张小卫，王明霞，刘玉龙，刘文辉

(1.中国地质西安地质调查中心，陕西 西安 710054;2.陕西省地质调查中心，陕西 西安 710054)

研究区地层区划属鄂尔多斯盆地分区，主要地层有三叠系(T)和第四系(Q)。区内地表大部分被第四系上更新统离石组(Q2l)及全新统(Q4)冲洪积层所覆盖，三叠系瓦窑堡组第三段基岩沿沟零星出露。三叠系上统瓦窑堡组(T3w)为全区内含煤地层，含煤10～19层，其中可采煤层为3上号煤和2号煤，3上号煤层井田内局部可采，厚度 0.31～0.45 m，底板标高970～1 000 m，总体向西北方向倾伏，埋深16～31 m，属稳定薄煤层，煤层倾角平均 1°～2°;2号煤层井田内全区可采，距上部3上号煤 103 m，煤层厚度 0.33～0.6 m，底板标高850～920 m，为稳定薄煤层。属结构简单煤层，煤层倾角平均 1°～2°。

研究区构造总体形态为一向西北方向缓倾伴有微波状起伏的单斜构造。未发现较大的断裂及褶皱构造，未见岩浆岩侵入，总体构造简单。

1 井田水文地质条件

研究区井田地处陕北黄土高原中部，属以黄土梁为主的黄土丘陵沟壑地貌。区内沟谷纵横，地形复杂，第四系松散沉积物广布，基岩沿较大的沟谷出露。地下水的形成与分布受地质、地貌、构造及水文气象诸因素的综合控制。因该区地表坡降大，而广泛分布的黄土透水性又差，所以大气降水主要以地表径流排泄，仅少量渗入补给地下水。

1.1 研究区含水层、隔水层

1.1.1 含水层

(1)第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)孔隙潜水，主要分布于丰富的川漫滩中，含水层岩性为粉细砂、砂砾卵石层，厚4～15 m，水位埋深2～12 m。

(2)第四系黄土孔隙潜水含水层，岩性为更新统离石黄土，主要分布于梁峁顶部及沟谷边坡地段，岩性特征为灰黄色砂质粘土，局部夹粘土层和钙质结核层。

(3)三叠系上统瓦窑堡组风化裂隙潜水含水岩组，岩性为瓦窑堡组风化裂隙，主要分布于瓦窑堡组顶部，在井田内局部沟谷底部有出露。

(4)三叠系上统瓦窑堡组裂隙承压含水岩组，位于两层可采煤层顶面至基岩风化裂隙带间，含水层厚度10～40 m。1.1.2 隔水层特征

区内隔水层主要为静乐组红土及瓦窑堡组中的厚层泥岩。

1.2 地下水补给、径流、排泄条件

矿区一带地下水主要接受大气降水补给，各含水层因所处地貌单元不同而各有差异。离石黄土层孔隙裂隙含水层大面积分布于梁峁地带，大气降水是唯一补给来源，地下水大部分自梁峁分水岭处向沟谷方向径流，以泉的形式渗出地表，部分向下渗透，补给下层地下水。新近系静乐组红土构成该含水层的隔水底板。

三叠系瓦窑堡组裂隙承压含水岩组的补给来源为区外的基岩裸露区接受大气降水或潜水补给，总体从东向西顺地层缓慢径流，其富水性弱，径流速度缓慢，向深部矿化度增高，水质类型也由 HCO3·SO4—Na·Mg型转化为 Cl—Na型。

2.3 地下水动态变化

地下水动态变化是含水层对环境施加的激励所产生的［1］，矿区大气降水补给地下水，基岩构造裂隙在风化作用下扩大加深，为地下水提供赋存空间;浅层地下水补给条件好，水量较大，动态变化也大;深层地下水补给条件差，水量小，动态变化不明显，地下水随埋深增大矿化度逐渐升高，反映出地下水交替速度缓慢的特点。

2 水文地质勘查类型及地下水环境关心点

2.1 水文地质勘查类型

矿区井田位于向西北缓倾斜的单斜构造内，未见较大断裂存在，构造简单，煤层直接充水含水层为上部裂隙承压含水组，因裂隙不发育，径流条件差，富水性弱(q＜0.01 l/s·m)。根据《矿区水文地质工程地质勘探规范》(GB12719－9)及《煤、泥炭资源地质勘查规范》中有关规定，整合区水文地质勘探类型应划为二类一型，即以裂隙含水层充水为主的水文地质条件简单的矿床。

2.2 地下水环境关心点

井田及其周围500 m范围内有22个自然村，各村有2～4眼水井，井深7～40 m，水源基本取自基岩顶部风化裂隙带潜水，基岩顶部风化裂隙带潜水为本区具有供水意义的含水层，其他含水层因水量小而且不稳定基本不具供水意义。地下水保护目标为井田内饮用水井。

3 煤炭开采对地下水影响分析

3.1 井田开采对含水层结构的影响

3.1.1 井田含水层结构

按照区内水文地质条件，地下含水系统可分为潜水和承压水含水岩组。

潜水含水岩组为第四系含水层和出露于地表的基岩孔隙裂隙含水层，其中第四系黄土含水层的隔水底板为新近系红土。沟谷地段新近系红土缺失，第四系冲洪积层潜水含水层无隔水底板，因此与下伏基岩风化裂隙潜水含水层水力联系密切。

承压水含水岩组赋存于三叠系地层中风化裂隙带以下、顶部具有区域上相对连续的泥岩层的砂岩中，受上部泥岩的阻隔而具有承压性质。承压含水层中的地下水在基岩出露部位接受大气降水补给后，沿地层倾向方向顺地层缓慢流动，通过煤矿矿井排泄或径流流出。

3.1.2 导水裂隙带高度预测

研究区煤层为近于水平的平缓单斜地层，倾向NW，倾角1°～2°。煤系地层由粉砂岩、泥岩、泥质粉砂岩、砂质泥岩及薄煤层等组成。上覆岩层属于半坚硬岩石。

两带高度预测按半坚硬岩石公式计算［2］。计算公式为:1)垮落带

式中:Hm为垮落带高度，m;M为煤层采厚，m。

2)导水裂隙带

式中:HLi为导水裂隙带高度，m;M为煤层采厚，m。

3.1.3 保护层厚度

按《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，在缓倾斜煤层、顶板岩性中硬、松散层底部粘土层厚度大于累计采厚时，保护层厚度为3A(A为煤层采厚)。防水煤岩柱为导水裂隙带与保护层厚度之和。

通过计算采煤形成的导水裂隙带高度，预测结果见表1和2。导水裂隙发育高度及其与含水层的关系见剖面示意图1。

3.1.4 对含水层结构的影响

1)对基岩含水层结构的影响

煤层开采后，上覆岩层失去支撑，从而引起采空区顶板岩层的变形和塌陷，导致上部含水层结构的破坏，使地层渗透性能大大增强。

研究区3上煤层分布于研究区西北部，由东向西煤层埋深逐渐增大，煤层到上部三叠系基岩顶面的距离约10～30 m，本区基岩顶部风化裂隙带厚0～20 m，3上煤距风化裂隙带的距离只有约0～10 m。根据导水裂隙带高度计算结果，3上煤层导水裂隙带最大高度为23.42 m，防水煤岩柱最大24.77 m。煤层开采后，导水裂隙带均到达风化裂隙带，局部可到达基岩顶面，因此，3上煤层开采后，其导水裂隙带均导通风化裂隙带，使该煤层以上基岩含水层结构全部被破坏。

研究区2号煤层全井田分布，同样由东向西煤层埋深逐渐增大。2号煤层上部含水层岩性为深灰色薄层粉砂岩，各层砂岩之间夹钙质泥岩、油页岩等，为相对隔水层。2号煤层到三叠系基岩顶面的距离约35～125 m，到3上煤层的距离约100 m。

根据导水裂隙带高度计算结果，2煤层导水裂隙带最大高度为26.73 m，防水煤岩柱最大 28.83 m。煤层开采后，沿井田东南边界向北约1 km范围内的导水裂隙带可到达风化裂隙带，与风化裂隙含水层沟通，再向北的地段则不沟通风化裂隙带;同时由于2煤以上含水层岩性为粉砂岩，渗透性能较差，富水性弱，因此当导水裂隙带与风化裂隙无直接接触关系后，2号煤的开采对风化裂隙带含水层的影响也较小。

表1 3上号煤层垮落带及导水裂隙带预测结果表 m

表2 2号煤层垮落带及导水裂隙带预测结果表 m

图1 导水裂隙发育高度与含水层关系剖面图

2)对第四系含水层的影响

研究区第四系冲洪积潜水含水层主要分布于丰富川河谷区，位于井田东部边界附近(井田外)，受井田开采影响很小，其含水层结构变化很小。

研究区内第四系含水层主要是黄土含水层，全井田分布，但富水性弱，大部分地段为季节性含水。梁峁区黄土地层以下均有新近系红土隔水层与基岩含水层相隔，红土具有良好的隔水及韧性变形能力，由于3上、2煤层的导水裂隙带仅在各煤层东南部埋藏较浅的地段可到达基岩顶部，受基岩风化裂隙及静乐组红土的阻隔，采煤形成的导水裂隙难以到达黄土地层，黄土地层发生变形、破裂的可能性很小，因此对黄土地层结构及其富水性影响不大。

3.2 采煤对地下水水位的影响

3.2.1 对基岩含水层水位的影响

在煤炭开采过程中要对井下水进行疏干，在矿井长期疏干开采过程中，将会引起3上煤、2号煤顶板砂岩水位下降。

由导水裂隙带预测结果，各煤层顶板以上导水裂隙带影响范围内及其贯通的风化裂隙带影响范围内基岩含水岩组中所赋存的地下水在其开采境界内被基本疏干，水位降至各煤层底板，周围地下水位下降。

水位下降影响范围预测考虑水文计算的水位影响范围与地层沉陷偏移外扩对水位影响的双重因素，采煤引起开采境界周围地下水位下降的范围估算公式为:

式中:R为水文计算水位下降影响范围，m;S为水位降深，m;K为渗透系数，m/d。

(2)r=H/tgβ

式中:r为沉陷影响半径，m;H为导水裂隙带影响高度，m。

根据研究区区域地质勘查报告，采空区上层瓦窑堡组含水层渗透系数为0.24 m/d，未开采区煤层以上基岩含水层分为受风化裂隙影响和未受风化裂隙影响两种，未受影响区基岩含水层渗透性能较差，渗透系数取0.000 117 6 m/d，风化裂隙带参照导水裂隙带水文参数。

估算结果见表3。3上煤层开采后，引起瓦窑堡组基岩顶部风化裂隙带含水层水位下降的范围为从井田开采外边界向外约160 m左右。2号煤层开采后，在井田中北部引起瓦窑堡组基岩含水层水位下降的范围为从井田开采外边界向外约20 m左右，影响范围较小;当开采至井田内距东南边界约1 km范围内时，沟通到基岩风化裂隙带，且该区域有原红星煤矿采空区，地下水位下降的范围从井田开采外边界向外 300 m左右。

表3 采煤引起开采境界周围地下水位下降的范围估算表

以上仅为理论计算值，且计算参数均为区域类比值，考虑地质条件的复杂性和矿井水长期疏排的影响，具体影响范围会与计算值有一定误差。

研究区矿井服务期满后，不再进行矿井疏干排水，开采煤层以上含水层水位会逐渐恢复。

3.2.2 对第四系含水层水位的影响

第四系含水层接受大气降水补给，在沟谷红土缺失地段与下伏瓦窑堡组含水层之间水力联系紧密，其水位变化情况与基岩风化裂隙带含水层水位变化基本一致。梁峁区受新近系红土的阻隔，与瓦窑堡组含水层之间基本无水力联系，其水位变化主要受降雨及地形的控制，为季节性含水，水位变化受开采影响较小。

3.3 采煤对地下水资源的影响

3.3.1 矿井充水因素影响分析

根据研究区区域地质勘查报告，矿井充水因素有以下几个方面:

(1)大气降水:因研究区地表坡降大、透水性差，少量补给地下。

(2)地表水:区内地表水体均为季节性河流，在按要求留够井田边界煤柱后，不会成为矿坑的直接充水水源。

(3)地下水:区内地下水极不丰富，煤系地层含水层是煤层的直接充水含水层。煤层开采后，研究区北部3上煤层开采区和南部2号煤层浅埋区的导水裂隙带与风化裂隙潜水沟通，使该两区域风化裂隙潜水成为矿井的直接充水水源。

(4)老窑水:区内煤层埋藏浅，报废的小窑多，小窑采空区积水可能造成矿井突水。

3.3.2 开采前后的资源量变化

根据研究区区域地质勘查报告，研究区矿井正常涌水量为64 m3/d，即2.3×104m3/a。通过人工排出，造成区域地下水资源的损失。

3.4 采煤对地下水水质影响分析

煤矿开采过程中，对采煤影响到的地下水是疏干过程，不会影响开采境界外地下水水质。开采境界内由于含水层水动力条件的变化，水交替速度加快，溶解岩石中化学成分的时间缩短，可能使地下水矿化度有所降低，并与周围介质化学元素之间产生新的平衡，矿井水中各离子含量比例发生轻微变化。

3.5 对地下水环境关心点的影响分析

研究区各村庄的饮用水供水含水层是基岩顶部风化裂隙带含水层，根据前面的分析，研究区煤矿开采时对开采区及其周围300 m范围内的风化裂隙含水层有影响，当采煤进行到各村庄附近约300 m范围内时，会引起村庄饮用水井的水位下降甚至疏干。严重时会使受影响居民没水吃。

4 地下水资源保护措施

4.1 地下水资源保护

将矿井涌水资源化利用，减少或者不外排是保护地下水资源的重要措施。如将处理后的矿井水回用于矿井井下防尘、消防洒水、地面场地、道路洒水及绿化用水等。

4.2 居民生活用水保障措施

由于研究区采煤进行到各村庄附近约300 m范围内时，会引起村庄水井水位下降甚至疏干。根据当地实际情况，本文提出以下居民生活用水保障措施。

4.2.1 留设保护煤柱

由于采煤对地下水位的影响范围约为300 m，因此在受影响村庄外围(尤其是取水井周围)留设500 m的保护煤柱，可有效减轻或避免村庄居民用水受到影响。

4.2.2 在井田范围内，建立地下水水位观测系统

在井田范围内具有供水意义的水井布设地下水长期监测点，进行地下水动态观测，研究其变化规律，发现问题及时解决。

4.2.3 制定用水预案

用水预案是解决研究区受影响居民饮水安全的有力保障措施，在煤炭开采过程中一旦出现居民饮水受影响情况，应及时启动用水预案，保证受影响居民用水安全。

5 结语

地下水是我国非常重要的水源，在保障饮水安全，社会用水安全及社会发展中起到非常重要的作用。煤炭开发不可避免的会对煤矿区地下水资源产生影响，尤其是浅埋煤层开采导水裂隙带大多数会导通煤层上部的含水层，破坏含水层结构。而这些含水层大多为煤矿区井田内村庄的地下水饮用水水源，具有供水意义，因此对煤矿区煤炭开发进行了地下水环境影响评价，并采取相应的污染防治措施。对保护煤矿区地下水资源，保障煤矿区内居民饮水安全具有十分重要的意义。

［1］王大纯，张人权，史毅虹等.水文地质学基础.地质出版社.

［2］建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设和压煤开采规程.煤炭工业出版社.