采煤条件下地表水入渗特征研究.pdf

2 0 1 2年6月 矿 业安 全 与 环 保 第3 9卷第3期 采煤 条件 下地表水入 渗特征研究 姚光华 ，陈正华 ，向喜琼 1 ． 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室 成都理工大学 ， 四川 成都 6 1 0 0 5 9 ； 2 ． 外生成矿 与矿 山环境重庆 市重 点实验 室 重庆地质 矿产研究 院 ， 重庆 4 0 0 0 4 2 ； 3 ． 煤炭资源与安全开采国家重点实验室重庆研究中心， 重庆 4 0 0 0 4 2 ； 4 ． 喀斯特环境与地质灾害防治教育部重点实验室 贵州大学 ， 贵州 贵阳 5 5 0 0 0 3 摘要 在采空区、 采煤沉陷影响区以及影响区边界外 ， 采用试坑渗水试验方法， 结合地面水文地质调 查和钻孔地 下水位简易水文地质观测结果 ， 综合分析 了采煤条件下的地表水入渗特征。对比 1 9 5 5年与 2 0 1 1年两个时期 的地下水位值及地表水入渗量 ， 可以认为 采空 区上方地表岩体破碎， 隔水层失去隔水 作用， 与含水层融为统一含水体； 采 动影响范围以内， 钻孔地下水位下降值最高达 到 8 6 ． 3 0 I n ， 地表 水入 渗量最高可达到未受采动影响时经验 数值 的 3 1 ． 6 1倍 ； 采动影响范围以外 ， 地表水入渗量基本 不变， 地 下水位 无明显下 降。 关键词 岩溶山区； 采煤沉陷； 地表水； 入渗特征 中图分类号 T D 7 4 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 1 2 0 3 0 0 1 2 0 4 我国是世界上 以煤炭 为主要 能源 的国家之一 ， 而 9 5 ％ 以上 的煤炭产量来 自井 工矿井 。煤炭 地 下开采使地表产生裂缝 ， 地表水沿裂缝 向采矿沉 陷 区渗漏 ， 地下水位大幅下降 ， 造成水资源严重短缺和 水环境严重破坏。“ 八五” 国家攻关项 目“ 采矿条件 下地下水环境效应及水资源保护利用研究 ” ， 对采矿 塌陷区包气带土壤水分 运移进行 了实验研究 ， 阐明 了塌陷对包气带土壤 水分运移 的影 响， 这是 国内首 次对采煤塌陷区和非塌陷区包气带水分运移开展实 验研究 J 。随后 ， 许多学者开始进 行采矿塌陷 区包 气带土壤水 的研究 工作 一 J ， 取得 了令人鼓 舞 的成 果 。但研究重点 多侧 重在表层土壤水 、 生态环境方 面 ， 成果多为定性讨论 ， 对于岩溶山区这种 以基岩裸 露为主的采煤条件下地下水 的系统研究鲜有报道。 南桐煤矿 是西南 岩溶 山 区最早 开发 的老矿之 一 ，于 1 9 3 8年投产， 至今已有 7 0余年的开采历史， 长期 的煤炭开采形成了大面积的采煤沉陷区。笔者 以该矿区为主要研究对象 ， 采用地面水文地质调查 、 收稿 日期 2 0 1 1 1 1 - 2 4； 2 0 1 2 0 3 - 2 3修订 基金项 目 重庆市国土资源和房屋管理局2 0 1 0年科技计 划项 目；国 土 资 源 部 公 益 性 行 业 专 项 科 研 经 费 项 目 2 0 0 9 1 1 0 3 6 作者简介 姚光华 1 9 6 3 ～ ， 男， 博士研究生， 主要从事矿 产地质 、 岩土工程 和地质工 程工作。E m a i l c h e n z h e n g h u a 3 6 9 1 26． c o rn。 】 2 钻孔地下水位监测 、 试坑渗水试验等手段 ， 对比 1 9 5 5年 与 2 0 1 1年两个时期 的地下水位值及地表水人渗量 ， 研究岩溶 山区采煤条件下 的地表水入渗特征。 1 研究 区背景 1 ． 1 地 形地 貌 研究区为一北东低 、 南西高 的侵蚀 、 剥蚀形成 的 低山丘陵地貌 ， 大部分 区域基岩裸露 ， 山脉走 向与构 造方 向基本一致 ， 地形最高处为南部山脊泡通坪 ， 标 高 7 5 0 m， 最低点位于北部温塘附近的蒲河河床， 标高 2 6 5 ． 0 I l l ， 相对高差 4 8 5 ． 0 I T I ， 一般标高 5 5 0～ 3 0 0 m。 1 ． 2 地 层岩 性 研究区内出露最老地层为二叠系下统栖霞组 灰 岩 ， 最新地层为第 四系松散层。以三叠 系 T 泥 岩 及灰岩分布最广 ， 二叠系 P 泥岩 、 砂岩 、 灰岩次之 ， 第 四系 Q 粉 质黏 土仅 分 布于地 形低洼 的河谷 两 岸 。其 中含煤地层为二叠系上统龙潭组 P ， 1 。 1 ． 3构造 研究 区内主要构造为乌龟 山背斜 ， 走 向近南北 ， 核部地层为二叠 系一三叠系 ， 两翼 地层为三叠 系～ 侏罗系 ， 东翼地层产状 6 0 。 ～9 0 。 Z2 0 。～4 8 。 ， 西翼地 层产状 2 4 0 。 ～2 7 0 。 Z 5 5 。 ～8 0 。 。 乌龟山背斜 南端发 育 了王家 坝 向斜 ， 向 N E倾 伏， 倾角 1 7 。 ～ 2 2 。 。北西翼地层产状 9 0 。 ～1 0 2 。 Z3 0 。 ～ 4 8 。 ； 东南翼地层产状 3 3 5 。 ～3 5 0 。 Z 3 2 。 ～5 O 。 。 2 0 1 2年6月 矿 业安 全 与 环 保 第 3 9 卷第3期 验计算结果见表 2 。 表 2 地表渗 水试验计算 结果 S H 2、 S H 4位于采空区 内， S H 3位于采 空区的边 缘 ， S H1 位于矿井隔离煤柱内 ， 由于 3个试坑所在地 的岩层受采矿破坏影响程度不 一 ， 各岩层平 均渗透 速度大小 T ， f6 S H 2 T i， S H 3 f 7 S H 4 U T 1 一 S H1 。 5 采煤条件下地 表水入渗 特征分析 5 ． 1 经验值计算地表水入渗量 据綦江 幅水文地质普查报告 _ 1 ， 研究 区 T 。 f 渗 入系数经验值取 0 ． 1 ， T j 渗入 系数经验 值取 0 ． 1 5 ， 多年平均降雨量为 1 3 1 2 m m。依据大气降水渗入量 计算公式 Q 2 ． 7 4 A h F 2 式 中 Q 为地表水入渗量 ， m 。 ／ d ； A为渗入系数 ； h为 多年平均降雨量 ， mm； F为含水层 出露面积 ， k m 。 以 1 k m 面积计算 ， Q T I f 3 5 9 ． 4 9 m。 ／ d ， Q 5 3 9． 2 3 m ／d。 5 ． 2 实测数据计算地表水入渗量 根据试坑渗水试验计算公式 ， 地表水人渗量 Q ” v A ” 3 式中 Q ” 为 地 表 水 人 渗 量 ， m ／ d ； A ” 为 渗 漏 底 面 积 ， m 。 同样 以 1 k m 面积 计算 ， 据本次试 坑渗水试 验 计算 结 果 Q ” s H l 5 2 m ／ d ； Q ” s H 2 1 1 3 6 3 m ／ d； Q ” s H 3 5 7 4 6 m ／ d ； Q ” s H 4 1 5 0 5 m ／ d 。 5 ． 3 地表水入渗量对 比分析 l 2 0万 比例尺 綦江幅入渗系数经验值是针 对相应地层中的灰岩与泥岩 的平均值 ， 本 次实测数 据 S H1 、 S H2和 S H 3计算地表水入渗量仅 针对其 中 1 4 泥岩部分 ， 在未受到采煤影响下 ， 应小于经验值计算 的地表水入渗量 。地表水入渗量对 比见表 3 。 表 3 地 表水 入渗量对 比 由表 3可见 ， 只有 S H1入渗量 比值小 于 1 ， 基本 未受到采煤影响 ； 而 S H 2 、 S H 3和 S H 4的人渗量 比值 都大 于 1 ， 比值 由大到 小依 次 为 R S H 2 R ， S H 3 f 7 S H 4 ， 其 中 S H 2位 于采 空区 内， 地表 水入渗量增加最大 ， 比值 达到 3 1 ． 6 l 。 由此可见 ， 采动影响 区内地表岩 体均受到较为 强烈 的破坏 ， 越靠 近采 空区 ， 破坏越强 烈 ， 地表水人 渗量越大。在 T f 4 、 T 、 T 。 f 和 T j 。 4个 隔水层 中， 只有 S H1处 T { 4地层还能起 到隔水作用 ， 而位于采 动影响范围内的 T ， f 6 、 T f 和 T j 3个 隔水层 ， 已失 去隔水作用 ， 与含水层融为统一含水体 。 5 ． 4采煤条件下地表水入渗特征 在 自然条件下 ， 岩溶 山区地表岩体 风化程 度较 低 ， 岩体对降雨的接纳能力极小 ， 大气降雨只有少量 入渗 ， 大部分随地表径流汇人蒲河 ， 地下水位埋深较 浅 ， 见 图 2 。 图 2自然 条件 F 地 F 水运移 模式 在采煤条件下 ， 采空 区上方覆岩受到破坏 ， 地表 发育有大量裂隙 ， 地表径流无法蓄水 ， 大气降雨入渗 量显著增 大， 在 采动影 响 区 内， 地下水 位下 降 幅度 大 ， 含水层与隔水层融为统一含水体 ； 在采动影响范 围以外， 地表裂隙不发育， 地下水位埋深仍然较浅， 见图 3 。 图 3 采煤条件下地下水运移模式 5 ∞ 1 O 0 4 叭 ∞∞ 一 一 一 一 咐 M S S S S S 山 石 灰 泥 山 石 泥 ， T 2 0 1 2年6月 矿 业 安 全 与 环 保 第 3 9卷第3期 6 结论 1 南桐煤矿历经 7 0多年的采煤活动 ， 水文地质 条件发生明显改变 ， 地表泉水逐渐消失 ， 采动影响区 内地表水入渗量显著增大， 地下水位明显下降。 2 采动影响范 围内隔水层地表岩体破碎 ， 渗透 速度加快 ， 失去 隔水作用 ， 与含水层 融为 统一含 水 体 ， 而采动影 响范 围外 隔水层 还能保 持 隔水作用 。 采煤条件下 ， 地表水人渗量以采动影 响范 围为界 ， 采 动影响范 围以内， 地下水位下降达 8 6 ． 3 0 m， 地表水 入渗量显著增 大， 采煤后地表水入渗量与 自然条件 下人渗量 比值 最大达到 3 1 ． 6 1 ； 而采动影 响范 围 以外 ， 地 下 水 位无 明显 下 降 ， 地 表 水 入 渗 量 变化 轻微。 3 在研究岩溶 山区采煤条件下地表水入渗量的 基础上 ， 有助于进一步分析地下水含水体分布特征 ， 为下一步矿井防治水和在采煤沉 陷区寻找地下水指 明了方向。 参考文献 [ 1 ]朱启宽， 张智慧．菜园煤矿地表塌陷综合治理研究[ J ] 煤 矿现代化 ， 2 0 0 4 2 2 2 2 3 ． [ 2 ]宋亚新．神府一东胜采煤塌陷区包气带水分运移及生 态环境效益研究[ D] ．北京 中国地质科学院， 2 0 0 7 ． [ 3 ]聂振龙， 张光辉， 李金河．采矿塌陷作用对地表生态环 境的影响 以神木大柳塔矿区为研究区[ J ] ． 勘察科 学技术 ， 1 9 9 8 4 1 5 2 0 ． [ 4 ] 李惠娣．采矿 塌 陷作 用 引起 的地下 水环境 效应研 究 以大柳塔煤矿为例[ D] ． 北京 中国地质科学院， 20 01． [ 5 ] 吕晶洁．采煤 塌 陷对 沙 丘 土壤 水 分 动 态 的 影响 研 究 [ D] ．呼和浩特 内蒙古农业大学， 2 0 0 6 ． [ 6 ]赵艳红．陕西主要煤矿 区地下水保护目标层赋存特征 及其保护利用对策[ D] ．西安 西安科技大学， 2 0 0 9 ． [ 7 ]戚春前．赵各庄矿煤炭深部开采 与地表浅部地下水位 变化规律探讨[ J ] ． 煤炭科技， 2 0 1 1 ， 3 7 1 4 8 4 9 ． [ 8 ]重庆市万盛区南桐煤矿接替资源勘察报告[ R] ． 重庆 重庆 一三六地质 队， 2 0 0 8 ． [ 9 ]南桐煤 田鱼田堡桃子荡井田精查地质报告[ R] ． 重庆 西南煤 田地质勘探局 一三五队， 1 9 5 5 ． [ 1 0 ] 地质矿产部水 文地质 工程地 质技 术方 法研 究队． 水文 地质手册[ K] ． 北京 地质出版社， 1 9 7 8 3 8 2 3 8 5 ． [ 1 1 ] 中华人民共和 国区域水文地质普查报告 1 2 0 0 o 0 0 綦 江幅 H一 4 8 一 2 9 [ R] ． 重庆 重庆 2 0 8水 文地 质 队 ， 1 98 0． 责任编辑 卫蓉 上接第 1 1页 5 结论 1 依据物理模拟相似性准则 ， 采用物理模 拟和 井下试验方法 ， 研究 了有无金属体支护时煤层 工作 面 的瞬变电磁响应特征 ， 研究结果表 明 工字钢支护 产生的瞬变电磁 电位 响应最 强 ， 金属锚 网支护产 生 的瞬变 电磁 电位 响应次之 ， 无金属体支护下 的瞬变 电磁电位响应幅值最小。 2 根据有无金属体支护时煤层工作 面的瞬变电 磁响应特征 ， 从矿井 瞬变电磁法视 电阻率计算公式 推导出煤层 工作面金 属支护体 的影 响校 正数学模 型 ， 并依据数学模型提 出相应的数据处理技术 。 3 实际应用结果表明 ， 金属体支护下煤层 工作 面的瞬变电磁数据处理技术 ， 可 以有效避开金属 支 护体的干扰 ， 准确确定低阻异常体的赋水性强弱 ， 并 且可减少假低阻异常赋水体的出现。 参考文献 [ 1 ]车树成， 张荣伟．煤矿地质学[ M] ．徐州 中国矿业大学 出版 社 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ]刘志新．矿井瞬变电磁场分布规律与应用研究[ D] ． 徐 州 中国矿 业大学资源与地球科学学 院， 2 0 0 7 ． [ 3 ]于景邮， 刘树才， 王扬州．巷道内金属体瞬变电磁响应 特征及处理技术[ J ] ．煤炭学报， 2 0 o 8 ， 3 3 1 2 1 4 0 3 1 40 7． [ 4 ]牛之琏．时间域电磁法原理[ M] ．长沙 中南大学出版 社 ． 2 0 0 7． [ 5 ]姜志海．巷道掘进工作面瞬变电磁超前探测机理 与技 术研究[ D] ． 徐州 中国矿业大学资源与地球科学学院， 20 o8． [ 6 ]于景邮， 刘志新， 刘树才， 等．深部采场突水构造矿井瞬 变 电磁 法 探 查 理 论 及 应 用 [ J ] ．煤 炭 学 报 ， 2 0 0 7 ， 3 2 8 ． [ 7 ] 于景邮．矿井瞬变电磁法勘探[ M] ．徐州 中国矿业大 学 出版 社 。 2 0 0 7 ． 责任编辑 吴 自立 1 5