矿井开采对第四系松散含水层的影响分析
【类型】期刊
【作者】盛园园，魏平，王伟（山东协和学院建筑工程学院；山东省淮河流域水利管理局规划设计院）
【作者单位】山东协和学院建筑工程学院；山东省淮河流域水利管理局规划设计院
【刊名】产业与科技论坛
【关键词】 矿井开采；第四系松散含水层；水资源；综合利用
【ISSN号】1673-5641
【页码】P88-89
【年份】2019
【期号】第8期
【摘要】矿井开采对矿区水资源的浪费和破坏是极大的。本文介绍了煤层开采对上部含水层的主要影响,分析了煤层开采对含水层的影响因素,从而提出了实现矿井水可持续利用的相应对策。研究煤炭开采对第四系松散含水层的影响,提出能够使矿区水资源得到综合利用的对策,对于有效保护和利用地下水资源、缓解矿区水资源供需矛盾具有重要的现实意义。
【全文】 文献传递
矿井开采对第四系松散含水层的影响分析
【内容摘要】矿井开采对矿区水资源的浪费和破坏是极大的。本文介绍了煤层开采对上部含水层的主要影响，分析了煤层开采对含水层的影响因素，从而提出了实现矿井水可持续利用的相应对策。研究煤炭开采对第四系松散含水层的影响，提出能够使矿区水资源得到综合利用的对策，对于有效保护和利用地下水资源、缓解矿区水资源供需矛盾具有重要的现实意义。
【关键词】矿井开采；第四系松散含水层；水资源；综合利用
一、矿井开采对松散含水层的影响
矿井开采会破坏地壳表层水资源原有的分布平衡，形成降落漏斗，同时，矿区水的动态平衡及生态环境遭到破坏。矿井开采对含水层造成的破坏主要有以下几种形式。
(一)对含水层结构的影响。工作面煤层开采过程中，巷道、竖井、斜井相互关联，使上覆松散含水岩层及煤系地层中的地下水流动发生改变；煤层开采后，煤层顶板围岩在矿压作用下发生变形和移动，导致地表变形沉陷，形成“三带”(冒落带、弯曲带和裂缝带)。岩层移动导致含水层结构受到破坏，含水层与隔水层之间的相对关系发生变化，蓄水构造受到严重破坏，地下水资源赋存条件发生改变，从而降低了地下水的调蓄能力，水流动态也相应发生明显变化。
(二)对含水层水位的影响。由于煤炭开采的影响，形成的导水裂缝带改变了原有的径、补、排水条件，松散含水层中的水向下渗透，上覆含水层地下水位下降显著，形成区域性地下水位降落漏斗，破坏地下水的动态平衡和生态环境，造成水资源短缺等问题[2]。含水层地下水位下降与上覆岩层的构造紧密相关。煤层开采后形成采空区，采空区顶板垮落形成大量垂向张裂缝，其上部的含水层及地表水沿着这些裂缝通道下渗到采空区，形成采空积水，在一定程度导致含水层水位的下降。
(三)对含水层水质的影响。工作面煤层开采产生的废水、污水及井下排水进入地表，造成地表水环境的恶化，这些污水通过地表水与地下水的水力联系，一部分有害元素向下渗透，污染松散含水层的水质。煤矿在开采过程中产生大量的煤矸石、煤渣等固体废弃物，这些废弃物在降水、潮湿空气和自身水分的作用下，会发生复杂的物理或化学反应，其中有毒有害物质(碳酸盐类、硫化物混合物、可溶性无机盐等)在水力的影响下进入地下水环境，也会对周围地区的土壤和地下水造成污染。
二、矿井开采对松散含水层的影响因素
煤层采动前，顶板处于原始应力作用下，为三向受力状态。煤层采动后，三向受力状态受到破坏，岩层上的作用力发生改变，重新分布于采动空间周围岩体的作用力达到或超过围岩移动破坏的强度极限时，导致围岩产生变形、移动或破坏。煤层开采对地下水资源的破坏受自然和人为因素多方面的影响，主要影响因素为工程地质构造、水文地质条件、覆岩力学性质、开采方法、开采强度、时间等[3～5]。
(一)工程地质构造。地质构造对水资源破坏影响程度主要取决于断层隔水层、含水层的相对位置。断层与导水裂缝带的相对位置对裂缝带的高度影响较大，当断层在导水裂缝带范围之内时，断层对导水裂缝带高度的发展影响不明显，但导水裂缝带内岩层的破坏及透水程度可能会加剧；当断层在正常导水裂缝带范围以外时，上覆的水体可能通过断层相连，等同于增加了导水裂缝带的高度，导致导水裂缝带的范围扩大。
(二)水文地质条件。节理裂隙的分布和发育情况在一定程度上控制地下水渗流场的分布。地下水渗流场的变化引起地应力变化，引发地层变形沉降，从而破坏含水层的结构，使地下水资源受到破坏。
(三)覆岩力学性质。覆岩力学性质影响导水裂缝带发育，对于刚性、脆性岩层，受采动影响后容易断裂，而且裂缝不易闭合，发育程度大；塑性、韧性岩层对导水裂缝带的发育有一定的抑制作用，因为这类岩层受煤层开采影响后下沉但不易断裂，相应裂缝难以贯通或遇水闭合。
(四)开采方法。煤矿开采方法对含水层的影响主要表现在开采强度、回采率大小、煤层顶板管理方法及采空区的处理等方面。煤层顶板为全部垮落法时，顶板岩层的自然平衡状态遭到破坏，引起煤层顶板岩层变性破坏。此时水层结构受破坏程度随着采煤工作面宽加大，回采率增大而增大，地下水资源受影响程度就越深。如果煤层顶板采取煤柱支撑法或充填法时，采煤工作面相应会比较窄，回采率较小，则地下水资源破坏程度小。
(五)开采强度。开采强度主要包括开采面积、开采厚度。煤层开切眼后，随着开采面积逐渐增大，导水裂缝带高度不断增大。当采空区扩大到一定范围后，导水裂缝带高度会扩展到该条件下的最大值。即使以后采空区继续扩大，但导水裂缝带基本不再向上扩展。开采厚度对覆岩破坏程度的影响较大，开采薄、中厚或厚煤层所产生的导水裂缝带高度与采厚之间的关系基本呈线性变化，随着开采厚度增大，导水裂隙带高度也相应增大。
(六)时间因素。煤矿开采的阶段不同对含水层的影响也不同。开采初期，煤层上覆含水层充满丰富的地下水。随着采空区范围增大，煤层顶板会发生冒落、断裂，裂隙向上延伸并波及到上部各含水层，导致含水层水顺裂隙渗漏进入矿坑；开采中期，基本没有大范围含水层被揭露，随着开采厚度的增加，各含水层局部由承压转为无压状态，地下水位相应下降，以矿井为中心的降落漏斗会趋于稳定；开采后期，上部各含水层基本呈污水状态，节理裂隙逐渐被充填堵塞，地表的渗漏补给相应衰减。
三、矿区水资源合理利用及保护措施
地下煤层开采必然会影响地下水的赋存，造成地下水资源的破坏，我国大部分矿区都面临缺水与排水的矛盾，处理好松散含水层与煤炭开采之间的关系，提高矿井水的利用率，对实现煤层高效开采，矿井水资源的可持续利用具有重要的意义。为此，提出以下对策：第一，在煤田地质勘探过程中，要对煤炭储量及赋存在区域地层内的地下水储量进行勘探计算；第二，在矿井的规划、布置及实施阶段，建设和发展工业用水项目时，优先选用地下水资源；第三，进一步改进和完善矿井水处理处理设施工艺，提高处理能力和处理效果，可将矿井水进行不同目标的污水处理，使其能够符合各项用水要求；第四，根据井下生产规律，将污染级别不同的矿井水分别排出，从而减轻矿井水处理设施的压力；第五，加深第四系松散含水层科研研究。对含水层作全面系统的调研分析，对矿井水进行相应分类，并对分类的矿井水作长期的观测试验研究，分析其年际及日际变化规律。
【参考文献】
[1]隋旺华,费芳草.松散含水层下采煤水砂突涌防治研究现状与展望[A].第二届全国岩土与工程学术大会论文集[C].2006:300～304
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[3]樊燕.煤矿开采对上覆含水层影响的数值模拟研究[D].太原理工大学,2011
[4]曾庆铭.煤炭开采对地下水资源的破坏机理和保护对策研究[D].山东科技大学,2010
[5]张发旺,李铎,赵华.煤矿开采条件下地下水资源破坏及其控制[J].河北地质学院学报,1996,2:115～119
我国水资源分布南多北少、东多西少，对于华北、华东、西北地区，煤炭开采对矿区水资源的浪费和破坏极为严重。在临近松散含水层进行煤炭开采，难免会造成大量未合理利用和保护的地下水进入矿井，而这部分地下水往往被作为矿井废水排出，据不完全统计，我国因煤炭开采而造成的水量流失大约为42亿m3/年，但是矿井水的利用率仅为2%左右[1]。我国煤炭资源与水资源呈逆向分布，水资源保护利用是煤炭绿色开发面临的重大技术难题。