零散區塊煤炭資源開采對周邊水庫水資源的影響
——以幸福水庫為例

陳 川,陳俊賢

(貴州省地礦局117地質大隊,貴州 貴陽 550018)

0 引言

擬建某零散區塊位于貴州省黔西南州普安縣青山鎮歹蘇村長沖至野鹿寨一帶,距普安縣城直距約26 km、青山鎮北東約14 km,距興仁市18 km。地處貴州高原向廣西丘陵過渡的斜坡地帶,受西面的馬別河和東面的麻沙河深切割控制,地形起伏較大,溝壑縱橫,山脊走向近東西向,總體地勢南北低、中間高,相對高差較大。貴州省煤炭資源礦業開發對周邊水庫等水資源的影響一直以來都是經濟發展和生態保護的焦點問題,因此對該類問題的研究,具有重要的經濟、環境效益,為類似工作提供參考。

1 鄰近礦井及水庫概況

1.1 王家寨煤礦

1.1.1 開采現狀

王家寨煤礦位于零散區塊東200 m,礦區面積為2.539 5 km2,生產規模45.00萬t,開采深度:自1 850 m至1 100 m標高?？刹擅簩?層,目前采空區底板標高1 515 m?，F階段礦井正常涌水量為55.38 m3/h,最大涌水量為166.12 m3/h。礦井年度產生的礦井正常涌水量為48.51萬m3。礦區主要礦體位于當地最低侵蝕基準面之上,地形有利于自然排水[1]。充水含水層富水性差,以大氣降水補給為主,地下水補給條件差,為頂板直接進水的充水礦床。礦床水文類型為Ⅱ類Ⅱ型即水文地質條件復雜程度中等。

1.1.2 地質環境影響現狀評價

區內發育2處滑坡均位于龍潭組17、18、19號煤層露頭線附近,1處崩塌位于飛仙關組地層斜坡陡峭處,均由采礦引發。周邊沒有較大河流和泉水,溪溝水量沒有明顯減少的現象發生。水流量受大氣降水控制以及季節影響。采礦活動對地表水影響較小。

1.2 興隆煤礦

1.2.1 開采現狀

興隆煤礦位于零散區塊北200 m,礦區面積為3.901 8 km2,生產規模60萬t/a,開采深度1 700～1 300 m?？刹擅簩?層,目前采空區底板標高1 490 m?，F階段礦井正常涌水量107 m3/h,最大涌水量210 m3/h。礦井年度產生的礦井正常涌水量93.732萬m3。礦區內所有礦體位于當地最低侵蝕基準面以上;充水源地下水以基巖裂隙水為主,直接充水含水層富水性弱,頂板直接充水含水層富水性弱-中等[2];地形有利于自然排水。礦床水文地質勘探類型可劃歸為Ⅱ類Ⅰ型即水文地質條件簡單的裂隙充水礦床[3]。

1.2.2 地質環境影響現狀評價

區內發育1處滑坡均位于龍潭組C3、C4號煤層露頭線附近,3處崩塌和1處泥石流位于飛仙關組地層斜坡陡峭處,均為采礦引發。周邊沒有較大河流和泉水,溪溝水量沒有明顯減少,水流量受大氣降水控制、季節影響。采礦活動對地表水影響較小。

1.3 幸福水庫

位于零散區塊西2.7 km,幸福水庫原設計壩址以上集雨面積 18.037 km2。水庫為Ⅳ等小(1)型水庫。大壩為均質土壩192 m×31.5 m(長×高)。正常水位1 605.3 m,設計洪水位1 607.49 m,校核洪水位1 607.57 m,幸福水庫總庫容801萬m3。如圖1所示。

圖1 零散煤炭資源區與鄰近礦井、水庫的位置關系Fig.1 Location relations of scattered coal resource areas and adjacent mines and reservoirs

壩址多年平均徑流量1 236萬m3。水庫地下水系統天然補給量計算公式:Q=M×365×86.4×F,計算得:102.29萬m3/a。幸福水庫水資源地表水補給來源占92.36%,地下水補給來源占7.24%,因此幸福水庫水資源主要是地表水補給來源。

2 零散區塊水文地質條件

2.1 區域水文地質

零散區塊所處大地構造位置屬于揚子準地臺黔北臺隆六盤水斷陷普安旋扭構造變形區中部,放馬坪背斜西北翼。地表分水嶺從斷頭山—香龍山一線為區域南盤江與北盤江水系的分水嶺。零散區塊位于該水文單元的補給區。區域內碎屑巖分布面積較廣,大氣降水為該區域主要補給來源,地下水總體流向從北向南徑流,補給條件差,徑流途徑短,富水性弱,具有當地補給與排泄特點,其排泄不受外圍的深切割河流控制。當地最低侵蝕基準面為幸福水庫1 600 m。

2.2 零散區塊水文地質

2.2.1 含、隔水巖組(層)特征

根據礦區內出露地層巖性組合、地下水賦存條件、水力性質及特征等自上而下,見表1。

表1 零散區塊含水巖組特征

2.2.2 地下水的補給、徑流、排泄條件

區塊內孔隙潛水主要接受大氣降水的入滲補給。蒸發及其他垂向排泄是潛水排泄的方式。

區塊內主要出露地層為三疊系下統飛仙關組(T1f)裂隙含水層,補給條件差,富水性弱,主要以上層滯水及風化裂隙水賦存,受降水下滲補給后沿巖層傾向徑流并在溝谷處形成侵蝕泉。具有補給條件差、徑流途徑短,當地補給當地排泄的特點[4]。

總之,零散區塊內的每一個小沖溝都是一個補、徑、排完整的水文地質單元,其地表分水嶺就是水文地質邊界,地下水在沖溝中就近補給就近排泄。

2.2.3 主要構造破碎帶對地表水和地下水的影響

區塊內地質構造較為簡單,區內未發現褶曲及斷層。構造破碎帶及斷層則對地表水和地下水影響小。

2.2.4 地表水、地下水動態特征

零散區塊靠近分水嶺地帶,由于三疊系下統飛仙關組碎屑巖區相對阻水,附近的井泉出露較少,地表坡度較陡,有利于地表水排泄。零散區塊內發育2條季節性溪溝均向南西匯入野鹿寨—兩岔河溪溝,最終匯入幸福水庫。論證區地表水動態變化明顯,主要受大氣降水補給,與大氣降水具有正相關性,地表水的動態具有急漲暴落的山區雨源型河流特征,屬于不穩定型。而據附近礦山排水量隨動態隨季節變化較為明顯,屬于較穩定型[5]。

2.2.5 地下水埋深

從收集附近井田鉆孔所觀測的靜止水位埋深看出,在地勢高的坡頂地帶,地下水位埋深大;在地勢低的坡腳地帶,地下水位埋深小。水位標高+1 610.04～+1 776.96 m,各鉆孔平均水位標高為+1 688.50 m。

2.3 礦井涌水量預測

根據相鄰井田涌水量資料,王家寨煤礦、興隆煤礦和零散區塊的地質、水文地質和工程地質條件相似,且井筒巷道布置方式、掘進方法、采煤方法均基本相似,因此將3個井田看似為1個“大井”,采用比擬法對礦井涌水量進行預測[6]。

以“大井”預測計算為基礎,按照規劃零散區塊面積在“大井”中所占比例,估算出規劃零散區塊開采礦井涌水量,即正常涌水量1 189 m3/d,最大涌水量2 333 m3/d。

2.4 礦床水文地質結構分析

2.4.1 充水水源分析

零散區塊充水水源分析見表2。

表2 零散區塊充水水源分析

2.4.2 礦床水文地質條件類型

零散區塊地下水為基巖裂隙水;茅口組強含水層與龍潭組可采煤層之間,有厚度較大的峨眉山玄武巖組地層組成的隔水層;龍潭組是礦床充水的直接含水層,長興大隆組是礦床充水的間接含水層,這些充水含水層含少量基巖裂隙水,富水性弱;從煤層的分布情況看,區內大部分可采煤層位于當地侵蝕基準面(1 600 m)之下。

綜上所述,井田水文地質屬于第二類型,即是頂板充水為主的基巖裂隙充水礦床,水文地質條件中等[7]。

3 零散區塊開采對水庫水資源影響分析

3.1 煤礦開采對水庫大壩安全的影響分析

零散區塊開采的煤層開采后最大影響半徑為273.08 m,遠遠小于礦界到大壩的2 700 m,其影響范圍有限,且礦井采用填充法開采,因此理論上地表移動不會波及到大壩[8]。

3.2 煤礦開采對地表水的影響分析

零散區塊低中淺切割侵蝕地貌山區,地形起伏,沖溝坡度較大,有利于地表排泄,地表發育2條季節性溪溝最終匯入幸福水庫,其地表水與地下水之間的水力聯系主要通過飛仙關組(T1f)含水層進行溝通。根據計算,最大導水裂隙帶高度標高點為17煤層頂板上方37.73 m,未來導水裂隙帶與冒落帶只進入P3c+d層,不會進入T1f[9]。而17號煤層距地表溪溝河床底板覆巖厚度約310 m,覆巖為飛仙關組(T1f)透水性極差的泥巖、粉砂巖等,屬于隔水層,零散塊段開采產生地表裂縫與采空區貫通的可能性較小[10],地表水發生漏失的可能性小,不會改變溪溝的匯水功能,也不會直接影響溪溝的水量[11]。

3.3 煤礦開采對地下水的影響分析

采用徑流模數法估算零散區塊開采排水對水庫地下水補給量的減少影響量。Q=M×365×86.4×F,計算得:7.75萬m3/a。而水庫地下水天然補給量102.29萬m3/a,對幸福水庫地下水補給年影響程度為7.5%,由于幸福水庫水資源主要是地表水補給,幸福水庫水資源地表水補給來源占92.36%,地下水補給來源占7.24%,且地下水水資源補給主要為大氣降水,因此零散區塊開采對幸福水庫地下水水源補給影響很小。

3.4 水庫側滲對零散區塊的影響分析

未來零散區塊開采含水層影響范圍為1 128.17 m,其影響邊界距幸福水庫約2 km;影響半徑邊緣地帶的地下水位標高1 688.50 m,也高于水庫正常水位標高1 605.3 m;幸福水庫和零散區塊之間有飛仙關組(T1f),長興-大隆組(P3c+d)、龍潭組(P3l)3個弱透水層相隔,富水性弱,地下水補給條件差,因此煤礦開采在總體上不會改變與水庫區域地下水的徑流條件,其開采使水庫滲漏的可能性小[11-12]。

4 結論及建議

通過對零散區塊開采對水庫水資源影響的分析可知,煤礦開采后對幸福水庫壩體的安全沒有影響。區塊開采使附近地表水發生漏失的可能性小。零散區塊開采對幸福水庫地下水水源補給影響很小。零散區塊開采使水庫滲漏的可能性小。

(1)開采前要做好地質勘查工作,特別是礦區水文地質勘查工作,選擇正確的煤炭開采方式,可避免在煤炭開采過程中對地下含水層結構的破壞及由此產生的一系列水資源環境失衡的問題。

(2)零散煤炭資源區塊未進行過地面物探工作,對于斷裂構造的富水性、導水性研究相對較少,且井田內不排除存在隱伏導水構造的可能,由于隱伏導水構造突水具有隱蔽性、突發性和滯后特征,因此應采用井下物探探測、鉆探驗證的方法查明構造的位置、規模,從而分析構造的導水性。

(3)在地面修筑截排水溝,保證地表水流入排水溝;對能引起地表水滲入井下的各種通道,如地裂縫等,用粘土或水泥進行堵填,防止地表水的滲入。

(4)地表植被恢復,加強采空區治理,提高土地復墾效率,植樹造林,以提高流域的天然蓄水能力。

(5)完善地下水位、水量、水質動態檢測,及時、準確地掌握本礦地下水質量變化動態,加強地下水質量監測系統建設。

(6)由于各礦區煤層厚度變化較大,導致采深變化也較大,可根據煤礦的開采實際情況將對水資源的影響降到最低,根據評價結果對煤礦布局合理性、采煤方案的可行性進行分析,以達到有效保護水資源的目的。