浅析地下开采对含水层破坏的评估方法
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浅析地下开采对含水层破坏的评估方法
[摘要]以开滦(集团)有限责任公司荆各庄矿业分公司煤矿为例,阐述了矿区含水层破坏现状,分析了含水层破坏的特征、发展历程等,评述了矿山开采对含水层破坏的评估方法。
[关键词]矿山地质环境含水层破坏评估煤矿
矿产资源开发利用是一把双刃剑,一方面矿产资源开发会极大地促进国民经济和社会发展,另一方面,不合理的开发往往会引发矿区及毗邻地区地质灾害、水土环境污染和生态环境破坏等。诚然,矿产资源开发不可避免会对矿区地质环境造成负面影响,但只要采取相关措施,就可以将负面影响降低到最低程度[1]。开展矿山地质环境保护与治理恢复工作无疑是一种行之有效的方法,而进行准确、合理的矿山地质环境影响评估是方案编制的基本前提。本文以开滦(集团)有限责任公司荆各庄矿业分公司煤矿为例,阐述了矿业活动对含水层影响和破坏的现状评估及预测评估过程和方法。
1矿山基本情况
荆各庄煤矿位于河北省唐山市东北约13km处,矿区范围为一直径约3.5km 的亚圆形,总面积10.6445km2,地理坐标为东经118°12′58″~118°15′50″,北纬39°43′06″~39°45′13″。
该矿1979年投产,设计年生产能力120万吨,服务年限49年。采用地下开采方式,可采煤层为9煤、11煤、12煤、12-1煤、12-2煤,开采深度由35m标高~-550m标高。截至2009年底矿井可排产储量仅163.2万吨,挖潜储量排产46.7万吨。目前矿井储量已经枯竭,正对薄煤层、复采区、断层残存煤柱、边角余煤进行探掘,以掘代采,在经济合理、安全可靠的前提下,把所有能够采出的煤炭全部采出来,争取将矿井的服务年限延长到2015年以后。
2矿区水文地质条件
荆各庄矿位于冲洪积倾斜平原水文地质区,根据含水介质及水动力特征井田可划分为8个含水层,按与矿石开采的关系,分述如下:
2.1直接充水含水层
K2~K6砂岩裂隙承压含水层(Ⅱ):该含水层位于石炭系中统唐山组的K2灰岩和石炭系上统赵各庄组的K6灰岩之间,厚度100m,岩性以粉砂岩和细砂岩为主,岩石裂隙非常发育。单位涌水量为0.005~0.083L/sm,平均为0.032L/sm,渗透系数为1.296~7.816m/d,属于含水丰富的含水层。
K6~12煤砂岩裂隙承压含水层(Ⅲ):位于石炭系上统赵各庄组的K6至12-2
煤底板之间,厚度20m,岩性以砂岩和粉砂岩为主,构造裂隙很发育。单位涌水量为0.002~0.206L/sm,渗透系数为0.253~19.793m/d,属于含水丰富的含水层。
5煤以上砂岩裂隙承压含水层(Ⅴ):位于二叠系下统的大苗庄组的5煤~唐家庄组上界。岩性以粉砂岩及砂岩为主,裂隙非常发育,单位涌水量为0.007~0.117L/sm,渗透系数为1.722~8.945m/d。是矿井顶板突水的直接水源,是威胁矿井生产的主要含水层,特别是对9煤的开采影响最大。
2.2矿井间接充水含水层
第四系底部卵石孔隙承压含水层(Ⅶ):含水层厚100~379.67m,由不等粒的砂砾、卵石、粘土颗粒组成,是个比较均质的含水层,但掺杂在卵砾石中的粘土物质数量不同,也就造成含水性的差异。含水层厚度由北向南逐渐增大,渗透系数K由北向南逐渐变小,富水性由西向东逐渐增强。单位涌水量为0.053~0.231L/sm,渗透系数为7.464~32.748m/d,为含水丰富的含水层。
奥陶系灰岩岩溶裂隙承压含水层(Ⅰ):含水层厚度大于600m,岩性由质纯的豹皮状灰岩和白云质灰岩组成,单位涌水量为0.002~0.267L/sm,渗透系数为0.512~32.609m/d,为含水丰富的含水层。
2.3矿井涌水量
2007年底矿井涌水量为15.39m3/min(合22161.6m3/d)。其中,-246水平涌水量为0.05m3/min,-375水平涌水量为 3.42m3/min,-475水平涌水量为8.50m3/min,-530水平涌水量为3.42m3/min。矿井从投产至今呈逐年递减趋势。
综上所述:根据荆各庄矿的受采掘破坏或影响的含水层性质、富水性,补给条件,单井年平均涌水量和最大涌水量、开采受水害影响程度和防治水工作难易程度等项的分析,确定荆各庄矿水文地质条件复杂。
3矿业活动对含水层的影响和破坏现状评估
3.1含水层破坏
根据矿山资料,第Ⅱ、第Ⅲ、第Ⅴ含水层为矿井直接充水含水层,其它含水层为间接充水含水层,与矿井生产较密切的为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅶ含水层。
3.1.1基岩含水层
矿井直接充水含水层有Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ三层,是影响矿井生产的主要水源,2007年底矿井涌水量为15.39m3/min(合22161.6m3/d)。
第Ⅱ含水层厚度100m,裂隙非常发育,含水丰富,受矿井疏排水影响,在二水平形成水位降落漏斗,最大水位降深约500m。
第Ⅲ含水层厚度20m,裂隙发育含水较丰富,矿井第一水平、二水平大巷及三水平开拓延伸工程均揭露该含水层,矿井中心大部分地区该含水层水基本上已降至含水层底板,最大水位降深约535m,矿山疏排水使盆状向斜的中部形成一大漏斗。
第Ⅴ含水层厚度100m,裂隙非常发育,其中中粗砂岩含水最丰富。该含水层是矿上水患的主要水源之一,矿井泄水工程使5煤最大水位降深约190m。
地下采空区形成后,采空区上部煤岩跨落、变形,形成导水裂缝带,局部地带各含水层之间已经由导水裂隙带相互联系沟通,矿山生产对Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ含水层破坏严重。荆各庄煤田为一盆状向斜构造,由于第Ⅰ含水层与最下部可采煤层12-2煤距离158m,中间有稳定的G层铝土~K2隔水层,隔水层厚40~68m,隔水性能较好,根据矿山观测资料,矿山生产对隔水层没有破坏,因此,矿山疏降水影响范围和第Ⅱ含水层底界相当,约1131.2万m2。
3.1.2冲积含水层破坏
第Ⅶ含水层含水丰富,在井田东南部与基岩直接接触,补给各基岩含水层,受矿井疏排水间接影响,在矿区东南部形成降落漏斗,据矿区水文观测孔统计,水位较建矿初期下降14~31m,影响面积约1397.6万m2,对含水层影响严重;西北部与基岩之间有粘土层相隔,以“天窗式”和“越流式”补给5煤顶板砂岩裂隙承压含水层,受矿井疏排水影响较小。
矿山生产对含水层疏干影响范围见图3-1。
3.2矿区疏降水对周围工农业生产、生活的影响
目前,矿区附近工业用水、农业灌溉用水和少部分生活用水取自第四系中上部砂卵砾孔隙承压和孔隙潜水含水层(Ⅷ),大部分村庄生活用水取自奥陶系灰岩岩溶裂隙承压含水层(Ⅰ)。
3.2.1矿区生产对奥陶系灰岩岩溶裂隙承压水的影响
由于第Ⅰ含水层与最下部可采煤层12-2煤之间的良好隔水层,目前煤层开采对该层水影响甚微,根据对周围村庄的访问,以开采此层水为集中供水水源的村庄未受影响。
3.2.2矿区生产对第四系中上部砂卵砾孔隙承压水和潜水的影响
据当地居民介绍,较10年前第四系浅层水水位均有所降低,使得很多水井干枯报废。为了查明采煤对周围工农业用水影响,对矿区及周围20眼水井进行了水位调查。