阳煤碾沟煤矿开采对上覆含水层预测及影响分析

武晓毅

(山西省生态环境研究中心，山西 太原 030009)

阳煤碾沟煤矿开采对上覆含水层预测及影响分析

武晓毅

(山西省生态环境研究中心，山西 太原 030009)

对阳煤碾沟煤矿的水文地质条件进行了详细的分析。在此基础上，对导水裂隙带高度进行了计算预测，并分析了在服务年限内煤矿开采对上覆含水层的影响。

煤矿开采;上覆含水层;导水裂隙带;垮落带

煤炭的大规模开发和利用，既给人类带来了巨大的经济效益和社会效益，也对人类生存环境产生了一系列的消极影响。由于煤炭开采对煤系上覆含水层的破坏不可避免，该部分水资源主要以矿坑水的方式产生，将对部分含水层产生一定的疏干作用。如何有效适宜地预测分析煤炭开采对上覆含水层造成的影响，并采取合理有效的措施来保护地下水环境，越来越受到人们的关注。现结合实际，以阳煤碾沟煤业有限公司120万t/a矿井兼并重组整合工程为实例，分析煤矿开采对上覆含水的影响［1］。

1 工程概况

1.1 项目概况

山西阳煤集团碾沟煤业有限公司井田位于清徐县清源镇碾底村、涧沟村一带。井田地理坐标为:东经112°15'06″～112°19'57″，北纬37°38'43″～37°40'48″。根据晋煤重组办发［2009］19号文《关于太原市清徐县煤矿企业兼并重组整合方案(部分)的批复》，山西阳煤集团碾沟煤业有限公司批准矿井生产能力为120万t/a，开采03－9号煤层，开采深度为1 050 m～580 m，井田面积10.177 7 km2。

1.2 地质构造

本井田位于西山煤田的东部，受区域性构造碾底断层、碾底向斜、碾底背斜、黄岭断层的影响，井田构造形态总体为走向NE、倾向NW的单斜，同时伴生有次一级褶曲，地层倾角5°～12°，井田陷落柱较为发育。构造类型为简单类。

本矿区钻孔揭露及地表出露的地层有，奥陶系中统峰峰组，石炭系中统本溪组，石炭系上统太原组，二叠系下统山西组，二叠系下统下石盒子组，二叠系上统上石盒子组，新生界第四系中、上更新统。

1.3 水文地质概况

井田地处晋西黄土高原，地形复杂。地势总体东、西高，中间低的态势。最高点位于矿井中西部的马鸣山，标高1 295.9 m;最低点位于矿井中南部的沟谷中，标高为917.0 m。最大相对高差为378.9 m。属剥蚀低中山区。岩石裸露，沟谷纵横。

根据含水介质岩性及地下水的赋存特征，区域地下水类型可划分为，第四系松散孔隙含水层，二叠系上、下石盒子组砂岩裂隙含水层，二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层，石炭系上统太原组砂岩、灰岩岩溶裂隙含水层，奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层5大类。

井田内隔水层主要可划分为，太原组泥质岩隔水层、石炭系本溪组隔水层。

1.4 开拓概况

本井田主要含煤地层为二叠系下统山西组地层和石炭系上统太原组地层，井田内03号、2号煤已基本采空。矿井采用斜井开拓方式开采4号、5号、6号、8(8+9)号、9号煤层，4号、5号、6号、8号、9号煤层均采用综采一次采全高采煤工艺，8+9号煤层合并区采用综采放顶煤一次采全高采煤工艺。矿井前期主水平标高+845 m，联合布置，分层开采井田东部的8号、9号煤层;前期辅助水平标高+905 m，联合布置，分层开采井田东部的4号、5号、6号煤层。后期主水平标高+780 m，联合布置，分层开采井田西部的8号、9号煤层;后期辅助水平标高+900 m，联合布置，分层开采井田西部的4号、5号、6号煤层。全井田划分为5个采区。井田东部为一采区;井田西部划分为4个采区，分别为+900 m水平二采区、+780 m水平二采区、+900 m水平三采区、+780 m水平三采区。采区开采顺序为，一采区→+900 m水平二采区→+780 m水平二采区→+900 m水平三采区→+780 m水平三采区。各采区内各煤层采用由上而下顺序开采。

本工程首采区为一采区的4号、9号煤层。

2 煤矿开采对上覆含水层影响计算

煤层开采后，采空区周围的岩层会发生位移、变形，甚至破坏，上覆岩层根据变形和破坏程度的不同分为冒落带、裂缝带和弯沉带3带。其中，裂缝带又分为连通和非连通2部分。通常将冒落带和裂缝带的连通部分称为导水裂隙带［2－3］。

导水裂隙带发育高度与煤层赋存地质条件、顶板岩性、煤层开采厚度等均有密切关系。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》，煤层开采后所形成的导水裂隙带高度可参考规程中表7.12－1中的公式进行预计。

1)上、下煤层的最小间距大于回采下层煤的垮落带高度时，上、下层煤的导水裂隙带最大高度可按上、下层煤的厚度分别计算，取其中标高最高者作为两层煤的导水裂隙带最大高度。

2)下层煤的垮落带高度接触到或完全进入上层煤范围内时，上层煤的导水裂隙带最大高度采用本煤层的开采厚度计算，下层煤的导水裂隙带最大高度则应采用上、下层煤的综合开采厚度计算，取其中标高最高者为两层煤的导水裂隙带最大高度。计算公式见式(1)。

式中:M1为上层煤开采厚度，m;M2为下层煤开采厚度，m;h1－2为上、下层煤之间的距离，m;y2为下层煤的冒高和采厚之比。

3)如果上、下层煤之间的间距很小，则采用综合开采厚度为累计厚度。计算公式见式(2)。

井田内03、2、4、5号煤层直接顶板多为粉砂岩，局部为中粒砂岩或细粒砂岩，属中硬岩石;6、8+9、9号煤层的直接顶板或老顶均为石灰岩，属坚硬岩石。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》，冒落带(Hm)、导水裂隙带(Hli)的高度可用以下公式计算。

03、2、4、5号煤层冒落带、导水裂隙带高度计算公式采用式(3)～(5)。

导水裂隙带:

6、8+9、9号煤层冒落带、导水裂隙带高度计算公式采用式(6)～(8)。

导水裂隙带:

式中:M为累计采煤厚度，m。

导水裂隙带最大高度取两式之最大值。为了具体分析导水裂隙带发育高度及其导通情况，本报告结合钻孔资料来计算并分析各煤层冒落带与导水裂隙带发育高度及其导通情况。详见表1和第79页表2～表7。

表1 3号煤层垮落带与导水裂隙带高度计算表

2号煤层与03号煤层的垮落带已经接触到上层煤范围内，属于近煤层开采的第2种情况。因此，03号煤的导水裂隙带最大高度采用本层煤的开采厚度计算，取值为36.08 m。2号的导水裂隙带最大高度计算应采用上、下煤层的综合开采厚度。03号取1.70 m，2号取3.65 m，取最小间距8.63 m，得2号煤导水裂隙带最大高度为45.20 m。

表2 2号煤层垮落带与导水裂隙带高度计算表

表3 4号煤层垮落带与导水裂隙带高度计算表

4号煤与2号煤层间距小于垮落带高度，属于近煤层开采的第1种情况，按上、下层煤的厚度分别计算，取其中最大值作为煤层的导水裂隙带高度。

表4 5号煤层垮落带与导水裂隙带高度计算表

4号煤层的垮落带已经接触到上层煤范围内，属于近煤层开采的第2种情况，5号的导水裂隙带最大高度计算应采用上、下煤层的综合开采厚度。4号取2.54 m，5号取4.50 m，取最小间距6.43 m，得2号煤导水裂隙带最大高度为54.18 m。近煤层开采的第1种情况，按上、下层煤的厚度分别计算，取其中最大值作为煤层的导水裂隙带高度。

表5 6号煤层垮落带与导水裂隙带高度计算表

表6 8(8+9)号煤层垮落带与导水裂隙带高度计算表

8+9号煤与6号煤层间距小于垮落带高度，属于近煤层开采的第1种情况，按上、下层煤的厚度分别计算，取其中最大值作为煤层的导水裂隙带高度。

表7 9号煤层垮落带与导水裂隙带高度计算表

9号煤层的垮落带已经进入到上层煤范围内，属于近煤层开采的第2种情况，9号的导水裂隙带最大高度计算应采用上、下煤层的综合开采厚度。8+9号取6.07 m，9号取 6.80 m，取最小间距3.60 m，得9号煤导水裂隙带最大高度为90.91 m。

3 结语

根据计算可知，2号煤采空后煤层顶板冒落带高度9.45 m～12.29 m，导水裂隙带高度27.89 m～45.20 m，最大导通高度可达上覆二叠系下统下石盒子组碎屑岩裂隙含水层;4号煤采空后煤层顶板冒落带高度 5.34 m～10.41 m，导水裂隙带高度26.73 m～41.85 m，最大导通高度可达上覆二叠系下统下石盒子组碎屑岩裂隙含水层;5号煤采空后煤层顶板冒落带高度6.91 m～13.41 m，导水裂隙带高度32.36 m～54.18 m，最大导通高度可达上覆二叠系下统下石盒子组碎屑岩裂隙含水层;6号煤采空后煤层顶板冒落带高度4.18 m～14.27 m，导水裂隙带高度43.78 m～58.9 m，最大导通高度可达上覆石炭系上统太原碎屑岩含水层以及K3砂岩含水层;8(8+9)号煤采空后煤层顶板冒落带高度9.89 m～23.62 m，导水裂隙带高度46.94 m～81.94 m，最大导通高度可达上覆石炭系上统太原碎屑岩含水层以及K3砂岩含水层;9号煤采空后煤层顶板冒落带高度7.18 m～24.96 m，导水裂隙带高度52.17 m～90.91 m，最大导通高度可达上覆石炭系上统太原碎屑岩含水层以及K3砂岩含水层。

综上所述，碾沟煤矿煤全部开采后，最高导水裂隙带高度可达二叠系下统下石盒子组碎屑岩含水层。煤系上覆二叠系下统山西组碎屑岩裂隙含水层、石炭系上统太原组碎屑岩裂隙含水层会被导水裂隙带直接导通，虽然中间夹杂连续稳定的砂质泥岩、泥岩，渗透系数小、隔水性能良好，减小了煤系地层与含水层间的水力联系，但由于导水裂隙带将导通二叠系砂岩层间隔水层，使含水层通过导水裂隙带与煤系地层发生水力联系，含水层地下水转化为矿井水，通过矿井排水方式排出，对二叠系碎屑岩裂隙含水层破坏严重。

虽然最大导水裂隙带高度不会直接导通上石盒子组中、下段含水层和第四系松散岩类孔隙含水层，但煤层采空后形成的下沉带会造成地表塌陷，塌陷边缘往往为水平拉伸变形区，在水平拉伸变形区为拉张裂缝发育密集带并影响到地表，通过塌陷区边缘的拉张裂缝发育带，上石盒子组含水层和第四系松散岩类孔隙含水层被全部贯通。换言之，采煤对含水层的破坏及对地下水的疏干影响并不局限于所谓的“两带”范围，最终将破坏并疏干上石盒子组含水层和第四系松散岩类孔隙含水层。

应当指出的是，井田北部的碾底断层，横切白石河河谷，断裂规模较大，其断裂带富水或导水性能尚未查明，是潜在的白石河地表水向本矿井充水的通道，应留设保安煤柱，并严密防范。

［1］ 师幸生.太原市煤矿开采对地下水的影响研究［J］.山西水利科技，2011(2):75－77.

［2］李新旺，关天强，张红升，等.望田煤矿开采对地下水影响的研究［J］.中国煤炭，2012，38(1):41－44.

［3］徐耀先，杨健.煤矿开采区地下水环境影响评价方法与治理研究［J］.环境科学导刊，2009，28(5):71－74.

Prediction and influence analysis on the overlying aquifer in Yangmei Niangou Mine

WU Xiaoyi

(Shanxi Ecological Environment Research Center，Taiyuan Shanxi 030009，China)

On the analysis of hydrogeology characteristics of Yangmei Niangou mine，the water flowing fractured belt height are predicted.Then this paper studies the influence of the coal mining on the overlying aquifer in the length of service.

mine exploration;overlying aquifer;water flowing fractured zone;cross zone

P64

A

1004－7050(2016)06－0077－03

10.16525/j.cnki.cn14－1109/tq.2016.06.23

2016－08－04

武晓毅，女，1978年出生，2006年毕业于太原理工大学，研究生，工程师，从事环评、验收、水环境保护研究工作。