山西离柳矿区煤炭开发对柳林泉域环境风险影响分析

黄 华

（中煤科工集团南京设计研究院，江苏省南京市，210031）

山西离柳矿区煤炭开发对柳林泉域环境风险影响分析

黄 华

（中煤科工集团南京设计研究院，江苏省南京市，210031）

叙述了离柳矿区概况及柳林泉域的概况，对离柳矿区域及柳林泉域的关系、矿区内煤层开采对奥灰水的影响及奥灰水进入矿坑的风险进行了分析总结。

离柳矿区 柳林泉域 奥灰水 煤层 下组煤 带压开采

1 离柳矿区概况

离柳矿区隶属13个大型煤炭基地之一的晋中煤炭基地，是我国大型优质炼焦煤基地之一。2010年国家发改委对离柳矿区规划进行了批复，共规划大型矿井26对，其中兴县区4对，离柳区22对。由于兴县区和离柳地质条件和水文条件差异较大，本次分析指的离柳矿区不包括兴县区。

离柳矿区内查明地层有古生界寒武系（E），奥陶系（O），石炭系本溪（C2），太原组（C3），二叠系山西组（P11），石盒子组（P21～P12），石千峰组（P22），新生界第三、第四系等，其中太原组、山西组为主要含煤地层。

离柳矿区可采煤层为位于山西组的上组煤2＃、3＃、4＃、5＃煤层和位于太原组的下组煤6＃、8＃、9＃、10＃煤层。

2 柳林泉域概况

2.1 柳林泉及泉域范围

柳林泉域是山西省政府批复的19大泉域之一，是吕梁市及柳林县、中阳县、方山1市3县饮用水水源和区域多数大型企业的供水水源。泉域总面积4729km2，其中碳酸岩裸露区面积约1454km2，主要分布于泉域的东部和北部，占泉域面积的30.75%。

柳林泉位于柳林县城以东约3km的三川河河谷中。泉区出露地层为奥陶系碳酸盐岩类与石炭系碎屑岩类，泉水从二者的接触带溢出，呈散泉的形式出露，大小泉点为数百个，出露标高794～803m，泉群多年平均流量2.32m3／s。

2.2 泉域岩溶水补给、径流、排泄条件

（1）补给。泉域内主要有降水入渗补给（包括覆盖区间接入渗）和地表在河流灰岩裸露地段的渗漏补给。

泉域内碳酸盐岩裸露面积为1454km2，降水的直接入渗成为岩溶地下水的主要补给源。

另外，三川河上游有6个渗漏段对泉域渗漏补给。

（2）岩溶地下水径流。柳林泉域岩溶地下水在泉域东部接受降水入渗补给后，受地形以及最低排泄基准面的控制，地下水总体由东向西渗流。

（3）岩溶地下水的排泄。天然条件下，柳林泉以及东部排泄的小型岩溶泉是岩溶地下水的主要排泄形式，目前泉域内已形成了相当规模的岩溶地下水取水工程，除离石－中阳一带的地下水开采外，柳林泉口以及泉口下游的井采与自流井排泄已成为岩溶地下水排泄的重要形式。

2.3 柳林泉域最新研究

根据山西省最新研究调整了泉域范围，柳林泉域主要调整了泉域西界，调整后的西部边界以奥陶系顶板埋深1000m为岩溶地下水滞流阻水边界。调整后的泉域山西省内面积为6002.49km2。

该泉域范围虽尚未得到政府部门批复，但从地下水水力联系角度来看，以此来确定泉域范围更为合理，本次研究将以此作为柳林泉域范围。

3 离柳矿区域及柳林泉域关系分析

3.1 矿区与泉域平面位置关系

离柳矿区和柳林泉域平面位置关系见图1，从平面位置上来看，离柳矿区除两个后备区外基本全部位于柳林泉域范围内。

图1 离柳矿区和柳林泉域关系示意图

3.2 矿区开采煤层与泉域竖向关系

矿区可开采煤层山西组和太原组均位于泉域含水层奥陶系和寒武系之上，煤系地层与泉域含水层之间有稳定隔水层本溪组存在。开采煤层与泉域含水层之间竖向关系见图2。

由图2可知，上组煤距离奥灰水在80m以上，距离较远；下组煤距离奥灰水较近，下组煤主要可采煤层距离奥灰水在20～80m。

图2 煤层与泉域含水层关系示意图

3.3 煤层与泉域补给区关系

泉域补给主要是碳酸盐岩裸露区的大气降水。泉域碳酸盐岩裸露区主要位于泉域东南部和泉域中部部分地区，碳酸盐岩裸露区大部分位于矿区外，位于矿区内的部分全部分布在无煤区。

泉域另一个补给源为三川河上6个渗漏段，其中4个渗漏段位于矿区范围外，2个渗漏段位于矿区内无煤区。

由此可见，矿区可采煤层均不涉及泉域补给区，矿区开发与泉域补给基本无水力联系。

3.4 煤层与泉域径流、排泄关系

由于泉域奥灰水位于煤系地层以下，且奥灰水与煤系地层之间有稳定的隔水层存在，正常情况下，泉域奥灰水与煤层无联系，煤层不会影响泉域的径流和排泄。

区域奥灰水为承压水，随着煤层开采后形成矿坑，隔水层底板将受水压影响，一旦水压大于底板所能承受的压力后，隔水层遭到破坏，将会造成奥灰水进入矿坑，从而影响泉域内奥灰水的局部径流和排泄。

4 煤层开采对奥灰水的影响

4.1 承压水体上采煤

煤层开采后，改变地层结构，煤层底板应力重新分布，造成底板岩层的变形与破坏，削弱了底板岩层的阻水能力，由于煤层底板标高低于其下伏的承压水水位高，从而可能会导致煤层下伏的承压水破坏底板进入矿坑。

离柳矿区下组煤基本全部低于奥灰水标高，上组煤除矿区西部外也基本低于奥灰水标高。因此，矿区内采煤存在奥灰水进入矿坑的风险。

根据《煤矿防治水规定》（2009），承压水体上采煤突水可能性评价一般采用突水系数法，底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06MPa／m，正常块段不大于0.1MPa／m。

4.2 上组煤开采对奥灰水影响

矿区上组煤距离奥灰水在80m以上，上组煤底板承压较小或不受奥灰水承压，加之上组煤距离奥灰水较远，上组煤突水系数一般小于0.06MPa／m，只有在矿区最西部少部分地区突水系数大于0.06MPa／m。

由此可见，离柳矿区上组煤开采对奥灰水的威胁较小，对柳林泉域的径流和排泄影响也较小。

4.3 下组煤开采对奥灰水影响

矿区东部（离石区）下组煤底板受奥灰水影响承压小，突水系数一般小于0.06MPa／m。

矿区西部下组煤全部处于带压开采状态，底板水压3～8MPa，主采煤层突水系数普遍大于0.06 MPa／m，局部甚至大于0.1MPa／m。

由此可见，离柳矿区下组煤开采对奥灰水的威胁较大，对柳林泉域的径流和排泄影响也较大。

5 奥灰水进入矿坑风险分析

5.1 环境风险源项

根据上述分析，离柳矿区内奥陶系含水层富水性强、水位高，煤层开采，特别是下组煤的开采对奥陶系含水层构成威胁。矿区内煤层开采对奥灰水的影响主要有两方面：一是发生突水事故，造成奥灰水进入矿坑；另外就是为防止突水事故发生而采取疏水降压开采方法，使奥灰水进入矿坑。

突水虽然属于安全事故，由于矿区奥陶系同属柳林泉域的水资源，柳林泉域是当地主要饮用水水源，矿井突水可能造成区域水源井水位下降、短期饮用水困难，给区域水环境短时间造成较大的影响。

离柳矿区虽目前尚未开采下组煤（仅在矿区西部突水系数较小的区域有少量小煤矿开采下组煤），在未来十多年矿区将逐步开采下组煤，从安全角度考虑，为防止突水，矿井开采时可能采取疏水降压、注浆加固等措施避免突水事故发生。一旦矿区内大规模开采下组煤，若所采用的采煤工艺严重破坏奥灰水，将给柳林泉域带来毁灭性破坏。

5.2 突水风险分析

一旦发生突水，由于水位迅速下降，形成地下水漏斗，其下降漏斗影响半径按下式计算：

式中：R——下降漏斗影响半径，m；

Sw——水位下降值，m；

K——渗透系数，m／d。

矿区内奥陶系水位在800～869m，奥陶系顶板最低约－200m，区内已有地质报告显示峰峰组渗透系数一般在0.14～1.97m／d。计算奥灰水突水最大下降漏斗半径约为11km。

由此可见，煤层突水对奥灰水的影响半径较大，对区域供水安全带来隐患。

5.3 开采技术风险分析

根据现有采煤规范，对于正常块段突水大于0.1MPa／m和受构造破坏块段突水大于0.06 MPa／m是不允许进行采煤的，必须采取防突水措施后才可以进行采煤。

目前承压水体上采煤技术主要有：深降强排，外截内排，带压开采，带压开采、综合治理等。深降强排，采用疏水井巷和疏水钻孔，将含水层水位降低至开采水平以下，以保证安全开采；外截内排，先采用帷幕注浆，截堵补给水源，再疏干降压，将承压水水位降至开采水平以下；带压开采，在开采过程中利用隔水层阻力，防止底板突水；带压开采、综合治理，开采前，堵截地下水补给水源，开采过程中，疏水降压至安全限制。

深降强排和外截内排一方面严重破水资源，对泉域水环境影响巨大；另一方面，离柳矿区奥灰水水文条件复杂，含水丰富，两种采煤技术难以实现。因此，离柳矿区应禁止采用此两种方法开采受奥灰水威胁的煤层。

从采矿安全角度和本矿区水文特征来看，带压开采、综合治理方法最可行，也较为经济安全。但其最大的缺点是需要疏水降压，将底板突水系数降到安全值以下，这样造成部分奥灰水进入矿坑；另外，由于堵截地下水补给水源，将局部改变奥灰水的径流方向，可能会给煤层开发区域附近的奥灰水水源井侧向补给产生影响。因此，该方法对柳林泉域水环境仍然存在较大的风险。

对于突水系数较大区域带压开采主要是加固煤层底板，增加隔水层阻力。该方法既不破坏奥灰水的径流，也不改变奥灰水的排泄，从环境角度考虑最为合理。目前，煤层带压开采煤层底板加固技术尚不成熟，其成本也较高，技术处于研究阶段，尚不具备大规模开采煤层的可能。

由此可见，从目前的采煤技术来看，矿区内下组煤一旦开采将对柳林泉域水环境产生较大风险。破碎程度来决定放煤步距。

在首采面成功地进行了工作面局部端面冒顶控制、局部大块顶煤的破碎、采放工艺的优化完善。此综放试验工作面在进行工艺巷深孔爆破后，顶煤的冒放性有了很大的改善。工作面采出率平均达到85%，大大提高了资源回收率。

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Risk assessment of influence of coal development on environment of Liulin springs in Liliu mining area of Shanxi

Huang Hua

（Nanjing Design and Research Institute，China Coal Technology and Engineering Group，Nanjing，Jiangsu 210031，China）

The Liliu mining area and Liulin springs were briefly introduced.And the relationship between Liliu mining area and Liulin springs，the influence of coal mining on Ordovician limestone water，and the risk of Ordovician limestone water flowing in the pit were analyzed.

Liliu mining area，Liulin spring，Ordovician limestone water，coal seam，low group seam，coal mining above confined aquifer

TD993.3

B

张立其（1969－），男，河北元氏县人，在职研究生，高级工程师，主要从事煤矿安全管理、监察工作。

（责任编辑 张毅玲）