榆神府区采动对潜水含水层的影响及其环境效应

　第４６卷第２期煤炭科学技术Ｖｏｌ􀆰４６　Ｎｏ􀆰２　　２０１８年２月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｆｅｂ􀆰２０１８　榆神府区采动对潜水含水层的影响及其环境效应彭　捷１ꎬ２ꎬ李　成１ꎬ２ꎬ向茂西１ꎬ２ꎬ李永红１ꎬ２ꎬ仵拨云１ꎬ２ꎬ高　帅１ꎬ２ꎬ孙　魁１ꎬ２(１􀆰陕西省地质环境监测总站ꎬ陕西西安　７１００５４ꎻ２􀆰矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室ꎬ陕西西安　７１００５４)摘　要:为研究榆神府区煤层开采对潜水含水层的影响ꎬ促进矿区水资源保护ꎬ通过资料收集和实地调查２种方法ꎬ对榆神府区地表水体及地下含水层现状进行分析ꎮ结果表明:高强度开采是区内潜水资源量减少的主要驱动因素ꎬ截至２０１５年初ꎬ榆神府区煤矿开采形成的采空区面积为４.７３×１０４ｈｍ２ꎬ地面塌陷面积约１.３４×１０４ｈｍ２ꎬ采空区地表变形增大包气带水分的蒸发ꎬ减少对含水层的补给ꎬ同时增加垂向径流ꎬ使之形成了天然－人工叠加作用地下水流场ꎬ最终的环境效应表现为:湖泊面积减少近５０％ꎬ部分地表水系干涸ꎬ泉水数量由采煤前的２５００余处减少到３００余处ꎬ数量衰减率达到８４％ꎬ流量衰减率在７０％以上ꎬ喜水植被向旱生植被演化ꎬ生态环境趋向脆弱等ꎮ关键词:榆神府矿区ꎻ保水采煤ꎻ潜水含水层ꎻ地下水补径排ꎻ环境效应中图分类号:Ｐ６４１.４　　　文献标志码:Ａ　　　文章编号:０２５３－２３３６(２０１８)０２－０１５６－０７ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｏｎｐｈｒｅａｔｉｃａｑｕｉｆｅｒａｎｄｉｔｓｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｅｆｆｅｃｔｓｉｎＹｕｌｉｎ－Ｓｈｅｎｍｕ－ＦｕｇｕＡｒｅａＰＥＮＧＪｉｅ１ꎬ２ꎬＬＩＣｈｅｎｇ１ꎬ２ꎬＸＩＡＮＧＭａｏｘｉ１ꎬ２ꎬＬＩＹｏｎｇｈｏｎｇ１ꎬ２ꎬＷＵＢｏｙｕｎ１ꎬ２ꎬＧＡＯＳｈｕａｉ１ꎬ２ꎬＳＵＮＫｕｉ１ꎬ２(１.ＳｈａａｎｘｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＧｅｏ－ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＳｔａｔｉｏｎꎬＸｉ’ａｎ　７１００５４ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｉｎｅＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＨａｚａｒｄｓＭｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄＣｏｎｔｒｏｌꎬＸｉ’ａｎ　７１００５４ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｏｎｔｈｅａｑｕｉｆｅｒｉｎＹｕｌｉｎ－Ｓｈｅｎｍｕ－ＦｕｇｕＡｒｅａａｎｄｐｒｏｔｅｃｔｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｒｅｓｏｕｒｃｅｓꎬａｎ￣ａｌｙｚｅｄｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆａｑｕｉｆｅｒｉｎＹｕｌｉｎ－Ｓｈｅｎｍｕ－ＦｕｇｕＡｒｅａｔｈｒｏｕｇｈｄａｔａｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎａｎｄｆｉｅｌｄｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｈｉｇｈ－ｉｎｔｅｎｓｉｔｙｍｉｎｉｎｇｗａｓｔｈｅｍａｉｎｄｒｉｖｉｎｇｆａｃｔｏｒｆｏｒｔｈｅｄｅｃｒｅａｓｅｏｆｌａｋｅａｒｅａꎬｔｈｅｄｒｙｓｕｒｆａｃｅｗａｔｅｒａｎｄｔｈｅｄｅｃｌｉｎｅｏｆｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｌｅｖｅｌ.Ｂｙｔｈｅｂｅｇｉｎｎｉｎｇｏｆ２０１５ꎬｔｈｅａｒｅａｏｆｇｏａｆｗａｓ４.７３×１０４ｈｍ２ａｎｄｔｈｅａｒｅａｏｆｇｒｏｕｎｄｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｗａｓａｂｏｕｔ１.３４×１０４ｈｍ２ｉｎＹｕｌｉｎ－Ｓｈｅｎｍｕ－ＦｕｇｕＡｒｅａ.Ｔｈｅｇｏａｆａｒｅａｉｎｃｒｅａｓｅｄｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｇａｓｚｏｎｅａｎｄｔｈｅｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒꎬｒｅｄｕｃｅｄｔｈｅｓｕｐｐｌｙｏｆａｑｕｉｆｅｒｓꎬａｎｄｉｎｃｒｅａｓｅｄｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｒｕｎｏｆｆｔｏｆｏｒｍａｎａｔｕｒａｌ－ａｒｔｉｆｉｃｉａｌｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｆｌｏｗ.Ｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｅｆｆｅｃｔｅｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔｈａｔｌａｋｅａｒｅａｒｅ￣ｄｕｃｔｉｏｎｗａｓｎｅａｒｌｙ５０％ꎬｐａｒｔｏｆｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｗａｔｅｒｄｒｉｅｄｕｐꎬｔｈｅａｍｏｕｎｔｏｆｓｐｒｉｎｇｄｅｃａｙｒａｔｅｗａｓ８４％ꎬｓｐｒｉｎｇｗａｔｅｒｆｌｏｗｄｅｃａｙｒａｔｅｗａｓ７０％ꎬｔｈｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｈｙｄｒｏｐｈｉｌｏｕｓｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｔｏｘｅｒｏｐｈｙｔｅｔｈｅｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｔｅｎｄｅｄｔｏｂｅｆｒａｇｉｌｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:Ｙｕｌｉｎ－Ｓｈｅｎｍｕ－ＦｕｇｕＭｉｎｉｎｇＡｒｅａꎻｗａｔｅｒ－ｐｒｅｓｅｒｖｅｄｍｉｎｉｎｇꎻｐｈｒｅａｔｉｃａｑｕｉｆｅｒꎻｒｅｃｈａｒｇｅ－ｒｕｎｏｆｆ－ｄｉｓｃｈａｒｇｅｏｆｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒꎻｅｎｖｉｒｏｎ￣ｍｅｎｔａｌｅｆｆｅｃｔ收稿日期:２０１７－０７－２１ꎻ责任编辑:杨正凯　　ＤＯＩ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１８􀆰０２􀆰０２１基金项目:国家重点基础研究发展计划(９７３计划)资助项目(２０１３ＣＢ２２７９０１)ꎻ陕西省公益性地质调查资助项目(２０１５０２０２)作者简介:彭　捷(１９８８—)ꎬ男ꎬ湖北黄石人ꎬ硕士ꎬ工程师ꎮＥ－ｍａｉｌ:[e-mail]引用格式:彭　捷ꎬ李　成ꎬ向茂西ꎬ等􀆰榆神府区采动对潜水含水层的影响及其环境效应[Ｊ]􀆰煤炭科学技术ꎬ２０１８ꎬ４６(２):１５６－１６２􀆰ＰＥＮＧＪｉｅꎬＬＩＣｈｅｎｇꎬＸＩＡＮＧＭａｏｘｉꎬｅｔａｌ.ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｏｎｐｈｒｅａｔｉｃａｑｕｉｆｅｒａｎｄｉｔｓｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｅｆｆｅｃｔｓｉｎＹｕｌｉｎ－Ｓｈｅｎｍｕ－ＦｕｇｕＡｒｅａ[Ｊ].ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１８ꎬ４６(２):１５６－１６２􀆰０　引　　言煤炭资源的开发不可避免地会对地下水流场产生影响ꎬ地下水水位的变动必定产生区域上生态环境的变迁ꎬ地下水位的异常变动常会引起上层水量的变化进而产生一系列生态环境问题ꎮ针对榆神府区含水层破坏、地下水位下降及环境影响等问题ꎬ吕新等[１]以窟野河为例ꎬ分析了煤炭开采对流域水资源量与水质的影响机制ꎻ冀瑞君等[２]总结了神府矿区地下水循环模式ꎬ进而提出了采煤对地下水影响机制ꎻ范立民等[３－５]论述了采煤造成的地下水渗漏特征ꎬ结合对陕北风沙滩地区浅６５１彭　捷等:榆神府区采动对潜水含水层的影响及其环境效应２０１８年第２期层地下水动态的观测ꎬ开展地下水位动态与煤炭开采量的相关性分析ꎻ虎维岳[６]对浅埋煤层开采顶板含水层时刻变化进行了研究ꎻ文献[７－９]研究了榆神府矿区地面塌陷分布、发育特征及发育规模ꎬ阐述了由此引发的矿区灾害等生态环境问题ꎻ文献[１０－２１]研究榆神府区高强度煤层开采对地下水的影响ꎬ分析潜水位下降与煤层开采强度的关系ꎬ提出导水裂隙带和含水层特征是煤层开采过程中控制地下水位变化幅度和范围的关键所在ꎬ发现了生态水位的最佳埋深ꎬ针对一系列采动损害问题ꎬ提出了保水采煤问题及解决方案ꎬ初步形成了保水采煤的技术体系ꎬ并成功开展了工程实践ꎬ实现了部分矿井含水层结构保护与高强度采煤的协调统一ꎻ马雄德等[２０]分析榆神府矿区生产对区内水体及湿地的影响ꎬ提出保水采煤、减少地下水抽采及减少高耗水植被是保护区内水体湿地的有效措施ꎻ张广磊等[２２]建立岩层移动与潜水位下降的关系ꎬ就沟谷地形下煤炭开采对地表径流的影响进行了探讨ꎮ基于此ꎬ笔者总结了２０１５年煤炭大规模开采后区域地下水循环特征ꎬ分析采动对潜水含水层影响方式及其生态环境效应ꎮ１　研究区基本概况１)煤层及开采情况ꎮ榆神矿区主要开采煤层１－２、２－２、３－１、４－２、５－２煤ꎬ可采煤层总厚为１２.２２~２０.７０ｍꎬ一般１６~１９ｍꎬ其厚度变化趋势由南至北逐渐增厚ꎬ神府矿区主采煤层２－２、３－１、５－２煤ꎬ可采厚度４.５３~１０.２８ｍꎬ开采深度为２０~１５０ｍꎮ区内煤层埋藏深度总体特征为东浅西深ꎬ最浅小于４０ｍꎬ位于神北矿区ꎬ最深大于５８０ｍꎬ位于榆神矿区西南部ꎮ截至２０１５年初ꎬ研究区共调查１９０座煤矿ꎬ其中大型煤矿５２座、中型煤矿８９座、小型煤矿４９座ꎬ矿区面积２８８１.２１ｋｍ２ꎬ区内已形成采空区面积约４.７３×１０４ｈｍ２ꎬ由此造成的采空区地面塌陷面积１.３４×１０４ｈｍ２ꎮ２)煤炭开采强度ꎮ据范立民等[２４]分析ꎬ煤炭开采强度由面积开采强度和空间开采强度综合评价ꎮ面积开采强度是指单位面积范围内煤炭资源开采量与总量的占比ꎻ空间开采强度主要考核采高和平面开采比２个指标(表１)ꎮ３)主要含隔水层ꎮ研究区地下水主要有新生界松散岩类孔隙水和中生界碎屑岩类裂隙水２种类型ꎮ新生界松散岩类孔隙潜水含水层ꎬ包括第四系全新统风积砂、冲积层潜水含水层ꎬ第四系上更新统冲湖积含水层(萨拉乌苏组含水层)ꎬ中更新统离石组黄土弱含水层(隔水层)ꎬ上新统静乐组黏土隔水层ꎮ表１　煤炭资源开采强度划分指标Ｔａｂｌｅ１　Ｉｎｄｅｘｏｆｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｉｎｔｅｎｓｉｔｙ采高/ｍ不同平面开采比下开采强度≥６０％３０％~６０％１０％~３０％≤１０％≥４.５０极高高中低１.３０~４.５０高中中低≤１.３０中低低低中生界碎屑岩裂隙潜水及承压水含水层ꎬ包括碎屑岩类风化裂隙潜水含水层ꎬ碎屑岩类裂隙承压含水层及烧变岩孔隙裂隙潜水含水层ꎮ４)区内水体特征ꎮ区内地下水主要受大气降水补给ꎬ浅部潜水径流方向与地形起伏基本一致ꎬ深部潜水基本是由西北向东南径流ꎬ西部沙漠滩地区水位埋深一般为０~３ｍꎬ向东水位埋深逐渐变大ꎬ在黄土梁峁区水位埋深普遍大于１５ｍ(图１)ꎬ地下水主要在沟谷处以泉的形式进行排放ꎬ区内出露泉数３００余处ꎬ总流量９９６.３９２１Ｌ/ｓꎮ图１　２０１５年第四系潜水位等值线及埋深分区Ｆｉｇ.１　Ｑｕａｔｅｒｎａｒｙｓｙｓｔｅｍｐｈｒｅａｔｉｃｃｏｎｔｏｕｒａｎｄｂｕｒｉｅｄｄｅｐｔｈｚｏｎｅｓｉｎ２０１５２　采煤对浅部含水层的影响采煤对地下水的影响取决于导水裂隙带和含水层特征ꎬ其中导水裂隙带发育高度起决定性作用ꎬ当７５１２０１８年第２期煤炭科学技术第４６卷导水裂隙带导通含水层后ꎬ地下水位的变化则取决于含水层特征[６]ꎮ２.１　采煤对地下水补给的影响在风积砂和黄土含水层中ꎬ由于采空区地表变形ꎬ孔隙度增大ꎬ同时由于地下水位下降ꎬ包气带厚度增加ꎬ蒸发量也增多ꎬ导致了含水层地下水的补给量减少ꎮ碎屑岩含水层由于大量裂缝的出现ꎬ使原有来自风积砂和萨拉乌苏组含水层的地下水由越流补给形式变为通过裂缝的通道补给ꎮ２.２　采煤对地下水径流的影响由于导水裂隙带排放上覆水体ꎬ形成以矿井为中心的水位降落漏斗ꎬ地下水由原先得主水平径流变为垂向渗入ꎮ大柳塔矿井２０６０１工作面附近ꎬ原先地下水从东、南、北三个方向汇聚到母河沟泉口ꎬ以母河沟泉群的形式排出地表ꎮ开采区连续７４ｄ实施疏水降压工程后ꎬ地下水位下降９ｍ左右ꎬ原有的地下水天然流场及排泄方式被改变ꎬ产生了新的地下水排泄点(图２)ꎬ形成了天然－人工迭加的地下水流场[４]ꎮ图２　母河沟泉域流场变化示意Ｆｉｇ.２　ＣｈａｎｇｅｓｏｆｆｌｏｗｆｉｅｌｄｉｎＭｕｈｅｇｏｕｓｐｒｉｎｇａｒｅａ２.３　采煤对地下水排放的影响采煤对地下水排泄的影响方式有３种类型ꎬ即直接严重影响型ꎬ间接较重影响型和直接微弱影响型ꎮ１)直接严重影响型ꎮ林海煤矿内捣不赖沟原有延安组烧变岩泉水出露ꎬ１９９０年实测泉流量为１２.１２Ｌ/ｓꎬ林海煤矿在掘进３－１煤过程中ꎬ其工作面顶板冒落带裂隙沟通了上覆烧变岩含水层ꎬ由于烧变岩空洞裂隙极为发育ꎬ使得含水层中的地下水大量涌入采空区ꎬ造成上游的烧变岩大泉干涸消失(图３)ꎬ同时影响和破坏了地下水的形成和赋存条件ꎮ２)间接较严重影响型ꎮ煤炭开采后ꎬ裂隙带穿透部分隔水层ꎬ改变了地下水流向ꎬ减少了原始排图３　捣不赖沟突水引发泉水干涸示意Ｆｉｇ.３　ＳｐｒｉｎｇｄｒｙｉｎｇｃａｕｓｅｄｂｙｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈｉｎＤａｏｂｕｌａｉｇｏｕ泄ꎮ现以大海则井田须眉沟流域为例来说明这种影响形式ꎮ大海则煤矿内须眉沟一带由于煤层火烧形成烧变岩汇水盆地ꎬ是沟谷出露泉水的主要补给来源(图４)ꎮ４３３００和４３３０２工作