蔣澤泉，郭亮亮，呂文宏

(1.陜西省煤田地質(zhì)局一八五隊(duì)，陜西 榆林 719000;2.陜西中能榆陽(yáng)煤田有限公司，陜西 榆林 719000)

榆陽(yáng)煤礦3號(hào)煤層開(kāi)采，實(shí)測(cè)的綜采條件下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為84.8 ～96.3 m，為采厚的 24.2～27.5倍，冒落帶高度為 14.2 ～17.2 m，為采厚的 4.06～4.91倍，由于 3煤的賦存厚度存在差異，因此井田內(nèi)綜采條件下導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育不等，井田的東北角導(dǎo)高發(fā)育不大，而西北部導(dǎo)高發(fā)育最為劇烈，南部由北向南逐漸變小。與第四系含水層厚度圖對(duì)比分析，目前導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育程度下，上部松散層不會(huì)直接與導(dǎo)水裂隙帶直接溝通，造成水資源嚴(yán)重影響，但由于缺少連續(xù)大面積厚層分布的隔水土層，井田西北部的松散層水資源將通過(guò)殘余基巖緩慢滲流至井下。

1 礦井涌水來(lái)源及影響范圍

1.1 礦井涌水量及來(lái)源

榆陽(yáng)煤礦導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度最大有90 m以上，此時(shí)礦井的直接充水層位應(yīng)該是延安組含水層，鉆孔 ZP2、ZP1揭露的這兩層含水層時(shí)未見(jiàn)水位是為佐證;同時(shí)，在煤層開(kāi)采后由于基巖和上覆松散層之間隔水層有限，即基巖含水層受松散層、風(fēng)化基巖層越流補(bǔ)給，一般說(shuō)來(lái)工作面最大涌水量出現(xiàn)在初次來(lái)壓期間，而榆陽(yáng)煤礦2301工作面在初次來(lái)壓期間涌水量卻是正常的，并沒(méi)有出現(xiàn)突然增大的現(xiàn)象，說(shuō)明礦井涌水有一定的間接補(bǔ)給水源，因此松散層及風(fēng)化基巖含水層是礦井充水的間接充水層。經(jīng)調(diào)查，前期200萬(wàn) t/a產(chǎn)量時(shí)，礦井總涌水量為900 m3/h，其中井筒涌水量為105 m3/h，開(kāi)采區(qū)東部3號(hào)煤層受古直羅河沖刷而變薄，其頂板砂巖含水層增厚，當(dāng)開(kāi)采至該段時(shí)，礦坑涌水量增大，后停止開(kāi)采，并對(duì)其進(jìn)行了封閉，現(xiàn)涌水量基本保持穩(wěn)定，涌水量約250 m3/h。井筒涌水量和東部礦坑涌水量共355 m3/h(8 520 m3/d)，在今后煤層開(kāi)采時(shí)，基本保持不變。

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告預(yù)測(cè)，改擴(kuò)建后年產(chǎn)300萬(wàn) t的礦坑總涌水量為28 140 m3/d(1 172.5 m3/h)，這與實(shí)際礦井涌水量是相符合的。利用“大井法”預(yù)測(cè)，基巖的涌水量619 m3/h，這與目前的礦井涌水量差別較大，兩者之差為481 m3/h，說(shuō)明有上覆水源(松散層與風(fēng)化基巖層)越流參與。

1.2 礦井水的主要來(lái)源

1)基巖水

采空區(qū)范圍基本已經(jīng)疏干，依據(jù)大井法可以計(jì)算影響范圍“七里鎮(zhèn)砂巖”含水層為373 m，“真武洞砂巖”含水層為82 m。

2)風(fēng)化基巖及松散層水

本次野外水文地質(zhì)調(diào)查共觀測(cè)7口民井(風(fēng)化基巖有2口、松散砂層有5口)，這7口民井的水位變化情況可以看出風(fēng)化基巖含水層幾乎沒(méi)有影響，僅僅受到沉降影響水位有過(guò)短暫的下降后，數(shù)月就在很大程度上恢復(fù);另外，房采工作面對(duì)松散層幾乎沒(méi)有影響;綜采對(duì)松散層有一定的影響，嚴(yán)重影響范圍應(yīng)該介于500～1 200 m，1 200 m以外影響不顯著。

自綜采工作面投產(chǎn)以來(lái)，礦井涌水量不斷上升，依據(jù)以上分析可以看出:綜采主要是疏放的“真武洞砂巖”和“七里鎮(zhèn)砂巖”兩層含水層，同時(shí)含部分松散砂層及風(fēng)化基巖水，基巖含水層疏干后的影響范圍“七里鎮(zhèn)砂巖”含水層為373 m，“真武洞砂巖”含水層為82 m，松散層的嚴(yán)重影響范圍為500～1 200 m。

1.3 礦井水與各含水層的水質(zhì)比較分析

對(duì)已經(jīng)回采2年的綜采工作面2304采空區(qū)的礦井涌水進(jìn)行水質(zhì)簡(jiǎn)分析，礦井涌水檢測(cè)結(jié)果與各含水層水質(zhì)對(duì)比如表1所示。

表1 礦井涌水、松散層水及基巖水質(zhì)對(duì)比表

由表1可以看出:

(1)松散含水層與基巖含水層的水質(zhì)存在一定的差異，松散含水層多為低礦化度、低硬度 HCO3-Na·Ca型水，基巖含水層多為高礦化度、高硬度 HCO3-Ca或 HCO3·SO4-Na·Ca型水，說(shuō)明兩者在天然狀態(tài)下有一定的水力聯(lián)系，但深部基巖含水層水動(dòng)力環(huán)境較差，另外NH4+含量小，說(shuō)明兩含水層天然狀態(tài)下基本沒(méi)有受到污染。

(2)礦井水中陰離子含量首位是SO42-，但 pH 值為 7.6，接近中性，與天然含水層 pH接近，說(shuō)明礦井水酸化不明顯，因此SO42-的主要是源自涌水水源，而深部基巖含水層較松散含水層SO42明顯較大，礦井水更接近于基巖含水層。

(3)礦井水中Ca2+，Mg2+及礦化度遠(yuǎn)高于松散含水層水平，但pH值略偏堿性，說(shuō)明不是松散含水層酸化后溶蝕圍巖所致，其更接近于基巖含水層的含量。

(4)介于松散含水層與基巖含水層水質(zhì)的一定差異性，依據(jù)目前觀測(cè)的結(jié)果可以認(rèn)為礦井涌水中有大量基巖含水層的成分，但礦井涌水中是否有大量松散含水層水源參與，需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、大批量的水質(zhì)動(dòng)態(tài)觀測(cè)來(lái)進(jìn)一步判斷。

1.4 礦井涌水通道分析

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及理論分析均發(fā)現(xiàn)導(dǎo)水裂隙帶沒(méi)有直接溝通隔水粘土層，但野外地質(zhì)調(diào)查及礦井涌水計(jì)算結(jié)果，均發(fā)現(xiàn)松散砂層潛水有不同程度的參與，說(shuō)明導(dǎo)水裂隙帶以上范圍內(nèi)必然存在著一定相對(duì)微弱的滲流通道。

前述對(duì)關(guān)鍵隔水土層及巖層進(jìn)行了室內(nèi)外采動(dòng)滲透性變異測(cè)試，可以看出巖體受卸載應(yīng)力路徑時(shí)，表現(xiàn)出滲透系數(shù)的增加，特別是隔水的軟巖影響最為顯著，說(shuō)明即便是整體下沉帶內(nèi)巖體在采動(dòng)條件下滲透性亦會(huì)有明顯變化，即有一定的越流量。與此相對(duì)比，隔水的土層原位測(cè)試結(jié)果顯示其滲透系數(shù)變化不明顯，即采動(dòng)后仍然有天然狀態(tài)下的阻水特性，那么砂層潛水通過(guò)隔水粘土層下滲的通道是怎樣的，需要對(duì)采動(dòng)條件下地表拉伸裂隙深度及地表裂隙與導(dǎo)水裂隙之間基巖隔水性進(jìn)行分析。

地表拉伸裂隙是地表巖土層受煤層回采附加應(yīng)力作用的產(chǎn)物，因此影響其發(fā)育深度的主要因素是地表巖土層的巖性及其所受到的附加應(yīng)力大小，即與煤層的采深、采厚、采煤方法、地表巖土層性質(zhì)及其厚度等有主要的關(guān)系。如果地表為粘性土，其塑性較大，在地表環(huán)境下起拉伸變形值一般超過(guò)6～10 mm/m時(shí)才會(huì)發(fā)育裂隙，但地表巖性為塑性較小的砂質(zhì)粘土、粘土質(zhì)砂或巖石時(shí)，其受到拉伸變形達(dá)到2～3 mm/m時(shí)就會(huì)產(chǎn)生裂隙。

榆陽(yáng)煤礦2303工作面為綜采工作面，工作面走向長(zhǎng)1 375 m，傾向長(zhǎng)195 m，采高為3.5m，煤層傾角小于1°，埋深較淺為183.0～195.2 m。在高強(qiáng)度開(kāi)采條件下，地表出現(xiàn)多組平行的拉伸裂隙，裂隙在空間分布、幾何形態(tài)及位移特征上均滿足典型拉伸裂隙特征，依據(jù)相關(guān)的指標(biāo)測(cè)試成果，地表附近的附加拉應(yīng)力平均為 -5 200 Pa，風(fēng)積沙拉伸破壞深度為2.12 m，風(fēng)積沙總破壞深度為2.19 m，但裂隙的自穩(wěn)深度只有2.13 m，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量可知邊緣拉伸裂隙的最大發(fā)育深度為1.92 m，實(shí)際開(kāi)挖測(cè)量破壞深度為2.08 m，說(shuō)明計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合良好;而黃土相比風(fēng)積沙有其特有的結(jié)構(gòu)特性，內(nèi)聚力和抗拉強(qiáng)度較大，其拉伸破壞深度為4.2 m，總破壞深度為5.2 m，自穩(wěn)深度為14.3 m，實(shí)際觀測(cè)黃土地貌下煤炭開(kāi)采引起的拉伸裂隙發(fā)育深度沒(méi)有大于5 m，而天然存在的直立黃土邊坡有大于10 m仍然自穩(wěn)的現(xiàn)象。

1.5 地表拉伸裂隙與導(dǎo)水裂隙之間巖石的隔水性分析

由以上分析可以看出地表拉伸裂隙沒(méi)有直接溝通砂層潛水和采空區(qū)，但會(huì)直接影響松散砂層與風(fēng)化基巖含水層的水力聯(lián)系，即松散砂層潛水補(bǔ)給風(fēng)化基巖含水層。

而導(dǎo)水裂隙帶并沒(méi)有直接溝通風(fēng)化基巖含水層與采空區(qū)，由實(shí)施的ZP1和 ZP2兩個(gè)鉆孔揭露情況，可以看出兩裂隙帶之間剪切基巖帶主要巖性為粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖等硬巖及少量砂質(zhì)泥巖等軟巖，且剪切帶的基巖中沒(méi)有大量的采動(dòng)裂隙賦存，說(shuō)明巖體沒(méi)有發(fā)生破壞，但其受到卸載影響，滲透系數(shù)有不同程度的提高(圖1)。為進(jìn)一步確定剪切帶巖體滲透性，在鉆孔實(shí)施到該層位時(shí)進(jìn)行了簡(jiǎn)易注水試驗(yàn)，15 min內(nèi)水位埋深由36 m下降到38.7 m，依據(jù)鉆孔變水頭注水試驗(yàn)計(jì)算公式可得剪切帶內(nèi)的粉砂巖的滲透系數(shù)為0.043 m/d，為弱透水層。即導(dǎo)水裂隙帶與地表拉伸裂隙帶之間的剪切帶中硬巖所占比重較大，而隔水的軟件相對(duì)較小，且受卸載影響敏感，滲透系數(shù)較小有利于風(fēng)化基巖和松散砂層潛水越流進(jìn)入采空區(qū)(見(jiàn)圖1)。

圖1中砂層潛水主要通過(guò)隔水粘土層尖滅處(天窗)及地表拉伸裂隙補(bǔ)給風(fēng)化基巖含水層;而風(fēng)化基巖含水層與導(dǎo)水裂隙帶之間泥巖等軟巖不賦存，同時(shí)相對(duì)隔水的粉砂巖受采動(dòng)影響，滲透性變大為弱透水層，使得風(fēng)化基巖在一定程度上越流補(bǔ)給采空區(qū)。因此僅黃土隔水層連續(xù)大面積分布區(qū)域可以采用綜采而對(duì)上覆砂層潛水影響不大，黃土層尖滅或較薄時(shí)會(huì)有明顯的越流現(xiàn)象。

圖1 礦井涌水通道示意圖

根據(jù)預(yù)測(cè)，水位恢復(fù)過(guò)程可以分為初期的快速恢復(fù)期及后期的緩慢恢復(fù)期，且越至后期恢復(fù)越緩慢，2～3個(gè)月水位既可以恢復(fù)大部分，幾乎完全恢復(fù)則需要1年以上。

2 榆陽(yáng)煤礦開(kāi)采對(duì)紅石峽水源地的影響

前面已經(jīng)論述榆陽(yáng)礦煤炭開(kāi)采對(duì)地下水的影響，可以看出風(fēng)化基巖基本不受影響，短期內(nèi)既可以恢復(fù)，松散層也只有500～1 200 m的影響范圍，基巖含水層雖然已經(jīng)局部疏干但是影響范圍也只有82～373 m的影響范圍。因此，榆陽(yáng)煤礦的開(kāi)采不會(huì)直接造成紅石峽水源地的水位下降，只是在有限的程度上對(duì)紅石峽水源地的匯水面積有一定的影響。

紅石峽水源地的匯水區(qū)域內(nèi)有較多的煤礦，均開(kāi)采3號(hào)煤層，眾多煤礦的開(kāi)采使得紅石峽水源地的匯水面積減少，紅石峽水源地的上游頭道河則發(fā)源于松散砂層，自源頭起其就受煤礦開(kāi)采影響，有明顯的減流(圖2)。因此，榆陽(yáng)煤礦開(kāi)采對(duì)紅石峽水源地有一定的影響。

圖2 頭道河則受煤礦開(kāi)采影響有明顯減流

3 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)礦井水涌水量計(jì)算、礦井水水質(zhì)分析，榆陽(yáng)煤礦礦井水主要來(lái)源于延安組基巖裂隙水，部分來(lái)源于基巖頂面風(fēng)化帶裂隙水及第四系薩拉烏蘇組潛水;

(2)礦井水的涌水通道主要是煤層開(kāi)采形成的導(dǎo)水裂隙帶，部分地面拉張裂縫也促進(jìn)了薩拉烏蘇組地下水的入滲，并有微量到達(dá)礦井，形成礦井水;

(3)現(xiàn)階段，多個(gè)煤礦同時(shí)開(kāi)采3號(hào)煤層，對(duì)紅石峽水源地產(chǎn)生了一定的影響，其中包括榆陽(yáng)煤礦開(kāi)采導(dǎo)致地下水滲漏而減少了紅石峽水源地的補(bǔ)給來(lái)源，但影響較輕微，在充填開(kāi)采條件下，影響會(huì)進(jìn)一步降低。

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