煤礦開采對洪山泉域的影響

盧麗娜

（山西水資源研究所有限公司，山西 太原 030001）

1 洪山泉域概況

洪山泉是著名的歷史名泉，出露于晉中介休市東約10 km 的洪山鎮狐岐山腳下，泉口標高916 m，高出太原盆地180 m。洪山泉是大氣降水從泉域南部山區入滲，形成的地下水向北部運移，受到東西向斷層北盤的石炭、二疊系隔水地層阻擋，在介休市東南方向的洪山鎮溢流地表而形成的泉水，屬斷層溢流泉，泉水大部分分布在0～1 000 m 內，由小池泉、七里泉、源神池泉、黑虎泉（四眼泉統稱為神泉）及槐柳泉等組成，形成集中排泄的泉群。洪山泉排泄區平面分布見圖1。

圖1 洪山泉排泄區平面分布圖

洪山泉域總面積為632km2，重點保護區面積50km2。泉域跨晉中市和長治市，其中晉中市包括介休市和平遙縣，面積308 km2，長治市包括沁源縣，面積324 km2。洪山泉泉域面積在全省19 個巖溶大泉中屬面積較小的泉，泉域地質構造復雜、補給少，水生態極其脆弱。建國初期，洪山泉實測泉水流量1.28 m3/s，1954 年建立水文站開始定期測流，1966—1973 年停止流量觀察，1974 年恢復測流，資料一直連續至今，通過泉流量資料的插補，得到1955—2018 年洪山泉流量及年際變化曲線。洪山泉流量變化曲線見圖2，洪山泉流量與降水量動態變化關系見圖3。

圖2 洪山泉流量變化曲線圖

圖3 洪山泉流量與降水量動態變化相關曲線圖

從圖2、圖3 可以看出，洪山泉流量的變化過程可以分為五個階段：

第一階段為1955—1970 年：泉水平均流量為1.45 m3/s，流量變化呈波狀起伏、峰谷交替狀態，反映出大氣降水周期性變化的特點，此階段主要受自然因素影響。

第二階段為1971—1995 年：泉水平均流量為1.02 m3/s，泉水流量變化整體呈動態下降的趨勢，峰谷變幅逐漸減小，說明此階段泉水流量的變化主要受人類活動影響。

第三階段為1996—2003 年：泉水平均流量為0.57 m3/s，泉水流量直線下降，流量變化整體呈衰減的趨勢，由圖3 可以看出，此階段泉流量變化與大氣降水呈負相關，說明自然因素不是造成泉流量衰減的主要影響因素，人為因素占主導原因，且影響越來越大，到2003 年，洪山泉流量已降至0.142 m3/s。

第四階段為2004—2008 年：泉水平均流量為0.22 m3/s，泉水流量變化趨勢有所回升，但仍處于較低波動水平，由此可以看出，人類活動對泉流量有著直接的影響。

第五階段2009—2018 年：泉流量變化整體仍呈衰減趨勢，說明人類活動對泉水流量的影響進一步加劇。

從五個階段所計算的洪山泉流量衰減率也可以看出，1996—2003 年間、2009—2018 年間泉流量急劇衰減，衰減率分別達到10.54%、9.57%，巖溶水過量開采及煤礦生產等人類活動對洪山泉影響巨大。2010 年5 月，泉流量已經下降到0.04 m3/s；2016—2017 年間，泉水最大流量0.008 m3/s，并出現間歇性斷流現象。洪山泉域不同時期（階段）泉流量衰減率統計見表1。

表1 洪山泉域不同時期（階段）泉流量衰減率統計表

2 泉域地質與煤礦帶壓開采區地質

2.1 泉域構造及水文地質條件

2.1.1 地層及構造

洪山泉域的地層由老到新為：前震旦系（Ar）、震旦系（Z）、寒武系（∈）、奧陶系（O）、石炭系（C）、二疊系（P）、三疊系（T）、第三系（Q3）、第四系（Q4）。

洪山泉域水文地質條件復雜，泉域內斷裂構造、褶曲構造發育。斷裂構造主要有NE 向和NW ～NNW向斷裂，前者為晉中新裂陷的東邊山斷裂，后者除介西斷層等大斷裂外，境內多為派生斷裂；區內主要發育軸向為NEE 和NNW 向的兩組褶曲，前者位于泉域西部，后者位于泉域北部邊緣，并組成向SE 收斂的弧形構造。

2.1.2 地下含水層

洪山泉域主要含水層有：（1）奧陶系碳酸鹽巖巖溶含水巖組主要由石灰巖、白云巖等組成，接受補給條件好，屬富水性極強的含水層；（2）太原組碎屑巖夾磷酸鹽巖巖溶巖組主要由K2、K2上、K3、K4灰巖組成，由于埋藏較深，厚度薄，巖溶裂隙不甚發育，接受補給條件較差，為富水性較弱含水層；（3）碎屑巖類裂隙含水巖組主要由山西組及石盒子組砂巖裂隙含水層組成，分布在東南及東部山區，巖性主要為紫紅色砂質泥巖和灰黃色、灰紅色細砂巖以及灰黃、灰紅色帶灰綠色長石砂巖；紫灰色砂質泥巖、泥巖；（4）第四系中上更新統松散巖類孔隙含水巖組含水層巖性為砂卵石，含水層厚度為30～70 m，富水性弱，主要分布在山前丘陵區及傾斜平原區，且分布不均勻，水的流向與地表水的流向大致相似，是居民生活用水的主要水源；（5）第四系全新統松散巖類孔隙含水巖組含水層巖性大部分為粉細砂、中砂，少數為粗砂夾礫石，主要分布在沖積平原區，水的流向與地表水的流向相似。

2.2 洪山泉域煤礦地質

洪山泉域橫跨霍西煤田和沁水煤田，含煤地層為石炭系太原組和山西組。含煤地層共11 層，編號為山西組1 號、2 號、3 號，太原組4 號、5 號、6 號、7 號、8 號、9 號、10 號、11 號。其中：2 號、9 號、10 號、11 號為較穩定的可采煤層，其余煤層僅局部可采或不可采。煤層厚度1.3～3.5 m，為中厚層煤，煤種主要為煉焦煤，部分為瘦煤。目前，淺部煤層已基本采完，主采埋藏較深的下組煤（即9 號、10 號和11 號煤層）。

根據調查，截止2019 年底，洪山泉域內共有煤礦28 座，其中介休市10 座煤礦，平遙縣7 座煤礦，沁源縣11 座煤礦。在28 座煤礦中，有24 座生產煤礦，4 座非正常生產煤礦。

2.3 洪山泉域煤礦帶壓開采區劃分

洪山泉域煤礦依據9+10 號煤層標高與相應巖溶水水位標高進行帶壓開采區劃分。將洪山泉域2019 年巖溶水等水位線與煤礦9+10 號煤層底板等高線圖層疊合，若巖溶水位高于9+10 號煤層底板等高線，則表示帶壓，反之為不帶壓。根據統計結果，洪山泉域有18 座煤礦存在帶壓開采，開采面積共57.732 4 km2。

洪山泉域煤礦帶壓開采區具體劃分結果如下：

（1）介休市在泉域內的帶壓開采煤礦有10 座，除左側溝礦、青云礦、鑫峪溝礦、鴻發礦基本為全井田帶壓開采煤礦以外，其余6 座煤礦均為部分帶壓開采。（2）平遙縣在泉域內的帶壓開采煤礦有5 座，其中，除溫家溝煤礦為全井田帶壓開采煤礦以外，其余4 座煤礦均為部分帶壓開采煤礦。（3）沁源縣在泉域內的帶壓開采煤礦有3 座，均為部分帶壓開采煤礦。

值得注意的是，煤礦的帶壓開采范圍是隨著巖溶水位的變化而變化的，2019 年巖溶水水位較2010 年巖溶水水位低（平均下降10～20 m），帶壓開采區面積也比2010 年帶壓開采區面積小。

3 煤礦開采對洪山泉域的影響

3.1 煤礦非帶壓開采對巖溶水系統的影響

煤炭非帶壓開采將會改變地層結構與流域下墊面條件。如今機械化綜采放頂法的采煤方式，導致“上三帶”與“下三帶”的形成，在此區域地層的空間結構將會發生改變，產生很多大小不等的采動裂隙，也有可能使隔水斷層變成導水斷層。同時，形成了一系列次生地質環境問題，如地面塌陷、地裂縫等。這些構造形跡改變了流域下墊面條件以及產匯流條件，導致降雨、河流在地面塌陷、地裂縫等區域下滲量增加，并沿導水裂隙進入礦坑，最后以礦坑排水形式排出地表，其他區域下滲量則相應減少，從而對巖溶水的補給量造成一定影響。

煤炭非帶壓開采會對地下水流動系統造成一定影響。地下水系統是不同含水層組成的相互獨立又相互聯系的復雜地下水流動系統。不同含水層的補給、徑流、排泄條件各不相同，各含水層之間的水量交換也遵循著達西定律。煤碳開采不僅會對煤系地層含水層造成直接破壞，而且還會對煤系上覆含水層產生間接影響。上覆含水層中的地下水將會沿著導水裂縫進入礦井形成礦井水，從而使含水層水位下降，垂向越流量減少，對巖溶水的補給量也將減少。

煤炭非帶壓開采會對地下水水質造成一定影響。采煤破壞了原來地層埋藏的環境條件，由之前的還原環境變為氧化環境，從而影響著水-巖相互作用以及水文地球化學作用。最具影響的屬黃鐵礦在氧化環境條件下發生氧化，產生大量的SO42-，受污染的礦井水在巖溶陷落柱、導水斷層以及圍巖底板應力釋放后產生的導水裂隙下滲，影響巖溶水水質。

3.2 煤礦帶壓開采對巖溶水系統的影響

煤礦帶壓開采對巖溶水的影響十分巨大。一方面，大部分帶壓開采的煤礦會采取疏水降壓的方式以保證安全采煤，排放大量巖溶水，使巖溶水水位降到安全采煤條件以內，這會對巖溶水產生直接破壞，從而導致巖溶水水位急劇下降。另一方面，若巖溶水水位高于煤系含水層地下水水位時，在巖溶陷落柱、導水斷層等導水通道的聯系下，巖溶水會通過導水通道補給到煤系含水層，對煤系含水層產生破壞，形成大量采空區，煤系上覆巖溶水會通過補給采空區的形式進入礦坑，然后通過礦坑排水排出地表，對巖溶水系統造成破壞。

煤礦帶壓開采對巖溶水的影響還表現在巖溶水突水事故中。依據《煤礦防治水規定》“一般情況下，在具有構造破壞的地區按0.06 MPa/m 計算，隔水層完整無斷裂構造破壞地區按0.1 MPa/m 計算”。由此可知，當煤礦突水系數＜0.06 MPa/m 時，為相對安全區；煤礦突水系數＞0.1 MPa/m 時，存在很大突水風險，應禁止開采；煤礦突水系數介于0.06～0.1 MPa/m 時，應詳細查明區內地質構造情況，若構造條件復雜，則存在突水隱患，不宜開采，若構造條件簡單，則可以開采。

3.3 煤礦突水事故對巖溶水系統的影響

煤層底板突水是由于煤層底板的破裂和變形，地下水在煤礦開采過程中突然涌入礦井內部，造成礦井內部水位急劇上升，對煤礦安全生產危害嚴重。

洪山泉域自2017—2019 年接連發生了幾起突水事故，均為帶壓開采情況下突水，2017—2019 年由于煤礦突水造成洪山泉域巖溶水排泄量估測達980 萬m3。其中，2017 年煤礦突水對泉域巖溶水的排泄量估測達314 萬m3，2018 年煤礦突水對泉域巖溶水的排泄量估測達555 萬m3，2019 年煤礦突水對泉域巖溶水的排泄量估測達111 萬m3。泉域泉口水位埋深從2018 年7 月的5 m，下降至2019 年9 月的16 m，1 年多的時間泉域巖溶水位下降達11 m。由此可見，泉域煤礦突水對泉域巖溶水的影響巨大，接二連三的突水事件加劇了泉域巖溶水水位的下降。

根據最新修訂的《煤礦防治水細則》，底板受構造破壞塊段突水系數若≤0.06 MPa/m，則為帶壓開采相對安全區。根據相關煤礦水環境影響評價報告，煤礦允許開采區域突水系數均＜0.06 MPa/m，按照現有突水系數理論屬于帶壓開采相對安全區，但在實際煤礦開采的過程中均發生了突水事件。幾座煤礦均位于洪山泉域北部邊界洪山卜宜隱伏斷層與化家窯斷層之間的區域，構造斷裂發育，富水性強，可以認定，現有突水系數相對安全區理論的普遍性已不適應該區域，且該區域煤礦突水系數＜0.06 MPa/m 的區域也不應劃為帶壓開采相對安全區。

4 結語

綜上所述，煤礦開采對洪山泉域巖溶地下水及巖溶系統影響極大。非帶壓開采煤礦對巖溶水的影響主要表現在煤礦開采改變了地下含水層結構與泉域下墊面條件，對巖溶地下水補給、徑流、排泄條件造成破壞；采煤形成的裂縫會不同程度的導入煤系地層上覆各含水層，地下水沿導水裂隙下滲進入礦井形成礦井水排出地表，將造成巖溶水補給量減少，影響對巖溶含水層的正常補給。此外，帶壓開采煤礦在生產過程中由于巖溶水位高于煤層開采標高，導致巷道底板應力釋放而變形破壞，相對隔水層承受不了巖溶水壓力而涌入礦井，尤其是處在構造發育、地層破碎帶位置上的礦井，極易造成巖溶水涌入巷道甚至發生突水，對巖溶水的影響及危害極大。

因此，相關部門應加強洪山泉域煤礦開采管理，根據采礦活動對泉域水環境的影響程度，對泉域范圍內煤礦嚴格實施禁采、保水限采等措施，嚴禁越界開采；加強對煤礦突水的預防和控制，確保煤礦不再發生突水事故；建立地下水動態監測系統，在煤炭開采過程中，及時觀測巖溶地下含水層水位、水量的變化情況，并制定相應的防水治水措施；加大實施洪山泉域生態保護工程，增強河道滲漏補給，加快促進洪山泉域生態修復。