煤矿开采对浅层地下水的影响评价

李学军，张天文，孟 杰

（1.宁夏回族自治区矿产地质调查院（自治区矿产地质研究所），宁夏 银川 750021；2.宁夏德坤岩土工程有限公司，宁夏 银川 750021）

1 概 况

长城三号煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市鄂托克前旗西部，与宁夏回族自治区接壤地带。距离上海庙镇6 km，距宁夏回族自治区银川市40 km，与西部的宁夏回族银川市兴庆区月牙湖乡牧民新村相邻，行政区划隶属内蒙古自治区鄂尔多斯市鄂托克前旗上海庙镇管辖。井田中心点地理坐标为东经106°36′50″，北纬38°23′08″，东西最宽处约5.43 km，南北最长约12.38 km，面积47.30 km2。

该区地处毛乌素沙地西南边缘，地形北高南低、东高西低，呈缓波状起伏，相对高差较小，海拔1 200～1 238 m，地表多分布链状沙丘，大部分被植被固定，少数呈流动的垄状及新月状沙丘，地貌类型为丘陵（沙丘）。

长城三号矿井先期开采地段位于井田西部边界一带，首采区为九煤层露头以东区域，顶板采用自然跨落方式管理。九煤层开采水平标高+550 m，埋深371 m（西部边界一带埋深最浅）。九煤层开采后，采空区地表出现了较大范围的沉陷[1]，采煤沉陷区西部已波及宁夏银川市兴庆区月牙湖乡牧民新村一带（图1）。由于上述采空沉陷区处于该区潜水地下水径流的上游区域，并且近年来采煤沉陷区及下游大部区域出现地下水水位持续降低、水资源枯竭、水质持续恶化的状况，因此在对长城三号矿井九煤层“两带”高度进行计算、分析的基础上，结合矿井充水因素及采掘等相关资料，对长城三号煤矿采煤及沉陷是否对浅层地下水造成影响作出评价。

图1 地表沉陷区影像Fig.1 Image of surface subsidence area

2 矿井地层、水文地质

2.1 矿井地层

井田内地层由浅至深依次为第四系，新近系章恩堡组，二叠系上统石盒子组、二叠系下统山西组，石炭系上统太原组，石炭系中统土坡组[2]，分述如下。

（1）第四系。井田内广泛发育，厚度1～60 m，平均厚度26 m。上部为沙土层及风积沙丘。中部为黄土地层，主要为灰黄色亚沙土、亚粘土。下部为河流冲积成因的松散砂砾石层。地表多为固定-半固定沙丘。

（2）新近系章恩堡组。地表零星出露，厚度63～350 m，平均厚200 m。顶、中部为棕红色半胶结红土地层，主要由砂质粘土夹少量砾石组成，下部为棕红色亚粘土，间夹石膏薄层。底部发育浅紫灰色半胶结砂砾层，砾石成分主要由石英岩、灰岩组成。该层厚度5～60 m，平均厚度20 m 左右。

（3）二叠系上统石盒子组。广泛分布，岩性及厚度总体稳定，平均厚度229 m。上部为紫、暗紫色粉、细砂岩及灰紫色泥岩，属河湖相沉积。下部以灰绿、灰黑色粉砂岩为主，泥岩、砂质泥岩次之。

（4）二叠系山西组。为陆相（河、湖、沼泽相）沉积。主要由灰、灰白色细、中粒砂岩、深灰色粉砂岩及灰黑色泥岩和煤层组成，厚度100 m左右。

（5）石炭系上统太原组。井田内广泛分布，属近海型沉积地层，为井田主要的含煤地层。平均厚约73 m。

（6）石炭系中统土坡组。厚度4～503 m，平均厚71 m。主要由深灰-灰黑色粉砂岩、砂质泥岩组成，间夹泥岩、细砂岩薄层。

2.2 井田水文地质特征

根据地层岩性、埋藏条件、地下水赋存特征，将含水层划分为第四系松散孔隙潜水含水层、新近系清水营组底部砂砾石孔隙承压含水层、二叠系石炭系砂岩裂隙承压含水层。由新至老分述如下。

（1）第四系松散岩类孔隙潜水含水层。

全区广泛发育，主要由黄土和风积沙组成，与下伏新近系章恩堡组地层呈不整合接触。地层厚度0.57～60 m，平均厚度26 m。结构松散，透水性好。第四系潜水静水位埋深12.31 m，含水层渗透系数20.04 m/d，单位涌水量2.53 L/s·m。地下水溶解性总固体含量自东向西升高显著，最低1 197.72 mg/ L，最高达4 611 mg/ L，水化学类型为SO42·CL--Na+型。

（2）新近系章恩堡组底部砂砾石孔隙承压含水层。

新近系底部砂砾石含水层位于新近系砂质粘土底部，主要由砂砾石组成。含3～5 砾石层，以最底部砾石层的厚度最大，砾石层累计厚度5.45～60.48 m，平均厚19.78 m。砾径大部在2～50 mm，最大可达150 mm。砾石分选、磨圆总体较差。泥质胶结较差，孔隙较发育，透水性较好。单位涌水量0.008～0.141 L/s·m，富水性为弱，局部偏中等，为承压水性质。含水层富水性平面上差异较大。地下水溶解性总固体含量2 000 mg/L 左右，氟离子含量达2.80 mg/L，地下水为CL-·SO42-Na+型水。

（3）二叠系石炭系砂岩裂隙承压含水层。

含水层平均厚度167 m，水位埋深8.59～75.52 m，单位涌水量0.00 084～0.0 900 L/s·m，富水性弱，含水层富水性平面上差别较大。地下水矿化度5 055 mg/L，化学类型为SO42-·CL--Na+型水。

2.3 隔水层分布及其特征

根据岩性、地层组合及分布特征，由浅至深划分为新近系上部砂质粘土隔水层、二叠系石盒子组粉砂岩及泥岩隔水层、石炭系太原组下段粉砂岩及砂质泥岩隔水层。本文仅对煤系地层上覆的新近系上部砂质粘土隔水层的特征进行说明。

新近系上部粘土层为第四系潜水与下伏含水层间良好的隔水层，厚度83～397 m，平均181 m，全矿区广泛分布。岩性以紫红色砂质粘土为主，呈块状，胶结较好，含少量沙质，湿时具塑性，透水性极差，局部夹半胶结砂岩、泥灰岩及片状石膏结晶体薄层，与下伏地层呈不整合接触（图2）。

图2 新近系泥岩层岩芯照片Fig.2 Core photos of Neogene mudstone strata

3 “两带”高度计算及含水层连通性分析

煤层开采后，上覆岩层因失去支撑打破了原始的应力平衡状态，出现下沉并发生变形或断裂破坏。覆岩变形及破坏程度主要取决于煤层顶板的岩性特征、岩层组合、构造特征、煤层开采方法、开采厚度、井下支护及上覆岩层的总体厚度等诸多因素。围岩变形和破坏程度在平面上随远离采空区而减轻，在垂向上越接近采掘工作面，岩层的破坏程度越大。

煤层开采后上覆岩体按其影响程度从垂向上自下而上大致可分为3 个不同的开采影响带，即垮落带、导水裂缝带和弯曲变形带。将导水裂缝带及垮落带称为“两带”，其可成为地下水运移的良好通道。当垮落带及导水裂缝带向上部延伸并沟通上部含水层或剥蚀面含水层时，将使沟通的各含水层间发生密切的水力联系，特别是当开采煤层较浅时，两带高度会波及至浅部，浅层地下水向下伏含水层或工作面补给，并导致浅部地下水流场发生改变。因此，准确计算煤层开采条件下的“两带”高度值，对于科学分析和判断矿井建设和矿井采掘活动对浅层地下水是否造成影响有着重要的意义[3]。

3.1 “两带”高度理论计算

该矿煤层为近水平分布，采用长臂式综采工艺一次采全高，顶板为全部垮落式管理。九煤层上覆地层属中硬岩层，煤层倾角＜15°，岩石单轴抗压强度多在20～40 MPa，根据《矿区水文地质工程地质勘查规范》（GB/T 12719-2021），选用式（1）计算。

H垮=（3～4）M；此次计算时选择Hc=4 M。

式中：H垮为垮落带最大高度，m；H导为导水裂缝带（包括垮落带）最大高度，m；M 为累计采煤厚度；n 为煤层开采层数。

依上述公式，计算九煤层垮落带、导水裂缝带高度，计算结果见表1。

表1 垮落带、导水裂缝带计算结果一览Table 1 List of calculation results of caving zone and water conduction fracture zone

3.2 “两带”高度连通性分析

煤层采空后，上覆地层因失去支撑，在重力作用下发生横向及纵向位移，内部出现变形和破坏。“两带”（垮落带、导水裂缝带）高度影响范围内，岩层内部出现严重变形，岩层的内部结构发生了较大破坏，岩体内部出现较多裂隙，两带高度内的含水层相互导通。“两带”之上的岩层虽出现了一定程度的位移和变形，但这种位移和变形具有整体性，其内部结构并未发生较大破坏，仍保持有原始地层的特征。从本质上看，弯曲变形带并不具有导水裂缝带和垮落带岩层所具有的破坏特征，加之煤层上覆岩层中数泥岩类隔水层分布最多，其隔水效果较好。在水浸条件下泥岩类地层极易软化膨胀，有利于裂隙的弥合修复。其次，第四系下伏有巨厚的古近系泥岩地层，因其具有良好的隔水性能，并在区域上稳定分布，能有效阻隔第四系潜水向下伏岩层的渗透和补给，减弱了第四系潜水与下伏含水层间的水力联系。

该矿先期开采地段位于井田西部，开采九煤层。煤层底板标高869.70—260.00 m，厚度2.41～4.30 m，煤层埋深最深可达980 m，最浅约371.00 m 左右。第四系地层厚度24.00 m 左右，新近系厚度252.00～277.00 m。

采用上述公式计算，九煤层“两带”（垮落带、导水裂缝带）最大高度64.40 m。“两带”高度远小于上覆岩层的总厚度。九煤层采后导水裂缝带的最大高度仅切入到山西组上部，距上覆第四系含水层距离尚远（图3）。据井下揭露，太原组、山西组砂岩裂隙含水层为九煤层开采条件下的充水来源主要。上覆的新近系及第四系孔隙含水层对九煤层的充水影响甚微[4-6]。另外，第四系松散层下伏有巨厚的新近系泥岩地层，因其在区域上稳定分布，为良好的隔水层，能有效阻隔第四系潜水向下伏岩层渗透补给，减弱了与下伏含水层之间的水力联系。

图3 九煤层“两带”高度及地层剖面示意Fig.3 Height of'two zones'and stratigraphic section of No.9 coal seam

综上所述，九煤层开采条件下，“两带”高度未导通浅部含水层。

3.3 采煤沉陷区浅层地下水现状

据实地调查，煤层采空区域出现了明显的地表沉陷，使此区域更有利于大气降水汇集及入渗，同时也更有利于浅层地下水向沉陷中心区域汇集。

经钻孔揭露，采空区域沉陷幅度较大，从而加大了该区域第四系含水层的相对厚度，增加了该区域供水井井内实际的水柱高度（图4）。从整个潜水地下水流场来看，沉陷区域已成为本区域浅层地下水开采相对有利的地段，在井群同时开采工况下，出现沉陷区域与周边区域争夺地下水的局面[7-9]。

图4 沉陷区浅部地层剖面示意Fig.4 Stratigraphic section of subsidence area shallow

4 矿井充水因素

通过分析邻近生产矿井的充水因素及水文地质特征，结合长城三矿井下揭露资料分析，第四系孔隙潜水含水层的主要补给来源为大气降水，由于下伏有巨厚的新近系泥岩隔水地层，大气降水不能直接补给深部的基岩含水层[10-11]。矿井涌水主要为采空区积水及煤层顶板砂岩含水层涌水，煤层采空后顶板岩层导水裂隙带人工通道、各种节理及张性断裂破碎带等形成的构造裂隙通道为该矿井主要的充水通道[12-14]。

5 浅层地下水流场特征

经调查，该区域第四系松散潜水地下水的开发利用程度较高，井点分布密度大，多为人工开挖大口径井及机械钻凿的砂管井，井深30～50 m。采用管道系统输水，滴灌的方式实施绿化灌溉。由于开采时段集中、开采量大，加之井距普遍偏小，导致该区地下水资源呈过量开采局面，井点间已呈相互干扰运行状态。

从统测数据来看，潜水水位埋深由南至北渐深，最浅2.10 m，最深达22.06 m。从水位统测数据来看，牧民新村以东区域水位较高，约1 247～1 227 m。西部区域水位高程约1 217 m。从第四系潜水水位等值线图（图5）可以看出，该区域潜水地下水总体由地势较高的东南区域向地势较低的西北区域的月牙湖乡牧民新村至黄河一带径流，地下水径流方向与本区地形倾斜趋势基本一致，且受下伏的新近系泥岩顶面形态制约，地下水水力坡度为5.8‰左右。月牙湖乡牧民新村处于地下水径流的下游区。

图5 潜水地下水等水位线图Fig.5 Groundwater level contour map of phreatic water

从各点统测资料及潜水地下水等水位线图来看，无论采空区范围内还是未采空区域，潜水地下水在全区广泛分布，地下水赋存状态并未出现明显改变，第四系潜水地下水流场形态未出现明显异常，无局部疏干及出现地下水降落漏斗的形态特征，说明第四系下伏巨厚的泥岩地层具有良好的隔水能力，煤层开采对浅层地下水影响不大[15-17]。

6 水文钻孔长观资料分析

据长城三矿长观孔资料，在工作面开采后，新近系底部含水层地下水水位，多年观测呈基本稳定状态。静止水位标高1 169.803—1 173.573 m，水位变幅仅3.77 m，也证明井下疏排水对新近系底部砾岩层地下水的影响不大，“两带”高度并未沟通新近系底部砾岩含水层，新近系及第四系地下水与下伏基岩地下水之间的水力联系较弱。

7 水文动态观测分析

根据钻孔长观资料结合气象资料分析来看，大气降水时空分布与矿井涌水量的变化上没有明显的一致性。大气降水时空分布与新近系底部水位变化上也无明显的一致性[18-19]。说明浅层地下水与下伏新近系含水层地下水间的水力联系较弱[20]，新近系地下水与下伏基岩地下水间的水力联系较弱，这也间接说明第四系浅层地下水与下伏含水层间的水力联系较弱[21-24]。

8 水化学类型对比分析

从水质分析结果来看，太原组砂岩裂隙水的水化学类型为SO42·CL-Na+型，第四系潜水地下水化学类型为CL-·SO42-Na+型水，即2 个含水层的水化学类型略有差异，证明第四系潜水与下部含水层间没有明显的补给联系。

9 结论

在开采条件下，受采动影响，九煤层的“两带”高度远小于其上覆基岩层厚度，并未延伸至新近系底部的砾岩含水层，与第四系含水层相距更远。其次第四系下伏有巨厚、稳定的新近系泥岩隔水层，阻隔了第四系潜水地下水向下伏岩层渗透补给，减弱了第四系潜水地下水与下伏基岩地下水之间的水力联系。另外，“两带”高度以浅地层虽发生整体弯曲变形和下沉，地面出现一定幅度的沉陷，但弯曲变形带内岩层的内部结构并未遭到根本性的破坏，其仍具有较好的隔水能力。从长观资料结合水文动态观测资料及不同含水层的地下水水化学类型进行比对分析，也证明第四系浅层地下水与下伏含水层间的水力联系较弱。综上所述，长城三号矿井采煤沉陷对浅层地下水的影响较小。

分析认为，近年来该采煤沉陷区及下游大部区域出现地下水水位持续降低、水资源日趋枯竭、水质持续恶化的状况，主要因素有以下几个方面。

（1）自然因素。该区气候干旱，大气降水稀少，蒸发强烈，地下水补给匮乏。

（2）人为因素。该区域井点密集，开采量大，且开采时段集中，井群间相互干扰明显，水位下降幅度较大，对浅层地下水的开采强度已超出了地下水资源的承载能力，从而出现浅层地下水的水位持续下降，地下水水资源逐年枯竭。当水位下降后，地下水在交替运移过程中，不断融滤并积累了新近系高盐背景地层中的盐分，使地下水中的盐分浓度持续增高。在地表回灌过程中，又经强烈的蒸发作用，水中的盐分滞留于地表，又被回灌水重新带入地下水中，导致地下水在开采灌溉回渗及循环过程中被不断浓缩，从而造成浅层地下水资源总量在持续减少、水质持续恶化的局面。

建议加强对地下水资源的保护和开发，科学合理地开发地下水资源，对影响区域生态环境进行修复和改善。对开采煤层顶板进行科学管理，采取有效的支护措施，合理留设保护煤柱，减轻对地表环境的沉陷破坏及对地下水可能造成的不利影响。要加强对沉陷区的动态监测，对沉陷影响较大的区域及时进行复垦和治理。