浅论煤矿开采对地下水环境的结构影响

【摘 要】本文就煤矿采掘过程中顶板冒落和裂隙带、断层、采空区引发地表移动变形等储方面因素对矿区内地下水的赋存环境影响进行了浅显探讨，并对以所研究奥陶岩溶裂隙水的采后水资源量进行了评价，最后对采煤造成的地下水影响提出了相应防治措施。

【关键词】冒落带；地下水；隔水煤柱；水资源量；矿井涌水量

前言

在煤矿开采的各时序中均可能改变地下水场流及补径排条件，对地下水资源水量、水质、水平衡诸方面产生影响，在煤矿的开采中由于人员进入工作面进行采掘活动，把工作面周围的水和潜在的水全部排出，使得地下水孔隙水压力降低，并且由于地下围岩的松动变形和移动，采动煤层上覆岩层出现冒落带弯曲带和垂直向裂缝带，煤系地层中的水和散松岩类地层中的地下水水向下渗流，形成区域性地下水位降落漏斗，浅中层的地下水位逐年下降，被输干。随着向下开采垂直降深加大，深层含水层的水亦进入矿坑水集水通道排出至地表，矿区内的的地下水位下降漏斗区范围扩大，下降幅度增大，在其影响范围内，地下水储存量减少。

本文论述井田内含煤地层及上覆地层内的含水层主要为：二叠系下统下石盒子组及上统上石盒子组砂岩裂隙含水层、第四系松散层孔隙含水层。

1.冒落带和裂隙带高度预测

煤炭开采对地质环境不可避免的造成一定破坏，就采煤对煤系地层上部裂隙水的破坏而言，其地质环境变化可分为三种：冒落带、裂隙带、整体移动带，即所谓的“三带”，造成上部含水层漏失，具有重要影响的是冒落带和裂隙带。通过对冒落带、裂隙带最大高度预计，可以预测井下采煤对地下含水层、地表水体等产生的影响。

评价煤层最大开采厚度为2.84m，冒落带高度为10.98m，冒落带最大高度和导水裂隙带高度预测选用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中推荐的模式，确定裂隙带最大高度为43.7m。结合井田的综合柱状图，预计裂隙带将影响到下石盒子组下段的砂岩裂隙水，不会影响到上石盒子组砂岩裂隙水以及第四系松散层孔隙含水层。

2.断层对上覆含水层结构的影响

对含水或导水断层防隔水煤柱的留设采用下列经验公式计算：

式中： L―煤柱留设的宽度，m；

K―安全系数，一般取2-5，本矿取4.5；

M―煤层厚度或采高，本论述煤层为2.3m；

P―水头压力，本煤层最大值为4.30*105Pa；

Kp―煤的抗拉强度，取1.47*105Pa。

根据以上参数计算的结果为：本论述煤层在断层的煤柱宽度为15m，矿井初步设计根据断层落差大小，对井田内的正断层煤柱留设20m。可降低本煤层开采导致断层与各含水层产生水力联系，防止采煤过程中断层对上覆含水层结构造成影响。

3.地表移动变形对上覆浅部含水层结构的影响

论述煤层及各钻孔导水裂隙带预测结果，导水裂隙带最大影响高度主要对二叠系下石盒子组下段的砂岩裂隙水的破坏，不会影响到上石盒子组砂岩裂隙水以及第四系松散层孔隙含水层。因此，导水裂隙带不会直接破坏浅部含水层。但是地表受沉陷的影响，在一定程度上改变了拉伸区和压缩区内地面降水的径流与汇水条件，浅部的上石盒子组构造与风化裂隙含水层的补给、运移和出露条件发生改变，局部区域浅层地下水的流向和水量将重新分布，一般会产生水位下降、水量减少等造成下降泉破坏的条件。

4.采煤对奥陶岩溶裂隙水的影响

4.1突水系数计算

依据《煤矿防治水规定》提供的突水系数计算公式如下：

式中： T―突水系数，Mpa/m；

P―底板隔水层水压力，Mpa；

M―底板隔水层厚度，m。

本煤层最大突水系数：T=0.03021 Mpa/m。

带压开采分区及危险性及分析

按《煤矿防治水规定》中底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06 Mpa/m，正常块段突水系数不大于0.10 Mpa/m，确定以下带压开采分区标准：

T

0.06≤T

T≥0.10 危险区

该煤层突水系数为0.0302Mpa/m，属于相对安全区。

评价要求在开采该煤层时，应严格执行“预测预报、有掘必探（钻探）、先探后掘、先治后采”的原则，尤其在断层附近，防止在采煤过程中对奥灰水产生影响，既可保护水资源，又可以保证煤矿安全生产。

5.煤层破坏对水资源量影响

煤矿井下开采后对上述含水层造成的水量破坏包括静储量与动储量两部分。如前可知，该开采煤层影响的含水层主要是上石盒子组砂岩裂隙水和岩溶水。根据煤层与含水层组合特点、采煤过程中排水量变化规律及影响矿井排水量的因素条件，估算开采破坏的静储量和动储量。

5.1静储量

煤层开采后由于顶板的冒落和产生的裂隙，使采空区上覆含水层遭到破坏，原来储存在含水层中的水在短时间内排空，这部分水被称为静储量，该量与含水层本身的特征有关，为固定量，对其破坏是一次性的。计算公式为：

式中： Q静―采煤破坏的含水层静储量（万m3）；

Hi―采煤破坏的含水层厚度（m），取破坏的砂岩裂隙水含水层总厚度6.4m；

Si―井田采空区面积（万m2），116.76万m2。

μi―含水层给水度，取值=1.17*10-3，=1.6*10-3。

计算结果为0.88万m3。

5.2动储量

在含水层遭到破坏后，矿井涌水量迅速增大，然后随着时间的延长，排水量逐渐趋于相对稳定，这个相对稳定的量，称为动储量，它与地形、构造、降水量、煤层埋深及采煤方法等因素有关，该量为一变量，其破坏也是永久性的。

论述煤矿生产能力较大，且位于易富水的向斜部位，富水系数按照原论述煤矿最小为0.2100m3/t，正常为0.2530m3/t，最大为0.328m3/t预算，现根据富水系数比拟法预算当矿井生产能力达到每天生产能力3636t/d时的矿井涌水量：

计算公式为：Q=P*k

式中： k―富水系数，m3/t；

Q―扩产后矿井涌水量，m3/d；

P―扩产后的日生产能力，万t。

则矿井涌水量预计最小882m3/d，正常为1063m3/d，最大为1378m3/d。这些破坏的地下水以矿井水的形式排出地面。

6.地下水影响防治措施

6.1加强矿井水和生活污水的处理和回用以及水平衡管理，确保实现废水零排放。

6.2落实排矸场、锅炉灰渣场及固废堆放的各项环保和生态措施，防止对矸石场和灰场附近浅层地下水造成影响。

6.3在生产过程中新发现的断距大于20m的断裂带或陷落柱，必须按煤矿矿井开采规程留设防水煤柱，对新发现的陷落柱和小断层，也应及时采取加固采掘巷道等措施防止突水事故发生。

6.4对于突水系数小于0.06MPa/m没有突水危险的区域，开采过程中要切实落实设计留设的断层防水煤柱；并且本着“预测预报、有掘必探（钻探）、先探后掘、先治后采”的原则，加强探水工作，确保不会揭穿断层。

参考文献：

[1]《地下水动力学》科学出版社 2013.

[2]《地下水资源与环境》中山大学出版社 1999.

[3]《环境影响评价技术导则（地下水环境）》主编 中国环境保护部，2011.