李鵬強(qiáng)

（山西省煤炭地質(zhì)資源環(huán)境調(diào)查院，山西 太原 030006）

1 煤礦開(kāi)采對(duì)地下水環(huán)境破壞機(jī)理

煤礦開(kāi)采區(qū)的地下水含水層經(jīng)過(guò)采動(dòng)破壞后呈現(xiàn)三種形式：礦井基礎(chǔ)建設(shè)和煤礦生產(chǎn)過(guò)程中開(kāi)鑿井筒、開(kāi)掘巷道等生產(chǎn)活動(dòng)會(huì)影響破壞含水層,導(dǎo)致礦井涌水現(xiàn)象的發(fā)生；采空區(qū)覆巖導(dǎo)水裂縫帶，在受力后波及頂板含水層破壞,致使地下水向進(jìn)下滲漏而破壞水環(huán)境；在煤礦開(kāi)采裂隙誘導(dǎo)下,底板高壓水在受力后突破煤層的隔水底板進(jìn)入采空區(qū),引發(fā)煤層底板突水現(xiàn)象。

下面對(duì)后兩種含水層采動(dòng)破壞機(jī)理進(jìn)行研究。

1.1 煤炭開(kāi)采對(duì)上覆含水層的破壞機(jī)理

煤層開(kāi)采后,其上覆層必然會(huì)發(fā)生移動(dòng)并遭受破壞。而覆巖開(kāi)采時(shí)所產(chǎn)生的移動(dòng)和受到破壞會(huì)呈現(xiàn)出突出的分帶性, 分帶性的特征與采礦條件以及地質(zhì)環(huán)境等均有密切相關(guān)。當(dāng)開(kāi)采方法選擇走向長(zhǎng)壁全部垮落法，對(duì)緩傾斜中的厚煤層進(jìn)行開(kāi)采時(shí)，當(dāng)開(kāi)采深度到達(dá)一定限度時(shí),會(huì)出現(xiàn)覆巖移動(dòng)并被破壞，同時(shí)還會(huì)呈現(xiàn)出三個(gè)不同的開(kāi)采影響帶, 通常自下而上順序呈垮落帶、裂縫帶和彎曲帶,被簡(jiǎn)稱(chēng)為“三帶”,對(duì)覆巖含水層和隔水層的結(jié)構(gòu)和滲透性產(chǎn)生不同程度的影響和破壞。

1.2 煤炭開(kāi)采對(duì)下伏含水層的破壞機(jī)理研究

煤層采動(dòng)后，頂板巖層會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)并遭到破壞,同時(shí)下伏巖層也會(huì)受到作用而產(chǎn)生范圍性移動(dòng)并遭到力的破壞, 從而會(huì)引起底板承壓含水層遭受一定的破壞。煤層底板采動(dòng)礦壓破壞帶的形成,會(huì)直接影響隔水層的厚度,使其變薄，同時(shí)使底板巖體的完整性以及抵抗承壓水突出的能力也隨之降低, 同時(shí)在該帶內(nèi)會(huì)生成程度不同的貫通性裂隙, 且在開(kāi)采區(qū)的采空區(qū)下方底板巖體會(huì)一直處于卸壓膨脹,裂隙呈現(xiàn)擴(kuò)張狀態(tài),且促進(jìn)其導(dǎo)水性。由底板采動(dòng)而生成的貫通裂隙一定會(huì)加強(qiáng)承壓水的連通性,因此，極有可能導(dǎo)致底板承壓水突出而遭到破壞。

2 煤礦開(kāi)采對(duì)地下水環(huán)境的影響因素研究

2.1 案例分析

馬家?guī)r煤礦開(kāi)采采用斜井開(kāi)拓方式，根據(jù)礦井現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)充分利用馬家?guī)r坑口已有的工業(yè)場(chǎng)地是整合后礦井工業(yè)場(chǎng)地。達(dá)產(chǎn)時(shí)布置有4 個(gè)井筒：新掘主斜井、新掘副斜井、利用原有的主斜井作為行人斜井、利用原有的回風(fēng)井作為回風(fēng)斜井。

本井田設(shè)計(jì)開(kāi)采4、7、9#煤層，井田內(nèi)4、7、9 號(hào)煤層現(xiàn)保留資源/儲(chǔ)量69898kt，工業(yè)資源/儲(chǔ)量69617.6kt，由于礦井北部井田與太原市汾河水庫(kù)飲用水源二級(jí)保護(hù)區(qū)重疊實(shí)施禁采，扣除井田內(nèi)禁采區(qū)域的資源儲(chǔ)量，該礦設(shè)計(jì)儲(chǔ)量50844.6kt, 設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量30658.8kt。礦井服務(wù)年限20.7a，其中，首采4 號(hào)煤層服務(wù)年限8.4a，7#、9#煤層服務(wù)年限12.3a。

2.2 地下水環(huán)境影響因素分析

2.2.1 工業(yè)場(chǎng)地及矸石場(chǎng)（Ⅰ類(lèi)建設(shè)項(xiàng)目）。在工程建設(shè)時(shí)期工業(yè)廣場(chǎng)及選煤廠(chǎng)施工對(duì)地下水環(huán)境的影響主要是基礎(chǔ)開(kāi)挖與回填、鉆孔、灌漿柱樁及鋼筋砼柱樁等。在生產(chǎn)期間，主要是選煤廠(chǎng)的細(xì)煤泥水處理系統(tǒng)跑冒滴漏極有可能會(huì)通過(guò)包氣帶而滲入淺層區(qū)域的地下水，從而導(dǎo)致地下水的水質(zhì)受到污染。而矸石場(chǎng)也主要是由淋溶液極有可能會(huì)通過(guò)包氣帶而滲入淺層區(qū)域的地下水，從而導(dǎo)致地下水的水質(zhì)受到污染。

2.2.2 地下開(kāi)采區(qū)域（Ⅱ類(lèi)建設(shè)項(xiàng)目）。影響該開(kāi)采區(qū)域的地下水環(huán)境影的主要因素有，礦井在開(kāi)采運(yùn)行期間對(duì)開(kāi)采區(qū)地下水水位、水資源以及水文地質(zhì)環(huán)境的影響。因此該開(kāi)采區(qū)域的評(píng)價(jià)因子體現(xiàn)為：開(kāi)采區(qū)地下水水位以及其動(dòng)態(tài)變化。

2.3 煤礦開(kāi)采對(duì)地下水水量的影響

2.3.1 煤礦開(kāi)采對(duì)上覆含水層的影響分析。煤層頂板因開(kāi)采垮落而生成的垮落帶以及導(dǎo)水裂隙帶，受其影響，使得地表水、地下含水層與開(kāi)采煤層之間的隔水層均受到不同程度的破壞。通過(guò)冒落帶、裂隙帶最大高度預(yù)計(jì)，預(yù)測(cè)井下采煤對(duì)地下含水層、地表水體等產(chǎn)生的影響。

由馬家?guī)r礦井的整體設(shè)計(jì)報(bào)告可知，本井田的采煤方式選擇機(jī)械化放頂煤一次采全高采煤法，全部跨落法管理頂板，4#、7#、9#煤層上覆巖層為中硬巖層，冒落帶、裂隙帶高度預(yù)測(cè)結(jié)果如下：

4 號(hào)煤層平均厚度7.63m，一次采全高，計(jì)算后導(dǎo)水裂隙帶為42.67m～53.87m，冒落帶高度11.71m～16.11m。7 號(hào)煤層平均厚度1.21m，一次采全高，計(jì)算后導(dǎo)水裂隙帶為16.24～27.44m，冒落帶高度2.7～7.1m。9 號(hào)煤層平均厚度11.66m，一次采全高，計(jì)算后導(dǎo)水裂隙帶為46.79～57.99m，冒落帶高度13.6～18.0m。

1947年，tPA最初發(fā)現(xiàn)于動(dòng)物組織中，當(dāng)時(shí)人們只知道其可激活纖溶酶原，因此最初也稱(chēng)其為纖溶酶原激酶。之后發(fā)現(xiàn)，其可從多種組織中提取純化獲得，且與另一種內(nèi)源性纖溶酶原激活劑尿激酶不同的是，tPA對(duì)纖維蛋白具有高度親和力，可在血塊表面高效激活纖溶酶原［1-3］。

2.3.2 煤礦開(kāi)采對(duì)上覆含水層的影響分析。馬家?guī)r井田4#煤層開(kāi)采后，導(dǎo)水裂隙帶呈現(xiàn)的最高范圍上限為54.98m，其中裂隙帶會(huì)直接導(dǎo)通其上部二疊系山西組裂隙水含水層及二疊系下石盒子組裂隙水含水層，導(dǎo)通最高層至第四系松散巖類(lèi)孔隙水含水層，冒落帶使得各含水層之間的隔水層遭到破壞，使得4#煤層上覆含水層與其下部石炭系裂隙水含水層之間發(fā)生水力聯(lián)系，進(jìn)而對(duì)其造成影響。

7#煤層開(kāi)采后，導(dǎo)水裂隙帶最大高度30.20m，其裂隙帶導(dǎo)通最高層為石炭系裂隙水含水層；9#煤層開(kāi)采后，導(dǎo)水裂隙帶最大高度59.13m，其裂隙帶導(dǎo)通最高層為石炭系裂隙水含水層，由于7#煤層與9#煤層之間的最大距離為28.48m，所以，9#煤層導(dǎo)水裂隙帶直接導(dǎo)通7#煤層及其導(dǎo)水裂隙帶。

煤炭開(kāi)采過(guò)程中，含水層中的地下水會(huì)通過(guò)導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入井下，使含水層地下水轉(zhuǎn)化為礦井水，通過(guò)礦井排水方式排出，對(duì)二疊系碎屑巖裂隙含水層受到嚴(yán)重破壞。由原來(lái)的天然順地層逐漸傾向于流動(dòng)，再逐由人工開(kāi)采排泄替代，伴隨煤礦不斷的開(kāi)采，對(duì)其的影響也會(huì)隨之增大。煤層采空后的導(dǎo)致的下沉帶，會(huì)引發(fā)地表塌陷，由于塌陷區(qū)邊緣的拉張裂縫產(chǎn)生的發(fā)育帶，導(dǎo)到第四系松散巖類(lèi)的部分孔隙含的水層因受力而被全部貫通，最終將破壞并疏干第四系松散巖類(lèi)孔隙含水層。考慮到局部地區(qū)風(fēng)化殼發(fā)育深度及斷層可能同導(dǎo)水裂隙帶聯(lián)通的情況，通過(guò)相關(guān)資料進(jìn)行預(yù)測(cè)，極有可能會(huì)出現(xiàn)松散巖類(lèi)孔隙淺層水的基底遭受破壞的現(xiàn)象，會(huì)給局部區(qū)域的淺部含水層的整體結(jié)構(gòu)引發(fā)不同程度的破壞。

2.3.3 煤礦開(kāi)采對(duì)下伏含水層的影響分析。根據(jù)以上突水系數(shù)計(jì)算，4# 煤層帶壓區(qū)面積1.73km2，最大突水系數(shù)為0.033Mpa/m；7# 煤層帶壓區(qū)面積2.44km2，最大突水系數(shù)為0.041Mpa/m；9# 煤層帶壓區(qū)面積2.55km2，最大突水系數(shù)為0.045Mpa/m，詳見(jiàn)表1。

表1 煤層帶壓情況統(tǒng)計(jì)表

4、7 號(hào)和9#煤層承壓區(qū)突水系數(shù)值均低于有構(gòu)造破壞地段臨界突水系數(shù)0.06MPa/m，煤層開(kāi)采一般不會(huì)對(duì)奧陶系巖溶水產(chǎn)生影響。但是井田范圍內(nèi)分布有三條斷層，煤礦開(kāi)采遇到導(dǎo)通巖溶含水層的斷層時(shí)，有可能造成底板突水，對(duì)巖溶地下水產(chǎn)生影響。

2.3.4 煤礦開(kāi)采對(duì)飲用水源地及村莊居民飲用水源的影響分析。評(píng)價(jià)區(qū)范圍內(nèi)有7 個(gè)村莊，分別為楊家焉、新舍科、新莊、赤土華、遼莊及河楊樹(shù)底村，村莊飲用水源主要來(lái)自松散巖類(lèi)孔隙水、二疊系砂巖裂隙水含水層及奧陶系巖溶含水層，根據(jù)前述分析，煤礦開(kāi)采后形成塌陷，可能發(fā)育裂縫并影響到地表，開(kāi)采煤層以上的含水層有可能被貫通，并以礦坑排水方式將開(kāi)采煤層以上第四系松散層孔隙含水層及二疊系砂巖裂隙水含水層中的地下水基本疏干。對(duì)上述村莊居民飲用水源造成一定程度的影響。根據(jù)煤礦開(kāi)采對(duì)下伏含水層的影響分析可知，4、7號(hào)和9 號(hào)煤層突水系數(shù)值均低于0.06MPa/m，對(duì)奧灰水的影響較小。煤礦為安全開(kāi)采如果采用疏水降壓措施，可能對(duì)奧灰水產(chǎn)生較大影響，對(duì)周邊飲用奧陶系巖溶水水井的村莊帶來(lái)一定影響。表2 為評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)村莊飲用水源情況。

表2 評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)村莊飲用水源情況表

2.4 煤礦開(kāi)采對(duì)地下水水質(zhì)的影響

2.4.1 地下水污染途徑。（1）工業(yè)場(chǎng)地地下水污染途徑。馬家?guī)r煤礦工業(yè)廣場(chǎng)污水主要可能來(lái)自礦井水凈化車(chē)間、生活污水處理站。其中，井下排水至地面后首先進(jìn)入井下水處理廠(chǎng)進(jìn)行處理，經(jīng)一元化凈水器處理后，全部回用于井下生產(chǎn)使用。礦井水主要污染物是SS，如果礦井水處理站發(fā)生事故或者跑冒滴漏，礦井水會(huì)垂直下滲；生活污水主要污染物是COD、BOD5、SS。如果發(fā)生事故或者跑冒滴漏，生活污水會(huì)垂直下滲，可能會(huì)對(duì)地下水造成影響。為防范和控制事故時(shí)及事故處理過(guò)程中產(chǎn)生的污水對(duì)周邊地下水環(huán)境造成污染及危害，礦井正常涌水量為900m3/d（37.5m3/h），最大涌水量1200m3/d（50m3/h），生活污水產(chǎn)生量為320m3/d。由于非正常情況導(dǎo)致防滲失效后，相關(guān)污染物會(huì)不同程度發(fā)生滲漏，滲漏污染物會(huì)進(jìn)入包氣帶，向地下滲透并滲入含水層。（2）矸石場(chǎng)地下水污染途徑。矸石場(chǎng)對(duì)水源地區(qū)的水質(zhì)產(chǎn)生的影響因素主要有在大氣降水淋濾后，會(huì)導(dǎo)致矸石中的有害物質(zhì)慢慢滲入到地表水或地下水中，從而影響地下水水質(zhì)環(huán)境。通常，通過(guò)提前的防范措施會(huì)對(duì)矸石場(chǎng)做全面的防滲處理，在矸石場(chǎng)四周提前修筑好排水渠道，盡可能地降低地下水的污染；也有可能，盡管做了防滲處理，但依然出現(xiàn)滲漏，淋溶廢水的下滲也會(huì)引起地下水水質(zhì)遭受不同程度的污染。

2.4.2 地下水污染防治措施。為避免淋溶廢水的下滲引起地下水水質(zhì)遭受污染，可在矸石四周轉(zhuǎn)場(chǎng)位置沿溝再加修建疏水渠道，使山體匯流雨水能夠順暢排放，最大程度的降低矸石在雨水中的浸泡時(shí)間。每隔20m 修建一條排水溝，并與溝邊的疏水渠道相連，用于排放不同高度的來(lái)水；溝底應(yīng)做簡(jiǎn)單的防滲措施，覆蓋1m 厚的粘土并夯實(shí)。矸石溝的溝坡由于基本都是砂巖出露，入滲能力比較強(qiáng)，為防止對(duì)地下含水層的污染，建議在溝底修建的涵洞及坡體兩側(cè)修建擋渣墻和截水溝，在矸石山東端用毛石修筑擋渣墻，擋渣墻按重力渣墻修筑，擋土墻高5.5米，基礎(chǔ)埋深不小于2 米，基礎(chǔ)地面設(shè)10-15°的坑滑坡和不小于1 米的前趾腳。擋渣墻前面修筑截水溝，防止矸石山坡面和滲出的污水亂流，污染河道和環(huán)境。

3 結(jié)論

為了確保生態(tài)環(huán)境和煤礦開(kāi)采的協(xié)調(diào)發(fā)展，要建立健全相關(guān)的管理制度，同時(shí)要加大對(duì)相關(guān)環(huán)境研究的資金投入力度，減少煤礦開(kāi)采對(duì)水環(huán)境的影響。