譚洪偉

（中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司北京100120）

煤礦開采沉陷地表積水預(yù)測(cè)

譚洪偉

（中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司北京100120）

煤礦井采后地表積水區(qū)分布預(yù)測(cè)和治理方案規(guī)劃在大部分井工煤礦項(xiàng)目環(huán)評(píng)和土地復(fù)墾方案編制時(shí)會(huì)涉及，這是現(xiàn)代化井工煤礦建設(shè)前期工作需要思考的問題。就井工煤礦開采沉陷后地表積水預(yù)測(cè)，文章通過沉陷后地形、地表水水量平衡的角度進(jìn)行分析，為井工煤礦地表積水區(qū)分布預(yù)測(cè)提供一定參考。

煤礦；沉陷區(qū)；地表積水預(yù)測(cè)

煤炭是我國(guó)重要的能源，開采歷史久遠(yuǎn)，隨著采煤技術(shù)和裝備的革新，現(xiàn)代化的大型礦井應(yīng)運(yùn)而生，產(chǎn)能從幾百萬(wàn)至幾千萬(wàn)噸不等。煤炭井采后會(huì)引起地表沉陷，并可能形成地表積水，造成土地受淹和鹽堿化[1]，在高潛水位地區(qū)，沉陷區(qū)地表積水尤為明顯[2-4]。消除沉陷區(qū)地表積水影響、修復(fù)沉陷區(qū)生態(tài)環(huán)境成為煤炭開采中面臨的重要生態(tài)問題，也是現(xiàn)代化煤礦建設(shè)前期工作需要思考的問題。

煤礦井采后，不是所有的沉陷區(qū)地表都會(huì)受積水影響，眾多研究人員對(duì)沉陷區(qū)地表積水機(jī)理和計(jì)算模型進(jìn)行了研究和分析[1，4-7]。文章提出通過沉陷后地形初步分析和地表水水量平衡深入分析的方式，判斷沉陷區(qū)地表是否受到積水影響。

1　積水區(qū)預(yù)測(cè)初判

積水區(qū)初判主要是對(duì)沉陷后的地形情況進(jìn)行分析，判別沉陷區(qū)地表是否形成凹地。若沉陷后地面沒有形成明顯的凹地，則不會(huì)有積水區(qū)形成；反之，若沉陷后地面形成有明顯的凹地，則該區(qū)域可能會(huì)有積水區(qū)形成。其主要原因在于，沉陷區(qū)積水需要有一地形條件，即可以蓄集水量的凹地，若沒有可以積水的凹地，沉陷區(qū)內(nèi)的地表水都會(huì)以地表徑流的方式流向下游，而不在沉陷區(qū)內(nèi)蓄積。

沉陷后地面不會(huì)形成明顯的凹地的情況一般在沉陷前地形坡度較大的區(qū)域，如丘陵坡地，沉陷后地形的坡向較沉陷前沒有明顯改變，僅坡度產(chǎn)生了變化；而沉陷后地表容易形成凹地的情況一般在沉陷前地形坡度較小的區(qū)域，如丘陵緩坡區(qū)、平原區(qū)，沉陷后地形的坡向較沉陷前會(huì)發(fā)生改變。

判別沉陷區(qū)是否形成凹地，主要利用開采沉陷軟件按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》、結(jié)合煤礦開拓布置、地質(zhì)情況計(jì)算開采沉陷等值線圖，再通過軟件將開采前地形與開采沉陷等值線圖疊加后生成沉陷后地形進(jìn)行分析。

2　積水區(qū)預(yù)測(cè)深入分析

當(dāng)沉陷區(qū)地面形成凹地條件時(shí)，就需通過進(jìn)一步分析，預(yù)測(cè)是否形成積水區(qū)，主要通過對(duì)區(qū)域的地表水水量平衡進(jìn)行分析。

△E=I-Q

式中：△E為某時(shí)段內(nèi)的水量平衡差，I、Q分別為某時(shí)段內(nèi)的地表水補(bǔ)給量和排泄量。

在不考慮人為因素的情況下，沉陷區(qū)地表水補(bǔ)給量主要是大氣降水、河川徑流和地下水補(bǔ)給，排泄量主要是河流排放、蒸發(fā)量、地表水滲漏。水量補(bǔ)給量和排泄量需根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)資料進(jìn)行分析確定，水量平衡關(guān)系如圖1所示。

圖1　水量平衡關(guān)系圖

2.1補(bǔ)給項(xiàng)對(duì)沉陷區(qū)積水的影響

2.1.1大氣降水

當(dāng)雨水降落地表后，一部分下滲轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵滤?，一部分形成地面徑流，最終都流向流域的最低處。但也不是所有的降水都會(huì)形成地表徑流，徑流的產(chǎn)生與暴雨強(qiáng)度、下墊面情況密切相關(guān)，根據(jù)徑流產(chǎn)生情況，可以分為“超滲產(chǎn)流”和“蓄滿產(chǎn)流”[8]。

若降水會(huì)形成地面徑流，則地面徑流會(huì)逐漸在流域的最低處匯集，并在地表形成積水區(qū)；若降水不會(huì)形成地面徑流，降水轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵滤?，則需要分析其他補(bǔ)給項(xiàng)后確定是否存在地表積水。

2.1.2河川徑流

河川徑流是沉陷區(qū)重要的補(bǔ)給項(xiàng)，尤其對(duì)于臨河煤礦或者礦田內(nèi)有河流穿過的煤礦，由于開采沉陷造成地表變化，改變河流走向，河川徑流在沉陷區(qū)的最低處蓄積并形成水面。

當(dāng)有河川徑流匯入沉陷區(qū)時(shí)，則地表會(huì)形成積水區(qū)，反之，若無(wú)河川徑流匯入沉陷區(qū)，則需分析其他補(bǔ)給項(xiàng)確定是否存在地表積水。

2.1.3地下水補(bǔ)給

一般地，當(dāng)潛水水位較高，使得潛水水位高于沉陷后地面標(biāo)高，則潛水會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榈乇硭?，地表形成積水區(qū)；反之，若流域內(nèi)潛水水位較低，不超過沉陷后地面標(biāo)高，無(wú)地下水轉(zhuǎn)變?yōu)榈乇硭瑒t需分析其他補(bǔ)給項(xiàng)確定是否存在地表積水。

2.2排泄項(xiàng)對(duì)沉陷區(qū)積水的影響

2.2.1河流排放

一般而言，河流排放只有在積水區(qū)水面達(dá)到沉陷區(qū)邊界最低點(diǎn)高程時(shí)才會(huì)形成，其僅能控制積水面積不會(huì)超過河流水面水位高程一致的等高線合圍的區(qū)域，其猶如木桶的“短板效應(yīng)”一樣。這也進(jìn)一步說明，沉陷區(qū)形成凹地是積水的前提條件。

2.2.2蒸發(fā)量

蒸發(fā)量與當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、積水區(qū)水面密切相關(guān)，屬于一個(gè)變化量，只有當(dāng)形成積水水面時(shí)，蒸發(fā)量才納入水量平衡中考慮，并隨著水面大小的變化而變化。

2.2.3地表水滲漏

地表水是否產(chǎn)生滲漏與潛水水位、地表水水位相關(guān)，當(dāng)?shù)乇硭桓哂跐撍粫r(shí)，表現(xiàn)為地表水向地下水補(bǔ)給，產(chǎn)生滲漏；當(dāng)?shù)乇硭坏陀跐撍粫r(shí)，表現(xiàn)為地下水向地表水補(bǔ)給，不會(huì)地表水產(chǎn)生滲漏；當(dāng)兩者水位一致時(shí)，則地表水與地下水不形成轉(zhuǎn)換，也不產(chǎn)生地表水滲漏。

2.3積水區(qū)面積確定

通過分析確定的沉陷區(qū)地表水補(bǔ)給量和排泄量，由水量平衡公式計(jì)算出某時(shí)段沉陷區(qū)地表水的水量平衡差后。積水區(qū)面積可通過繪制沉陷區(qū)“庫(kù)容-面積-高程曲線”的方式求得，某時(shí)段內(nèi)的積水區(qū)庫(kù)容與地表水的水量平衡差一致。

2.4水量平衡分析結(jié)論

在水量平衡中，地表水的補(bǔ)充量是沉陷區(qū)是否積水的關(guān)鍵因素，當(dāng)沉陷區(qū)地表水有補(bǔ)給量時(shí)，才會(huì)有積水區(qū)形成。地表水排泄量對(duì)積水區(qū)的影響主要是控制積水區(qū)存在的時(shí)段，當(dāng)沉陷區(qū)有積水形成時(shí)，若某時(shí)段分析的排泄量小于補(bǔ)給量，則形成永久性積水區(qū)，且積水區(qū)會(huì)逐漸擴(kuò)大，并在某一時(shí)段達(dá)到水量平衡，即排泄量等于補(bǔ)給量；若分析的排泄量大于補(bǔ)給量，形成的積水區(qū)會(huì)逐漸變小，甚至干枯露出地表，并在某一時(shí)段達(dá)到水量平衡，如新疆部分地區(qū)，由于地下潛水水位較低，某次降雨徑流或溶雪性洪水，在凹地內(nèi)形成積水區(qū)，并在之后的一段時(shí)間內(nèi)由于積水蒸發(fā)、下滲，在地表形成“白板地”。從水量平衡的角度而言，排泄量總體上與補(bǔ)給量是平衡的。

3　結(jié)語(yǔ)

綜上所述，沉陷區(qū)地表積水受沉陷后地形、地表水補(bǔ)給量共同影響，當(dāng)沉陷后地表存在凹地且地表水存在補(bǔ)給量，則會(huì)形成積水區(qū)，反之，若不具備以上兩個(gè)條件，則不會(huì)形成積水區(qū)。在分析沉陷后地表是否積水時(shí)，可先通過分析沉陷后地形情況，再分析沉陷區(qū)地表水補(bǔ)給量的方式進(jìn)行判斷。

從水量平衡的角度分析，沉陷區(qū)有積水形成時(shí)，在一個(gè)水文周期內(nèi)，當(dāng)沉陷區(qū)的補(bǔ)給量大于或等于排泄量，則積水區(qū)永久性積水區(qū)；反之，若沉陷區(qū)的補(bǔ)給量小于排泄量，則積水區(qū)為臨時(shí)性積水區(qū)。

需要說明的是，由于煤礦建設(shè)前期獲得的水文地質(zhì)資料是煤礦開采沉陷前的數(shù)據(jù)，在進(jìn)行地下水水位分析時(shí)，應(yīng)該充分考慮沉陷導(dǎo)致地下水水位的變化和導(dǎo)水裂隙帶高度對(duì)潛水水位的影響。

[1]李建新,王來(lái)貴.地下開礦引起地表積水機(jī)理初探.中國(guó)科技論文在線.http://www.paper.edu.cn.

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譚洪偉（1981—），男，本科，工程師，主要從事水土保持方案編制及生態(tài)恢復(fù)治理工作。