神府榆矿区采煤排水对地下水资源量的影响

刘 基，杨 建，王强民

(1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054；3.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710054)

青年论坛

神府榆矿区采煤排水对地下水资源量的影响

刘 基1，2，3，杨 建2，3，王强民2，3

(1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054；3.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710054)

为研究神府榆矿区采煤排水对地下水资源量的影响，以研究区矿井排水情况为基础，利用1980—2014年研究区内地下水位观测资料，计算了大气降雨入渗补给量，并分析其与煤炭产量之间的关系。结果表明，2000年之前，大气降水入渗补给量比较稳定，2000年之后入渗补给量开始逐年下降。主要原因是煤矿开采的大量排水，引起区域地下水位下降，局部地区超过降雨对地下水补给的最佳埋深，从而增加了降雨入渗过程中蒸发等无效损耗量，减少了有效入渗补给量，最终导致地下水资源量的减少。

采煤排水；地下水资源量；水位观测；大气降雨入渗补给量；地下水位下降

陕北神府榆矿区(包括神府、榆神和榆横3个矿区)[1-2]主要含煤地层为侏罗系中下统延安组地层，具有煤质优良、储量巨大、构造简单等特点[3]，该矿区隶属陕北能源基地，是我国西北部重要的能源基地。自20 世纪90 年代以来，该地区煤炭开采强度不断增大。在煤炭开采过程中产生的导水裂缝带势必引起煤层顶板隔水层的破坏，导致上覆含水层水进入井下，为了保证煤矿安全生产，必须大量排放矿井水[4]。由于矿井的疏干排水，可能引起区域地下水位下降，尤其是浅层地下水位[5-6]，从而影响整个矿区的地下水资源量。

本文在详细调查研究区采煤排水现状的基础上，选取区内具有代表性的长观孔长时间序列(1980—2014年)地下水位观测资料进行系统地分析，计算地下水天然补给量的主要组成部分的变化情况，进而分析研究区采煤排水对区内地下水资源量的影响，以期为实现煤炭的可持续发展，合理保护地下水资源提供理论参考。

1 研究区概况

神府榆地区位于毛乌素沙漠与黄土高原过渡地带(图1)，全区总的地势是西北高，东南低，一般海拔在+800～+1400m之间。研究区地处中纬度地区的中温带区，冬季受干燥而寒冷的多变性极地大陆性气团控制，形成低温、寒冷、降水稀少的气候特点。夏季受高温湿润的热带海洋性气团的影响，降水增多，属典型大陆性季风气候。根据1961—2014年气象资料分析，多年平均降水量为392.41mm。在时间分配上，降水量主要集中在每年的6，7，8，9这4个月，占全年总降水量的75%(图2)。

图1 研究区矿区位置示意

图2 研究区多年平均月降水量(1961-2014年)

研究区内侏罗系延安组地层共含煤8层，最上部的1-2，2-2，3-1，4-2煤层埋藏浅，厚度大，是目前的主要开采对象。截至2014年，区内有生产煤矿254处，原煤产量0.363Gt[6]。

2 研究区采煤排水基本情况

根据调查和实际走访正在生产的矿井，统计各矿井的矿井涌水量实际观测数据，采用富水系数法计算其相应的富水系数[7]，从而得到各矿区的排水规律。根据神府矿区石圪台煤矿、哈拉沟煤矿、大柳塔煤矿等10座煤矿的矿井涌水量观测数据分析，其矿井涌水量为46.00～1218.00m3/h，富水系数为0.0378～0.8912 m3/t，平均富水系数为0.2310m3/t；根据榆神矿区榆树湾、锦界、凉水井、金鸡滩等煤矿矿井涌水量资料分析，其矿井涌水量为139.11～3698.00m3/h，富水系数为0.3047～1.6821m3/t，平均富水系数为1.1674m3/t；根据榆横矿区的小纪汗煤矿以及周边的呼吉尔特矿区的巴彦高勒矿的矿井涌水量数据分析，其矿井涌水量为360.80～1357.00m3/h，富水系数为0.8296～5.9437m3/t，平均富水系数为1.9593m3/t。总体上，从神府矿区-榆神矿区-榆横矿区采煤过程中富水系数逐渐增大，且同一矿区的不同煤矿之间，富水系数差异也较大。而这些矿井涌水量除少量煤矿绿化和除尘用外，绝大部分水量外排到附近沟谷和河道[8]，造成当地地下水资源大量流失。

3 对地下水位的影响

3.1 典型长观孔地下水位变化

采煤排水对地下水最直接的影响就是导致地下水的水位发生变化。反之，地下水位的变化，是对地下水系统外界影响因素的反映，是了解人类活动对地下水系统影响程度、变化趋势和变化幅度的重要依据之一。为掌握研究区的地下水变化规律，分析采煤排水对地下水的影响，选取研究区内布设的26个浅层地下水位长观孔(图3)中较为典型的长观孔在1980—2014年(34a)内的地下水位埋深数据进行综合分析。

图3 研究区长观孔位置

长观孔301号井以及40770030号井位于原榆阳煤矿以及露天矿西湾煤矿附近，其历年的水位变化曲线见图4和图5。由图4可知，2000—2007年之间，随着榆阳煤矿的逐步建设，其附近地下水埋深变化开始显现，地下水埋深下降0.95m。2007—2014年之间，随着榆阳煤矿的高强度生产，其地下水埋深变化明显，地下水埋深下降7.66m，变幅219%，变化幅度较大。由图5可知，随着西湾煤矿的开始建设，受其剥离上覆地层的影响，地下水扰动强烈，自开始建设以来，地下水埋深下降14.7m，变幅77.1%，变化幅度很大。其他长观孔的地下水埋深同样出现此类现象，但其变化幅度稍有不同，可见，受煤矿建设和开采的影响，潜水含水层地下水位随着采掘空间的不断增大而下降。

图4 301号井地下水位埋深历时曲线

图5 40770030号井地下水位埋深历时曲线

3.2 区域地下水位变化

根据研究区内26个长观孔历年水位埋深值，绘制研究区1994年、2000年、2007年和2014年的地下水埋深等值线图，见图6。

图6 研究区不同时间潜水埋深等值线

根据图6可知，研究区1994年和2000年的地下水位埋深等值线图基本一致，说明区内地下水位埋深基本不变，其中榆横北区地下水位埋深主要在3m以上，榆神矿区和神府矿区地下水位埋深主要在3～6m之间；2007年研究区地下水位埋深较2000年有所变化，榆横北区地下水位埋深主要在3m以上，但其0～3m地下水位埋深的面积有所减少，地下水位有所下降，榆神矿区地下水位埋深主要在6～15m之间，地下水位下降明显，神府矿区地下水位埋深主要在3～9m之间，地下水位有所下降；2014年研究区地下水位埋深较2007年有所变化，榆横北区地下水位埋深主要在3m以上，但其0～3m地下水位埋深的面积略有增加，地下水位略有上升，主要是由于榆阳煤矿于2013年末关闭，榆横北区其他煤矿尚未生产，导致地下水位略有恢复，也间接说明了地下水位埋深受煤矿开采的影响较大；榆神矿区地下水位埋深主要在9～15m之间，地下水位下降明显；神府矿区地下水位埋深主要在15m以下，地下水位下降明显。

4 对地下水资源量的影响

为了分析对比不同时间段采煤对水资源量的影响，选取4个时间段1994年、2000年、2007年以及2014年，利用水均衡法对研究区不同时间段内的地下水天然补给量进行计算。研究区内地下水天然补给量包括有大气降雨入渗补给量，侧向补给量，凝结水补给量以及农灌回归补给量等，而大气降雨入渗补给是区内地下水的主要补给来源，其补给量基本占天然补给量的90%以上，为简化文章篇幅，本章节只计算大气降雨入渗补给量，分析其与采煤的相关关系，从而说明采煤对地下水资源量的影响。

本次大气降水入渗补给量计算中所用降雨量，采用研究区内的神木、榆阳、横山周边地区县级以上气象站及个别雨量站21a来的多年平均值(平水年)与地下水位埋深分区以及不同水位埋深入渗系数相结合，计算不同分区的降水入渗补给量。计算公式为：

式中，Q降为研究区多年平均大气降水入渗补给量，m3；αi为各计算分区大气降水入渗系数；Pi为各计算分区多年平均降水量，m；Si为各计算分区面积，m2。

在地下水资源量计算过程中，考虑到水文地质参数使用的合理性，将研究区根据地下水位埋深进一步划分了5个二级分区。在不同年份的地下水位埋深分区图中，分别提取出各二级分区的面积，见表1。

降雨入渗补给系数的大小与多种因素有关，如潜水位埋深，岩性、构造，以及降雨量大小、强度、持续时间，地形地貌以及植被等。本次风沙滩区降水入渗系数主要借鉴前人研究成果[9-10]，综合考虑陕北地区实际情况进一步对降雨入渗系数进行了合理的修正，最终取值如表2。

表1 研究区地下水资源量计算分区 109m2

表2 不同水位埋深降雨入渗系数

将已经统计出的各二级分区的降雨入渗系数、面积和降雨量数据代入上述公式中，则可计算出不同时间的大气降雨入渗补给量，其中1994年大气降雨入渗补给量为16.28×108m3；2000年大气降雨入渗补给量为16.13×108m3；2007年大气降雨入渗补给量为13.93×108m3；2014年大气降雨入渗补给量为11.74×108m3。具体计算参数见表3，大气降雨入渗补给量历时曲线见图7。

表3 不同时间降雨入渗补给量计算成果

图7 不同时间大气降雨入渗补给量变化

根据大气降雨入渗补给量计算结果以及研究区煤炭产量数据，绘制其相关关系图，见图8。由图可知，2000年之前，大气降水入渗补给量比较稳定，2000年之后入渗补给量开始逐年下降，主要原因是2000年之后，陕北地区煤矿大量开采，矿井排水量迅速增加，导致矿区周边地下水位逐年下降，局部地区超过了降雨对地下水补给的最佳埋深(最佳埋深是指降雨入渗补给地下水量最大时的地下水位埋深，若超过这一埋深，降雨入渗补给量就减少[11])，导致降雨入渗途径变长，从而增加了降雨入渗过程中蒸发等无效损耗量[12]，减少了有效入渗补给量，最终导致地下水资源量的减少。

图8 大气降水入渗补给量与煤炭产量相关关系

5 结 论

(1)采煤过程中产生了大量矿井水，而这些矿井水除少量煤矿绿化和除尘用外，绝大部分水量外排到附近沟谷和河道，造成当地地下水资源大量流失。

(2)通过典型长观孔和区域地下水位变化分析可知，受煤矿建设和开采的影响，潜水含水层地下水位随着采掘空间的不断增大而下降。

(3)通过计算大气降雨入渗补给量来分析采煤排水对地下水资源量的影响可知，2000年之前，大气降水入渗补给量比较稳定，2000年之后入渗补给量开始逐年下降，主要原因是2000年之后，矿井外排水量迅速增加，导致矿区周边地下水位逐年下降，局部地区超过了降雨对地下水补给的最佳埋深，增加了降雨入渗过程中蒸发等无效损耗量，减少了有效入渗补给量，最终导致地下水资源量的减少。

[1]叶贵钧，张 莱，李文平，等.陕北榆神府矿区煤炭资源开发主要水工环问题及防治对策[J].工程地质学报.2000，8(4)：446-455.

[2]宋洪柱.中国煤炭资源分布特征与勘查开发前景研究[D].北京：中国地质大学(北京)，2013.

[3]黄文辉，敖卫华，翁成敏，等.鄂尔多斯盆地侏罗纪煤的煤岩特征及成因分析[J].现代地质，2010，24(6):1186-1197.

[4]张博炜，刘俊民，张 斌，等.榆林市煤矿矿井疏干水的排放现状分析[J].中国水土保持，2013(1):34-36.

[5]陶 虹，宁奎斌，陶福平，等.陕北典型风沙滩地区浅层地下水动态特征及对煤炭开采响应分析[J].煤炭学报，2016，41(9):2319-2325.

[6]范立民，向茂西，彭 捷，等.西部生态脆弱矿区地下水对高强度采煤的响应[J].煤炭学报，2016，41(11):2672-2678.

[7]范立民，王双明，刘社虎，等.榆神矿区矿井涌水量特征及影响因素[J].西安科技大学学报，2009(1):7-11，27.

[8]吴喜军，李怀恩，董 颖.煤炭开采对水资源影响的定量识别——以陕北窟野河流域为例[J].干旱区地理(汉文版)，2016，39(2):246-253.

[9]段 磊.黄河流域陕西省地下水资源评价及其解析[D].西安：长安大学，2004.

[10]王小军，蔡焕杰，张 鑫，等.基于GIS的陕北风沙滩区地下水资源评价系统研究[J].干旱地区农业研究，2008，26(5):217-223.

[11]曹万金.水资源计算评价管理[M].南京：河海大学出版社，1990.

[12]张念龙，靳德武，邵东梅.采煤排水对区域水资源的影响——以山西阳武河流域上游煤矿区为例[J].煤田地质与勘探，2008，36(4):50-53.

[13]刘丹丹.陕北风沙滩地区地下水动态对煤炭开采的响应研究[D].西安：长安大学，2015.

[14]李 莹.陕北煤炭分布区地下水资源与煤炭开采引起的水文生态效应[D].西安：长安大学，2008.

[责任编辑：张玉军]

InfluenceofUndergroundWaterResourcesbyMiningWaterDrainageinShenfuYukuangCoalMineArea

LIU Ji1,2,3，YANG Jian2,3，WANG Qiang-min2,3

(1.China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；2.Xi’an Research Institute，China Coal Technical & Engineering Group，Xi’an710077，China；3.Shaanxi Province State Key Laboratory of Coal Mine Water Disaster Control Technique，Xi’an 710054，China)

In order to study influence of underground water resource by mining water drainage，it taking mine drainage as basement,then groundwater level observation data during period of 1980—2014 was utilized，precipitation recharge was calculated and the relationship to coal production was analyzed also.The results showed that，precipitation recharge was stability before year of 2000 and decreased after year 2000.The main reasons were large amount mine water drainage，and groundwater in some region recession，but it exceed the best burial depth of precipitation recharge，then some invalid damage was increased during rain infiltration process，an effectively infiltration recharge was decreased，then groundwater resources was decreased.

mining water drainage；underground water resource；water level observation；precipitation recharge；underground water level recession

TD745.21

A

1006-6225(2017)05-0106-04

2017-04-12

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.05.027

国家重点研发计划(2016YFC0501104、2016YFC0501102)

刘 基(1985-)，男，江西临川人，助理研究员，博士研究生，主要从事水文地质方面的相关研究工作。

刘 基，杨 建，王强民.神府榆矿区采煤排水对地下水资源量的影响[J].煤矿开采，2017，22(5)：106-109，101.