郭欣偉，董國濤，殷會娟

（黃河水利科學(xué)研究院水資源研究所，450003，鄭州）

黃河流域礦產(chǎn)資源十分豐富，隨著近年地方經(jīng)濟快速發(fā)展，因大范圍開采煤礦誘發(fā)了嚴重的生態(tài)環(huán)境問題，導(dǎo)致地下水水位下降、泉水流量銳減甚至干枯，河水減少甚至斷流，水污染加重等。面對以上問題，煤礦開采項目的水資源論證成為控制采煤引起河川徑流量銳減、加強水資源可持續(xù)利用管理的重要抓手。然而，煤礦開采項目取水影響論證一直是水資源論證報告書編寫和審查的難點之一。由于采煤對地表水及地下水影響機理較為復(fù)雜，涉及地表水及地下水轉(zhuǎn)換、地表沉陷、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育等諸多問題，很多報告書編制單位對于采煤對水資源影響機理認識粗淺，往往導(dǎo)致水資源論證報告中的取水影響論證章節(jié)編制深度不夠。部分報告書取水影響論證部分僅三、四頁內(nèi)容，無法全面完整地闡述采煤對河川徑流及水資源的影響，更無法提出相關(guān)水資源保護措施，達不到水資源論證的基本要求。這也使得水行政主管部門在水資源論證技術(shù)審查過程中無法準確掌握煤礦開采對區(qū)域地表水及地下水影響程度，給水資源論證審批帶來較大困難?；谝陨媳尘?，本文針對煤礦開采對黃河河川徑流量及區(qū)域水資源的影響機理，系統(tǒng)地提出了煤礦開采項目水資源論證中取水影響論證的新方法，為煤礦開采項目水資源論證報告書編制及審查提供參考。

一、煤礦開采項目取水影響論證方法總體框架

煤礦開采項目取水影響論證應(yīng)以論證范圍內(nèi)河水流量、水文地質(zhì)、地下水水位等長期觀測資料為基礎(chǔ)，同時補充收集、觀測臨近礦區(qū)的沉陷、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育和涌水量等情況；利用概率積分法以工作面為計算單元，預(yù)測礦井開采不同階段地表沉陷范圍及沉陷值；利用有限元程序、經(jīng)驗公式等方法預(yù)測井田煤層開采后導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，判別導(dǎo)水裂隙帶是否導(dǎo)通關(guān)鍵隔水層，評價導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育對潛水的影響；構(gòu)建地表水-地下水數(shù)值模擬模型，定量分析采煤對地下水水位、地表河川徑流的影響過程及影響量；基于以上預(yù)測及計算成果，綜合評價采煤對地下水、地表水及河川徑流的影響程度，并有針對性地提出保護地表水資源的禁采和限采措施。煤礦開采項目取水影響論證方法總體框架見圖1。

二、煤礦開采項目取水影響論證方法

1.野外補充觀測及數(shù)據(jù)采集

論證煤礦開采對區(qū)域水資源影響的基本思路主要有兩個途徑：一是針對未建成投運的礦井，應(yīng)以水文地質(zhì)勘查報告為基礎(chǔ)，補充收集周邊煤礦沉陷、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育、地下水水位變化、礦井涌水量等實測數(shù)據(jù)，并結(jié)合理論分析計算方法進行預(yù)測；二是針對已建成投運的礦井，其對區(qū)域水資源的影響已基本顯現(xiàn)出來，該類煤礦具備了開展原型觀測的條件，可根據(jù)煤礦實際情況，有針對性地觀測礦井內(nèi)地表徑流、沉陷、地下水水位、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育、礦井涌水量和排水量等內(nèi)容，在對生產(chǎn)礦井原型觀測的基礎(chǔ)上，參考水文地質(zhì)勘查報告成果及周邊礦區(qū)相關(guān)觀測成果，開展計算分析，便于更準確地揭示煤礦開采對區(qū)域水資源的實際影響情況。

2.地表沉陷對地表水影響的論證方法

圖1　煤礦開采項目取水影響論證方法總體框架

煤礦開采后，從開采煤層頂板巖層開始，從下至上依次產(chǎn)生冒落、裂隙、彎曲等一系列的力學(xué)變化過程，反映在地表為垂向的沉陷和水平向的位移，改變了沉陷區(qū)域的地形地貌，大部分采空區(qū)會形成沉陷盆地。沉陷盆地形成后由于受氣候條件的影響，沉陷盆地可劃分為積水盆地、非積水盆地。對降雨量豐沛的地區(qū)，一般形成積水盆地，積水盆地的水體接受大氣降水的補給和盆地周邊地下水側(cè)向補給，能夠維持穩(wěn)定的湖泊水面。積水盆地由于水面的形成，由陸面蒸發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)樗嬲舭l(fā)，蒸發(fā)量增大，影響區(qū)域水資源。對降雨量較少的北方干旱半干旱地區(qū)，一般不會形成積水盆地，沉陷盆地主要受盆地周邊地下水的側(cè)向補給，使第四系潛水水位埋深趨于變淺。沉陷盆地區(qū)第四系潛水地下水水位上升，埋深減小，潛水蒸發(fā)量增大，影響區(qū)域水資源。沉陷盆地的形成對水資源的影響主要表現(xiàn)為以下兩種類型：一是沉陷盆地形成前后坡面產(chǎn)流的水文過程發(fā)生改變；二是沉陷盆地內(nèi)第四系潛水的賦存、徑流、排泄規(guī)律發(fā)生改變。

因此，在取水影響論證中，可構(gòu)建基于概率積分法的地表沉陷模型，考慮煤礦開采在任意時刻引起地表的移動和變形情況，給出煤層開采引起地表沉陷的一些動態(tài)指標，主要計算成果包括地表任意一點下沉值、最大地表傾斜值、最大地表曲率值、最大水平變形值、最大水平移動值等。繪制地表沉陷等值線圖，對照區(qū)域地表水分布及沉陷影響范圍，結(jié)合沉陷盆地對水資源影響的類型，綜合評價地表沉陷對區(qū)域地表水的影響。地表沉陷采用概率積分模型進行沉陷量預(yù)計，能夠較為準確反映地表沉陷范圍及沉陷值，并合理評價地表沉陷對河川徑流及地表水體的影響程度。地表沉降值計算公式如下：

式中，W（x，y）為地表任意點的下沉值（mm），任意點坐標為（x，y）；Wcm為地表充分采動的最大下沉值；r為走向主斷面上采空邊界；D為開采煤層區(qū)域。

3.導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育對地表水及潛水影響論證方法

煤層開采后，采動破壞了煤層與周圍巖體的原始平衡關(guān)系，采空區(qū)上覆地層的移動最終形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育范圍內(nèi)的裂隙自下而上發(fā)育，波及的水體沿垂直裂隙向下運動。導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育會加劇含水層之間的垂向水力聯(lián)系，使得含水層中的地下水由水平徑流為主轉(zhuǎn)化為以垂向滲漏為主。如果導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通關(guān)鍵隔水層并波及潛水含水層，采煤對潛水和地表徑流都將造成影響。因此，判斷煤礦導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育程度是煤礦開采項目取水影響論證中最為重要的環(huán)節(jié)。論證過程的主要思路是在準確計算導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育程度的基礎(chǔ)上，根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)條件識別關(guān)鍵隔水層，分析導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育是否波及潛水及地表水體，進而從保護水資源角度提出觀測、補償、保水采煤、留設(shè)保護煤柱、復(fù)墾等相應(yīng)減緩影響的措施。

對于導(dǎo)水裂隙帶的計算方法，傳統(tǒng)上利用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中推薦的統(tǒng)計經(jīng)驗公式計算，此經(jīng)驗公式由原煤炭工業(yè)部1985年8月頒布。鑒于當時煤礦開采采用 “小采高、慢推進”方式，在此背景下總結(jié)的計算公式已不適用于目前煤礦綜采、大面積開采情況下的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育預(yù)測。因此，當前取水影響論證應(yīng)根據(jù)煤礦開采工藝、區(qū)域水文地質(zhì)及煤層的埋深、厚度等實際情況，結(jié)合區(qū)域已有導(dǎo)水裂隙帶實測數(shù)據(jù)，總結(jié)與井田所在區(qū)域?qū)严稁Оl(fā)育特點相適應(yīng)的計算公式進行計算。采用克里金插值法繪制導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度等值線圖，識別導(dǎo)水裂隙帶垂向發(fā)育高度與關(guān)鍵隔水層位關(guān)系，綜合判斷導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育是否導(dǎo)通關(guān)鍵隔水層。通過等值線圖的繪制，可以直觀準確反映采煤引起導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的影響范圍及影響程度，從而有針對性地提出能夠保護地表水及地下水資源的禁采、限采區(qū)域。

圖2　沉陷-地下水-地表水耦合數(shù)值模型方法框架

4.采煤對地表水及地下水影響論證方法

煤礦開采對于地表水及地下水的影響主要表現(xiàn)為改變了地表水循環(huán)過程和地下水循環(huán)及交換過程，若要定量論證采煤對河川徑流及地下水的影響，則需通過構(gòu)建沉陷-地下水-地表水耦合數(shù)值模型的方法，利用耦合模型模擬煤炭開采前后地表的變形情況、產(chǎn)匯流的變化情況以及地下水變化情況，從而綜合評價采煤對河川徑流及區(qū)域水資源的影響。模型框架見圖2。其中，地表沉陷模型可采用概率積分模型預(yù)測沉陷量，考慮任意時刻開采引起地表移動和變形情況，給出煤層開采引起地表沉陷的動態(tài)指標，按照煤礦開采盤區(qū)劃分及工作面開采順序，分別預(yù)測各階段開采完成后沉陷情況。地表水循環(huán)模型可基于分布式水文模型，模擬不同時期流域尺度產(chǎn)匯流的變化情況；地下水模型模擬煤炭開采前、后等不同約束條件下地下水的補給、徑流、排泄量變化，預(yù)測煤炭開采不同階段地下水動態(tài)變化及其對河川徑流量襲奪量影響。

三、結(jié) 論

①針對煤礦開采對黃河河川徑流量及區(qū)域水資源的影響機理，系統(tǒng)地提出了采煤水資源論證中取水影響論證的方法框架，可較全面地評價煤礦開采對地表水及區(qū)域水資源的影響，豐富了采掘類項目取水影響論證的手段和方法。

②準確計算采煤導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，并識別導(dǎo)水裂隙帶垂向發(fā)育高度與關(guān)鍵隔水層位關(guān)系，是煤礦開采項目取水影響論證中最為重要的環(huán)節(jié)，也是論證采煤對地表水及地下水影響的基礎(chǔ)。

③采煤對河川徑流及地下水影響機理復(fù)雜，煤層賦存水文地質(zhì)條件千變?nèi)f化，理論計算或經(jīng)驗判斷往往偏差較大，在取水影響論證過程中應(yīng)充分收集觀測沉陷、導(dǎo)水裂隙帶、地下水水位、礦井涌水量等實測數(shù)據(jù)，更加全面準確地論證采煤對河川徑流及地下水的影響。

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