刘永刚

(陕西省水资源与河库调度中心，陕西 西安 710004)

0 前言

上世纪80年代，受制于当时各方面条件，窟野河流域煤炭开采活动初期规模较小，年均产煤量不足500万 t。随着社会经济和技术条件的不断发展进步，窟野河流域年均煤炭开采量从1996年开始呈现井喷式增长，到2018年年均产煤量已超过3.5亿 t，增速超过了7 000%。大规模的煤炭开采活动为经济发展做出巨大贡献的同时，其本身对流域的水资源及生态系统产生了重大的影响，带来了诸多难以回避的问题，如地表沉陷、植被退化、河川径流量减少、地下水水源干枯和耕地生产力下降等[1-2]。随着流域水资源短缺问题日益严重，由此带来的生态环境压力也日趋增大。研究区内由于煤炭资源大规模开采产生的导水裂隙带对顶板覆岩含水层完整性结构破坏从而产生大量的矿井涌水量，导致地下水埋深的快速下降，同时在一个水文年内地下水无法充分得到补给使埋深得以恢复，最终导致地表植被干旱性缺水衰败甚至死亡[3]。为了维持窟野河基本生态环境功能，保障用水安全和水资源可持续发展，同时考虑经济发展需求，提出煤炭开采对水资源影响的分区治理方案尤为重要。因此，本文在分析窟野河流域矿井涌水量分布及其与煤炭开采量的关系的基础上，结合富水系数与研究区地质水文条件，对煤炭开采造成的影响进行分区并提出相应的治理和修复方案，分区的结果及建议可促进窟野河流域煤炭开采区水资源系统的健康发展。

1 窟野河流域矿井涌水量

矿坑涌水量主要取决于充水条件、开采规模、盘区规划及采空面积等综合影响。由于矿井大小不一且核定生产能力差异较大，因此采用两种定量指标衡量矿坑涌水量，一是矿坑涌水量大小(Q)；二是吨煤富水系数(K)[4]，即矿井每采 1t 煤时需从矿井中排出的水量。

根据实地调查收集到的66个正常开采煤矿的统计结果绘制的煤炭开采量与矿坑涌水量大小(Q)关系图1可知，从数量上看，窟野河流域大部分煤矿涌水量处于0100万 t)虽少但涌水量较大，大部分超过了10 000 m3/d，并且大型煤矿的涌水量之和为小型煤矿之和的3倍左右。大型煤矿大面积分布有第四系上更新统萨拉乌苏组含水层，上部覆盖萨拉乌苏组砂层或风积砂层，易于接受大气降水和砂层水的补给，构成了地下水赋存、运移的良好空间，且开采形成的采空面积大，故涌水量一般很大。

同样，以吨煤富水系数大小K为依据绘制其与煤炭开采量的关系图2。一般而言，煤矿充水强度可按吨煤富水系数大小划分为以下四类：(1)充水性极弱的煤矿：K≤0.1 m3/t；(2)充水性弱的煤矿：0.12 m3/t。由图中可以看到，窟野河流域吨煤富水系数K主要处于0～1.0 m3/t范围。小型煤矿的富水系数大部分较小，处在0～0.6 m3/t范围之内，充水性为极弱和弱等级。大型煤矿的富水系数与小型煤矿的情况较为相似，处在0～1.0 m3/t范围之内，充水性为极弱到较弱程度范围。富水系数大于1.0 m3/t的只有何家塔煤矿。

图2 窟野河流域煤炭开采与吨煤富水系数关系图

此外，结合涌水量关系图1可以看到，煤炭开采量与吨煤富水系数之间无直接相关性，煤炭开采量大的煤矿吨煤富水系数不一定大。这可能是由于煤矿井田内第四系萨拉乌苏组含水层及烧变岩带分布范围、厚度不均一，部分煤层埋藏相对较深，仅局部范围内导水裂隙带可能沟通至第四系萨拉乌苏组含水层，这部分水量相对较少，对煤矿充水影响较小。同时，存在部分小型煤矿可采煤层开采后形成的导水裂隙带沟通了地表与地下水系，会使煤矿充水强度增大。因此受水文地质条件、开采规模、开采方式和开采年限等的影响，吨煤富水系数与煤炭开采量无明显相关性。而煤炭开采量与涌水量大小之间存在着一定的相关性(R2>0.5)，即随着煤炭开采量的增大，涌水量也会呈现出增大的趋势。

图1 窟野河流域煤炭开采与矿井涌水量关系图

综上所述，从整体上来看，窟野河流域属于涌水量较多且充水性较弱的地区。在涌水量较大的地区中，除石圪台，凉水井以及何家塔煤矿的吨煤富水系数相对较大，整体上吨煤富水系数较小，位于0～0.5 m3/t范围之内。

2 煤炭开采量与涌水量在时间尺度上的关系

为了进一步分析煤炭开采量与涌水量在时间尺度上的关系，从上述66个煤矿中选取数据序列相对完整且具有代表性的3座煤矿进行分述。

2.1 大柳塔煤矿

根据收集到的大柳塔煤矿矿坑涌水量观测台账，绘制2013年1月-2015年12月矿坑涌水量和煤炭开采量图(图3)以及吨煤富水系数和煤炭开采量图(图4)。由图3和图4可知，2013年1月-2015年12月，涌水量平均为11 287.0 m3/d，富水系数平均为0.270 m3/t原煤。从整体上来看相较于吨煤富水系数，大柳塔煤矿的矿井涌水量和煤炭开采量的整体变化趋势相似。在2013年1月-2015年4月期间，随着煤炭开采量的增加，矿井涌水量也呈现增加趋势，这主要是开采导致冒落带导水裂隙带发育，排水通道顺畅等原因造成的。而同期吨煤富水系数却表现出减少的趋势，这说明煤炭开采量的增幅速率大于矿井涌水量的增幅速率。从2015年4月开始，吨煤富水系数和矿坑涌水量的变化趋势与煤炭开采量变化趋势正好相反，这是因为这个时期的煤炭开采量呈现减少趋势。

图3 大柳塔煤矿煤炭产量与涌水量图

图4 大柳塔煤矿煤炭产量与吨煤富水系数图

2.2 红柳林煤矿

根据收集到的红柳林煤矿矿坑涌水量数据，绘制2013年7月-2016年6月矿坑涌水量和煤炭开采量图(图5)以及吨煤富水系数和煤炭开采量图(图6)。由图5和图6可知，2013年7月-2016年6月，涌水量平均为335.0 m3/h，富水系数平均为0.181 m3/t原煤。从整体上来看，矿井涌水量与煤炭开采量的整体变化趋势相似，并有一定的正相关性。特别是在2015年2月-2016年6月期间，随着煤炭开采量的先增加再减少，矿井涌水量与吨煤富水系数也呈现先增加后减少的趋势，并且其变化的幅度均大于煤炭开采量的变化幅度。这可能是受到各导水通道的影响，大气降水、地表水、老(采)空水、地下水等充水水源主要通过露头或地面裂隙渗入第四系松散潜水含水层，因此矿井涌水量与大气降水及地表水体的水力联系非常密切。

图5 红柳林煤矿煤炭产量与涌水量图

图6 红柳林煤矿煤炭产量与吨煤富水系数图

2.3 榆家梁煤矿

根据收集到的榆家梁煤矿矿坑涌水量数据，绘制2009年-2017年矿坑涌水量和煤炭开采量图(图7)以及吨煤富水系数和煤炭开采量图(图8)。由图7和图8可知，2009年-2017年涌水量平均为181.2万 m3，富水系数平均为0.105 0 m3/t原煤。从整体上来看，矿井涌水量和吨煤富水系数及煤炭开采量均呈现减小的趋势，但矿井涌水量与煤炭开采量的变化趋势基本一致，同期吨煤富水系数持续减小。煤炭开采量与涌水量均在2014年之前呈现波动稳定，而在2014年之后出现快速减少趋势。分析这主要可能是由于煤矿开采一段时间后，随着冒落带中地层变形的发展及稳定，导水裂隙带挤压变形趋于稳定，同时导水裂隙带受到碎石的堵塞渗透系数逐渐变小，矿坑涌水量减小的速率开始增大。

图7 榆家梁煤矿煤炭产量与涌水量图

图8 榆家梁煤矿煤炭产量与吨煤富水系数图

综上所述，窟野河流域煤炭开采量与涌水量在时间尺度上的变化趋势较为相似，具有一定的正相关性，而煤炭开采量与吨煤富水系数在时间尺度上的变化趋势具有一定的差异性。初期由于地层中含水量大、冒落带导水裂隙带发育，排水通道顺畅，随着煤炭开采量的增大，涌水量也呈现增大趋势；而随着煤炭开采的继续，冒落带中地层变形继续发展，导水裂隙带挤压变形趋于稳定，导水能力下降，此时矿坑涌水量出现衰减过程；之后，当随着冒落带中地层变形的发展及稳定，导水裂隙带挤压变形稳定，矿坑涌水量处于稳定状态，此时矿坑涌水量保持波动趋势。

3 煤炭开采对水资源影响分区评价

3.1 分区方法研究

根据研究区煤层赋存情况和导水裂缝带发育规律，煤炭开采对水资源的影响可分为直接影响和间接影响[5]。在导水裂缝带贯穿第四系潜水含水层的区域为直接影响区，含水层地下水将通过导水裂缝带涌入矿井。在导水裂缝带未贯穿第四系潜水含水层的区域为间接影响区，煤炭开采改变了地下水的动力条件，地下水主要以越流的形式渗入矿井。

在上述两种分区方法的基础上，参考张树奎[6]对黄河流域中游头潼区间煤炭开采对水资源量影响分区的研究，将裂隙带发育高度是否贯穿至地表的结果[7]与矿井涌水量及吨煤富水系数的分布情况叠加得到研究区水资源影响分区图，进而划分煤矿开采对水资源的三种影响分区：破坏顶板含水层(承压水)且富水性极弱(K<0.1)的区域(无影响区)、破坏顶板含水层(承压水)且富水性一般(K>0.1)区域(影响一般区、)破坏顶板萨拉乌苏组含水层(潜水)区域(影响严重区)。

3.2 分区结果及治理方案

通过对研究区潜水含水层厚度的统计分析，结合研究区煤层、含水层、隔水层的赋存状况，根据上述三种分区依据，绘制窟野河流域煤矿主采区煤炭开采对水资源影响分区图9。从图中可以看到研究区煤炭开采对水资源的影响分区大部分为影响一般区，并且影响严重区不可忽视，需及早重点治理。具体的分区结果如下：

图9 窟野河流域煤矿主采区煤炭开采对水资源影响分区图

影响严重分布区情况：采煤导水裂隙带发育至第四系萨拉乌苏组含水层直达地表。影响严重区主要分布在窟野河流域中部地区。除榆家梁煤矿附近较为集中外，其他于流域中部零散分布着，主要位于沟谷地段斜坡区。煤层开采形成的导水裂隙带发育至地表，破坏顶板萨拉乌苏组含水层，导水裂隙带范围内的含水层中地下水将全部转化为矿井水，属于影响严重区。随着开采的进行，第四系潜水位呈逐年下降趋势，开采导水裂隙带导通第四系的局部区域内会造成地表第四系井水及出露泉水枯竭或者断流，无法维持生态环境功能，同时地表植被干旱性缺水衰败甚至死亡，无法保证最大程度地保护物种多样性和生态系统的完整性，生态持续恶化，亟待采取完善的修复手段即刻进行重点修复。

影响一般区分布情况：影响一般区主要分布在窟野河中上游地区，并且占到了煤矿集中分布区的3/4以上。煤层埋藏较深，采煤导水裂隙带发育大多至上覆基岩中或上覆煤层底板。窟野河流域导水裂隙带发育大多在100 m左右，而煤层埋深基本在200 m左右，使得煤炭开采对水资源造成的影响并非特别显著。矿井内富水系数大部分在0.1～0.6 m3/t区间，充水性偏弱，但在煤炭开采量较大的煤矿中，涌水量大多大于1 000 m3/d，对地下含水层的扰动较大，因此其对地下水资源的影响不可忽视。通过导水裂隙带渗漏的水量也需考虑，可维持基本生态环境功能并且水资源短缺问题已有明显改善，基本可保证区域内用水安全，但物种多样性和生态系统完整性仍需持续关注。影响一般区主要在煤炭集中分布区，包含大部分窟野河正在开采以及准备开采的煤矿。为了保证区域内用水安全及生态系统可持续发展，应未雨绸缪及早规划，开发与修复共同进行。

无影响区分布情况：无影响区分布无明显特征，且其分布较少，大部分位于主采矿区周边。与影响一般区不同的地方是虽然其在上覆基岩中发育，但其隔水层分布稳定，矿井内富水性极弱，涌水量大多小于500 m3/d。生态环境功能可持续维持，并有一定应对风险的能力，生态环境持续改善，物种多样性得到保护，用水安全得到保障。但随着开采的持续进行，导水裂隙带的进一步发育，其很有可能会突破隔水层与第四系潜水连通，因此无影响区在未来也不一定安全，此区域内应对水资源变化和生态环境变化给与关注，需及早制定相应的政策及方案来减缓或阻止导水裂隙带的持续发育，保证区域内生态系统及水资源可持续发展。

4 结语

综上，煤炭资源开发既受到地表水、地下水水资源的影响，又影响到地表、地下水的水质和水量，从而影响了水资源环境的平衡状态。针对窟野河流域煤炭开采对水资源造成的影响，我们应该从资源合理开发利用的整体要求出发，坚持量水而行、生态优先、重点突出、空间均衡的分区水资源保护总原则[8-9]，加强煤炭资源开发中保护水资源环境的措施，开发与保护相结合，促进水资源的合理利用[10]。