采矿工程毕业论文-陇东地区煤炭开采对地下水环境影响.doc

学校代码 10738 2017届本科毕业论文陇东地区煤炭开采对地下水环境影响姓 名： 学 号： 专 业： 采矿工程 指导教师： 陇东学院能源工程学院二一七年五月十五日陇东学院本科毕业论文陇东学院能源工程学院学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。作者签名： 日期： 年 月 日II摘 要我国北方的大部分地区地表水资源短缺，为了满足生产和生活用水，强行开采地下的水现象普遍存在，许多地区地下水被超量开采后无法恢复原有的平衡，而这种现象在煤炭开采地区更为突出。陇东地区是我国重要的煤炭资源与生产基地，又是水资源严重短缺的地区之一，因此加强煤矿开采对地下水环境影响的研究对陇东地区的生态环境保护与区域经济可持续发展显得尤为重要。本文以陇东地区的3个煤矿为主要研究对象，在大量收集煤田地质勘探与相关矿井地质资料的基础上，分析了水文地质条件和煤层的赋存特征，从地下水环境的水文地质环境、水质、水量方面分析了煤炭开采对地下水环境的影响。通过对各井田煤层开采导水裂隙带和冒落带高度的比较分析，认为研究井田大部分地区的煤层开采对第四系孔隙裂隙潜水含水层的影响不大，而下白垩统砂岩、砂砾岩裂隙承压含水层会被导水裂隙带贯通，其富水性好，水位较高会导致矿井充水，因此煤炭开采对该含水层的影响最大。结合煤层开采对地下水径流、补给、排泄条件的影响分析，提出减缓煤炭开采活动对陇东地区地下水环境影响的建议。关键词： 煤炭开采； 地下水环境； 水文地质； 陇东地区AbstractLarge parts of the surface water resources shortage in north China, in order to satisfy the production and living water, to the exploitation of underground water phenomenon is widespread, and many areas be unable to restore the original after excessive exploitation of groundwater balance, and this phenomenon is more prominent in coal mining areas. Longdong region is important production base of coal resources and in our country, it is one of the serious shortage of water resources, thus strengthening the research on the impact of coal mining on the groundwater environment of Longdong region ecological environment protection and the sustainable development of regional economy is particularly important. This paper, taking the longdong region of the three coal as the main research object, in a large collection of coalfield geology exploration and mine geological information, on the basis of analyzing the hydrogeological conditions and occurrence characteristics of coal seam, the groundwater environment of hydrogeological environment, water quality, water quantity analysis of the influence of coal mining on the groundwater environment. Through to the mining of coal seam mining field guide water fracture zones and MaoLaDai comparative analysis, the height of coal seam mining in most regions of thought of research field of the impact is not big pore fissure unconfined aquifer of quaternary system, and the lower cretaceous sandstone and glutenite fissure confined aquifer is water flowing fractured zone, its rich good water, high water level will lead to mine water filling, so the effect of coal mining on the aquifer is the largest. Combined with coal seam mining, recharge and discharge conditions of groundwater runoff impact analysis, longdong region to reduce the coal mining activities on the groundwater environmental impact. Key words: Coal mining; Groundwater environment; Hydrogeology ; Longdong regio目 录摘 要IAbstractII目 录I1 绪论11.1论文选题背景及意义11.1.1 选题背景11.1.2 研究意义11.2国内外研究动态21.2.1国外研究动态21.2.2 国内研究动态21.3 研究内容和技术路线31.3.1 研究内容31.3.2 研究的方法和技术路线42 研究区及区内井田概况52.1 研究区概况52.1.1 地理位置及水文52.1.2 地层与构造62.1.3 区域水文地质条件82.2 研究区内井田概况113 煤炭开采对地下水环境的影响123.1研究区地下水环境的现状123.1.1 地下水环境及其现状123.1.2 煤炭开采对地下水水文地质的影响133.2 煤炭开采对含水层的影响133.2.1 地表沉陷对含水层的影响133.2.2 导水裂隙带对含水层的影响143.2.3 煤炭开采对各含水层的影响分析163.3 煤炭开采对地下水水质的影响173.3.1 矿井水对地下水水质的影响173.3.2 煤矸石淋滤液对地下水水质的影响183.4 煤炭开采对地下水水量的影响193.5 小结194 结论与建议204.1 结论204.2 建议214.3 展望22参考文献23致 谢251 绪论1.1论文选题背景及意义1.1.1 选题背景水是生命之源，是工农业生产与城市发展必不可少的重要资源。人们习惯于把水资源当作是取之不尽、用之不竭的廉价自然资源，但随着经济的发展和人口的增多，在很多地方相继显现出水资源短缺现象1。地下水资源是资源重要的组成部分，是维系人类社会可持续发展的经济战略资源，更是综合国力的重要衡量标准之一。随着我国经济迅速发展带来的人口、资源和环境等诸多方面的压力，尤其是水资源的短缺、水环境的恶化和洪涝灾害等问题日益突出，都间接或直接的与地下水有关。我国北方大多数地区地表水非常短缺，为了满足生产生活用水，强行开采地下水的现象普遍存在，很多地区的地下水被超量开采而无法恢复其原有的平衡，这种现象在煤炭开采地区更为突出2。煤炭是目前我国主要的化石类能源，我国煤炭资源储量丰富，生产规模巨大，对经济的发展起着积极促进作用。但是大规模的采煤，不可避免地对生态环境产生了极大的破坏3，尤其是对开采区域内的水文地质环境产生极为明显的影响，严重破坏了地下水资源的自然赋存条件，使煤矿区地下水环境遭到不同程度的破坏，因此研究煤炭开采对地下水影响，对缓解地下水环境的影响，具有非常重要的作用。1.1.2 研究意义陇东地区是我国重要的煤炭资源与生产基地，地处鄂尔多斯盆地西南缘，是鄂尔多斯盆地的重要组成部分，涉及庆阳、平凉两市13个县区，土地面积3.8104km2，境内地下赋存着丰富的煤炭、煤层气、天然气、石油等资源，特别是煤炭资源，预测煤炭储量达到1363108t，约占甘肃省煤炭资源储量的96%4。由于掠夺式开采，环境保护意识淡薄，及其法规条例和管理不健全，地下水环境的保护意识淡薄，加之受开采条件、开采方式、生产工艺、技术装备等综合因素的影响，使得矿山企业在带动陇东区域经济发展的同时，也使本地矿区地质环境遭到了极大破坏：生态环境日趋恶化，环境污染不断加剧，尤其是对地下水环境造成了极大的影响。因此通过研究陇东地区煤矿开采对该地区地下水环境影响、及生态环境保护方面具有重要意义，同时有利于带动地方经济的可持续发展5。1.2国内外研究动态1.2.1国外研究动态国外对煤炭开采引发的地下水环境问题研究较早，并取得了一系列的成果：Sheldon和Fsvers对大型盆地中地下水动力学进行了研究，在考虑一个地质盆地范围之内的含水层系统基础上，定量评价稳定流大小和方向的问题。加拿大矿山技术实验室T.斯顿6等在概述了盖斯河矿地下水环境问题的来历之后，评述了1991到1992年已经进行的各种研究工作。得出地下水的水位是可以控制的结论，并提出供以后进一步研究的若干建议，这对研究煤炭开采对地下水环境的影响具有很好的借鉴作用。Stoner，Lines，Bcoth，Zipper7等，最先提出水文地质效应”一词，这对开展矿区煤炭开采的活动引起水质、水资源量的变化、水文地质环境和当地生态系统的影响具有重要意义。Booth C.J8,9等系统地总结了煤层开采后引起的地表沉陷特点，并且对砂岩含水层的储水能力、渗透性、水压和水理性质的正负面变化进行研究，提出了长壁开采引起地下水的水位下降可恢复的方法。Pessaran，Kim J M，Karaman A10等，对煤矿开采区域地下水的变化及其长壁工作面的开采边界之间的关系进行了动态研究，通过分析采动上覆岩层含水层的渗透系数和储水系数等参数来预测含水层的水位变化情况。1.2.2 国内研究动态20世纪80年代以来，煤炭资源作为世界各国关注热点，需求量呈现逐年上升的趋势，煤炭开采活动对地下水环境造成的影响也开始越发受到国内外学者的关注11。自然状态下，煤炭资源和水资源共同存在于一个地质体中，存在自身的赋存条件和变化规12。由于煤炭开采中的疏排水改变了地下水原有的动态平衡，形成了以开采井田为中心的地下水降落漏斗，各含水层中的地下水被相互贯通，改变了其原有的径流、补给、排泄条件，使地下水流向矿坑，使地下水水循环平衡状态发生变化，在被影响的范围内，地下水的流速加快，静水量降低，使局部承压水由承压转为无压，致原有的含水层转换为透水层13。1981年，刘天泉院士在国内第一次提出了煤层采空区底板岩层破坏三带”的概念，即底板自下而上为应力微变化带(60-80m)、微小变形与移动带(20-25m)以及鼓胀开裂带(8-15m)带。刘天泉院士、张金才博士等14-16从力学的角度第一次提出了底板岩体两带”模型(采动导水裂隙带、底板隔水带)，且具体地分析了底板采动裂隙带的深度与分布形态，推算出了底板导水裂隙带高度的计算公式。竺士林17曾选采煤历史久远、环境问题严重突出的市郊矿区作为典型案例，对其进行定量分析和系统研讨，就煤炭大量开采引起煤矿的矿坑排水量增加、水质污染、地面裂缝、土地塌陷、生态环境恶化等一系列日趋严重的环境问题，提出相应对策。宁建宏18提出了煤矿应在关注疏干排水影响的同时注重供水对地下水环境产生的影响。张发旺等19提出了通过减缓对含水层的破坏，推广矿井水回用等措施，实现煤矿安全开采，同时控制对地下水资源的破坏程度。范立民等20提出了树立科学发展观，避免以牺牲环境为代价来获取暂时的、局部的经济利益。缪协兴和钱鸣高等21提出，应该进一步加强总体规划的工作，对陕北侏罗纪煤田来说，将其作为一个整体的基地”进行全面规划，不能因有煤就规划井田，要依据保水采煤及生态环境保护的要求，在可持续发展方针的前提下，做出科学的规划。1.3 研究内容和技术路线1.3.1 研究内容本文通过研究煤炭的开采及地下水环境的现状，针对煤炭开采对地下水环境的影响进行分析，最终提出煤炭开采过程中，保护地下水环境的建议与对策。主要研究内容如下：（1）收集陇东地区地下水资料，调查研究陇东地区具有代表性的矿井。（2）以刘园子煤矿作为重点研究对象，对陇东地区煤炭开采对地下水环境影响因素进行分析。（3）以研究区具体井田刘园子煤矿为例分析矿区开发利用现状、地下水水质、水文地质条件等水文地质勘探资料，进行地下水环境现状的调查，讨论煤矿开采对地下水环境的影响，并提出陇东地区煤矿开采对地下水环境的保护建议。1.3.2 研究的方法和技术路线 研究方法：（1）通过查阅文献资料，明确煤矿开采对地下水环境影响。（2）收集地质及水文地质资料，分析陇东地区水文地质条件、井田煤层赋存特征，分析并总结所研究井田煤层与其含水层特征。（3）对陇东地区煤矿工程及地下水工程概况了解基础上，以刘园子煤矿为例对地下水环境的影响进行分析。（4）分析陇东地区煤炭开采对地下水环境影响，提出减缓与保护煤炭开采对地下水环境影响的建议。技术路线：收集陇东地区地质及水文地质资料归纳总结水文地质条件分析总结各研究井田煤层赋存特征，分析各含水层特征地表沉陷分析导水裂隙带分析分析研究区煤炭开采对地下水水质的影响分析研究区煤炭开采对地下水水量的影响分析研究井田对含水层的影响总结研究区煤炭开采对地下水环境的影响并提出对策与建议图1-1 技术路线图2 研究区及区内井田概况2.1 研究区概况2.1.1 地理位置及水文陇东地区位于甘肃东部，东临陕西黄陵、甘泉、宜君、富县、志丹，南与平凉地区及陕西的长武、旬邑、彬县相接，西连宁夏同心与固原，北靠陕西吴旗、定边、宁夏盐池。介于东经10620-10841，3510-3710之间，区内东西相距208公里，南北相距207公里，土地面积3.8104km2，属于鄂尔多斯盆地西南缘。 图2-1 庆阳地形图本研究区属典型的大陆干旱型气候，总特点是湿度低，降雨量小，蒸发量大，纬向分带比较明显，从西北环县甜水堡至东南正宁县的降水量逐渐增大。降水是研究区内地下水的主要补给来源。区内平均降水量是476.44-543.04mm，由东南向西北减少，年内降水集中在7、8、9三个月。大约占年降水量的55%-60%，且常以大雨、暴雨的形式呈现，年际转变大，造成降水利用率低，易成洪涝，并且不利于降水入渗，直接影响着地下水的资源量。2.1.2 地层与构造地层研究区位于鄂尔多斯盆地西南部，地层划分为鄂尔多斯地区、华亭地区和焦平地区的华北地区地层区。区内地层除缺失志留系、泥盆系外，其他地层均有沉积，地下水多埋藏于第四系之下，仅在沟谷或部分险峻地段出露于地表。煤系地层以上的三叠系地层描述如下：（1）三叠系(T)三叠系地层在区内发育较好，化石较丰硕，层序清楚。从下到上划分为下统刘家沟组、和尚沟组；中统纸坊组、铜川组；上统胡家村组、永坪组、瓦窑堡组。各组之间大多为整合接触。（2）侏罗系(J) 侏罗系散布较普遍，尤其在盆地分区大面积散布。从下到上划分为下统富县组、中统延安组、直罗组、安定组，上统芬芳河组。（3）白垩系(K) 区内分布十分广泛，为主要含煤层，几乎覆盖全区。本区白垩系下统称为志丹群(K1zh)，从下到上可划分为五个岩性组：宜君组、洛河组、环河华池组、罗汉洞组及泾川组。各组间均为整合接触。（4）第三系(R)该地区的第三条线分为较低的三个系列，固原组和上第三组的甘肃。固原组主要分布在西部边缘区，而甘肃组分布广泛。固原群(Egy)：集中分布于六盘山东麓，又可分为古新始新统寺口子组(E1-2s)和渐新统清水营组(E3q)。寺口子组下部为红色砾岩，一般厚10-30m，局部可达564m，平行或角度不整合于下白垩统六盘山群之上；上部为砖红色砂岩夹泥岩，厚约320m。清水营组下部为红色细砂岩，含泥钙质结核；上部为紫红、土红色砂质泥岩，夹蓝灰色泥岩、石膏质泥岩及薄层石膏，总厚度205m。甘肃群(Ngn)：区内可划分为中新统咸水河组(N1x)和上新统临夏组(N2l)。咸水河组零散分布于平凉麻川等地。下部为桔红、砖赤色石英砂岩夹细砂岩，厚度为217m，平行不整合于清水营组之上；上部为淡红、桔红色含砾泥岩夹石英砂岩及泥灰质结核，厚55m。临夏组在区内普遍分布，岩性较简单，以桔红、棕红色砂质泥岩和泥岩为主，常含泥钙质结核，底部每每有砾岩或砾状砂岩层。临夏组在西缘局部整合于咸水河组之上，在广大地区则不整合于志丹群各组之上；其上被下更新统三门组不整合覆盖。其厚度除近六盘山地区局部达170m外，一般均不大于50m。临夏组富含以三趾马为代表的哺乳动物化石。（5）第四系(Q) 区内第四系分布广泛。更新统从下到上分为下更新统三门组，中更新统离石组、萨拉乌苏组，上更新统马兰组。全新统沉积类型多样。构造陇东地区位于祁吕贺兰山字型构造的伊陕盾地西南部，西邻贺兰山褶皱带，以鄂尔多斯盆地西南部区域结构特征剖析，可划分出渭北挠褶带、西缘断褶带、天环坳陷等构造单元。各构造带特征如下：（1）渭北挠褶带：南以渭河断陷北缘断裂为界，北与天环向斜相邻，西与西缘断褶带连接，东至黄河。能带结构特性及活性和死在中国通过与关系密切的秦岭造山带中段，比东西向断层、隆起和坳陷。该带总体呈北倾南翘态势，形成Archean、元古宙、寒武系、奥陶系、Carboniferous、二叠系、三叠系、侏罗系和下白垩统发育带，第四系广泛覆盖。地层的出露自南向北依次变新。（2）西缘断裂带：内蒙古河套地堑贺兰山脉南部和北部，甘肃县沙井子地区，南渭北断裂，是由在剪辑一系列南北逆冲断层和断块，断层的主要压应力来源于印度板块对欧亚板块的长距离作用。断裂自古生代初就起头活动，但印支活动开始，因为有来自西南方向板块运动产生猛烈的向东北方向的推挤作用，断裂活动渐趋强烈，直至早白垩世末期趋于平静。西缘断褶带活动对鄂尔多斯盆地，特别对靠近断褶带附近地区的沉积作用及构造发育产生重大影响。（3）天环坳陷：实际为西翼陡东翼缓的向斜结构，向斜轴部南自龙门长武一线与渭北挠褶带连接，近南北向，向北一直延伸到内蒙的巴音乌素清水河断裂。天环坳陷的方向、位置及成因，与西缘断褶带关系密切，实际上就是西缘断褶带前缘外带，由西缘断褶带推挤而成。与强烈逆冲活动的西缘断褶带相比，由于结晶基底的刚性强，天环坳陷带内的变形相对简单，主要表现为褶皱坳陷。图2-2 陇东地区区域构造图2.1.3 区域水文地质条件（1）含水组岩性及水文地质特征本区位于鄂尔多斯盆地西缘分区，赋存主要地层从下到上为三叠系上统延长群、侏罗系中统及新生界松散岩类。按其含水岩类埋没条件及其水力性质，地下水主要为新生界孔隙潜水和中生界碎屑岩类孔隙裂隙水两类。新生界孔隙潜水 河谷砾卵石及基岩风化孔隙裂隙潜水河谷砾卵石层孔隙裂隙潜水是指以砾卵石含水层为主，包含部分前第四系基岩岩剥蚀裂隙水，二者在平面上交替散布，彼此衔接，地下水具备同一的水理性质，从而二者合并于砾卵石孔隙潜水以内。它主要散布在茹河、洪水河、蒲河、黑河、环江、马莲河水系及葫芦河沟谷之中。含水层主要为卵砾石，在马莲河及支沟(从沟口距上游1-5km)其厚度通常为1-5m，而在洪河、蒲河、四郎河等厚度一般小于5m，葫芦河分布零散，单井最大出水量小于1000m3/d为主。基岩剥蚀裂隙含水层厚度正常小于5m，单井涌水量一般小于100m3/d。 黄土孔隙、裂隙潜水根据地下水贮存的地貌单元和富水程度，相对于划分为源区黄土孔隙裂隙潜水和梁峁区黄土孔隙裂隙潜水。黄土的孔隙裂隙潜水集中分布在研究区，在庆阳南部，西峰，合水，镇原县，正宁县等地区的主要源区，每个11元，充电放电条件下独立的水文地质单元。主要含水层为离石黄土夹多层古土壤和钙质结核层，孔隙、裂隙发育，含水层渗透系数平均为0.14-0.46m/d，其下伏午城黄土是相对隔水层。水位埋深：在源区中部较小，平均30-60m，向边沿逐渐增大到60-80m之间，个别地方水文埋深大于80m。含水层厚度、富水性与水位埋深具备相得益彰的分布规律，源区中部，含水层厚度30-60m。单井涌水量：源区中部一般为100-300m3/d，唯有董志源最富水，达500-2000m3/d，向边沿含水层变薄，单井涌水量小于100m3/d，多为淡水，地下水矿化度小于1g/L。梁峁区黄土孔隙裂隙潜水水文地质条件较繁杂，含水层富水性主要受微地貌形态的控制，根据微地貌状态，黄土潜水可分为残源，梁峁斜坡、掌杖形洼地三种。其残源区潜水：含水层厚度10-26m，单井涌水量10-20m3/d；梁峁斜坡黄土潜水：大多散布于黄土斜坡和滑坡体上，以泉水形式出露，富水性南大北小。掌杖形洼地潜水：区内掌、杖形洼地多散布在环县、华池内，依据环县毛井宋杖、干杖区资料，含水层厚度为10-50m，水位埋深l-30m，单井涌水量10-200m3/d，地下水矿化度小于3g/L。中生界碎屑岩类孔隙裂隙水白垩系碎屑岩类孔隙裂隙层间水遍布全区，对工农业供水具备开采前景的主要含水岩组是罗汉洞组、环河组、华池组。在含水层富水性评价中，统一管径150mm，统一降深50m，用单井涌水量进行评估，当水头小于50m时，以降至含水层顶板为限，按照这一原则评价的各含水层的富水性及其水文地质特征见表2-1。表2-1 陇东地区承压水含水层特征统计表含水岩组底板高程（m）水头高程（m）含水层厚度（m）富水性渗透系数均值（m/d）富水性等级单井出水量（m3/d）分布比列（%）罗汉洞组1000-11501100-1150极丰富50003.161000-12001100-125057.47丰富5000-30005.580.064800-12001100-1300-较丰富3000-10006.32-750-1400950-1400159.83中等1000-5009.282.095贫乏50010.78环河组600-800950-1300110.8较丰富3000-10001.200.002-中等1000-5000.92-500-650950-1300340贫乏50096.970.178华池组400-7001000-1150103.67较丰富3000-100014.860.009350-8001000-1200-中等1000-50024.43-400-10501000-1400240贫乏50055.320.152从上表能够看出，罗汉洞组含水层埋没相对最浅，最富水，但分布范围极小，仅散布于西部镇原县境内；华池组含水层埋藏最深，分布广，水量相对较富；环河组含水层埋藏相对较浅，但富水性最弱，单井出水量小于500m3/d 的分布范围占96.97%，开采意义不大。鉴于此在今后的开采中，中西部以开采华池组含水层为宜。（2）地下水的补给径流排泄条件：补给：地区年均降水量536.4mm，蒸发量1521.2mm，研究区内地下水主要接受大气降水的入渗补给。补给量受降水量、降水方式、降水强度、地质构造、地形地貌、含水层岩性等多个要素制约。陇东地区地形繁杂、沟谷坡度较大，故承受入渗补给量较小。降水大部分由地表径流排出，降水入渗系数较小。径流：松散层潜水，充电由降水，横向径流，土壤沿地形的顶部表面从高到低迁移，渗透到更多的垂直流动，流域地表水和地下水基本相同，松散层潜水径流倾向较分散，与地表水流向整体一致，但有一定的夹角，因地形坡降大，其径流速率较快。该区内、外露头降水入渗后，沿倾斜方向径流由高到低，沿裂隙向岩石弱渗透。在区内外露头处接受大气降水入渗补给后，沿层面倾向方向由高向低径流，并沿裂隙向岩层内微弱渗透该区内、外露头降水入渗后，沿倾斜方向径流由高到低，沿裂隙向岩石弱渗透，其运移的速度由含水层岩性特征、基岩构造形态特征及水力坡度决定。部分可能在断层带一侧或双侧沿断层带向深部运移。排泄：排泄方法除挥发外，松散层潜水在陇东地区于地形低的河流沟谷处，以泉的形式排泄于地表。基岩裂隙水则以向岩层深处渗流及垂向顶托越流排泄为主。综上，研究区内潜水矿化度北高南低，从北向南，大体可分为半咸水至咸水、微咸水和淡水三个水质区；水储量是自北向南递增，且增幅较大。 2.2 研究区内井田概况根据研究矿区煤炭资源赋存分布情况和开发总体规划，本研究选取具代表性沙井子矿区的刘园子煤矿开采对地下水的影响进行研究。地理位置：庆阳市环县西部，于规划的沙井子矿区中东部。地理坐标：东经1064830-1065030，北纬362800-363114。井田面积18km2。地质概况：矿区位于鄂尔多斯西缘(马家滩平凉小区)。总特点相似与华北地层区，上奥陶统、志留系、泥盆系和石炭系缺失，从老到新发育有蓟县系贺兰山群上部地层、寒武系中统、奥陶系中、下统、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系下统、上第三系和第四系(更新统)。其中第四系平均厚度为76.63m，白垩系平均厚度286.18m，侏罗系158.86m，三叠系最大揭露厚度115.5m。水文地质条件：井田内地下水分为第四系松散岩类孔隙裂隙潜水、基岩表层风化裂隙潜水和前第四系承压水；其中第四系承压水、白垩系承压水为可利用地下水层；煤层下伏三叠系承压水水质较差，不能饮用；井田内有隔水层存在。井田地表出露部位接受大气降水补给，含煤盆地的西北部边缘地带含水层的隐伏露头出露高的地带接受上部下白垩统志丹群承压含水层的越流补给，由西北向东南方向径流，以隐伏形式排出区内。矿井正常涌水量1823m3/d。最大涌水量达6000m3/d。煤层赋存条件：含煤地层为侏罗系中统延安组(J2y)，顶底板为泥岩、砂岩。可采煤层共4层，平均可采厚度29.2m。可采资源量为66.41Mt。开采工艺与建设进度：设计能力为0.9Mt/a。服务年限52.7a。对中厚煤层采用长壁综采采煤法，对厚煤层采用长壁综采放顶采煤法。3 煤炭开采对地下水环境的影响3.1研究区地下水环境的现状3.1.1 地下水环境及其现状根据甘肃省庆阳市重点区域地下水变化情况调查报告，庆阳市地下水年开采量2.676107m3，其中黄土潜水1.069107m3，碎屑岩类孔隙裂隙潜水5.24105m3；环河组承压水2.363106m3；洛河组承压水1.318107m3。从上述调查报告的结论得出，黄土潜水开采量大于允许开采量，引起水位下降，白垩系各组承压水开采量小于允许开采量。根据宁夏回族自治区水文地质工程地质环境地质勘察院野外调查取样和室内水质分析结果可知，该区域地下水水质状况较差。超标项目主要集中在氯化物、高锰酸盐指数、总硬度、亚硝酸盐氮、溶解性总固体、总大肠菌群数、硫酸盐、氟化物等8项，最大的超标倍数分别为0.048、0.4、0.61、0.95、1.3、1.33、1.94、2.38。因此，矿区内地下水超标的因子主要为无机盐类，地下水未受到有机物及重金属污染，无机盐超标与区域地质环境有关；目前，作为当地居民的饮用水源，井水中存在着大量的无机物超标现象，远不符合饮用水标准。刘园子煤矿井田范围内地下水类型分为两类：一类是由第四系松散岩类和基岩表层风化裂隙带构成的潜水；另一类是由基岩承压水组成。庆阳市环境监测站对区域地下水环境质量现状监测结果显示：氯化物、总硬度、硫酸盐分别出现不同程度的超标现象，其中各监测点位处氯化物和总硬度均超标0.6倍；硫酸盐最大超标倍数为0.3倍。该矿区区域地下水矿化度较高，其中环县县城以南水质较好；在县城以北至洪德以南水质差；在县境内大致由南向北矿化度逐步提高。总体而言，项目所在区域内的第四系潜水及前第四系风化基岩裂隙潜水水质较好，适合人畜饮用和工农业用水；白垩系环河组和洛河组含水层整体水质较差，主要作为工业用水。该矿区范围内无大型污染工业，地下水环境的影响因素主要有生活污染源和农业污染源。生活污染源主要为井田周边村庄居民排放的生活污废水。由于区域降水时空分布不均、水土流失严重等原因，农业污染源呈现非点源污染特征，即集中于降水冲刷阶段造成污染影响。在降水后农耕施放的化肥、农药中的氮磷化合物以固态或溶解态随降水运动，主要以地表径流和土壤中流的形式在地表和土壤层中运移，会对地表水水质造成影响，地下水入渗会对地下水水质造成污染。3.1.2 煤炭开采对地下水水文地质的影响煤矿开采造成的环境水文问题一般包括：区域地下水水位下降、地裂缝、地面沉降、岩溶塌陷、湿地退化等。由于煤矿开采产生的导水裂隙带会导通煤层上覆含水层，使含水层疏干（如图3-1），进而使采空区上的地表出现地面沉降、地裂缝，造成明显的环境水文问题。图3-1 煤炭开采对地下水水位的影响示意图（1）煤矿开采扰动或破坏了煤矿井田范围的地层地质构造，随开采强度的增大影响面积增大。因采空区塌陷冒落带对上覆含水层岩层导通，造成降落漏斗，对煤层下伏含水层承压水造成涌水，对有的煤层中含水层造成突水，破坏了原有的地质构造。（2）受影响最大的是地表层潜水带(一般为第四系)，被贯通疏干，造成降水漏斗、地表沉陷，打破原有的平衡状态。（3）采煤扰动产生的大面积大幅度地表变形，改变了原有地表径流对地下水的补溢水文地质关系，因而衍生次生生态环境问题。3.2 煤炭开采对含水层的影响3.2.1 地表沉陷对含水层的影响地表沉陷是指由地下采空区顶板的冒落所形成的地面变形。地表沉陷预测采用中国矿业大学开发的矿区开采沉陷预测预报系统预测分析。地表移动和变形计算的主要输入参数包括下沉因子Q、移动角正切TG、水平运动系数b、最大下沉角和趋势方位角。这些参数的取值主要与煤层开采方法、顶板管理方法、上覆岩层性质、重复采动次数及采深采厚比等因素相关22。根据建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程、本研究区井田所在区域地质情况确定其模式输入参数。预计参数见表3-1：依据所研究井田的煤层开采厚度，采深以及有关预计参数，计算出煤层开采后产生的地表移动变形的最大值见表3-2。表3-1 首采区地表沉陷预计参数参数项目主要参数平均采厚Hg(m)下沉系数q移动叫正切tg 水平移动系数b(mm)最大下沉角(deg)拐点偏移距（m）刘园子煤矿可采煤层煤4-12.150.802.140.2800.05H煤5-16.980.852.140.2800.05H表3-2 煤层开采后地表移动变形最大值表名称采区下沉（mm）倾斜（mm/m）曲率（10-3/m2）水平移动（mm）水平变形（mm/m）刘园子煤矿首采区全井田8754.5847.940.842062.7824.7816778.3562.270.445472.1928.86由表3-1、3-2估算，刘园子煤矿首采区开采结束后沉陷范围面积为3.06km2；全采区开采后最大沉陷范围面积为8.3km2。 综上，煤炭开采使地质地层原有的构造遭受扰动和破坏，采空区煤层顶板岩层冒落垮塌，隔水层被导通，对地下水流场造成影响，在一定范围内的矿区和周边地区含水层地下水位下降。3.2.2 导水裂隙带对含水层的影响在工作面开采前，岩体在地应力作用下处于相对平衡状态。煤层开采使采空区周围的岩层发生位移、变形甚至破坏，根据变形和破坏程度的不同上覆岩层分为垮落带、裂缝带和弯曲带三种23，如图3-2所示。图3-2 采空区上覆岩层破坏特征巷道顶板围岩因破碎变形而产生的挤压破坏区称为塌陷区，断裂带又分为连通段和非连通段的导水裂隙带和塌陷区的连接部位。水裂缝带造成的含水层的破坏，导致地下水流失，水位降低，并间接影响其他含水层损坏的含水层的液压连接。当煤层的倾角不同时，在采空区倾斜剖面上垮落带、导水裂隙带呈现出各种不同类似拱形的形态图3-3所示。图3-3 煤炭开采对松散含水层水体的影响覆岩破坏形成的导水裂隙带高度直接决定含水层破坏程度，即导水裂隙带越高对含水层的破坏越大，反之则小。因此，对导水裂隙带进行分析，能够科学而有效地揭示矿井煤炭开采对地下水含水层的影响。在采动过程中，导水裂隙带的发育过程具有一定的规律，主要与工作面的推进位置有关。一般情况下，对于初次采动，导水裂隙带的最大高度在覆岩下沉曲线的拐点前区（在工作面推过20-35m）已基本形成；而对于重复采动，各层位下沉曲线的拐点与初采情况相比前移了，一般待工作面推过15-20m，即可以形成导水裂隙带的最大高度24。研究区内所开采煤层的上覆含水层是否对矿井充水造成影响，取决于所开采的煤层形成的导水裂隙带的高度是否到达该含水层。冒落带、导水裂隙带高度与煤层的上覆岩层的岩性、力学性质和采煤顶板管理方法等因素有关。根据研究区岩石的性质，矿井均选择中硬岩石的公式计算。其导水裂隙带(包括冒落带最大高度)的经验公式： （3-1） （3-2）式中：H-导水裂隙带高度(m)； Hc-冒落带高度(m)； M-累计采厚(m)； n-分层层数。当煤层厚度小于8m时，n取1，即不分开，按一次采高计算；当煤厚大于8m时，按两次开采计算，n取2。查阅资料研究区各煤层导水裂隙带高度及冒落带高度汇总统计见表3-3。表3-3 开采各煤层产生导水裂隙带高度和冒落带高度汇总表名称 煤层可采程度冒落带高度（m）导水裂隙带高度（m） 最小-最