劉 基，楊 建，王強民

(1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；3.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710054)

青年論壇

神府榆礦區(qū)采煤排水對地下水資源量的影響

劉 基1，2，3，楊 建2，3，王強民2，3

(1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；3.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710054)

為研究神府榆礦區(qū)采煤排水對地下水資源量的影響，以研究區(qū)礦井排水情況為基礎，利用1980—2014年研究區(qū)內地下水位觀測資料，計算了大氣降雨入滲補給量，并分析其與煤炭產(chǎn)量之間的關系。結果表明，2000年之前，大氣降水入滲補給量比較穩(wěn)定，2000年之后入滲補給量開始逐年下降。主要原因是煤礦開采的大量排水，引起區(qū)域地下水位下降，局部地區(qū)超過降雨對地下水補給的最佳埋深，從而增加了降雨入滲過程中蒸發(fā)等無效損耗量，減少了有效入滲補給量，最終導致地下水資源量的減少。

采煤排水；地下水資源量；水位觀測；大氣降雨入滲補給量；地下水位下降

陜北神府榆礦區(qū)(包括神府、榆神和榆橫3個礦區(qū))[1-2]主要含煤地層為侏羅系中下統(tǒng)延安組地層，具有煤質優(yōu)良、儲量巨大、構造簡單等特點[3]，該礦區(qū)隸屬陜北能源基地，是我國西北部重要的能源基地。自20 世紀90 年代以來，該地區(qū)煤炭開采強度不斷增大。在煤炭開采過程中產(chǎn)生的導水裂縫帶勢必引起煤層頂板隔水層的破壞，導致上覆含水層水進入井下，為了保證煤礦安全生產(chǎn)，必須大量排放礦井水[4]。由于礦井的疏干排水，可能引起區(qū)域地下水位下降，尤其是淺層地下水位[5-6]，從而影響整個礦區(qū)的地下水資源量。

本文在詳細調查研究區(qū)采煤排水現(xiàn)狀的基礎上，選取區(qū)內具有代表性的長觀孔長時間序列(1980—2014年)地下水位觀測資料進行系統(tǒng)地分析，計算地下水天然補給量的主要組成部分的變化情況，進而分析研究區(qū)采煤排水對區(qū)內地下水資源量的影響，以期為實現(xiàn)煤炭的可持續(xù)發(fā)展，合理保護地下水資源提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

神府榆地區(qū)位于毛烏素沙漠與黃土高原過渡地帶(圖1)，全區(qū)總的地勢是西北高，東南低，一般海拔在+800～+1400m之間。研究區(qū)地處中緯度地區(qū)的中溫帶區(qū)，冬季受干燥而寒冷的多變性極地大陸性氣團控制，形成低溫、寒冷、降水稀少的氣候特點。夏季受高溫濕潤的熱帶海洋性氣團的影響，降水增多，屬典型大陸性季風氣候。根據(jù)1961—2014年氣象資料分析，多年平均降水量為392.41mm。在時間分配上，降水量主要集中在每年的6，7，8，9這4個月，占全年總降水量的75%(圖2)。

圖1 研究區(qū)礦區(qū)位置示意

圖2 研究區(qū)多年平均月降水量(1961-2014年)

研究區(qū)內侏羅系延安組地層共含煤8層，最上部的1-2，2-2，3-1，4-2煤層埋藏淺，厚度大，是目前的主要開采對象。截至2014年，區(qū)內有生產(chǎn)煤礦254處，原煤產(chǎn)量0.363Gt[6]。

2 研究區(qū)采煤排水基本情況

根據(jù)調查和實際走訪正在生產(chǎn)的礦井，統(tǒng)計各礦井的礦井涌水量實際觀測數(shù)據(jù)，采用富水系數(shù)法計算其相應的富水系數(shù)[7]，從而得到各礦區(qū)的排水規(guī)律。根據(jù)神府礦區(qū)石圪臺煤礦、哈拉溝煤礦、大柳塔煤礦等10座煤礦的礦井涌水量觀測數(shù)據(jù)分析，其礦井涌水量為46.00～1218.00m3/h，富水系數(shù)為0.0378～0.8912 m3/t，平均富水系數(shù)為0.2310m3/t；根據(jù)榆神礦區(qū)榆樹灣、錦界、涼水井、金雞灘等煤礦礦井涌水量資料分析，其礦井涌水量為139.11～3698.00m3/h，富水系數(shù)為0.3047～1.6821m3/t，平均富水系數(shù)為1.1674m3/t；根據(jù)榆橫礦區(qū)的小紀汗煤礦以及周邊的呼吉爾特礦區(qū)的巴彥高勒礦的礦井涌水量數(shù)據(jù)分析，其礦井涌水量為360.80～1357.00m3/h，富水系數(shù)為0.8296～5.9437m3/t，平均富水系數(shù)為1.9593m3/t?？傮w上，從神府礦區(qū)-榆神礦區(qū)-榆橫礦區(qū)采煤過程中富水系數(shù)逐漸增大，且同一礦區(qū)的不同煤礦之間，富水系數(shù)差異也較大。而這些礦井涌水量除少量煤礦綠化和除塵用外，絕大部分水量外排到附近溝谷和河道[8]，造成當?shù)氐叵滤Y源大量流失。

3 對地下水位的影響

3.1 典型長觀孔地下水位變化

采煤排水對地下水最直接的影響就是導致地下水的水位發(fā)生變化。反之，地下水位的變化，是對地下水系統(tǒng)外界影響因素的反映，是了解人類活動對地下水系統(tǒng)影響程度、變化趨勢和變化幅度的重要依據(jù)之一。為掌握研究區(qū)的地下水變化規(guī)律，分析采煤排水對地下水的影響，選取研究區(qū)內布設的26個淺層地下水位長觀孔(圖3)中較為典型的長觀孔在1980—2014年(34a)內的地下水位埋深數(shù)據(jù)進行綜合分析。

圖3 研究區(qū)長觀孔位置

長觀孔301號井以及40770030號井位于原榆陽煤礦以及露天礦西灣煤礦附近，其歷年的水位變化曲線見圖4和圖5。由圖4可知，2000—2007年之間，隨著榆陽煤礦的逐步建設，其附近地下水埋深變化開始顯現(xiàn)，地下水埋深下降0.95m。2007—2014年之間，隨著榆陽煤礦的高強度生產(chǎn)，其地下水埋深變化明顯，地下水埋深下降7.66m，變幅219%，變化幅度較大。由圖5可知，隨著西灣煤礦的開始建設，受其剝離上覆地層的影響，地下水擾動強烈，自開始建設以來，地下水埋深下降14.7m，變幅77.1%，變化幅度很大。其他長觀孔的地下水埋深同樣出現(xiàn)此類現(xiàn)象，但其變化幅度稍有不同，可見，受煤礦建設和開采的影響，潛水含水層地下水位隨著采掘空間的不斷增大而下降。

圖4 301號井地下水位埋深歷時曲線

圖5 40770030號井地下水位埋深歷時曲線

3.2 區(qū)域地下水位變化

根據(jù)研究區(qū)內26個長觀孔歷年水位埋深值，繪制研究區(qū)1994年、2000年、2007年和2014年的地下水埋深等值線圖，見圖6。

圖6 研究區(qū)不同時間潛水埋深等值線

根據(jù)圖6可知，研究區(qū)1994年和2000年的地下水位埋深等值線圖基本一致，說明區(qū)內地下水位埋深基本不變，其中榆橫北區(qū)地下水位埋深主要在3m以上，榆神礦區(qū)和神府礦區(qū)地下水位埋深主要在3～6m之間；2007年研究區(qū)地下水位埋深較2000年有所變化，榆橫北區(qū)地下水位埋深主要在3m以上，但其0～3m地下水位埋深的面積有所減少，地下水位有所下降，榆神礦區(qū)地下水位埋深主要在6～15m之間，地下水位下降明顯，神府礦區(qū)地下水位埋深主要在3～9m之間，地下水位有所下降；2014年研究區(qū)地下水位埋深較2007年有所變化，榆橫北區(qū)地下水位埋深主要在3m以上，但其0～3m地下水位埋深的面積略有增加，地下水位略有上升，主要是由于榆陽煤礦于2013年末關閉，榆橫北區(qū)其他煤礦尚未生產(chǎn)，導致地下水位略有恢復，也間接說明了地下水位埋深受煤礦開采的影響較大；榆神礦區(qū)地下水位埋深主要在9～15m之間，地下水位下降明顯；神府礦區(qū)地下水位埋深主要在15m以下，地下水位下降明顯。

4 對地下水資源量的影響

為了分析對比不同時間段采煤對水資源量的影響，選取4個時間段1994年、2000年、2007年以及2014年，利用水均衡法對研究區(qū)不同時間段內的地下水天然補給量進行計算。研究區(qū)內地下水天然補給量包括有大氣降雨入滲補給量，側向補給量，凝結水補給量以及農灌回歸補給量等，而大氣降雨入滲補給是區(qū)內地下水的主要補給來源，其補給量基本占天然補給量的90%以上，為簡化文章篇幅，本章節(jié)只計算大氣降雨入滲補給量，分析其與采煤的相關關系，從而說明采煤對地下水資源量的影響。

本次大氣降水入滲補給量計算中所用降雨量，采用研究區(qū)內的神木、榆陽、橫山周邊地區(qū)縣級以上氣象站及個別雨量站21a來的多年平均值(平水年)與地下水位埋深分區(qū)以及不同水位埋深入滲系數(shù)相結合，計算不同分區(qū)的降水入滲補給量。計算公式為：

式中，Q降為研究區(qū)多年平均大氣降水入滲補給量，m3；αi為各計算分區(qū)大氣降水入滲系數(shù)；Pi為各計算分區(qū)多年平均降水量，m；Si為各計算分區(qū)面積，m2。

在地下水資源量計算過程中，考慮到水文地質參數(shù)使用的合理性，將研究區(qū)根據(jù)地下水位埋深進一步劃分了5個二級分區(qū)。在不同年份的地下水位埋深分區(qū)圖中，分別提取出各二級分區(qū)的面積，見表1。

降雨入滲補給系數(shù)的大小與多種因素有關，如潛水位埋深，巖性、構造，以及降雨量大小、強度、持續(xù)時間，地形地貌以及植被等。本次風沙灘區(qū)降水入滲系數(shù)主要借鑒前人研究成果[9-10]，綜合考慮陜北地區(qū)實際情況進一步對降雨入滲系數(shù)進行了合理的修正，最終取值如表2。

表1 研究區(qū)地下水資源量計算分區(qū) 109m2

表2 不同水位埋深降雨入滲系數(shù)

將已經(jīng)統(tǒng)計出的各二級分區(qū)的降雨入滲系數(shù)、面積和降雨量數(shù)據(jù)代入上述公式中，則可計算出不同時間的大氣降雨入滲補給量，其中1994年大氣降雨入滲補給量為16.28×108m3；2000年大氣降雨入滲補給量為16.13×108m3；2007年大氣降雨入滲補給量為13.93×108m3；2014年大氣降雨入滲補給量為11.74×108m3。具體計算參數(shù)見表3，大氣降雨入滲補給量歷時曲線見圖7。

表3 不同時間降雨入滲補給量計算成果

圖7 不同時間大氣降雨入滲補給量變化

根據(jù)大氣降雨入滲補給量計算結果以及研究區(qū)煤炭產(chǎn)量數(shù)據(jù)，繪制其相關關系圖，見圖8。由圖可知，2000年之前，大氣降水入滲補給量比較穩(wěn)定，2000年之后入滲補給量開始逐年下降，主要原因是2000年之后，陜北地區(qū)煤礦大量開采，礦井排水量迅速增加，導致礦區(qū)周邊地下水位逐年下降，局部地區(qū)超過了降雨對地下水補給的最佳埋深(最佳埋深是指降雨入滲補給地下水量最大時的地下水位埋深，若超過這一埋深，降雨入滲補給量就減少[11])，導致降雨入滲途徑變長，從而增加了降雨入滲過程中蒸發(fā)等無效損耗量[12]，減少了有效入滲補給量，最終導致地下水資源量的減少。

圖8 大氣降水入滲補給量與煤炭產(chǎn)量相關關系

5 結 論

(1)采煤過程中產(chǎn)生了大量礦井水，而這些礦井水除少量煤礦綠化和除塵用外，絕大部分水量外排到附近溝谷和河道，造成當?shù)氐叵滤Y源大量流失。

(2)通過典型長觀孔和區(qū)域地下水位變化分析可知，受煤礦建設和開采的影響，潛水含水層地下水位隨著采掘空間的不斷增大而下降。

(3)通過計算大氣降雨入滲補給量來分析采煤排水對地下水資源量的影響可知，2000年之前，大氣降水入滲補給量比較穩(wěn)定，2000年之后入滲補給量開始逐年下降，主要原因是2000年之后，礦井外排水量迅速增加，導致礦區(qū)周邊地下水位逐年下降，局部地區(qū)超過了降雨對地下水補給的最佳埋深，增加了降雨入滲過程中蒸發(fā)等無效損耗量，減少了有效入滲補給量，最終導致地下水資源量的減少。

[1]葉貴鈞，張 萊，李文平，等.陜北榆神府礦區(qū)煤炭資源開發(fā)主要水工環(huán)問題及防治對策[J].工程地質學報.2000，8(4)：446-455.

[2]宋洪柱.中國煤炭資源分布特征與勘查開發(fā)前景研究[D].北京：中國地質大學(北京)，2013.

[3]黃文輝，敖衛(wèi)華，翁成敏，等.鄂爾多斯盆地侏羅紀煤的煤巖特征及成因分析[J].現(xiàn)代地質，2010，24(6):1186-1197.

[4]張博煒，劉俊民，張 斌，等.榆林市煤礦礦井疏干水的排放現(xiàn)狀分析[J].中國水土保持，2013(1):34-36.

[5]陶 虹，寧奎斌，陶福平，等.陜北典型風沙灘地區(qū)淺層地下水動態(tài)特征及對煤炭開采響應分析[J].煤炭學報，2016，41(9):2319-2325.

[6]范立民，向茂西，彭 捷，等.西部生態(tài)脆弱礦區(qū)地下水對高強度采煤的響應[J].煤炭學報，2016，41(11):2672-2678.

[7]范立民，王雙明，劉社虎，等.榆神礦區(qū)礦井涌水量特征及影響因素[J].西安科技大學學報，2009(1):7-11，27.

[8]吳喜軍，李懷恩，董 穎.煤炭開采對水資源影響的定量識別——以陜北窟野河流域為例[J].干旱區(qū)地理(漢文版)，2016，39(2):246-253.

[9]段 磊.黃河流域陜西省地下水資源評價及其解析[D].西安：長安大學，2004.

[10]王小軍，蔡煥杰，張 鑫，等.基于GIS的陜北風沙灘區(qū)地下水資源評價系統(tǒng)研究[J].干旱地區(qū)農業(yè)研究，2008，26(5):217-223.

[11]曹萬金.水資源計算評價管理[M].南京：河海大學出版社，1990.

[12]張念龍，靳德武，邵東梅.采煤排水對區(qū)域水資源的影響——以山西陽武河流域上游煤礦區(qū)為例[J].煤田地質與勘探，2008，36(4):50-53.

[13]劉丹丹.陜北風沙灘地區(qū)地下水動態(tài)對煤炭開采的響應研究[D].西安：長安大學，2015.

[14]李 瑩.陜北煤炭分布區(qū)地下水資源與煤炭開采引起的水文生態(tài)效應[D].西安：長安大學，2008.

[責任編輯：張玉軍]

InfluenceofUndergroundWaterResourcesbyMiningWaterDrainageinShenfuYukuangCoalMineArea

LIU Ji1,2,3，YANG Jian2,3，WANG Qiang-min2,3

(1.China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；2.Xi’an Research Institute，China Coal Technical & Engineering Group，Xi’an710077，China；3.Shaanxi Province State Key Laboratory of Coal Mine Water Disaster Control Technique，Xi’an 710054，China)

In order to study influence of underground water resource by mining water drainage，it taking mine drainage as basement,then groundwater level observation data during period of 1980—2014 was utilized，precipitation recharge was calculated and the relationship to coal production was analyzed also.The results showed that，precipitation recharge was stability before year of 2000 and decreased after year 2000.The main reasons were large amount mine water drainage，and groundwater in some region recession，but it exceed the best burial depth of precipitation recharge，then some invalid damage was increased during rain infiltration process，an effectively infiltration recharge was decreased，then groundwater resources was decreased.

mining water drainage；underground water resource；water level observation；precipitation recharge；underground water level recession

TD745.21

A

1006-6225(2017)05-0106-04

2017-04-12

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.05.027

國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0501104、2016YFC0501102)

劉 基(1985-)，男，江西臨川人，助理研究員，博士研究生，主要從事水文地質方面的相關研究工作。

劉 基，楊 建，王強民.神府榆礦區(qū)采煤排水對地下水資源量的影響[J].煤礦開采，2017，22(5)：106-109，101.