青龙煤矿开采对水环境的影响

周林康 刘 虎

(太原碧蓝水利工程设计有限公司，山西太原 030024)

青龙煤矿井田位于太原市东北阳曲县境内，南距太原市区约28.5 km，西距阳曲县城约8 km，行政区划隶属于阳曲县东黄水镇及黄寨镇管辖。井田东西长约8.4 km，南北宽约3.15 km，面积16.314 3 km2。青龙煤矿生产规模90万 t/年，批采9号，11号，13号，15 号(15上，15中，15下)煤层，服务年限 8.2 年。矿井采用立井开拓方式，采区内开采顺序是单翼跳采，煤层间开采顺序为下行式开采，工作面采用倾斜长壁后退式开采。随着青龙煤矿的开采，在推动当地经济发展的同时，不可避免地对水资源、水环境产生不同程度的影响，因此，进行煤矿开采对水环境的影响调查研究有着重要的现实意义。

1 井田地形地貌与水系

1.1 地形

青龙井田位于山西省阳曲县境内，沁水煤田阳曲向斜西南，地貌类型属破碎黄土塬，地面切割深度20 m～30 m。地处山前冲洪积平原，东、西、北三面环山，中部和南部的地势较平。按形态划分的地貌类型包括山石地、黄土丘陵和河谷地三种。地形系山前丘陵，全为黄土覆盖，井田内无基岩出露，新生界盖层厚度一般200 m～400 m。沟壑发育呈树枝状分布;地势东北高，西南低，最高点为东北部边缘，标高1 045 m，最低点位于西南部，标高882 m，最大相对高差163 m。

1.2 水系

青龙井田地表水属黄河流域汾河水系，井田内无常年性河流，只有汾河二级支流故县河一条季节性河流。故县河由井田东北向西南流经井田，至龙兴头附近汇入杨兴河，故县河除雨季外，平时基本无水。

2 井田地质及水文地质条件

2.1 地质条件

2.1.1 地层

井田内地表全部为黄土覆盖，仅在东北部及西南部边界外有奥陶系出露，地层由老至新分别为奥陶系下马家沟组(O2x)、上马家沟组(O2s)、中统峰峰组(O2f)，石炭系中统本溪组(C2b)、上统太原组(C3t)、上统山西组(C3s)，二叠系下统下石盒子组(P1x)、上统上石盒子组(P2s)，新第三系(N)，第四系(Q)。井田含煤地层包括石炭系中统本溪组及石炭系上统山西组、太原组，可采煤层主要赋存于太原组和山西组。煤系地层平均总厚116.09 m，含煤16层，煤层平均总厚 10.23 m;主要可采煤层 4层(9，11，13，15 煤)，平均总厚9.76 m。

2.1.2 地质构造

井田位于阳曲断陷内次一级构造——阳曲向斜的东南翼，井田构造受区域构造所制约，在阳曲向斜主体构造的基础上，发育有北东东向故县背斜、东黄水向斜。井田发育北东、北西向两组高角度正断层，北西向断层控制了井田的基本构造格架，即井田基本构造形态为一呈北东向展布、以阳曲向斜为主体的宽缓向斜，地层倾角5°～15°，断层较发育，构造复杂程度中等。

2.2 水文地质条件

2.2.1 含水层

井田地下水含水层有松散岩类孔隙含水层，基岩风化壳裂隙含水层，二叠系碎屑岩类裂隙含水层，石炭系层间灰岩岩溶裂隙含水层和奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层5个含水层组。其中以松散岩类孔隙含水层和奥陶系灰岩岩溶含水层为主要含水层。奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层分上、下马家沟组和峰峰组含水层，与矿井充水相关的主要是峰峰组含水层，水位标高为770.72 m～799.31 m，单位涌水量为0.024 L/(s·m)～2.49 L/(s·m)，富水性属弱～强富水，水质类型为HCO3·SO3—Mg·Ca·Na型。松散岩类孔隙含水层又可分为新近系和第四系两个含水层组，新近系含水层多由杂色、红色粘土夹卵砾石、砾岩和钙质结核层组成，主要分布于山区丘陵内侧边缘地带，出露于河谷、冲沟的两侧及底部砾石层中，一般含水性较差，单井出水量为1 m3/d～10 m3/d;第四系含水层为近代冲、洪积之砂层、砾石、卵砾石层及粘土质砂土层，区内杨兴河中下游地段第四系发育厚度大，含水性好，单井出水量为500 m3/d～1 000 m3/d。

2.2.2 隔水层

井田隔水层包括奥陶系岩溶水隔水层、石炭系底部隔水层、新近系底部红色粘土隔水层和第四系粘土隔水层。奥陶系岩溶水隔水层，奥陶系峰峰组和上马家沟组底部分别存在一至数层较厚的石膏层，是良好隔水层。石炭系底部隔水层，奥陶系顶面至15下号煤底板间的岩层沉积厚度为49.89 m～110.45 m，平均77.46 m，以泥质岩类为主，夹薄～中厚层砂岩和薄层灰岩，在全区普遍发育而构成了良好的隔水层。新近系底部红色粘土隔水层，新近系底部红色粘土是良好的隔水层，全区普遍发育，厚度几米至几十米，隔水性能良好。第四系粘土隔水层，区内第四系发育多层粘土层，具有隔水作用，但发育厚度及分布范围不一。

3 采煤对地表水的影响分析

煤矿开采过程中，不可避免地将对地质环境造成一定的影响，其中具有重要影响的是冒落带和裂缝带。当煤层开采后，其冒落带或裂缝带到达地表，就会使地表水与井下连通，从而对地表水产生影响。采煤对地表水的影响直观表现在地表基流上，煤系地层区天然基流来源于基岩裂隙水补给并沿地层裂隙、层理就近排泄到河道。煤矿开采后，矿坑附近的基岩裂隙水排向矿坑，减少了基流来源;随着采空区裂隙加大、加深，加速地表水向地下水的转化过程，从而导致地表基流锐减［1，2］。根据青龙煤矿先期开采地段的27个勘探钻孔资料，统计了9号煤与上部岩层距离关系，9号煤顶板距地表的平均距离为406 m，距基岩顶板距离的平均距离为160 m，风化壳厚度约为30 m～40 m。根据井田勘探资料先期开采地段9号煤止煤深度321.83 m～744.85 m，煤层导水裂缝带发育高度24 m～97.5 m，煤层开采后导水裂缝带不会导通到地表，故不会与地表水产生水力联系，对地表水的影响较小。

4 采煤对地下水的影响分析

4.1 对上覆含水层的影响分析

上覆含水层水进入采掘空间最重要的导水通道是煤层开采造成的导水裂缝带。因此，导水裂缝带发育高度是评价煤层开采对上覆含水层影响的主要技术参数。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》［3］中提供的公式，结合青龙煤矿实际地层、煤层情况，参考同区域运峪煤矿实测资料，综合估算青龙煤矿先期开采地段导水裂缝带发育高度9号煤导水裂缝带高度为24 m～97.5 m，11号煤导水裂缝带高度为5.25 m～20.25 m，13号煤导水裂缝带高度为4.5 m～34.5 m。

据此分析，开采9号煤时导水裂缝带将贯穿山西组砂岩含水层，破坏该含水层;在先期开采区的南部边界中部区域，导水裂缝带可以直接到达基岩风化壳含水层，影响风化壳含水层;在先期开采区的东部边界区域，导水裂缝带发育至新近系含水层，影响风化壳含水层和新近系含水层。11号煤～9号煤之间的含水层为山西组K3砂岩含水层和太原组L4灰岩含水层，开采11号煤导水裂缝带发育高度为5.25 m～20.25 m，平均高度为12.73 m。开采11号煤将直接破坏K3砂岩含水层和L4灰岩含水层。13号煤～11号煤之间的含水层为太原组L3灰岩含水层，开采13号煤导水裂缝带发育高度为4.5 m～34.5 m，平均高度为13.65 m。开采13号煤将直接破坏L3灰岩含水层。

4.2 对下伏含水层的影响分析

采煤对下伏含水层影响的评价，以煤层与含水层之间的隔水层承受的最大静水压力(压强)与其厚度的比值突水系数作为评价标准。根据《煤矿防治水规定》中的有关规定和计算方法，结合青龙煤矿的地质与水文地质条件，选择突水系数为0.06 MPa/m为评价标准，大于该值底板存在突水的可能性，小于该值则一般不发生底板突水。井田内煤层下伏含水层主要为奥陶系峰峰组、上下马家沟组含水层，为安全起见，本次研究以峰峰组含水层为研究对象。依据现有勘探资料计算，9号煤底板标高为156.80 m～675.99 m，峰峰组顶板标高为 5.37 m ～ 598.95 m，突水系数为0.019 MPa/m ～0.051 MPa/m，突水系数均小于0.06 MPa/m;11 号煤底板标高为141.17 m～646.15 m，峰峰组顶板标高为5.36 m～518.75 m，突水系数为0.019 MPa/m ～0.057 MPa/m，突水系数均不大于0.06 MPa/m，因此，9号，11号煤层先期开采地段突水可能性小，为相对安全区。13号煤底板标高为141.17 m～646.86 m，峰峰组顶板标高为5.36 m ～598.95 m，突水系数为0.023 MPa/m～0.072 MPa/m，在先期开采地段的西部边界区域形成面积约为0.33 km2的危险区，在此地段开采时，应进行进一步的水文地质勘探，在未探明情况前，不得开采。

5 结语

1)根据井田勘探资料在先期开采地段开采9号煤后导水裂缝带不会导通到地表，故不会与地表水产生水力联系，对地表水产生的影响较小。

2)根据导水裂缝带发育高度预测结果，开采9号煤时在先期开采区的南部边界中部区域，影响风化壳含水层;在先期开采区的东部边界区域，影响风化壳含水层和新近系含水层;开采11号煤将直接破坏K3砂岩含水层和L4灰岩含水层;开采13号煤将直接破坏L3灰岩含水层。

3)根据突水系数计算结果，9号，11号煤层先期开采地段突水可能性小，为相对安全区;13号煤层先期开采地段的西部边界区域存在突水危险，形成0.33 km2的危险区，对危险区域须进一步勘探论证后方可开采。

［1］ 程世伟.鸡西市煤炭资源型城市环境保护与生态可持续发展［D］.哈尔滨:东北林业大学，2011.

［2］ 张建成.大同地区煤炭开采对水环境的影响分析和对策研究［J］.山西水利科技，2005，156(10):34-36.

［3］ 国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程［S］.

［4］ 国家安全生产监督管理总局，安全生产监督管理总局.煤矿防治水规定［S］.