煤矿开采对地下水破坏机理及其影响因素分析

煤矿开采对地下水破坏机理及其影响因素分析

王强波

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摘要：在煤矿开采过程中矿区地下水资源保护一直是一个比较薄弱的环节。一方面是矿山生产项目设置对区域水源的影响问题考虑不足，煤矿开采对区域地下水的水量影响研究不够深入，未采取足够的措施以减轻或避免水源被侵夺，导致片区内地下水水源出现枯竭的趋势，另一方面是水源地规范化管理存在盲区，缺乏对地下水水源地水质、水量的有效监测。

关键词：煤矿开采；地下水；水文地质；矿坑排水；

为了确保可持续发展和利用地下水在山西煤矿地区,有必要研究地下煤炭开采造成的损害的机制及其影响因素,具有重要的理论和现实意义在煤炭开采地区地下水保护。

一、煤矿开采对地下水破坏机理

1.导水裂隙带以下含水层地下水的破坏，对于大部分煤矿区来说，主要开采太原组、山西组的煤层。天然条件下，煤层上覆含水层地下水的补给、径流、排泄条件不发生变化。采煤前，煤层上覆岩层处于原始应力平衡状态。当采煤形成一定规模的采空区后，上覆岩层的原始应力平衡状态被打破，在采动影响下，上覆岩层依次发生变形、离层、破裂及垮落，在采空区上方由下至上形成“三带”，即冒落带、裂隙带及弯沉带，其中的冒落带和裂隙带统称为导水裂隙带。当采煤导水裂隙带导通所达到的上覆各含水层，即煤系含水层、煤系上覆含水层，就会对导水裂隙带以下各含水层结构造成不同程度地破坏，形成了地下水导水通道，打破了含水层地下水的天然循环条件，改变了地下水的径流特征，在地下水受采煤影响范围内，导水裂隙带以下各含水层地下水直接进入井下，导致上述含水层水位下降和疏干。

2.厚黄土覆盖区松散含水层地下水的破坏。某省地处黄土高原，存在着一定规模的厚黄土覆盖区。这些区域，往往存在着厚度较大、水质良好、水量较丰富的松散含水层，成为支撑当地国民经济发展的主力含水层，是居民生活用水最重要的供水水源。同时，在厚黄土覆盖区存在着许多煤矿，其煤层埋藏相对较深，大部分煤矿开采形成的导水裂隙带直接导通煤系含水层，对煤系含水层造成直接影响，但煤矿开采形成的导水裂隙带往往没有触及到上覆松散含水层的隔水底板，对松散含水层不产生直接影响。由于采煤造成导水裂隙带以下含水层地下水位的下降，加大了松散含水层与下伏含水层之间的水头差，虽然导水裂隙带到达松散含水层及其隔水底板还有一定的距离，但在水压力作用下，松散含水层地下水将会通过弱透水层以越流的方式向下渗漏，导致含水层地下水位下降甚至被疏干，松散含水层地下水遭到破坏。

二、煤矿开采对地下水影响因素

1.水文地质条件复杂程度。大部分煤矿区的水文地质条件为简单、中等，个别煤矿区的水文地质条件较复杂，这不仅决定着煤矿区含水层的富水程度，而且影响着煤矿开采对地下水破坏量的大小。由于矿区水文地质条件复杂程度的不同，当采煤导水裂隙带到达所直接影响到的含水层时，对地下水的破坏主要存在3种形式：①当水文地质条件简单，含水层富水性弱，采煤对地下水破坏量较小；②当水文地质条件中等，含水层富水性中等，采煤对地下水破坏量中等；③当水文地质条件复杂，含水层富水性强，采煤对地下水破坏量较大。不论矿区水文地质条件是简单、中等，还是复杂，在采煤造成含水层结构破坏条件下，都会引起含水层地下水位的下降或疏干，形成以采空区为中心的地下水位降落漏斗，地下水以矿井水形式被排走。

2.煤层厚度。煤层厚度的大小往往决定了采煤导水裂隙带的发育高度。对于同一开采煤层来说，煤层厚度越大，按经验公式计算的导水裂隙带高度越大，反之越小。在上覆含水层到煤层距离一定的情况下，当煤层厚度较小，采动覆岩破坏产生的导水裂隙带高度往往达不到上覆含水层，含水层地下水位不下降或下降较小，对地下水不会造成影响或影响小；当煤层厚度较大，采动覆岩破坏产生的导水裂隙带高度往往导通上覆含水层，造成含水层地下水位下降或疏干，对地下水造成的影响大。这种情况在许多煤矿区都得到了验证，在煤层厚度大的区域，上覆含水层地下水往往因采煤而被彻底疏干。

3.含水层渗透性。在煤层厚度、煤层埋深一定情况下，煤矿开采对含水层地下水的影响还与含水层的渗透性有关。对于采煤导水裂隙带以下的各含水层，由于导水裂隙的存在及含水层结构的破坏，造成地下水的渗漏。但因含水层渗透性的差异，在富水性一定情况下，地下水的渗漏及地下水位下降速率与含水层渗透性有关。

4.隔水层性质。在厚黄土覆盖煤矿区，第四系松散含水层下部往往存在一定厚度的黏土隔水层。当采煤导水裂隙带未触及到这些松散含水层及其隔水底板时，含水层隔水底板的厚度及渗透性往往对采煤未直接影响到的这些松散含水层地下水的变化有着较大影响。当隔水底板的厚度较大或渗透系数较小时，一般不会造成松散含水层地下水的越流，含水层地下水位基本保持不变，对地下水造成的影响小；当隔水底板的厚度较小或渗透系数较大时，往往造成松散含水层地下水通过越流方式向下渗漏，引起松散含水层地下水位下降甚至被疏干，对地下水造成的影响大。这种情况已经被厚黄土覆盖煤矿区大量的事实所证实，据矿区地下水位长期观测结果，采煤已经造成松散含水层水位下降或含水层疏干，使供水井及水源地干枯。

5.降水量。煤矿区降水量的多寡决定着含水层地下水的丰富程度。煤矿区每年的7月、8月、9月、10月的降水量较大，各含水层得到降水的天然补给量相对较大。在采煤导水裂隙带高度导通上覆含水层的情况下，由含水层渗漏进入矿井的地下水量增多，造成雨季时含水层地下水的破坏量增大。而在每年的其他月份，由于降水量相对较小，采煤破坏的地下水不能及时得到补给，主要消耗含水层中已有的地下水储存量，同雨季月份比较，对含水层地下水的破坏量明显减少。根据煤矿区多年矿井排水量资料，雨季月份的排水量相对较大，充分说明降水量大时对含水层地下水的破坏量大。

6.采煤阶段。对于采煤导水裂隙带导通的同一含水层来说，采煤阶段的不同，对含水层地下水的影响也有所不同。在煤矿开采的初期，随着采煤时间的延长，含水层地下水位逐渐下降，地下水破坏量逐渐增大，为确保安全，大量进入矿井的地下水以矿井水的形式被排走。到煤矿开采的中、后期，当含水层有足够的补给来源时，地下水位降落漏斗趋于稳定，含水层地下水的补给量与排泄量达到相对平衡；当含水层无足够的补给来源时，含水层地下水逐渐被疏干。在煤矿停采后，不再进行矿井排水，在以采空区为中心的含水层地下水影响范围内，地下水位随着时间的延续不断上升，最终到达或接近煤矿开采前的地下水天然状态。

7.采煤面积。许多煤矿区的煤层上覆含水层富水性相对较弱。当上覆含水层富水性一定，在煤矿开采的初期，随着煤层开采面积的增大，导水裂隙带所影响到的含水层地下水的破坏量是逐渐增大的。当开采面积达到一定范围后，含水层地下水的破坏量基本保持不变，即随着开采面积的增大，含水层中地下水的破坏量是一定的。而后随着开采面积的进一步增大，由于含水层的地下水得不到及时补给，采煤对地下水的破坏量呈下降趋势，含水层地下水逐渐被疏干。尽管随着采煤面积的增大，含水层地下水的破坏在采煤各时期呈现不同的变化特征，但含水层地下水破坏总量却是随着采煤面积的增大而增大，直到含水层被彻底疏干。

总之，提出了在煤矿开发之前，应统筹规划，摸清矿区影响范围内的水文地质情况，探究煤矿开采引发的水文地质变化与地下水资源保护之间的矛盾，从而选取适宜的处理方案，合理开发煤炭资源的同时有效保护地下水资源。

参考文献：

1. 张晓斌.煤矿开采对地下水破坏机理及其影响因素分析.2017.

[2]刘宏宇，浅谈煤矿开采对地下水破坏机理及其影响因素研究.2017.