煤矿开采对萨拉乌苏组地下水影响分析

煤矿开采对萨拉乌苏组地下水影响分析

20世纪90年代中期，陕西省西藏地区被评估为最近的高效开发区。2004年国家确定的13个大型煤炭基地,其中有2个基地涉及到陕北地区,即神东基地和陕北基地。这2个基地位于环境脆弱地区,保护区内并不丰富的地下水资源,不仅是矿区工农业用水的需要,也是实现煤炭资源开发可持续发展、保护生态安全的需要。保水采煤是陕北等生态环境脆弱地区煤炭开发初期的重要课题。采煤不可避免地造成地下水渗漏,并形成矿井水。然而,对于生态环境脆弱地区的浅层第四系地下水,其渗漏后往往产生较严重的生态效应,甚至造成生态环境恶化。陕北榆神府矿区就是这类地区,采煤造成了大量的地下水渗漏到矿井中,引起地下水位下降,甚至下降到侵蚀基准面以下,使泉水干涸,河流断流,生态环境遭到破坏,严重影响矿区环境保护。笔者以丰富的实际素材为基础,探讨了陕北榆神府矿区采煤造成的地下水渗漏问题,提出了采煤(经济发展)与保水(保护生态环境)的协调发展思路。1地下水分布及分布陕北风沙滩区的地下水主要赋存于第四系萨拉乌苏组,在沟谷沿岸的部分地段一些烧变岩中也有较丰富的地下水,在矿区西部的陕蒙边界附近,白垩系洛河组富水性较强,但勘查程度低。目前,在煤炭开发区,具有供水意义的地下水只有萨拉乌苏组和烧变岩地下水。萨拉乌苏组的分布厚度不均一。在神木北部矿区,萨拉乌苏组分布面积小,形成多个独立的第四系含水盆地,单个泉域面积一般小于50km2,多数在30km2左右,在泉域中心地带,萨拉乌苏组的厚度大,最厚可达67m以上,一般为20~30m,向泉域边界逐渐变薄,直至尖灭。而在榆神矿区,萨拉乌苏组连片分布,面积大,范围广,厚度也大,最厚达160余m,富水性强,单井日出水量最大可达3000多m3,是陕北地区具有供水意义的含水层,目前开发较少,仍然有较大的开发潜力。2采地利用还原水的污染和环境效应2.1综采工作面地下水位下降采煤已经产生了严重的地下水渗漏。最近,对神木北部矿区采空区进行调查,发现大部分采空区地裂缝发育到地面,甚至在地面有明显的裂缝和塌陷区。1995年曾经对陕北第1个综采工作面的地下水位下降过程进行了监测(图1),发现在综采工作面首次放顶后,地下水位迅速下降,之后略有回升,然后持续下降,直至下降到基岩面以下,使第四系的地下水完全渗漏到井下,地下水位下降到当地的侵蚀基准面以下,下降幅度达8m以上。在公路边也发现了类似的依据,以往,冬季地下水沿萨拉乌苏组底界面渗出,形成冰溜,而2007年1月7日调查,发现地下水位下降到基岩之中,并沿基岩的层间裂隙渗出,形成了冰溜,而萨拉乌苏组与基岩的界面附近已经干涸,无地下水渗出。2.2煤炭开采前的年流量及断流规律由于地下水位下降,引起了部分泉水流量衰减或干涸。双沟泉(大柳塔煤矿采空区范围内)在煤炭开采前流量为7344m3/d,2004年8月观测仅为80m3/d,衰减98.9%,几乎干枯;随后,随着采空区的压密、地下水接受补给等,流量得到一定程度的恢复,2006年8月测得流量为1868m3/d,2007年1月为1367m3/d。母河沟泉(大柳塔煤矿采空区范围内)在煤炭开采前平均流量为5961m3/d,一直是矿区的主要供水水源之一,2002年4月观测流量只有460m3/d,衰减92.3%,2006年8月观测已经完全干涸。哈拉沟在煤矿开采前可开采的溢出水量达11600m3/d,2006年8月只有3787m3/d,衰减67.4%。敏盖兔沟在煤炭开采前流量达5296m3/d,2006年8月调查时完全干涸。由于这些支流的水流量减少,窟野河径流量直线下降,从20世纪70年代前的年平均7.646亿m3,下降到2000年后的1.79亿m3(图2)。2000年以来,窟野河多次断流,据神木县水利局统计,2000年断流75d,2001年断流106d,2002年断流220d,2003—2005年每年断流都超过100d。分析认为,除气候变化等自然原因外,80年代中后期开始的煤炭开发,尤其是90年代以来的高强度采煤,是造成地下水溢出量减少、窟野河流量衰减和断流的主要原因。2.3植被生长条件由于采煤,陕北采空区植被出现了死亡等现象。在脑高不拉庙沟,一些小叶杨出现枯梢,沟内成排的沙柳已经有10余年树龄,夏天郁郁葱葱,但在矿井水集中排放的沟道附近,沙柳死亡。其他地区的采空区也出现了类似植被死亡现象。据观察研究,陕北风沙区植被生长条件与地下水位埋深有着直接的关系。小叶杨、沙柳、沙蒿在水位埋深小于1.5m时,均生长旺盛;水位在1.5~3m时,生长良好;在3~5m时沙柳、小叶杨生长正常,在5~8m时沙柳、小叶杨生长较差,小叶杨出现枯梢、秃头或出现老头树;水位埋深大于8m时大部分小叶杨枯死,沙柳生长差。植被生长条件与地下水位埋深关系见图3。目前大部分采空区地下水位下降后,直接影响了植被发育和生态环境,大柳塔煤矿范围内的小叶杨老头树普遍存在。3采煤与保水的协调原则陕北已经被国家列为大型煤炭基地建设区,煤炭工业的发展,不仅促进了革命老区经济发展和社会发展,而且满足了国家经济建设对能源的需求。根据总体规划,到2020年左右,陕北地区的煤炭年产量将达到2~3亿t,煤炭工业正处于快速起步阶段,煤炭经济成为陕北地区与石油、天然气、岩盐、畜牧业同等重要的支柱产业。因此,在煤炭工业规划、煤矿设计、开采过程中,都要坚持采煤与保水相协调,为此,提出如下看法,供参考。1)确定合理的地下水位下降幅度,保证生态安全。采煤不可能不造成地下水位下降,关键是要使地下水位的下降幅度控制在合理的范围内,不至于造成生态环境的退化和植被的死亡等问题。因此,应该深入研究陕北沙漠地区植被对地下水的依赖程度和不同地下水位条件下植被的生长状态等,为合理确定生态安全水位提供基础资料。2)合理规划。根据煤炭、水资源及生态环境条件,确定煤炭资源开发与否及开发规模等,对于采煤易造成地下水严重渗漏和生态环境恶化的区域,暂不列为规划开采区。采煤造成的地下水渗漏不严重地区,在采煤过程中要采取工程措施,保护地下水位的基本稳定。3)对于开采矿井,要加强采煤引起的地面变形、地下水位下降的监测工作,为采煤保水提供必要的参数和实际数据。加强采矿技术研究,使采煤造成的顶板破坏减小,以有效地保护第四系萨拉乌苏组地下水。4煤炭工业布局及采空区的地下水环境安全分析陕北能源化工基地煤炭资源丰富,煤质优良,开采容易,但是区内地下水资源相对短缺,生态环境脆弱。其主要地下水赋存于第四系萨拉乌苏组和侏罗系烧变岩中,地下水在空间上处于煤层之上,与煤层的间隔只有数米到100多m,煤炭开采后,垮落带及导水断裂带发育到含水层,从而造成了地下水的渗漏和水位下降,引起泉水流量衰减、枯