煤矿开采对洪山泉域的影响

卢丽娜

（山西水资源研究所有限公司，山西 太原 030001）

1 洪山泉域概况

洪山泉是著名的历史名泉，出露于晋中介休市东约10 km 的洪山镇狐岐山脚下，泉口标高916 m，高出太原盆地180 m。洪山泉是大气降水从泉域南部山区入渗，形成的地下水向北部运移，受到东西向断层北盘的石炭、二叠系隔水地层阻挡，在介休市东南方向的洪山镇溢流地表而形成的泉水，属断层溢流泉，泉水大部分分布在0～1 000 m 内，由小池泉、七里泉、源神池泉、黑虎泉（四眼泉统称为神泉）及槐柳泉等组成，形成集中排泄的泉群。洪山泉排泄区平面分布见图1。

图1 洪山泉排泄区平面分布图

洪山泉域总面积为632km2，重点保护区面积50km2。泉域跨晋中市和长治市，其中晋中市包括介休市和平遥县，面积308 km2，长治市包括沁源县，面积324 km2。洪山泉泉域面积在全省19 个岩溶大泉中属面积较小的泉，泉域地质构造复杂、补给少，水生态极其脆弱。建国初期，洪山泉实测泉水流量1.28 m3/s，1954 年建立水文站开始定期测流，1966—1973 年停止流量观察，1974 年恢复测流，资料一直连续至今，通过泉流量资料的插补，得到1955—2018 年洪山泉流量及年际变化曲线。洪山泉流量变化曲线见图2，洪山泉流量与降水量动态变化关系见图3。

图2 洪山泉流量变化曲线图

图3 洪山泉流量与降水量动态变化相关曲线图

从图2、图3 可以看出，洪山泉流量的变化过程可以分为五个阶段：

第一阶段为1955—1970 年：泉水平均流量为1.45 m3/s，流量变化呈波状起伏、峰谷交替状态，反映出大气降水周期性变化的特点，此阶段主要受自然因素影响。

第二阶段为1971—1995 年：泉水平均流量为1.02 m3/s，泉水流量变化整体呈动态下降的趋势，峰谷变幅逐渐减小，说明此阶段泉水流量的变化主要受人类活动影响。

第三阶段为1996—2003 年：泉水平均流量为0.57 m3/s，泉水流量直线下降，流量变化整体呈衰减的趋势，由图3 可以看出，此阶段泉流量变化与大气降水呈负相关，说明自然因素不是造成泉流量衰减的主要影响因素，人为因素占主导原因，且影响越来越大，到2003 年，洪山泉流量已降至0.142 m3/s。

第四阶段为2004—2008 年：泉水平均流量为0.22 m3/s，泉水流量变化趋势有所回升，但仍处于较低波动水平，由此可以看出，人类活动对泉流量有着直接的影响。

第五阶段2009—2018 年：泉流量变化整体仍呈衰减趋势，说明人类活动对泉水流量的影响进一步加剧。

从五个阶段所计算的洪山泉流量衰减率也可以看出，1996—2003 年间、2009—2018 年间泉流量急剧衰减，衰减率分别达到10.54%、9.57%，岩溶水过量开采及煤矿生产等人类活动对洪山泉影响巨大。2010 年5 月，泉流量已经下降到0.04 m3/s；2016—2017 年间，泉水最大流量0.008 m3/s，并出现间歇性断流现象。洪山泉域不同时期（阶段）泉流量衰减率统计见表1。

表1 洪山泉域不同时期（阶段）泉流量衰减率统计表

2 泉域地质与煤矿带压开采区地质

2.1 泉域构造及水文地质条件

2.1.1 地层及构造

洪山泉域的地层由老到新为：前震旦系（Ar）、震旦系（Z）、寒武系（∈）、奥陶系（O）、石炭系（C）、二叠系（P）、三叠系（T）、第三系（Q3）、第四系（Q4）。

洪山泉域水文地质条件复杂，泉域内断裂构造、褶曲构造发育。断裂构造主要有NE 向和NW ～NNW向断裂，前者为晋中新裂陷的东边山断裂，后者除介西断层等大断裂外，境内多为派生断裂；区内主要发育轴向为NEE 和NNW 向的两组褶曲，前者位于泉域西部，后者位于泉域北部边缘，并组成向SE 收敛的弧形构造。

2.1.2 地下含水层

洪山泉域主要含水层有：（1）奥陶系碳酸盐岩岩溶含水岩组主要由石灰岩、白云岩等组成，接受补给条件好，属富水性极强的含水层；（2）太原组碎屑岩夹磷酸盐岩岩溶岩组主要由K2、K2上、K3、K4灰岩组成，由于埋藏较深，厚度薄，岩溶裂隙不甚发育，接受补给条件较差，为富水性较弱含水层；（3）碎屑岩类裂隙含水岩组主要由山西组及石盒子组砂岩裂隙含水层组成，分布在东南及东部山区，岩性主要为紫红色砂质泥岩和灰黄色、灰红色细砂岩以及灰黄、灰红色带灰绿色长石砂岩；紫灰色砂质泥岩、泥岩；（4）第四系中上更新统松散岩类孔隙含水岩组含水层岩性为砂卵石，含水层厚度为30～70 m，富水性弱，主要分布在山前丘陵区及倾斜平原区，且分布不均匀，水的流向与地表水的流向大致相似，是居民生活用水的主要水源；（5）第四系全新统松散岩类孔隙含水岩组含水层岩性大部分为粉细砂、中砂，少数为粗砂夹砾石，主要分布在冲积平原区，水的流向与地表水的流向相似。

2.2 洪山泉域煤矿地质

洪山泉域横跨霍西煤田和沁水煤田，含煤地层为石炭系太原组和山西组。含煤地层共11 层，编号为山西组1 号、2 号、3 号，太原组4 号、5 号、6 号、7 号、8 号、9 号、10 号、11 号。其中：2 号、9 号、10 号、11 号为较稳定的可采煤层，其余煤层仅局部可采或不可采。煤层厚度1.3～3.5 m，为中厚层煤，煤种主要为炼焦煤，部分为瘦煤。目前，浅部煤层已基本采完，主采埋藏较深的下组煤（即9 号、10 号和11 号煤层）。

根据调查，截止2019 年底，洪山泉域内共有煤矿28 座，其中介休市10 座煤矿，平遥县7 座煤矿，沁源县11 座煤矿。在28 座煤矿中，有24 座生产煤矿，4 座非正常生产煤矿。

2.3 洪山泉域煤矿带压开采区划分

洪山泉域煤矿依据9+10 号煤层标高与相应岩溶水水位标高进行带压开采区划分。将洪山泉域2019 年岩溶水等水位线与煤矿9+10 号煤层底板等高线图层叠合，若岩溶水位高于9+10 号煤层底板等高线，则表示带压，反之为不带压。根据统计结果，洪山泉域有18 座煤矿存在带压开采，开采面积共57.732 4 km2。

洪山泉域煤矿带压开采区具体划分结果如下：

（1）介休市在泉域内的带压开采煤矿有10 座，除左侧沟矿、青云矿、鑫峪沟矿、鸿发矿基本为全井田带压开采煤矿以外，其余6 座煤矿均为部分带压开采。（2）平遥县在泉域内的带压开采煤矿有5 座，其中，除温家沟煤矿为全井田带压开采煤矿以外，其余4 座煤矿均为部分带压开采煤矿。（3）沁源县在泉域内的带压开采煤矿有3 座，均为部分带压开采煤矿。

值得注意的是，煤矿的带压开采范围是随着岩溶水位的变化而变化的，2019 年岩溶水水位较2010 年岩溶水水位低（平均下降10～20 m），带压开采区面积也比2010 年带压开采区面积小。

3 煤矿开采对洪山泉域的影响

3.1 煤矿非带压开采对岩溶水系统的影响

煤炭非带压开采将会改变地层结构与流域下垫面条件。如今机械化综采放顶法的采煤方式，导致“上三带”与“下三带”的形成，在此区域地层的空间结构将会发生改变，产生很多大小不等的采动裂隙，也有可能使隔水断层变成导水断层。同时，形成了一系列次生地质环境问题，如地面塌陷、地裂缝等。这些构造形迹改变了流域下垫面条件以及产汇流条件，导致降雨、河流在地面塌陷、地裂缝等区域下渗量增加，并沿导水裂隙进入矿坑，最后以矿坑排水形式排出地表，其他区域下渗量则相应减少，从而对岩溶水的补给量造成一定影响。

煤炭非带压开采会对地下水流动系统造成一定影响。地下水系统是不同含水层组成的相互独立又相互联系的复杂地下水流动系统。不同含水层的补给、径流、排泄条件各不相同，各含水层之间的水量交换也遵循着达西定律。煤碳开采不仅会对煤系地层含水层造成直接破坏，而且还会对煤系上覆含水层产生间接影响。上覆含水层中的地下水将会沿着导水裂缝进入矿井形成矿井水，从而使含水层水位下降，垂向越流量减少，对岩溶水的补给量也将减少。

煤炭非带压开采会对地下水水质造成一定影响。采煤破坏了原来地层埋藏的环境条件，由之前的还原环境变为氧化环境，从而影响着水-岩相互作用以及水文地球化学作用。最具影响的属黄铁矿在氧化环境条件下发生氧化，产生大量的SO42-，受污染的矿井水在岩溶陷落柱、导水断层以及围岩底板应力释放后产生的导水裂隙下渗，影响岩溶水水质。

3.2 煤矿带压开采对岩溶水系统的影响

煤矿带压开采对岩溶水的影响十分巨大。一方面，大部分带压开采的煤矿会采取疏水降压的方式以保证安全采煤，排放大量岩溶水，使岩溶水水位降到安全采煤条件以内，这会对岩溶水产生直接破坏，从而导致岩溶水水位急剧下降。另一方面，若岩溶水水位高于煤系含水层地下水水位时，在岩溶陷落柱、导水断层等导水通道的联系下，岩溶水会通过导水通道补给到煤系含水层，对煤系含水层产生破坏，形成大量采空区，煤系上覆岩溶水会通过补给采空区的形式进入矿坑，然后通过矿坑排水排出地表，对岩溶水系统造成破坏。

煤矿带压开采对岩溶水的影响还表现在岩溶水突水事故中。依据《煤矿防治水规定》“一般情况下，在具有构造破坏的地区按0.06 MPa/m 计算，隔水层完整无断裂构造破坏地区按0.1 MPa/m 计算”。由此可知，当煤矿突水系数＜0.06 MPa/m 时，为相对安全区；煤矿突水系数＞0.1 MPa/m 时，存在很大突水风险，应禁止开采；煤矿突水系数介于0.06～0.1 MPa/m 时，应详细查明区内地质构造情况，若构造条件复杂，则存在突水隐患，不宜开采，若构造条件简单，则可以开采。

3.3 煤矿突水事故对岩溶水系统的影响

煤层底板突水是由于煤层底板的破裂和变形，地下水在煤矿开采过程中突然涌入矿井内部，造成矿井内部水位急剧上升，对煤矿安全生产危害严重。

洪山泉域自2017—2019 年接连发生了几起突水事故，均为带压开采情况下突水，2017—2019 年由于煤矿突水造成洪山泉域岩溶水排泄量估测达980 万m3。其中，2017 年煤矿突水对泉域岩溶水的排泄量估测达314 万m3，2018 年煤矿突水对泉域岩溶水的排泄量估测达555 万m3，2019 年煤矿突水对泉域岩溶水的排泄量估测达111 万m3。泉域泉口水位埋深从2018 年7 月的5 m，下降至2019 年9 月的16 m，1 年多的时间泉域岩溶水位下降达11 m。由此可见，泉域煤矿突水对泉域岩溶水的影响巨大，接二连三的突水事件加剧了泉域岩溶水水位的下降。

根据最新修订的《煤矿防治水细则》，底板受构造破坏块段突水系数若≤0.06 MPa/m，则为带压开采相对安全区。根据相关煤矿水环境影响评价报告，煤矿允许开采区域突水系数均＜0.06 MPa/m，按照现有突水系数理论属于带压开采相对安全区，但在实际煤矿开采的过程中均发生了突水事件。几座煤矿均位于洪山泉域北部边界洪山卜宜隐伏断层与化家窑断层之间的区域，构造断裂发育，富水性强，可以认定，现有突水系数相对安全区理论的普遍性已不适应该区域，且该区域煤矿突水系数＜0.06 MPa/m 的区域也不应划为带压开采相对安全区。

4 结语

综上所述，煤矿开采对洪山泉域岩溶地下水及岩溶系统影响极大。非带压开采煤矿对岩溶水的影响主要表现在煤矿开采改变了地下含水层结构与泉域下垫面条件，对岩溶地下水补给、径流、排泄条件造成破坏；采煤形成的裂缝会不同程度的导入煤系地层上覆各含水层，地下水沿导水裂隙下渗进入矿井形成矿井水排出地表，将造成岩溶水补给量减少，影响对岩溶含水层的正常补给。此外，带压开采煤矿在生产过程中由于岩溶水位高于煤层开采标高，导致巷道底板应力释放而变形破坏，相对隔水层承受不了岩溶水压力而涌入矿井，尤其是处在构造发育、地层破碎带位置上的矿井，极易造成岩溶水涌入巷道甚至发生突水，对岩溶水的影响及危害极大。

因此，相关部门应加强洪山泉域煤矿开采管理，根据采矿活动对泉域水环境的影响程度，对泉域范围内煤矿严格实施禁采、保水限采等措施，严禁越界开采；加强对煤矿突水的预防和控制，确保煤矿不再发生突水事故；建立地下水动态监测系统，在煤炭开采过程中，及时观测岩溶地下含水层水位、水量的变化情况，并制定相应的防水治水措施；加大实施洪山泉域生态保护工程，增强河道渗漏补给，加快促进洪山泉域生态修复。