神东矿区地下水变化观测与分析研究_顾大钊.pdf

第41卷第4期 2013年8月 煤田地质与勘探Vol. 41 No.4 Aug. 2013 COALGEOLC后Y2.神华神东煤炭集团公司，陕西神木719315 摘要针对西部大规模高强度煤炭开采对地下水的影响，利用神东矿区约1500 km2区域的200余 个钻孔的长期观测结果，研究了超大综采工作面开采工艺对地下水系统的影响规律，地下水流场 变化与基岩和含水层空间分布的关系．研究表明，超大综采工作面开采形成了地下水“汇聚带”， 开采对基岩和含水层厚度较薄区的地下水系统影响较大，研究区采后含水介质厚度稳定且较厚区 域含水层含水厚度损失大部分在30左右，且逐步趋于稳定． 关键词超大工作面；地下含水层；地下水流场；含水层损失 中图分类号P641.4文献标识码ADOI 10.3969/j且sn.l 001-l 986.2013.04.009 Observations and analysis of groundwater change in Shendong mining area GU Dazhao1, Z出NGJiam时，WANGZhenrong2, CAO Zhiguo1, Z队NGK.ai1 1. Shenhua Group Limited Corporation, Beijing 100011, China; 2. Coal Mining Institute, Shendong Coal Group, Shenmu 719315, China Abstract The long-term observation data，合omover 200 boreholes in Shendong mining area about 1500 kni2, have been used for understanding the mining influence on groundwater system by the super-large mechanized face, characteristics with intensive coal mining in west China. It focuses on也erelationship between the groundwater flow field and the spatial distribution of bed rock and aquifers. Results show that the super-large face has induced groundwater ”convergence zone”and indicate the significant influence on the groundwater system in the area of thin bed rock and thin aquifer. Statistics reveals about 30 of water loss occurred in area with stable and thick aq- uifer after mining in the study area, after then the groundwater system has been gradually stabilized. The research is helpful to the scientific prediction of underground water supply and stored volume, for underground reservoir en- gineering and management. Key words super-large face; underground aquifer; groundwater flow field; aquifer loss 神东矿区是世界上最大的煤矿井工开采区，聚 集着13个千万吨矿井，目前推广的以超大综采工作 面为核心的安全高效开采技术，已经成为西部煤炭 资源赋存较好区域的主要开采方式。然而，神东矿 区煤炭资源大规模高强度开发对地下水的影响也一 直为人们所关注。为解决现代煤炭开采对地下水和 地表生态的影响问题，有关学者相继提出了现代绿 色开采技术［l］，涵盖保水开采、减沉开采、煤与煤 层气（瓦斯）共采、肝石减排、煤炭地下气化等内容 的绿色开采理念与技术框架（2］，系统总结了保水采 煤和矿井水防治的研究成果［坷，探讨了煤矿区地下 水环境影响评价工作等级确定方法”］。在神东矿区 及周边区域，研究了煤炭资源开发对地下水失衡影 响及控制对策［匀，陕北煤矿区矿井水资源化及综合 收稿日期2013-01-15 基金项目国家科技支撑计划项目（2012BACIOB03 利用技术途径间，总结了开采时地下水流失途径和 防止潜水含水层流失的“关键区域”控制［7］，建立了 榆神府矿区水环境评价模型间，还研究了薄基岩浅 埋煤层条件下保水开采技术［9］。对超大综采工作面 的采空区塌陷变化趋势10］及地下水流场变化规律川 等也进行深入研究。特别是针对能源“金三角”地区 煤炭资源开采与地下水资源科学保护问题，选择重 点地区和典型工作面深入研究了现代开采技术对地 下水和地表生态的影响规律（12］，为神东矿区地下水 资源科学保护与利用提供了参考依据。但由于研究 区涉及区域广、跨越几个水文地质单元，观测数据 少，致区域性及定量研究不足。 本研究针对西部大规模煤炭开采对地下水的影 响，首次利用神东矿区2004-2012年积累的系统水 作者简介顾大钊（1958一），男，江苏盐城人，博士，教授，研究方向为水文地质与工程地质． ChaoXing 36 煤田地质与勘探第41卷 文观测数据，研究超大综采工作面开采对地下含水 层的影响，为确定神东矿区地下水保护与利用的技 术路线，建立以超大综采工作面为基础的地下水库 建设与运行系统提供依据。 1 研究区概况 研究区位于陕西神木北部一内蒙伊金霍洛旗南 部，南北长约为50km，东西宽约为30km，面积约 为1500 km2。该区处于毛乌素沙地与黄土丘陵区的 复合过渡区，地貌主要是风积沙和黄土沟整两类， 地表流动沙及半固定沙覆盖最厚可达20～50m。区 内地表水系不发育，乌兰木伦河纵贯矿区。年降雨 量约为200-500mm，雨季降雨量约占全年的2/3。 该区构造简单，岩层产状平缓，构造裂隙不发 育。含煤地层一一你罗系延安组J1-2v）分布广泛，含 有可采煤层1-2、i-2、3I、4-2和5-2煤层，煤层埋 藏浅，平均地表以下70m左右即可见到1-2煤层， 其与5-2煤层间距约为170m。 该区地下水主要包括地表层土壤水，松散层孔 隙潜水、碎屑岩类裂隙潜水及承压水和烧变岩孔洞 裂隙潜水。根据地下水赋存介质和开采转移（蒸发、 渗流）特点，将直接影响矿井水井下保护与利用及地 表生态修复的地下水分为“三类水”，即地表土壤 水、松散层潜水和基岩裂隙水。其中，地表土壤水 是采后生态修复的基本条件，松散层潜水和基岩裂 隙水是矿井水的主要来源。基岩裂隙含水层一般渗 透性差但累计厚度大，如本区西部J2，组的裂隙含水 层厚度约达到45～137m。而松散含水层结构疏松， 渗透性较强，厚度4～30m。 为充分利用赋存煤层优势，神东矿区经过十余 年，安全高效开采工艺与技术持续创新，目前已将 综采工作面宽度由200m提高到400m，推进距离 由2000 m提高到6000 m左右，形成以超大综采工 作面为核心的一批千万吨矿井。仅2008-2012年就 推广超大工作面65个。 2 研究方法 2.1 地下水现场监测区域 为全面研究地下水系统变化与超大综采工作面 的空间与时间关系，观测区域选择在超大综采工作 面布局最密集的区域，包括寸草塔井田、乌兰木伦 井田、布尔台井田、石垃台井田、哈拉沟井田、补 连塔井田、上湾井田、活鸡兔井田，榆家梁井田等， 控制面积约1500 km2（图1）。 在超大综采工作面安全生产保障基础上，采用 工作面眼踪与区域控制的原则，布置长期观测点与 70000 70α）（） 60000 60000 50000 50仪）（） 40000 40000 10 000 20 000 30 000 40 000 图1研究区超大工作面采空区分布（2008-2011年） Fig. 1 The distribution of gob of super-large face in the study缸-ea 动态监控点。前者在未采区及采空区布设，掌握开 采对区域地下水的影响。后者布局在工作面开采工 作面周围，掌握开采对周边地下水影响。在神东矿 区累计布设200余个钻孔进行观测研究，建立了地 下水监测系统。其中，从2007年起，对中心区矿井 的134钻孔进行了长期观测（表1）。 表1研究中心区观测钻孔一览表 Table 1 Number of boreholes in the center of the study area 井回大柳塔哈拉沟乌兰木伦石吃台补连塔 钻孔数量36 22 20 34 22 2.2 地下水观测方法 地下水观测方法以人工观测为主，自动监测为 辅。观测时间2001-2012年，人工观测月均2～3 次，主要观测地下水位标高，自动监测记录水压、 水位、水温、明渠流量和管道流量等数据。 地下水分析是通过地下水位、含水介质及含水 层水量、地下水流场等的动态变化，研究开采工作 面对周边地下水的影响和区域地下水的变化趋势， 指导矿区地下水资源的管理。 3 地下水变化的基本规律 为便于比较，这里以2010-2012年数据为例， 分析研究区地下水系统的水位和流场的变化及与超 大工作面、含水层厚度及基岩厚度等的关系。 3.1 地下含水层的空间分布 地下含水层是地下水赋存介质，控制着地下水 流场的变化。研究区内由北向南形成了以公涅尔盖 沟、考考赖沟、补连沟、活鸡兔沟为界限的水文地 质单元。含水层厚度变化是以乌兰木伦流域为中心， 随两侧地形高程逐步增加也随之增加，在主要流域 ChaoXing 第4期顾大钊等神东矿区地下水变化观测与分析研究 37 及支流流域大部分为薄含水层区（图2），底部岩性多 为粉细砂、中粗砂，局部底部含砾石，结构疏松， 降水极易人渗。 70000 70000 60000 60α）（） 50000 50000 40000 40000 10 000 20αJO 30αJO 40 000 图2研究区地下含水层等厚度图 Fig.2 lsopach map of aquifer in the study area 3.2 地下水位变化与超大工作面的关系 第四系是区内主要含水层赋存层位，包括Q4al 和Q3.的潜水含水层。平均累计厚度15-45m。图3 是以第四系厚度为本底的2012年12月与2010年 12月的地下水位等深度比较，表明地下水位随着 超大工作面推进发生较大的变化，第四系厚度越薄 的区域受影响越强烈。 研究选择补连塔井田12407工作面进行采前、 采中和采后的全周期观测，工作面回采时间为2012 年。而在近工作面区域的观测孔观测时间从回采前 75 000 70000 65000 60000 55 000 50000 75 000 70000 65000 2a并持续到回采后3a。如，在距该工作面700余m 远的补连沟长期观测孔Sl，在2013年6月15日观 测的地下水位深度一直保持在3.2-3.5m，显示地下 水侧向补给作用极弱。 采用2012年与2010年的地下水位深度变化增 量分析表明，地下水位降低最大区域与超大工作面 开采有直接关系（图的。地下水朝着超大工作面采动 区域方向流动，即开采形成了地下水聚集，其分布 与超大综采工作面的布局方向有显著相关性，如图4 中I、ILIII 、IV和V区域。 3.3 地下水流场变化与基岩及含水层的关系 图5是以基岩厚度为参考的地下水流向变化比 较，表明，2012年与2010年相比，地下水流场的 方向发生了变化，主要是向正在推进的工作面方向 流动。与传统工作面开采形成的地下水漏斗效应相 比，当基岩厚度较薄时，地下水朝着超大综采工作 面开采的超长推进距离的工作面带状区域汇聚，形 成以开采区域对应的地下水“汇聚带”。 图6为2010一2012年的年度变化量比较，含水 层厚度介于10-120m，表明，在超大工作面影响区域， 地下水位变化最显著区域集中在含水层厚度较小区， 即，含水层厚度越小，超大工作面开采形成的影响相 对越大。 3.4 地下含水层的损失评价 地下含水层漏失一直是开采面临的问题，但漏失 量多少目前尚无系统研究结果。研究区乌兰木伦一大 柳塔一带数据分析表明，当含水层达到一定厚度且 含煤岩系有多旋回泥质和泥沙质岩石互层时，实际 70 60 50 40 30 20 000 25 000 30 000 350 00 40 000 b 2012年 图3研究区地下水深度变化 Fig. 3 Variation of depth of groundwater in the study area ChaoXing 38 煤田地质与勘探第41卷 10α）（） N 70 000←布尔台井囚＞... －贮二二丁＇.. j -170 000 60000 \ －；予－营也唱y荡、 . -160仪）（） 50000 \ . \F-法非阳；ν＇.....♂；，，11.U.m \,...d 50仪）（） 40000「t,\ ／飞才40000 IO 000 20 000 30 000 4ο000 图4地下水深度变化增量与流向分布 Fig. 4 Variation increment of groundwater depth and water flow direction 75 000 70 000 65 000 55 000 Fig. 5 65 000 60 000 55 000 含水层含水厚度损失大部分在30左右。其中，薄 基岩区地下水“渗漏”导致厚度损失较大，而厚含水 层分布区地下水“渗流”则厚度损失比较小。钻孔地 质柱状分析表明，当含水介质层和实际含水层厚度 较大时，地下水沿着开采裂隙渗流过程中伴有泥沙 质流动和泥岩遇水膨胀，由于堵塞了裂隙通道而阻 止渗流。乌兰木伦井田的WS2孔观测表明（图7啡， 2007-2012年地下水位总体上有下降趋势，其中 12401-12404工作面均位于含水层厚度较薄区域， 12401和12403工作面在采后含水层厚度趋于缓慢 下降过程。而大柳塔井田22615工作面097钻孔监 测表明（图7时，2009-2010年变化较大，而 2011-2012年含水层厚度趋于稳定。 矿井涌水量是表征地下含水层损失含水量的重 要参数。大柳塔井1996-2012年长期观测的矿井涌 基主导厚度 Im 225 200 175 150 125 100 75 50 25 -0 二j 40 000 50000意隶主v葛疆瞌时量每寻求g层组噩噩噩隘懂每立之二 20 000 25 000 30 000 35 000 40 000 20 000 25 000 30 000 35 000 40 000 20 000 25 000 30 000 35 000 40 000 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 含水层等厚度Im （功2010-2012年b2011-2012年（c2010-2012年 图6研究区地下水流场方向变化 Fig. 6 Variation of groundwater flow direction in the study area ChaoXing 第4期顾大钊等神东矿区地下水变化观测与分析研究 39 16 一＋－WKl312401面）－企－WK 712403面） 言12 ._ WS112404中部）-lt-WS2（井囚外500m 士K 重8 险 4 “. 。 2007-12 2008-06 2008-12 2009-06 2009-12 2010-06 2010-12 2011-06 2011-12 2012-06 2012-12 日期 a 15「一＋－097 22615工作丽）....-080 （新三撤区露采区） 10 午.._ －－－－观2 22406 -II-054 （三不拉采区） I “-. __.....- 求5 淫。 当I2 运－5 要－10 令官－15 -20 -25 日期 b 图7含水层含水厚度损失图（2007-2012年） Fig. 7 Hydrous thickness loss of aquifer during 2007-2012 a 一乌兰木伦矿；护－大柳塔矿 水量一直保持在1万旷Id左右，而近10a原煤年产 量始终保持在千万吨以上，表明，该区由于开采工作 面导致的地下水垂直渗流与地下含水层的侧向补给 和大气降雨补给建立了动态平衡关系。 4结论 a.超大综采工作面开采导致地下水流场重新分 布，建立了与“漏斗”不同的动态地下水“汇聚带”。 b.超大综采工作面开采区域，基岩厚度越薄和 含水层厚度越小，开采对含水层的影响越大。 c.研究中心区含水介质较厚区域，地下含水层 含水厚度损失大部分在30左右，地下水损失相对较 小，采后含水层实际厚度趋于稳定。 参考文献 [I］钱鸣离．资源与环境协调（绿色）开采及其技术体系问．采矿与 工程学报，2006,231 1-5. 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