田內(nèi)不排除存在隱伏導(dǎo)水構(gòu)造的可能,由于隱伏導(dǎo)水構(gòu)造突水具有隱蔽性、突發(fā)性和滯后特征,因此應(yīng)采用井下物探探測、鉆探驗(yàn)證的方法查明構(gòu)造的位置、規(guī)模,從而分析構(gòu)造的導(dǎo)水性。

(3)在地面修筑截排水溝,保證地表水流入排水溝;對能引起地表水滲入井下的各種通道,如地裂縫等,用粘土或水泥進(jìn)行堵填,防止地表水的滲入。

(4)地表植被恢復(fù),加強(qiáng)采空區(qū)治理,提高土地復(fù)墾效率,植樹造林,以提高流域的天然蓄水能力。

(5)完善地下水位、水量、水質(zhì)動態(tài)檢測,及時、準(zhǔn)確地掌握本礦地下水質(zhì)量變化動態(tài),加強(qiáng)地下水質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)。

(6)由于各礦區(qū)煤層厚度變化較大,導(dǎo)致采深變化也較大,可根據(jù)煤礦的開采實(shí)際情況將對水資源的影響降到最低,根據(jù)評價結(jié)果對煤礦布局合理性、采煤方案的可行性進(jìn)行分析,以達(dá)到有效保護(hù)水資源的目的。