地下采矿引起地表积水机理初探

地下采矿引起地表积水机理初探1

李建新，王来贵

辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁阜新（123000）

E-mail：lijianxin1974@

摘要：由于采矿引起的地表塌陷，容易在采空区上方的塌陷坑内积水，使大量耕地受淹和盐碱化，并有可能在一定程度上改变地表径流方向和汇水条件，使矿区水环境和生态环境发生改变和调整。通过分析地表塌陷坑积水的工程地质因素、水文地质因素、开采因素和塌陷坑积水的条件，提出了地表塌陷坑积水的必要条件，为矿区水环境和生态环境的改善及综合治理、保证矿区煤炭生产的顺利进行，提供理论基础。

关键词：地表塌陷坑；导水裂隙带；隔水层；大气降水

中图分类号：TD 8

1．引言

在地下煤层开采后，采空区周围岩层的应力平衡状态遭到破坏，随着煤层开采面积的扩大，采动影响便自下而上逐渐波及地表，引起地表下沉，在采空区上方地面形成一个比采空区范围大的洼地，即地表下沉盆地，也叫塌陷坑。在有些矿区如两淮、唐山、铁法、双鸭山、辽源等矿区，采矿破坏了地表、地下水系，形成了大面积低洼区，陆地被水淹没，甚至形成了沼泽地，通过径流，会破坏周围的土地、水域，其影响面将远远超过沉陷区的地域和空间。随着煤矿开采范围的不断扩大，塌陷、破坏的土地日益增多，使农田荒芜，严重破坏了矿区的生态环境，特别是地表为较厚的（大于5m）粘土或砂质粘土层时，则此粘土或砂质粘土层可作为隔水层，通过大气降水或其它浅层地下水的补给，就会在地表产生大面积积水，使大量耕地受淹和盐碱化，尤其是长年积水的塌陷区内，耕地可耕性的降低常常是永久性的，为了保护耕地和改善矿区的生态环境，对矿区地表塌陷坑积水机理的详细分析，是减小塌陷区的范围和对塌陷区的综合治理的前提条件。

2．地表积水的地质因素

2.1 工程地质因素

工程地质因素主要包括煤层覆岩的岩性、力学强度、岩性组合以及岩体性质：回采后煤层顶板的再生性；风化基岩的工程地质性质（主要是采动变形特征）。工程地质条件差异使煤层回采后对顶板的采动影响不同，冒落带及裂隙带发育状况有明显差别，影响导水裂隙带的高度和渗透效果。

覆岩的岩性是控制导水裂隙带发育的重要因素，一些脆性岩层，如较致密的砂岩、粉砂岩则冒落带发育较高，且裂隙的导水性能好；粘塑性较强的泥岩，泥质砂岩类则冒落带发育高度较小，裂隙导水性也差，易重新闭合；介于硬脆性与粘塑性间的岩层其冒落带发育也介于两者之间，一般岩层在风化后其泥质含量多有增加，其粘塑性也随之增加，特别是原岩泥质含量较高的岩层，导水裂隙带的发育受到限制，在煤层采动影响后，许多新生的裂隙也可能较快地闭合；但在一些泥质成分较低的风化砂岩中，煤层采动影响下其导水性有显著的

1本课题受国家自然科学基金重点项目（50434020），面上项目（50374042）及高等学校博士学科点专项科研基金（20040147003）的资助。

增强。在工程地质条件中，主要考虑地表岩土层的组合关系以及可能在导水裂隙带范围内的那些岩层。

地表岩土层构成隔水层的形式一般有以下两种[1]：

（1）地表或地表浅层由厚层泥岩、砂质泥岩、致密的粉砂岩等组成，从力学属性来看属粘塑性岩石，力学强度低，岩石受力后发生塑性变形，当应力超过弹性极限后，发生破裂，破裂方式主要以粘性剪断为主，产生隐蔽裂隙和闭合裂隙，即使发育张裂隙，但裂隙中往往充填了自身破碎的泥质碎屑物，并且在地表水下渗过程中，泥岩体积将发生体积膨胀，使裂隙闭合，起到阻隔地表水与地下含水层发生水力联系，阻止地表水下渗。

（2）地表或地表浅层主要由粘土和砂质粘土组成，从力学性质来看属粘性土，是良好的隔水层，阻隔地表水与地下含水层发生水力联系。

2.2水文地质因素

水文地质因素指煤层露头位置、层数、厚度、间距及倾角等因素以及地表浅层含水层的补给与排泄条件。

当风化裂隙带含水层、第四系松散含水层等浅层地下水的水头压力高于塌陷坑底部时，由于回采导致的塌陷坑就变为排泄区，使浅层地下水在重力作用下，沿着潜水面坡度最大的方向流动，这样使浅层地下水由垂直下渗或地下径流转化为侧向补给，潜水水位与塌陷坑底部的水位差越大，越有利于潜水向塌陷坑的侧向补给，补给量取决于含水层的岩性、厚度、岩石成因类型、结构、含水空间形态、导水性和富水性等。

大气降水是地表积水的主要来源，其中一部分垂直下渗，一部分沿着地表塌陷坑表面从四周向盆地中央汇流，大气降水量愈大，地表塌陷坑积水愈多，对于倾盆暴雨，大部分降雨量通过地表径流汇入塌陷坑，塌陷坑坡度愈大，降水愈容易形成地表径流。

3．地表积水的开采因素

煤矿开采在上覆岩层中产生了破坏程度不同的三带，即冒落带、裂隙带和弯曲带。冒落带把层状结构中的隔水层、含水层统统变为散体块状结构的透水体，破坏岩层杂乱无章地堆积，越靠近煤层破坏越大，岩块间空隙多而大，连通性强，能导水，也能导砂；裂隙带把多层结构的隔水层、含水层变为统一的层体块状结构的透水层，原隔水层被破坏，产生一系列垂直于层面的断开裂隙以及层与层之间的离层裂隙，这些断开裂隙与离层裂隙纵横交错，一般只导水，不导砂透泥。冒落带和裂隙带合起来叫导水裂隙带或冒裂带，其岩层强度降低，阻隔水能力下降。采空区导水裂隙带以上至地表为弯曲带，弯曲带岩层裂隙不发育，呈整体下沉，隔水层没有破坏的层体结构，在地表形成塌陷盆地，塌陷盆地的坡缘往往产生楔形张开裂隙，一般深度3～10 m，但与导水裂隙带不连通。

开采因素主要包括煤层开采方法、开采深度、开采厚度、强度以及煤层顶板管理方法，这些因素直接影响到导水裂隙带和弯曲带。

3.1采煤方法与顶板管理方法的影响

采用全部冒落法开采，导水裂隙带的高度较大。如采用全部充填法采煤，顶板岩层由于充填物的支撑，可以不产生或基本不产生冒落带，导水裂隙带的高度也比全部冒落法小得多。采用条带或房柱法开采，如果所留矿柱能够支撑住上覆岩层，则顶板岩层可基本不产生破坏，相应导水裂隙带高度也很小[2]。

3.2 煤层开采厚度的影响

导水裂隙带的高度随着煤层开采厚度的增加而增加。

（1）当一次采全高时，裂高与采厚成线性关系，采高大则裂高大。

（2）厚煤层分层开采时，与一次采全厚不同，不是线性关系，而是随着累计采厚的增加，裂高与煤层累计采厚的平方根成正比[3]，即：

M K H = （1）

式中：H —导水裂隙带高度，m ；

K —岩性系数 ；

M —累计采厚，m 。

上述关系可以理解为第一层（或第一分层）采后，顶板冒落、断裂和弯曲，在采下一层时，已破坏的上覆岩层在未达到充分冒落的情况下，覆岩急速下沉，使导水裂隙带的发育受到了抑制。因此，导水裂隙带的高度与累计采厚的比值并非是线性的，而是随着分层数的增加逐渐减小。

3.3 采空区尺寸的影响

当采空区尺寸小时，导水裂隙带的高度也小，随着采空区尺寸的增加，裂高也增加，直到裂高达到最大，这时地表并没有达到充分采动，形成最大裂高所需的临界采空区尺寸要远远小于地表达到充分采动的尺寸，因回采工作面的尺寸大于或等于1.4倍平均采深时，地表才能达到充分采动，以后趋于稳定，不再随开采范围的扩大而增加[4]。

另外，采用不同的采煤方法，地表的下沉范围和最大下沉值也不一样。一般而言，条带开采的地表下沉系数约为0.1~0.2，大体相当于全部冒落法开采的1/6~1/4，而充填条带开采的地表下沉系数更小，大约是0.01~0.05[5]。

4. 地表积水的条件

煤层开采引起地表出现下沉盆地后，大气降水通过直接或地表径流补给下沉盆地，如果塌陷坑的底部低于地表浅层含水层的压力水头时，就会得到浅层含水层的侧向补给，如果导水裂隙带的最大高度达到地表水体的底板时，地表水就会通过导水裂隙带向下渗流，在地表不可能积水；当地表水体的底板至被开采煤层的顶板的最短距离大于导水裂隙带的最大高度，而且又无导水断裂或导水陷落柱等导水通道存在时，则该地表水体中的水将不会直接下渗，地表就会积水，即地表积水的必要条件为：

张风保裂h h h h h +++≥ （2）

式中：裂h —导水裂隙带的最大高度，m ；

保h —导水裂隙带以上的隔水保护层厚度，m ；

风h —风化裂隙带的厚度，m ；

张h —煤层回采后地表所出现的张开裂隙深度，一般为10~15 m 。

保h 的具体数值应视隔水层的性质而定，对于坚硬或半坚硬的基岩隔水层一般为10~20 m ，对于塑性粘土层则只须5~10m 即可。如地表是较厚的（大于5 m ）粘土或砂质粘土层时，则此粘土或砂质粘土层可作为保护层，阻止地表水大量垂直下渗。如粘土或砂质粘土层的厚度较大（30m 以上）时，即使位于采动导水裂隙带的高度以内，也不易产生导水裂隙带，即