煤矿开采沉陷地表积水预测

谭洪伟

（中煤科工集团北京华宇工程有限公司北京100120）

煤矿开采沉陷地表积水预测

谭洪伟

（中煤科工集团北京华宇工程有限公司北京100120）

煤矿井采后地表积水区分布预测和治理方案规划在大部分井工煤矿项目环评和土地复垦方案编制时会涉及，这是现代化井工煤矿建设前期工作需要思考的问题。就井工煤矿开采沉陷后地表积水预测，文章通过沉陷后地形、地表水水量平衡的角度进行分析，为井工煤矿地表积水区分布预测提供一定参考。

煤矿；沉陷区；地表积水预测

煤炭是我国重要的能源，开采历史久远，随着采煤技术和装备的革新，现代化的大型矿井应运而生，产能从几百万至几千万吨不等。煤炭井采后会引起地表沉陷，并可能形成地表积水，造成土地受淹和盐碱化[1]，在高潜水位地区，沉陷区地表积水尤为明显[2-4]。消除沉陷区地表积水影响、修复沉陷区生态环境成为煤炭开采中面临的重要生态问题，也是现代化煤矿建设前期工作需要思考的问题。

煤矿井采后，不是所有的沉陷区地表都会受积水影响，众多研究人员对沉陷区地表积水机理和计算模型进行了研究和分析[1，4-7]。文章提出通过沉陷后地形初步分析和地表水水量平衡深入分析的方式，判断沉陷区地表是否受到积水影响。

1　积水区预测初判

积水区初判主要是对沉陷后的地形情况进行分析，判别沉陷区地表是否形成凹地。若沉陷后地面没有形成明显的凹地，则不会有积水区形成；反之，若沉陷后地面形成有明显的凹地，则该区域可能会有积水区形成。其主要原因在于，沉陷区积水需要有一地形条件，即可以蓄集水量的凹地，若没有可以积水的凹地，沉陷区内的地表水都会以地表径流的方式流向下游，而不在沉陷区内蓄积。

沉陷后地面不会形成明显的凹地的情况一般在沉陷前地形坡度较大的区域，如丘陵坡地，沉陷后地形的坡向较沉陷前没有明显改变，仅坡度产生了变化；而沉陷后地表容易形成凹地的情况一般在沉陷前地形坡度较小的区域，如丘陵缓坡区、平原区，沉陷后地形的坡向较沉陷前会发生改变。

判别沉陷区是否形成凹地，主要利用开采沉陷软件按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》、结合煤矿开拓布置、地质情况计算开采沉陷等值线图，再通过软件将开采前地形与开采沉陷等值线图叠加后生成沉陷后地形进行分析。

2　积水区预测深入分析

当沉陷区地面形成凹地条件时，就需通过进一步分析，预测是否形成积水区，主要通过对区域的地表水水量平衡进行分析。

△E=I-Q

式中：△E为某时段内的水量平衡差，I、Q分别为某时段内的地表水补给量和排泄量。

在不考虑人为因素的情况下，沉陷区地表水补给量主要是大气降水、河川径流和地下水补给，排泄量主要是河流排放、蒸发量、地表水渗漏。水量补给量和排泄量需根据当地的水文地质资料进行分析确定，水量平衡关系如图1所示。

图1　水量平衡关系图

2.1补给项对沉陷区积水的影响

2.1.1大气降水

当雨水降落地表后，一部分下渗转变为地下水，一部分形成地面径流，最终都流向流域的最低处。但也不是所有的降水都会形成地表径流，径流的产生与暴雨强度、下垫面情况密切相关，根据径流产生情况，可以分为“超渗产流”和“蓄满产流”[8]。

若降水会形成地面径流，则地面径流会逐渐在流域的最低处汇集，并在地表形成积水区；若降水不会形成地面径流，降水转变为地下水，则需要分析其他补给项后确定是否存在地表积水。

2.1.2河川径流

河川径流是沉陷区重要的补给项，尤其对于临河煤矿或者矿田内有河流穿过的煤矿，由于开采沉陷造成地表变化，改变河流走向，河川径流在沉陷区的最低处蓄积并形成水面。

当有河川径流汇入沉陷区时，则地表会形成积水区，反之，若无河川径流汇入沉陷区，则需分析其他补给项确定是否存在地表积水。

2.1.3地下水补给

一般地，当潜水水位较高，使得潜水水位高于沉陷后地面标高，则潜水会转变为地表水，地表形成积水区；反之，若流域内潜水水位较低，不超过沉陷后地面标高，无地下水转变为地表水，则需分析其他补给项确定是否存在地表积水。

2.2排泄项对沉陷区积水的影响

2.2.1河流排放

一般而言，河流排放只有在积水区水面达到沉陷区边界最低点高程时才会形成，其仅能控制积水面积不会超过河流水面水位高程一致的等高线合围的区域，其犹如木桶的“短板效应”一样。这也进一步说明，沉陷区形成凹地是积水的前提条件。

2.2.2蒸发量

蒸发量与当地的气候条件、积水区水面密切相关，属于一个变化量，只有当形成积水水面时，蒸发量才纳入水量平衡中考虑，并随着水面大小的变化而变化。

2.2.3地表水渗漏

地表水是否产生渗漏与潜水水位、地表水水位相关，当地表水水位高于潜水水位时，表现为地表水向地下水补给，产生渗漏；当地表水水位低于潜水水位时，表现为地下水向地表水补给，不会地表水产生渗漏；当两者水位一致时，则地表水与地下水不形成转换，也不产生地表水渗漏。

2.3积水区面积确定

通过分析确定的沉陷区地表水补给量和排泄量，由水量平衡公式计算出某时段沉陷区地表水的水量平衡差后。积水区面积可通过绘制沉陷区“库容-面积-高程曲线”的方式求得，某时段内的积水区库容与地表水的水量平衡差一致。

2.4水量平衡分析结论

在水量平衡中，地表水的补充量是沉陷区是否积水的关键因素，当沉陷区地表水有补给量时，才会有积水区形成。地表水排泄量对积水区的影响主要是控制积水区存在的时段，当沉陷区有积水形成时，若某时段分析的排泄量小于补给量，则形成永久性积水区，且积水区会逐渐扩大，并在某一时段达到水量平衡，即排泄量等于补给量；若分析的排泄量大于补给量，形成的积水区会逐渐变小，甚至干枯露出地表，并在某一时段达到水量平衡，如新疆部分地区，由于地下潜水水位较低，某次降雨径流或溶雪性洪水，在凹地内形成积水区，并在之后的一段时间内由于积水蒸发、下渗，在地表形成“白板地”。从水量平衡的角度而言，排泄量总体上与补给量是平衡的。

3　结语

综上所述，沉陷区地表积水受沉陷后地形、地表水补给量共同影响，当沉陷后地表存在凹地且地表水存在补给量，则会形成积水区，反之，若不具备以上两个条件，则不会形成积水区。在分析沉陷后地表是否积水时，可先通过分析沉陷后地形情况，再分析沉陷区地表水补给量的方式进行判断。

从水量平衡的角度分析，沉陷区有积水形成时，在一个水文周期内，当沉陷区的补给量大于或等于排泄量，则积水区永久性积水区；反之，若沉陷区的补给量小于排泄量，则积水区为临时性积水区。

需要说明的是，由于煤矿建设前期获得的水文地质资料是煤矿开采沉陷前的数据，在进行地下水水位分析时，应该充分考虑沉陷导致地下水水位的变化和导水裂隙带高度对潜水水位的影响。

[1]李建新,王来贵.地下开矿引起地表积水机理初探.中国科技论文在线.http://www.paper.edu.cn.

[2]葛中华,沈文.高潜水平原煤矿沉陷积水区治理研究.煤炭学报[J].1994（4）.19（2）：182-187.

[3]渠俊峰,李钢,张绍良.高潜水水位采煤沉陷区复垦与湿地生态保护.中国水土保持[J].2014（1）：37-39.

[4]陆垂裕,陆春辉,李慧,等.淮南采煤沉陷区积水过程地下水作用机制.农业工程学报[J].2015（5）31（10）:122-130.

[5]郝英臣,龚斌,等.矿区浅层地下水污染机理探讨.中国安全科学学报[J].2007（5）17（5）：5-8.

[6]余洋,叶珊珊，陈超,等.采煤沉陷盆地的积水承载力研究.西南大学学报:自然科学版[J].2015（10）37（10）:183-188.

[7]何强,吴侃,许冬.平原地区采煤沉陷积水计算模型构建与影响分析.金属矿山[J].2015（3）465：173-177.

[8]刘俊民,余新晓.水文与水资源学[M].北京:中国林业出版社, 1999.

谭洪伟（1981—），男，本科，工程师，主要从事水土保持方案编制及生态恢复治理工作。