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第 46 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 46 No.3 2018 年 6 月 COAL GEOLOGY 2. State Key Laboratory of Water Resources Protection and Utilization in Coal Mining, Beijing 100011, China; 3. Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control Technology for Coal Mine Water Hazard, Xi’an 710077, China Abstract The uation of groundwater affected by mining in unconsolidated aquifers cannot be applied in Shendong coal mining area. Aimed at this problem, the paper has taken Bulianta coal mine as an example, ana- lyzed the influence rules of groundwater hydrodynamic field affected by mining. It is concluded that mine water is the main factor causing the change of the relationship among atmospheric precipitation, surface water and ground- water. Then three uation criteria were put forward to uate the influence rules on groundwater affected by mining from the aspects of ecological water level and the failure of unconsolidated aquifers and the groundwater loss. The results show that the disturbance criteria of groundwater ecological water level in unconsolidated aquifers in Bulianta coal mine are almost more than one by 2012 and the ratio of mining to disturbance reaches up to 92, which means mining has a great damage to the ecological water level. The cracks caused by mining develop di- rectly in the unconsolidated aquifers, so that 8 of the aquifers are completely destroyed leading to lack of groundwater storage capacity. Because of the reuse of mine water, the groundwater loss is reduced to 8.5, indi- cating that the utilization of mine water is an effective measure to reduce groundwater loss. Keywords water-preserved mining; unconsolidated aquifer; groundwater; uation criteria; numerical simulation ChaoXing 80 煤田地质与勘探 第 46 卷 神东矿区是中国首个 2 亿吨级煤炭生产基地， 地处我国西部干旱半干旱地区，毛乌素沙漠与黄土 高原的接壤地带，生态环境极其脆弱，唯一具有供 水意义和重要生态价值的含水层是位于侏罗纪煤层 之上的松散孔隙含水层。矿区在规模化、高强度的 煤炭资源开发过程中出现了地下水水位下降、泉水 干涸、河流基流锐减等一系列环境地质问题[1-2]，加 剧了地区资源性缺水趋势。如何正确认识煤矿开采 对地下水的影响程度， 是中国西部矿区进行煤–水资 源的合理开发、科学管理的重要依据。 由于能源基础结构的不同，国外主要以矿区水 污染风险评价、关闭矿井复垦等问题为主要研究方 向[3-4]，长久以来我国针对地下水的影响评价主要集 中在水质影响方面， 在 2011 年国家环保部正式颁布 的环境影响评价技术导则地下水环境中推荐 的标准指数法，是目前进行地下水水质影响较为统 一的评价方法。而在地下水水量影响评价方面，尚 未形成公认评判方法，国土资源部门针对地下水资 源超采问题，常用地下水降深指数法[5-6]、地下水开 采系数法[7]、开采量动态趋势法[8]、水位变幅法[9]、 泉流量衰减法[10]等以评价地下水资源超采程度。其 中针对煤炭开采对地下水水量影响评价主要采用以 下 3 种方法 a. 吨煤排水量指标法 即每生产1 t煤产生的矿 井排水量， 是煤矿生产管理部门常用评价手段[11-12]， 更多的是从经济指标上来考虑的，忽视了不同地区 的具体情况，如西部干旱半干旱地区与其他地区相 比，同样的排水量在干旱半干旱地区对地下水资源 的影响就更大，因此该指标忽视了西部矿区地下水 重要的水资源和生态特性。 b. 矿井涌水量系数法 是指以矿井年涌水量与 降水量的比值为评价指标[13-14]，该方法是建立在矿 井涌水量与降水量较强相关性的基础上，在水文地 质条件相对简单的浅埋煤层开采地区具有一定的适 应性，对于地下水补径排条件相对复杂或深部煤层 开采具有较强的局限性。 c. 含水层破坏模数法 通过计算矿坑排水量与 矿区采掘面积的比值来评价采煤对含水层的破坏程 度[15]，类似于吨煤排水量评价，该评价方法没有考 虑具体的生态立地条件，因而具有较强的局限性。 笔者根据西部神东矿区典型的生态立地条件与 煤层开采特征，通过分析采煤对地下水水量的影响 规律，综合大量前人研究成果，试图从生态水位变 化、潜水含水层破坏以及水量损失角度，提出神东 矿区采煤对地下水扰动程度的评价指标， 为矿区煤– 水资源的合理开发、科学管理提供依据。 1 采煤对地下水的影响规律 1.1 三水转化关系的影响 天然条件下，大气降水是神东矿区地表水和地 下水的主要补给来源，在天然条件下大气降水、地 表水与地下水“三水”的转化关系为雨季大气降水补 给河水和地下水、河水同时通过下渗补给地下水， 旱季地下水以下降泉的形式补给河水，“三水”转化 补给关系较稳定。 开采条件下，由于采掘扰动形成覆岩导水裂缝 直接导通或沟通含水层，地下水沿导水裂缝进入采 掘空间，形成了矿井排水和采空区储水 2 种矿井水 形式。矿井排水是指由井下排水系统排到井下水处 理厂、地面污水处理厂的地下水，经净化处理后除 部分井上下复用外，一般排入乌兰木伦河等河流参 与整个水循环[16]，使“三水”转化复杂化。采空区储 水是指积存于老空区或地下水库中的矿井水，对于 “三水”转化来说只是增加了水循环的周期。 水位下降或含水层疏干是地下水渗流场演变最 直观的形式。采煤活动形成了以采空区为中心的局 部地下水降落漏斗，地下水径流条件变化，地下水 径流底界由采矿前的侏罗系顶界面延伸到采空区底 界面[17]。如图 1 所示，补连塔井田由于矿井大量排 水使地下水位以采区为中心形成较为明显的降落漏 斗，形成井田内的不连沟等地表水体稳定补给地下 水的补排关系[18]，直至地表水体干涸。 图 1 神东补连塔煤矿地下水转化示意图 Fig.1 The relationship between groundwater and water flowing fractured zone 1.2 采煤对水资源量的影响规律 a. 侧向补给量增大，侧向排泄量减少。矿坑排 水普遍降低了矿区地下水位，形成了以采空区为中 心的降落漏斗，水力梯度增加。如补连塔井田天然 条件下松散层地下水水力梯度约为 2，2012 年， 形成以三盘区为中心的水位降落漏斗，井田内平均 水力梯度达到 10，加剧了上游的地下水补给，减 少了向下游流域的侧向排泄量[18]。 b. 地下水向泉、地表水排泄量减少。泉在地表 出露后形成地表水体，矿区地下水位下降后，地下 水排泄量减少，导致大量泉眼流量减少甚至消失， ChaoXing 第 3 期 赵春虎等 采煤对松散含水层地下水扰动影响规律及评价指标 81 引起地表水体面积萎缩，马雄德等[19]通过模糊层次 分析法分析得出榆神府矿区煤炭开采是地表水体、 湿地面积减少的主导因素。 如大柳塔井田母河沟泉 域，矿区开发初期泉平均流量为 5 961 m3/d，为神 东矿区的供水水源地，随着井田的高强度开采， 泉域地下水位不断下降，2002 年 4 月测得流量只 有 1 680 m3/d，衰减达 70以上，补连塔井田的补 连沟也在 2007 年基本断流。 c. 大气降水入渗量增大。煤矿开采后产生地面 沉陷改变了大气降水的汇水条件，减少了大气降水 的地表径流量，地表裂隙及塌陷加快了地表水向地 下水的转化能力， 宋亚新[20]通过野外水分运移测试， 得出采煤塌陷稳定区有更强的接纳降水的能力。 d. 蒸发量减少。天然状态下地下水位埋藏较 浅，赵贵章[21]研究得出鄂尔多斯盆地风沙滩地区一 般最大有限蒸发深度是 0.5～0.8 m，即说明当采煤导 致地下水位埋深大于 0.5 m 时，地下水潜水蒸发量 就会大大减少。范立民等[22]通过系统分析潜水位下 降与煤炭资源开采强度的关系，得出榆神府矿区 27的面积潜水位发生明显下降，其中 71.5的水 位明显下降区＞8 m是由高强煤层开采导致的。 综上，从水均衡角度分析，如表 1 所示，由于 矿坑水的形成，引起矿区的地下水袭夺了侧向补给 增量、降雨补给增量、地下水向泉、地表水以及蒸 发等地下水排泄减量，导致地下水总均衡量增加。 因此，矿井水矿井排水与采空储水的形成是导致 “三水”大气降水、 地表水与地下水转化关系和转化 量发生改变主要原因。 表 1 浅埋煤层开采地下水均衡分析表 Table 1 Analysis of groundwater balance under the influ- ence of coal mining 补给源 排泄项 泉排泄 减少↓ 降雨 入渗 增加↑ 向地表 水排泄 减少↓ 蒸发 减少↓ 侧向 补给 增加↑ ↑ 合计 增加 矿坑水 增加↑ ↑ 合计 增加 2 地下水扰动评价指标 2.1 生态水位扰动程度指标 根据特定的水文地质条件选择合理的开采上限 及适宜的开采方式控制生态水位是实现保水采煤的 核心[23]。王双明等[24]、范立民等[25]发现毛乌素沙地 植被发育合理生态地下水位埋深为 1.55.0 m，水位 埋深大于 5 m 时植被出现病态，因此提出保水采煤 生态水位埋深控制在 5 m 以内。马雄德等[26]研究得 出地下水位埋深 2.15 m是沙柳对煤层开采地下水位 下降的阈限。 因此，从生态水位埋深角度，提出采煤对生态 环境扰动的指标 Ee e e DS E D Δ 1 如图 2 所示，其中 D 为原始水位埋深，m；∆S 为采掘扰动后的水位降深剔除非采动影响因素，m； De为合理生态水位埋深，m；当 Ee1，植被影响程 度小；Ee≥1，植被影响较大。数值越小说明采掘扰 动程度小。 图 2 扰动指标示意图 Fig.2 Sketch map of disturbance index 通过绘制该指标的等值线图，识别出 Ee≥1 的 区段面积与井田面积比值， 定义为生态水位采扰比， 来表征采煤导致的植被的影响程度。由于各地域的 生态立地条件不同如气候、植被群落特征等，生 态水位的埋深不同，因而生态水位标准取值须根据 地域生态环境研究成果进行取值。 2.2 含水层损伤程度指标 王双明等[24]通过分析煤层开采形成的导水裂缝 与上覆隔水岩组的空间关系，对陕北侏罗纪煤田进行 了保水采煤分区。 李涛等[27]分析得出保护层松散含水 层下部未被导水裂缝沟通的弱透水层上下越流水位 差越大，隔水土层残余隔水能力越差，采动潜水位降 深越大。 因此， 当采动裂缝发育至松散含水层内部时， 地下水沿采动裂缝直接进入采煤空间，造成含水层被 疏干，松散含水层不再具备地下水调蓄能力，当采动 裂缝发育至基岩层内部时或隔水关键层，造成保护 层上下越流水位差加大，渗漏量加剧，松散含水层调 蓄能力减弱。根据采煤形成的导水裂缝高度与隔水层 关键层顶部边界空间位置关系，提出表征采煤对潜水 含水层损伤的扰动程度指标 Ea li a h E H M 2 式中 hli为导水裂缝带高度多煤层开采时为综合导 ChaoXing 82 煤田地质与勘探 第 46 卷 水裂缝高度，m；H 为采掘煤层以上基岩层厚度， m；M 一般为第四系离石组黄土、保德组与新近系 三趾马红土等隔水关键层厚度[25,28]，m；Ea为含水 层损伤指标，数值越小说明采掘扰动程度小，当 Ea≥1 时，说明含水层被疏干，从式2可以看出， 隔水关键层厚度越大、导水裂缝高度越低，含水层 受采煤损伤越小。 通过绘制该指标的等值线图，识别出 Ea≥1 的 区段面积与井田面积比值，定义为含水层采损比， 来表征采煤导致的松散含水层损伤程度。 2.3 水量损失程度指标 神东矿区矿井水袭夺了地下水向泉、地表水以 及蒸发的排泄减量，是造成矿区地下水均衡扰动的 主要原因。从水均衡角度分析，矿区地下水排泄项 主要包括矿井水矿井排水与采空区储水、蒸发排 泄、侧向排泄、向地表水体排泄、工农业取水等， 当采空储水尚未形成完善、 广泛的综合利用体系时， 矿井排水、 采空区储水仍作为水资源的损失量考虑。 因此，提出矿井水与采掘前地下水排泄总量的比值 来表征采煤地下水量的损失程度指标 Eq q Q E Q Δ y 3 式中 ∆Q 为矿井水量矿井排水与采空区储水；Qy 为采掘前地下水排泄总量；Eq为地下水损失指标。 其值一般小于 1，其值越大表征矿井水对地下水资 源袭夺量越大，采掘扰动程度越强烈。 顾大钊[29]针对煤炭开采矿井水外排损失的问 题，提出以采空区为矿井水储存空间的地下水库建 设理念，并以地下水水库为基础，形成了矿井水资 源化与利用技术体系。孙亚军等[30]统计得出神东矿 区累计利用地下水水库储存的矿井水量 4.2107 m3， 大幅提高了矿井水资源化程度，减少了矿井水排污 量，因此矿井地下水库建设与矿井水利用是减少地 下水外排损失的重要手段。 2.4 评价方法 数值法在水资源预测、评价和管理中得到迅速 的发展， 大大提高了地下水相关研究的定量化程度， 笔者在地下水系统数值模拟的基础上，提出了覆岩 导水裂缝边界化，弯曲带渗透能力分区，地面沉陷 区重新剖分的采掘扰动影响下地下水系统数值评价 模型的构建方法[18]，在评价模型的基础上，通过绘 制生态水位扰动、含水层扰动程度等值线图，计算 水量损失指标，综合评价采煤对地下水扰动程度。 3 评价案例 补连塔井田位于神东矿区中部，地表松散层厚度 1530 m，主采 1-2煤，均厚 3.34 m，平均埋深 174 m。 如图 3 所示，文献[18]通过数值计算得出了补连塔井 田 2012 年的松散层水位等值线图。 根据提出的 3 个指 标，评价采煤对松散层地下水的扰动程度。 图 3 补连塔井田松散含水层水位等值线单位m Fig.3 Contours of groundwater level in loose aquifer 根据文献[24-25]，以埋深 5 m 为本区的生态水 位埋深，绘制 2012 年井田生态扰动指标 Ee与含水 层损伤指标 Ea等值线图。如图 4a，井田范围内生态 扰动指标 Ee基本均大于 1，生态水位采扰比 92， 表明矿井开采对生态水位影响较大。补连塔煤矿四 盘区 1-2煤覆岩运动与突水机理及其控制研究 报告 中通过钻孔冲洗液漏失量实测得出 1-2煤层裂采比 为 31.9334.98，同时以井田离石组、保德组等低渗 透层为松散层地下水的隔水保护层，计算绘制井田 含水层损伤程度指标，如图 4b，在 2012 年已采掘 范围的西部区段 Ea大于 1，采动裂缝发育至松散层 内部，潜水含水层被大范围疏干，全井田松散含水 层的采损比为 8。 笔者在文献[18]中计算得出 2012 年补连塔井田 松散层地下水向采掘区段的排泄量即地下水损失 量为 1.9104 m3/d， 在不考虑地下水库储水复用时， 水均衡扰动指标 Eb达到 23， 在考虑矿井水直接回 用和地下水库储水复用之后，矿坑水实际排水量为 7.02103 m3/d，其 Eb减少至 8.5，说明坑井水直接 回用与地下水库储水复用是减少地下水量损失的有 效措施。 4 结 论 a. 由于采掘扰动，地下水形成新的赋存形式 矿坑水，导致水体的转化关系和转化量发生较大改 变，是矿区水动力场扰动的主要因素。 b. 从松散层含水层生态水位变化、含水层损伤 ChaoXing 第 3 期 赵春虎等 采煤对松散含水层地下水扰动影响规律及评价指标 83 图 4 松散含水层扰动程度评价 Fig.4 Assessment of disturbance degree in loose aquifer 以及水量损失角度，提出矿区采煤对地下水水动力 扰动程度的 3 个评价指标。 c. 截至 2012 年神东补连塔煤矿松散层地下水 生态水位扰动指标在井田范围内基本均大于 1，采 扰比达到 92，矿井开采对生态水位影响较大；由 于采动裂缝直接发育至松散层内部，导致井田 8 面积的含水层完全损伤而失去地下水调蓄能力；在 不考虑矿井水利用情况下地下水量损失扰动指标达 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