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第 45 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.2 2017 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control Technology for Coal Mine Water Hazard, Xi’an 710077, China Abstract Aiming at many problems that the intense coal resources development and the ecological environmental protection supported by groundwater as the core are facing in the coal mining areas of Shaanxi-Inner Mongolia, on the basis of the geological and hydrogeological characteristics in the areas, from the concept connotation and the interdependent relation related to groundwater system and water environments, the paper proposed the concept of groundwater environment system. Starting with structural feature, behavior attribute and functional controlling factors of the system, divided the groundwater environment system into the “structure-controlled layer”, “hydraulic-driven layer” and “external disturbed layer”, analyzed the function, role, principal components and their characteritic index of different structural layers. Through the analysis of the crossfeed mechanism of coal mining activities and the structural factors related to groundwater environment system, it is concluded that mining activities disturb the “structure-Controlled layer” and result in the response of “hydraulic-driven layer”, is the basic reason for the evolution of the groundwater environment system. Keywords groundwater environment system; system structure; status indicator; coal mining; disturbance 蒙陕矿区位于毛乌苏沙漠与黄土高原的接壤地 区，生态环境脆弱，水资源贫乏，随着我国煤炭资 源开发向西部干旱区转移战略的实施，矿区在规模 化、 高强度的开发过程中已出现了地下水水位下降、 泉水干涸、河流量锐减、荒漠化加剧等一系列环境 地质问题和生态环境的负面响应[1-3]，水资源和环境 问题已成为矿区煤炭资源开发最重要的制约因素。 多年来，众多学者从不同角度针对西部干旱地区水 环境保护以及煤炭资源开发等相关问题进行了大量 研究，水文地质界侯光才等[4]以传统的地下水系统 ChaoXing 86 煤田地质与勘探 第 45 卷 概念为理论基础，根据区域地下水动力场特征将研 究区划分为局部、中间和区域地下水流系统 3 种类 型；采矿界李旺林等[5]、缪协兴等[6-7]、李文平等[8]、 叶贵钧等[9]、王双明等[10]、范立民等[11]以西部侏罗 纪煤田采掘煤层赋存的地质环境为研究对象，根据 采动覆岩破坏的“分带理论”[12]和“关键层理论”[13]对 研究区进行了水环境保护分区等，上述相关研究分 别是从地下水流动和采矿覆岩破坏规律为出发点， 其研究的理论体系相对独立，未从地下水环境系统 的角度对人类采掘活动影响下地下水赋存的地质环 境的扰动及地下水系统响应的连动机制进行系统研 究。笔者以西部干旱的蒙陕矿区为研究对象，根据 矿区典型的水、煤、环赋存条件以及现代化煤炭开 发特征，提出地下水环境系统的概念，针对地下水 环境系统的结构、功能等概念内涵及采煤对系统的 扰动机制进行探讨，为西部干旱区煤炭资源开发与 水环境保护的相关研究提供理论基础。 1 地下水环境系统 系统是由若干相互作用和相互依赖的事物有 序组合的整体， 环境影响评价技术导则地下水 环境中定义地下水系统概念是指由边界围限的、 具有统一水力联系、统一地下水循环规律、具有 某种特定功能的含水地质体[14-15]，包括地下水含 水系统和地下水流动系统，地下水含水系统由含 水介质和相对隔水介质组成，地下水流动系统是 指由源到汇的流面群构成的具有统一时空演化过 程的地下水统一体，且可以进一步划分为局部、 中间和区域流动系统[16]。因此，地下水系统的概 念是以地下水渗流场的认识为基础的，强调了含 水介质的空隙结构、围限边界、水力联系、以及 系统的多层次性等。 环境是相对于某一中心事物而言的，围绕中心 事物的空间范围、结构状态即构成了该中心事物的 环境。从西部干旱区生态的角度讲，地下水环境是 链接地质环境与生态环境的桥梁，具有极其重要的 生态功能。蒙陕矿区地处我国西北干旱地区，地表 水资源奇缺，唯一具有供水意义和重要生态价值的 含水层位于侏罗纪煤层之上的松散孔隙含水层[17]， 因此，研究区松散层地下水环境更加强调了松散层 地下水体的中心特征及其生态功能。 笔者综合了地下水系统与地下水环境的概念内 涵，提出西部干旱矿区地下水环境系统是指在一定 空间范围内，以地下水体为系统中心，以控制地下 水存储和运动格局的各种要素为系统结构，以地下 水生态价值为核心系统功能的整体，是地下水系统 和地下水环境概念的综合体现。 2 地下水环境系统的结构特征 地下水环境系统以具有生态功能的地下水体为 系统中心，因此，从系统功能以及与人类活动关系 的角度出发， 可以将地下水环境系统划分为“结构控 制层”、“水力驱动层”及“外围扰动层”3 个基本结构 层，不同于地下水子系统或单元的概念，“层”是指 实现系统不同功能的各要素组合，图 1 为地下水环 境系统的构成因素分类。 图 1 地下水环境系统构成 Fig.1 Composition of groundwater environmental system 2.1 结构控制层 结构控制层简称结构层，是指构成地下水存储 和控制地下水运动状态空间格局的各种要素的综 合，与地层的成因、岩相分布、地质构造及地貌特 征有直接的关系。一般来讲，其结构特征相对稳定， 是地下水环境系统保持整体性以及功能性的基础要 素。如图 2 所示，根据地下水存储和运动形式特点， 研究区结构层的构成要素可以分为含水介质结构要 ChaoXing 第 2 期 虎维岳等 蒙陕矿区地下水环境系统及采掘扰动 87 素与边界结构要素 2 个方面。 1隔水基底；2松散孔隙含水结构；3基岩裂隙含水结构； 4边界控制结构；5煤层；6水位；7流线；8地表水体； 9平面类边界；10垂向类边界；11子系统代号 图 2 地下水环境系统概念示意图 Fig.2 Schematic diagram of groundwater environmental system 2.1.1 含水介质结构要素 根据矿区地下水赋存地质岩体的孔隙、裂隙、孔 洞结构特征可分为 3 类结构形式的地下含水介质。 a. 松散层类孔隙含水介质L 一般是指第四系 风积、冲积、冲洪积层，其岩性一般为砂砾卵石， 中细沙、含泥砂等松散类岩层。西部干旱矿区近地 表的第四系风积沙是主要含水介质， 具有分布广泛、 质地均匀、结构松散、孔隙率大、透水性好、调蓄 能力强的特点，是地下水良好的储水空间，构成了 区内最具资源和生态价值的含水岩系，是水环境保 护主要对象。 b. 基岩类裂隙含水介质F 位于风化层之下的 相对完整的岩石被称为基岩，出露于地表的基岩称 为露头。 赋存于基岩的原生节理以及次生构造裂隙、 风化裂隙中的地下水即为基岩裂隙水，该类地下水 埋藏和分布具有不均一性和一定的方向性，富水程 度受地质构造因素控制明显，水力流动具明显的各 向异性，较之松散含水层，基岩裂隙水水力联系差， 富水性一般。 c. 烧变岩孔洞含水介质 烧变岩是西部干旱矿 区特殊含水介质，是在地质历史时期，煤层露头发 生自燃后围岩受烘烤而形成的一种裂隙、孔洞发育 的特殊岩层。主要在浅部的煤层露头区局部分布。 2.1.2 边界结构要素B 是指系统要素或组合特征发生质变的界线，根 据控制地下水流动方向的特征，可分为平面边界类 和垂向边界类要素。 a. 平面边界类 主要是指平面类地质界限，控 制着地下水垂向流动的边界要素。如近地表的地下 水潜水面直接与大气联通， 接受大气降水直接补给， 决定了该含水层地下水为潜水不具承压性的水力 特征；松散层下垫面一般为黏土类低渗透层或基岩 层，地下水垂向运动不畅，地下水通过该界面由达 西渗流转化为裂隙流， 即地下水运动特征发生转化。 因而， 由于含水介质间平面边界结构如 B1的存在， 控制地下水垂向流动形式，使地下水体的运动具有 分层性、复合性。 研究区新近系上新统保德组N2的黏土类地层 与下伏侏罗系中统安定组J2a砂质泥岩，基本为全 区分布，沉积稳定，隔水性能较好，共同构成研究 区最主要的平面结构边界，在垂向上将研究区地下 水环境系统可划分为松散孔隙类L和基岩裂隙类 F2 个局部地下水环境系统。 b. 垂向边界类 以垂向自然、地质等界限控制 地下水平面流动的边界要素。如地表自然分水岭、 河流或人类构筑等因素构成了地下水环境各级系统 间的外围边界。 分水岭是区域地形地貌的最高界线， 大气降水补给潜水含水层后，潜水以分水岭为边界 向两侧流动，在两侧形成相对独立的流动系统；河 流在区域上高程相对最低，一般是西部干旱区地下 水循环最主要的源汇界面，河流两侧地下水在平面 一般不具有水力联系， 是垂向边界的主要表现形式。 垂向边界结构控制了地下水在系统之间平面流动， 如图 2 中以河流、自然分水岭形式的垂向边界结构 将松散地下水环境系统L分为多个独立的子系统 L1L6。 蒙陕矿区潜水的径流主要受地形与地貌的控 制，地表河流、沟谷和分水岭是地下水环境系统主 要的垂向边界。位于基地中东部的神府、榆神、榆 横矿区，均属黄河水系，一般受地表河流或沟谷的 切割，潜水含水层地下水易形成相对独立的水文地 质单元，一般地下潜水径流基本与地表径流一致， 大气降水补给潜水后向分水岭两侧径流排泄，进而 排泄至地表河流。在矿区深部的内陆水系，因地势 平缓，潜水径流缓慢。 平面上的潜水面边界、垂向上分水岭和河流边 界等由于自然或人类活动的影响，系统边界在时空 上具有波动性，如大气降水导致的潜水位降落、分 水岭迁移、河流与地下水补排关系的逆转等现象， 因而地下水系统边界具有时空波动性。 2.2 水力驱动层 水力驱动层简称水力层W， 是指驱动地下水流 动、能量传递、水质交换的各种要素的综合，包括 水动力要素和水化学类要素两个方面。水动力要素 承担着地应力和孔隙水应力的传递，是驱动地下 水流动的要素综合。 水化学要素通过水–岩的物理化 ChaoXing 88 煤田地质与勘探 第 45 卷 学作用，控制地下水环境系统中物质的交换。即使 无人类扰动，在地下水环境系统的水动力驱动以及 水–岩的物理化学作用下，地下水的补给、径流、排 泄特征以及各种水量、 水质交换关系也会发生改变， 因而既有力的传递，又有物质交换，具有动态平衡 状态的特征，是地下水环境系统保持动态平衡的水 力要素。 西部干旱地区地下水主要接受大气降水的补 给，排泄以潜水蒸发为主，其次为向地表水体的排 泄，其潜水“源”、“汇”边界的空间标高控制着其水 动力特征，如位于基地中东部的神府、榆神、榆横 等浅部矿区，地形起伏较大，河流沟谷切割强烈， 潜水水力梯度较大，基本上均为地下水补给地表水 体排泄模式，地下水补给量占 80左右[18]。 2.3 外围扰动层 外围扰动层简称外围层D， 是指打破或改变地 下水环境系统包括结构层和水力层平衡的各种要 素的综合。既有自然环境因素，如大气降水、蒸发、 洪流、地震等。也有人类活动因素，如抽注地下水、 灌溉、水库建设、井下采矿等。外围层控制着地下 水环境系统的输入、输出，是地下水环境系统与自 然环境、人类社会发生联系的综合系统。 蒙陕矿区是我国煤炭西进战略实施的主力矿 区，多采用高回收率的现代化开采工艺，与传统开 采技术方法相比，该工艺具有开采面积大、采高大、 采空区面积大等特点， 其一般工作面产量在 1107 t/a 以上[19]，如神东地区已建成了以补连塔、大柳塔、 柠条塔、红柳林、上湾煤矿等为代表的多个千万吨 级矿井群， 首创了世界上第一个 300 m、 400 m、 450 m 超宽工作面，第一个 5.5 m、6.3 m、7 m 超高工作 面，2014 年煤炭产量达到 4 亿 t，约占全国原煤产 量的 10，如此规模化、高强度、现代化的煤炭资 源开发过程中不可避免地造成了地下水环境影响 或破坏， 构成了地下水环境系统外围扰动层主要控 制要素。 随着矿区煤炭资源的开发， 地下水水动力条件正 发生着重大变化， 特别在规模化开发强度最高的浅埋 煤层区， 井下采掘扰动形成的导水裂缝带间接或直接 揭露松散含水层，地下水通过导水裂缝进入采掘空 间，使地下水“汇”流界面下移至采掘空间，加剧了地 下水垂向流动，并形成矿井涌水。同时，潜水含水层 地下水埋深增大，甚至疏干，蒸发排泄量锐减，井下 涌排水袭夺了蒸发排泄和向河流排泄。 综上， 蒙陕矿区以松散介质为主含水结构要素， 以地形控制的边界结构和水力驱动要素共同构成了 地下水环境的内部系统，人类规模化煤炭资源开采 活动是地下水环境系统外围扰动层控制性要素。 3 采掘对地下水环境系统扰动机制 3.1 地下水环境系统的刻画指标 表征地下水环境系统中各要素状态的参数即为 地下水环境系统状态指标，如表 1 所示。 表 1 地下水环境系统属性状态指标 Table 1 Attribute and state index of groundwater environment system 系统 结构 指标 分类 状态指标 含水介 质要素 含水层厚度、埋深、孔隙度、渗透率、 给水度等参数 平面结 构要素 低渗透层边界厚度、埋深、孔隙度、 渗透率、给水度等。潜水面边界埋深 结构控 制层 垂向结 构要素 河流边界水位高程、流量。分水岭边 界高程 水动力 水压、黏滞系数、水力梯度等 水力驱 动层 水化学 浓度、温度、弥散系数、扩散性等 自然 因素 降水量、蒸发量 外围扰 动层 人类 因素 抽水量、注水量、开采强度、厚度等 状态属性指标的变化是地下水环境系统演化的 定量体现，从地下水环境系统状态属性指标可以看 出， 引起地下水扰动因素众多，西部干旱矿区需要从 外围层煤炭采矿活动的角度出发， 研究采掘扰动影响 下地下水环境系统各要素状态指标的扰动机制。 3.2 地下水环境系统的扰动因素分析 在外围层扰动因素影响下地下水环境系统某项 或多项功能的变化可称为地下水环境系统的扰动。 其实质为外围扰动层因素打破或改变了地下水环境 系统包括结构控制层和水力驱动层平衡，而引发 系统功能的变化。排除外围扰动层中自然因素，突 出人类活动对地下水环境系统的扰动， 在一般地区， 地下水环境系统扰动表现在以下 3 个方面。 a. 直接开发或排出地下水如水源地过量开采 地下水，矿区矿坑排水等； b. 直接补充地下水农田引水、灌溉，平原水 库等； c. 污染物进入地下水城市生活污水、 垃圾污染 物，工业废水、废渣，农业化肥、农药等。 人类这些活动直接改变了地下水的质量、成分、 能量与物质交换条件， 从而引发进一步地质环境、生 态环境负面响应。 即外围层扰动因素直接打破地下水 环境的水力驱动层包括水动力要素和水化学要素 是一般地区地下水环境系统功能变化的根本原因。 ChaoXing 第 2 期 虎维岳等 蒙陕矿区地下水环境系统及采掘扰动 89 蒙陕矿区地下水环境扰动主要表现在以下2个方面。 a. 人类煤炭开采活动形成地下“空间”，出现结 构性的“临空面”，围岩原位地应力场平衡被打破， 发生应力集中、应力释放、应力传递和转移的现象， 覆岩产生跨塌、开裂、层间离层、节理及次生裂隙 再发育，弯曲及地表塌陷等响应。 b. 如图 3a 所示，采掘扰动形成的覆岩裂缝破 坏了 B3隔水边界低渗透层的完整性， 形成透水“天 窗”，使松散层地下水环境子系统 L、基岩地下水环 境子系统 F 沿透水“天窗”覆岩裂缝进入采掘形成 的外围层，地下水形成了新的赋存形式矿井积水 W1，采空区顶部覆岩地下水被疏干，使潜水边界 B2下移至采空区 B2 ，处，水力梯度增大，加剧地下 水向采掘空间的汇流；地下水位下降后，局部的分 水岭边界 B5向未扰动一侧转移 , 5 B处， B4边界消失； 如图 3b，在靠近采空区一侧，地表水 W2与地下水 补排关系发生逆转，地下水流向发生变化，转化成 地表水补给地下水的补排关系；由于潜水面边界的 下移导致 W3地表水体消失；W4泉流量减少。 图 3 采掘扰动影响下地下水环境系统要素变化 Fig.3 Variation of factors influencing gorundwater environment system under mining disturbance 采煤活动使覆岩至地表产生了垮塌、裂缝、 变形、沉陷等损伤与变形，如采掘冒裂带打破了 含水层与采掘空间保护层的封闭性、完整性，使 保护层的含、导、储、阻水能力指标发生改变， 即地下水环境系统结构控制层的结构和边界系统 要素发生变异； 地下水沿导水裂缝进入采掘空间， 形成地下水新的排泄点，由此产生地下水水位下 降、井下大量涌水、水质污染等水力驱动层的响 应。 因而， 蒙陕矿区采掘导致地下水环境系统 “结 构控制层”的扰动而引起水力系统的响应是地下 水环境系统演化的根本原因。 4 结 论 a. 根据蒙陕矿区典型水、煤、环赋存条件以及 煤炭开发特征，提出地下水环境系统的概念在一 定空间范围内，以地下水体为系统中心，以控制地 下水存储和运动形式的各种要素为系统结构，以地 下水的资源与生态价值为核心系统功能的整体。 b. 从系统的空间结构、范围以及功能内涵出 发，将研究区地下水环境系统分为“结构控制层”、 “水力驱动层”和“外围扰动层”3 个部分。 c. 人为直接打破地下水环境系统水力驱动层是 一般地区地下水环境系统功能变化的原因， 西部煤炭 开采区采煤活动对“结构控制层”的扰动而导致“水力 驱动层”的响应是地下水环境系统演变的根本原因。 参考文献 [1] 王力， 卫三平， 王全九. 榆神府煤田开采对地下水和植被的影 响[J]. 煤炭学报，2008，33121408–1414. 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