第31卷第3期2017年3月干旱区资源与环境
Journal of Arid Land Ｒesourcesand Environment
doi ：10．13448/j．cnki．jalre．2017．098
Vol．31No．3
Mar．2017
文章编号：1003－7578（2017）03－185－06
采煤对陕北榆溪河流域地下水资源的影响分析
———以杭来湾煤矿开采区为例
董震雨，王双明
（长安大学环境科学与工程学院，西安710054）
*
提要：陕北榆林榆溪河流域属于生态脆弱区，煤炭开采活动严重影响了其地下水资源及地表生态环境，
导致该流域水资源严重短缺，水质变差，但很难分析评价其影响程度。以杭来湾煤矿为例，在分析水文地质工
通过冒裂带高度、地下水静储量、地下水动储量、采空区积水的计算和实地采集水样的检程地质条件的基础上，
测，定量识别和定性分析了煤矿开采对榆溪河流域地下水资源的破坏影响。结果表明杭来湾首采区煤炭开采
333
动储量破坏值为1．35万m /h，采空区积水为5991．52万m ；开采造成的地下水静储量破坏值为29．76万m ，
后地下水水质基本达标，影响较小。为了补偿地下水资源的破坏，须加强矿坑水的综合利用。
关键词：地下水资源；煤炭开采；定量识别；榆溪河流域；陕北地区中图分类号：TD167文献标识码：A
我国煤炭资源丰富，作为主体能源和重要工业原料，煤炭在我国的一次能源结构中占比76．7%，远高
于石油（20．4%）、天然气（3%）、水电和可再生能源（7．2%），在国家消费结构中煤炭的占比也高为69．［1］
4%。伴随我国经济快速发展，" 十二五" 期间煤炭产量已突破数十煤炭资源产量随着需求量逐年增长，
［2］
" 十三五" 是我国全面建设小康社会的关键阶段，亿吨，能源消费必然要保持持续快速增长的趋势，据估
［3］
2020年的能源缺口将达到6．6亿吨煤以上。然而煤炭在经济算，在实现既定经济发展目标的前提下，
发展中发挥重要作用的同时，也给自然环境带来了不可忽略的负面影响。以陕北能源基地来说，自1989年陕北煤炭工业迅速发展，尤其是2000年以后，原煤产量从不足5000万吨增长至2013年的3．38亿［4］吨，大规模、高强度的煤炭开采活动，导致煤矿区地下水位大幅度的下降，以及周边地区很多泉水干涸，
［5，6］
。河水断流，地质环境变异，环境污染、生态环境破坏严重
榆林矿区是陕北能源基地的核心组成部分，而榆溪河是榆林市的主要水源地，承担着沿河两岸及城区发展的主要供水，而且榆林市对其的需求量在逐年增加，据估算到2020年榆溪河流域的水需求量将达到
［7］
现在供水能力的2倍以上，然而榆林市近年来周边地区煤炭大规模开采却导致了榆溪河水资源严重短缺，水环境恶化等一系列问题，因此煤炭开采对榆溪河流域地下水影响的研究是必须高度关注的课题。杭
紧邻榆溪河两大主要支流，是年产量为800万吨煤炭的特大型矿井，其煤来湾煤矿位于榆溪河流域东部，
炭生产活动必然会对榆溪河流域地下水产生很大的影响。笔者以杭来湾煤矿为例，从水量和水质两方面定量和定性地研究分析了煤炭开采对榆溪河流域地下水资源的影响，为研究榆溪河流域的地下水相关问题提供借鉴与参考。
1采煤对地下水影响研究现状
煤炭开采对地下水的扰动影响取得一些研究成果。韩宝平等系统地分析了煤炭开采过程中产生的各
*
收稿日期：2016－7－14；修回日期：2016－9－26。
基金项目：国家自然科学基金重点项目（41230314）；教育部国家外专局高等学校学科创新引智计划（"111" ）项目（B08039）；中国工
程院重点咨询项目（201407x2002）；国家自然科学基金（41302207）；陕西省项目陕北煤炭开采区采动损害调查项目资
助。
作者简介：董震雨（1985－），男，河南许昌人，博士研究生，主要从事水文地质工程地质方面的研究。Email ：dzhy621@126．com
类水文地质问题的影响因素、现象及危害等之间的关系，建立了煤炭开采扰动下的水文地质概念模型，了
对预测煤矿区疏排水量及其时间变化解了煤炭开采扰动下区域水文地质的效应发生与演化方式及强度，
［8］
的规律有重要意义。
曹志国在神东矿区通过物探和钻探观测、模型试验和数值模拟等技术手段，研究得出神东矿区煤炭开
［9］［10］
采的地下水运移规律。张树奎等对黄河中游煤矿区进行了开采对地下水水资源影响分区的研究。余洋在开采沉陷的预计方法和测量计算理论的基础上，利用GIS 软件，推导并得出计算煤矿工作面开采沉
［11］
陷积水承载力的方法。雷绍庆，李振拴，时红通过计算动储量及静储量破坏，评价了山西省煤炭开采破
［12－14］
。坏的水资源量，提出了合理利用水资源的建议及对策
Szzeppansk J 指出煤矿开采导致地下水的污染是地下水破坏的主要方面，而且在很长一段时期难以消
［15］
除其危害。武强、董东林等研究了西山矿区开采对河川径流和水源的影响，分析了酸性水的形成机［16］［17］制。邓强伟等运用数学模型的模拟计算探讨了大恒煤矿开采对地下水位和水量的影响。
徐海红等以小庄煤矿为例，通过确定导水裂隙带的高度进而研究煤矿采动活动对各含水层的影［18］［19］
响。张茂省等通过确定冒裂带高度对陕北能源化工基地进行了导水区划分。乔小娟等以西山煤矿
［20］
为例，探讨了煤炭开采在水量和水质两层面对地下水资源和环境产生的影响。王长友等应用经验公式
为煤矿防治水提供了理计算和数值模拟的方法对杭来湾煤矿萨拉乌苏组含水层流场及水位进行了预测，
［21］
论依据。
2杭来湾煤矿地质概况
杭来湾井田位于榆林城北约20km 、金鸡滩乡东1km 处，其南端为头道河，北端为二道河的源头，为榆溪河的两大主要支流，自东向西于井田10km 处流入榆溪河（图1）。
杭来湾井田范围地层平缓，起伏变化小，地
结构简单，整体表现为一单斜，北西层倾角0．5ʎ ，
倾，断层不发育。井田地层由老至新为：三叠系上统瓦窑堡组（T 3w ）厚度25m 以上；侏罗系下统富县组（J 1f ）厚度1．91 54．00m ；侏罗系中统延安组（J 2y ）为含煤地层，厚度238．34 306．06m ；侏罗系中统直罗组（J 2z ）厚度13．49 152．63m ；第四系下更新统午城组（Q 1w ）厚4．39 67．10m 、中更新统离石组（Q 2l ）厚度4．64 83．64m 、
1
上更新统萨拉乌苏组（Q 3s ）厚度0 64．92m 、全
1al +pl
、Q 2al 新统冲洪积层（Q 4风积4）厚度1．8 8m 、
2eol
层（Q 4）厚度0 12m 。主要开采煤层为延安组第三段上部3号煤层，层位稳定，厚度大，煤层厚度为4．85 11．9m 。
3杭来湾煤矿水文地质特征
图1杭来湾井田位置
Figure 1Location of Hanglaiwan minefield
井田位于毛乌素沙漠东延，地势中部高，为黄土梁岗区，南北部低，为沙漠滩地区，井田内水系不发育。根据赋存条件及水力特征，将杭来湾井田地下含水层分为两类：第四系松散岩类孔隙及孔隙裂隙潜水与碎屑岩类裂隙水。3．1第四系松散岩类及孔隙裂隙潜水
（1）全新统河谷冲积层孔隙潜水。含水层主要分布在井田南方的头道河阶地及漫滩中，阶地中砂砾石层厚度较薄，厚度为1．50 7．85m 。河谷两侧则为黄土梁峁区，贫水故河谷侧向补给条件差。含水层上部岩性为粉砂土，下部岩性为砂砾石及粉细砂，透水性较好，富水性弱。
（2）上更新统冲湖积层孔隙潜水（萨拉乌素组潜水）。含水层呈面状分布于沙漠滩地区，以地下水赋
存条件为依据，萨拉乌苏组潜水又分为中等－强富水区域与弱富水区域。中等－强富水区域分布于井田
四周高，中间低，大气降水及地表水易于汇集渗入补给；含水层成分为松散的粉北部及南部的局部滩地中，
细砂夹中粗砂，厚度较大，一般为20 50m 。弱富水区域分布于井田北部沙漠滩地区，砂层较薄，水位大多
仅局部含有薄的含水砂层，储存地下水的条件差，富水性弱。在砂层之下，
（3）第四系更新统黄土孔隙裂隙潜水。含水层全区分布，井田中部零星出露，井田的南部与北部的局
厚度为9．80 120．49m ，一般为40 80m 。含水层主要为粉土质黄部地段隐伏在萨拉乌苏组地层下面，
土，部分地段夹粉细砂层，厚度为9．80 90．00m 。其富水性受不同的地貌条件影响显现出的差异较大，总体上富水性弱。
3．2碎屑岩类裂隙水
（1）侏罗系碎屑岩类风化壳裂隙承压水，为基岩顶部的风化裂隙带，广布全区，位于第四系中更新统
厚度一般为20m 左右，由于其上覆厚黄土弱含水层，故其富含的地下水具有承压性，富水性黄土的下面，
弱。
（2）碎屑岩类裂隙承压水，被3号煤层划分为上、下含水岩段。3号煤上部含水岩段，J 2y 4，包括J 2z 、各岩性段，厚度为15．04 69．10m ，由东向西逐渐增大。含水层
裂隙不发育，富水性弱。根据主要为直罗组底部的" 七里镇砂岩" 与延安组第四段底部的" 真武洞砂岩" ，
3
抽水试验，水位埋深为6．20 66．20m ，当降深为31．25 50．88m ，涌水量为1．607 32．31m /d，单位涌水量为0．00049 0．01182L /（s ·m ），渗透系数为0．0013 0．014m /d。
3号煤下部含水岩段包括煤层至J 2y 底界间的岩层，岩性主要为浅灰色粉砂岩、细砂岩与深灰色泥岩的不等厚互层，埋藏较深，岩石较完整，裂隙不发育，含水层薄，富水性弱。3．3隔水层
隔水层位于煤系中，为层间裂隙承压水的隔水层，与含水层相间连续分布，岩性主要为泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及粉砂岩等，厚度一般为10 40m 。
4陕北杭来湾煤矿导水裂隙带的计算
杭来湾煤矿首采盘区位置（图2），采用倾斜长臂式采煤法，一次性采全高，顶板管理为全部垮落法，据钻孔资料首采区3号煤层厚度为6．72 11．90m ，平均厚度为9．31m ，直接顶板岩性主要为粉砂岩、泥岩，夹少量细粒－粗粒长石砂岩，为中硬
《建筑物、岩层。根据水体、铁路及主要井
中硬岩层的巷煤柱留设与压煤开采规程》
计算公式，即：
100Σm
H c =ʃ 2．2（1）
4．7Σm +19100Σm
H f =（2）ʃ 5．6
1．6Σm +3．6
式中：H c 为冒落带最大高度（m ）；H f
为导水裂隙带最大高度（m ）；∑m 为累计采厚（m ）。
通过计算井田北部前期开采区26个
对比井钻孔的3号煤层顶板冒裂带高度，
田含水层距离煤层的高度，得出井田前期开采区内开采3号煤层后由于顶板岩层垮落而形成的导水裂隙带已沟通碎屑岩类裂隙承压水含水层，成为矿井的充水通
图2首采区及水样点位置图
Figure 2Position of first excavation area and water samples
·188·
道，计算结果（表1）。
干旱区资源与环境第31卷
表13号煤层顶板基岩冒裂带与地下水含水层关系统计表
Table 1Ｒelationshipbetween caving zone and groundwater aquifer
煤层
范围首采区
钻孔数26
厚度（m ）
底板埋深（m ）
冒裂带高度（m ）
碎屑岩类裂隙带
冒裂带顶与碎冒裂带与碎屑冒裂带顶与屑岩类裂隙带
岩类裂隙带基岩风化裂隙
关系沟通
冒裂带与第四系松
埋深（m ）底间距（m ）
6．72 11． 90200．85 241． 0067．90 76． 24112．18 151． 74－14．05 －1．12带底间距（m ）散层关系47．64 113．45未沟通
5陕北杭来湾煤矿煤炭开采对地下水资源的影响
5．1煤炭开采对地下水资源量影响计算
（1）煤炭开采破坏的静储量的计算方法。煤炭开采后，顶板的垮落会破坏煤层上覆含水层，导致含水
这部分水被称作地下水静储量。静储量的破坏是一次性的，其数值是与含层中储存的地下水很快被排空，
水层的含水特征相关的固定值。
静储量计算公式为：Q J =ΣH i ·S i ·μi
i =1n
（3）
43
式中：Q J 为煤炭开采破坏的含水层静储量（10m ）；H i 为煤炭开采破坏的含水层厚度（m ）；S i 为采空
42
区面积（10m ）；μi 为含水层的给水度。
杭来湾井田北部首采盘区南北长5200m 、东西宽5600m ，碎屑岩类裂隙含水层厚度15．04 69．10m ，平均厚度为42．06m 。给水度的选取通过钻孔单位涌水量类比给水度的方法（公式4），借鉴典型计算中五
7305试验工作面的单位涌水量q s =0．057L /（s ·m ）及给水度μs =1．17ˑ 10－3［11］，杭来湾首采阳矿7303、
－3
区单位涌水量q i =0．01182L /（s ·m ），计算得出μi =0．243ˑ 10
μs q s
=则μi =μs ·q i /qs （4）μi q i
（2）煤炭开采破坏的含水层动储量的计算方法。煤炭开采活动破坏含水层后，矿井涌水量先迅速增加，而后随着时间渐趋于稳定，最后维持在一个相对稳定量，称为动储量。动储量的破坏同样是不可逆的，其数值是一个变量，受到降水量、地形、地质构造、煤层埋深以及开采方法等因素的影响。
动储量的计算公式：Q D =ΣS i ·M i
i =1
n
（5）
4342
式中：Q D 为采煤破坏的地下水的动储量（10m /h）；S i 为采空区面积（10m ）；M i 为采煤破坏的地下
32
水模数（m /h·m ）。
3
首采区30101工作面长299．5m ，推进方向长4252m ，涌水量为Q 3=0．0591m /h则M i =Q 3/（299．5ˑ
4252）=0．464ˑ 10－7m 3/h·m 2
（3）采空区积水。煤炭开采过程中导致煤层上覆岩层中冒裂带的形成，冒裂带中大量的裂隙沟通了含水层，加强了含水层之间的水力联系，开采后冒裂带中的大量裂隙和空隙成为地下水的巨大存储空间，采空区积水量计算公式：
Q C =KMS /cosα（6）
32
式中：Q C 为采空区积水量（m ）；M 为开采煤层高度（m ）；S 为采空区淹没面积（m ）；α为煤层倾角（ʎ ）；K 为充水系数。
煤炭开采产生的采空体积一部分被冒落的岩石发生碎胀后充填（即岩石的残余碎胀体积），另一部分
［22］
因上覆岩层向下移动，以地表下沉的形式被转移到地表。因此，有下述关系式成立：V =V 1+V 2
式中：V 为采空体积；V 1为下沉体积；V 2为冒落带岩石的残余碎胀体积。采空区积水体积V' 等于冒落带岩石碎块间的空隙体积之和，即：V' =V 2=V －V 1则充水系数：K =（V －V 1）/V=（MS －HS ）/MS=1－H /M
（7）即：K =1－H /M
杭来湾煤矿首采区煤层采高M =9．31m ，煤层直接顶为细砂岩夹粗砂岩，采空区面积为S i =2912ˑ
104m 2，煤层倾角α=0．5ʎ ，陕西有色榆林煤业有限公司监测的实测最大下沉值为H =7．25m ，则充水系数：K =1－H /M=1－7．25/9．31=0．221
443
采空区积水量：Q C =KMS /cosα=0．221ˑ 9．31ˑ 2912ˑ 10/cos0．5=5991．52ˑ 10m 根据资料，相关参数和地下水静储量、动储量破坏值及采空区积水的计算结果（表2）。
表2开采破坏地下水资源计算表
Table 2Losses of groundwater resource caused by coal mining
范围首采区
采空区面积（S i /104m 2）
2912
破坏含水层厚度（H i /m）42．06
给水度μi
0．243ˑ 10－3
地下水模数（M i /m3/h·m 2）0．464ˑ 10－7
采高（m ）9．31
充水系数K 0．221
静储量
动储量
采空区积水
（Q J /104m 3）（Q D /104m 3/h）（Q C /104m 3）29．76
1．35
5991．52
5．2采煤对地下水水质的影响
本次研究在杭来湾井田的地表出露泉点、坑道裂隙、地质钻孔等达到一定流量的出露部位，使用瓶装法实地进行了水样的采集工作，共采集19件水样，并对其进行水质全分析，采样点位置及编号（图2），水样分析结果（表3、表4）。
表3杭来湾井田水质分析结果（一般化学指标）（mg /L）
Table 3General chemical index analysis results of water in Hanglaiwan minefield （mg /L）
编号D01D02D06D10D11D12D13D14D15D16D17D18D19
pH
Fe
8．470．0068．50．0457．457．617．397．687．447．636．957．97．97．467．65
0．070．010．080．010．280．340．120．121．060．420．13
Mn 2+Cl －0．00114．320．00110．740．00414．320．00214．320．00528．630．00714．320．036
17．9
0．00514．320．00435．790．00735．790．03828．630．02614．320．00410．74≤0．1≤250
－SO 24
表4杭来湾井田水质分析结果（毒理指标）（mg /L）
Table 4Toxicological index analysis results of water
in Hanglaiwan minefield （mg /L）
Hg As 编号
D010．0000490．00606D02D06D10D11D12D13D14D15D16D17D18D19限值
0．0000230．00919
/0．00167
0．0000540．003920．000190．002420．0000550．000630．0000270．000810．00011
0．0022
0．0000220．000160．0000220．004170．000010．005430．000120．003280．0000120．00182≤0．001
≤0．01
Cr 6+
///0．004
//0．0040．006
/0．0040．0040．0040．006
NO 3－F －
0．1119．110．380．10．120．210．230．221．531．540．120．08
3．451．838．612．72．583．442．651．865．442．03≤20
NO 2－
////////0．91
////≤0．02
TDS 345．37197．68228．64260．13362．93224．65391．34241．99547．22538．62700．28261．7219．13≤1000
CaCO 3COD Mn 241．01147．53172．63193．42272．29163．42276．88184．26362．8695．48120．01183．51120．26≤450
2．991．890．75
11．141．041．440．83．180．82．041．040．7≤3
25．931．611．616．6933．068．7754．314．844．84101．594．0830．9122．74≤250
0．0614．570．0639．26
限值6．5 8． 5≤0．3≤0．05≤1．00
2++2+
由水样的分析结果可知杭来湾井田浅层地下水中阳离子主要是以Ca 为主，其次是Na 和Mg ，阴
－
离子主要是HCO 3，水化学类型主要为HCO 3－Ca 型，全区分布。通过检测地下水样的13项监测指标（pH 、铁、锰、氯化物、硫酸盐、溶解性总固体、总硬度（以CaCO 3计）、耗氧量（COD Mn 法）、汞、砷、六价铬、氟
（GB /T14848－93），硝酸盐及亚硝酸盐（以N 计）等），并对比国标《地下水质量标准》所采大部分水化物、
样的监测指标可以达到Ⅲ类水标准，总体水质较好，但所采水样的细菌总数均超标，尤其是D10和D14水
D15的硝酸盐样的大肠杆菌超标，并且个别水样的某些指标超标，其中D17水样的铁和氟化物含量超标，
D16的氟化物含量超标，及亚硝酸盐含量超标，不可作为饮用水直接使用，必须在进行处理后方可使用。
6结论及建议
（1）通过分析地下水赋存特征和冒裂带高度的计算得出杭来湾煤矿首采区开采后冒裂带沟通了碎屑
岩裂隙承压水，而冒裂带并未触及富水性强的萨拉乌苏组含水层，因此首采区工作面顶板下泄水主要来自于碎屑岩裂隙承压水。
43
（2）杭来湾井田首采区开采破坏的地下水资源量很大，其中静储量破坏值为29．76ˑ 10m ，动储量破
4343
坏值为1．35ˑ 10m /h，采空区积水值为5991．52ˑ 10m ，且采煤活动对地下水资源的破坏是永久、不可逆的，这对于陕北生态脆弱区地下水系统以及地表生态系统有着很大的影响，因此为了补偿地下水资源的破坏，建议对地下水做好实时监测工作并加强对于矿坑水的综合利用。
（3）杭来湾井田开采活动目前对地下水水质的影响较小，地下水基本达到国家Ⅲ类水标准，但地下水细菌总数普遍超标，且局部毒理指标超标，不能直接饮用。建议通过规范采煤，合理选择煤矸石堆放场地等措施来有效地保护水质。
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［20］乔小娟，J ］．水资源保护，2010（1）：49李国敏，周金龙，等．采煤对地下水资源与环境的影响分析－以山西太原西山煤矿开采区为例［
52．
［21］王长友，J ］．煤炭工程，2014（12）：13 16．郑忠友，华召文，武讲，张超．萨拉乌苏组含水层对杭来湾井田煤层开采影响性分析［［22］黄乃斌，J ］．煤炭技术，2006，25（6）：117 119．张向阳．近距离采空区下开采覆岩移动规律相似模拟研究［
Influence of coal exploitation on groundwater resources in Yuxi river valley of northern Shaanxi
DONG Zhenyu ，WANG Shuangming
（College of Environmental Science and Engineering ，Chang＇an University ，Xi＇a n 710054，China ）
Abstract ：Yuxi river valley at northern Shaanxi belongs to the eco －fragile region．The coal exploitation influ-enced groundwater and ecological environment badly and led to water shortage and poor water quality ，but the degree of influence is difficult to evaluate．Taking the coal exploiting area in Hanglaiwan coal mine as an exam-ple ，on the basis of analysis of hydrological geology condition and engineering geology condition ，the influence of coal mining on the groundwater resources and environment was analyzed quantitatively and qualitatively through calculation and test of water sample．The results show that the groundwater static reserves damaged by coal min-ing was 29．76ˑ 104m 3and groundwater dynamic reserves destruction reached 1．35ˑ 104m 3/hand goaf water was 5991．52ˑ 104m 3．The results of test show that the groundwater is basically safe so coal mining has little im-pact on water quality．To make up for the destruction of ground water resources the comprehensive utilization of goaf water must be enhanced．
Key words ：groundwater resource ；coal mining ；quantitative recognition ；Yuxi river volley ；northern of Shaanxi
第31卷第3期2017年3月干旱区资源与环境
Journal of Arid Land Ｒesourcesand Environment
doi ：10．13448/j．cnki．jalre．2017．098
Vol．31No．3
Mar．2017
文章编号：1003－7578（2017）03－185－06
采煤对陕北榆溪河流域地下水资源的影响分析
———以杭来湾煤矿开采区为例
董震雨，王双明
（长安大学环境科学与工程学院，西安710054）
*
提要：陕北榆林榆溪河流域属于生态脆弱区，煤炭开采活动严重影响了其地下水资源及地表生态环境，
导致该流域水资源严重短缺，水质变差，但很难分析评价其影响程度。以杭来湾煤矿为例，在分析水文地质工
通过冒裂带高度、地下水静储量、地下水动储量、采空区积水的计算和实地采集水样的检程地质条件的基础上，
测，定量识别和定性分析了煤矿开采对榆溪河流域地下水资源的破坏影响。结果表明杭来湾首采区煤炭开采
333
动储量破坏值为1．35万m /h，采空区积水为5991．52万m ；开采造成的地下水静储量破坏值为29．76万m ，
后地下水水质基本达标，影响较小。为了补偿地下水资源的破坏，须加强矿坑水的综合利用。
关键词：地下水资源；煤炭开采；定量识别；榆溪河流域；陕北地区中图分类号：TD167文献标识码：A
我国煤炭资源丰富，作为主体能源和重要工业原料，煤炭在我国的一次能源结构中占比76．7%，远高
于石油（20．4%）、天然气（3%）、水电和可再生能源（7．2%），在国家消费结构中煤炭的占比也高为69．［1］
4%。伴随我国经济快速发展，" 十二五" 期间煤炭产量已突破数十煤炭资源产量随着需求量逐年增长，
［2］
" 十三五" 是我国全面建设小康社会的关键阶段，亿吨，能源消费必然要保持持续快速增长的趋势，据估
［3］
2020年的能源缺口将达到6．6亿吨煤以上。然而煤炭在经济算，在实现既定经济发展目标的前提下，
发展中发挥重要作用的同时，也给自然环境带来了不可忽略的负面影响。以陕北能源基地来说，自1989年陕北煤炭工业迅速发展，尤其是2000年以后，原煤产量从不足5000万吨增长至2013年的3．38亿［4］吨，大规模、高强度的煤炭开采活动，导致煤矿区地下水位大幅度的下降，以及周边地区很多泉水干涸，
［5，6］
。河水断流，地质环境变异，环境污染、生态环境破坏严重
榆林矿区是陕北能源基地的核心组成部分，而榆溪河是榆林市的主要水源地，承担着沿河两岸及城区发展的主要供水，而且榆林市对其的需求量在逐年增加，据估算到2020年榆溪河流域的水需求量将达到
［7］
现在供水能力的2倍以上，然而榆林市近年来周边地区煤炭大规模开采却导致了榆溪河水资源严重短缺，水环境恶化等一系列问题，因此煤炭开采对榆溪河流域地下水影响的研究是必须高度关注的课题。杭
紧邻榆溪河两大主要支流，是年产量为800万吨煤炭的特大型矿井，其煤来湾煤矿位于榆溪河流域东部，
炭生产活动必然会对榆溪河流域地下水产生很大的影响。笔者以杭来湾煤矿为例，从水量和水质两方面定量和定性地研究分析了煤炭开采对榆溪河流域地下水资源的影响，为研究榆溪河流域的地下水相关问题提供借鉴与参考。
1采煤对地下水影响研究现状
煤炭开采对地下水的扰动影响取得一些研究成果。韩宝平等系统地分析了煤炭开采过程中产生的各
*
收稿日期：2016－7－14；修回日期：2016－9－26。
基金项目：国家自然科学基金重点项目（41230314）；教育部国家外专局高等学校学科创新引智计划（"111" ）项目（B08039）；中国工
程院重点咨询项目（201407x2002）；国家自然科学基金（41302207）；陕西省项目陕北煤炭开采区采动损害调查项目资
助。
作者简介：董震雨（1985－），男，河南许昌人，博士研究生，主要从事水文地质工程地质方面的研究。Email ：dzhy621@126．com
类水文地质问题的影响因素、现象及危害等之间的关系，建立了煤炭开采扰动下的水文地质概念模型，了
对预测煤矿区疏排水量及其时间变化解了煤炭开采扰动下区域水文地质的效应发生与演化方式及强度，
［8］
的规律有重要意义。
曹志国在神东矿区通过物探和钻探观测、模型试验和数值模拟等技术手段，研究得出神东矿区煤炭开
［9］［10］
采的地下水运移规律。张树奎等对黄河中游煤矿区进行了开采对地下水水资源影响分区的研究。余洋在开采沉陷的预计方法和测量计算理论的基础上，利用GIS 软件，推导并得出计算煤矿工作面开采沉
［11］
陷积水承载力的方法。雷绍庆，李振拴，时红通过计算动储量及静储量破坏，评价了山西省煤炭开采破
［12－14］
。坏的水资源量，提出了合理利用水资源的建议及对策
Szzeppansk J 指出煤矿开采导致地下水的污染是地下水破坏的主要方面，而且在很长一段时期难以消
［15］
除其危害。武强、董东林等研究了西山矿区开采对河川径流和水源的影响，分析了酸性水的形成机［16］［17］制。邓强伟等运用数学模型的模拟计算探讨了大恒煤矿开采对地下水位和水量的影响。
徐海红等以小庄煤矿为例，通过确定导水裂隙带的高度进而研究煤矿采动活动对各含水层的影［18］［19］
响。张茂省等通过确定冒裂带高度对陕北能源化工基地进行了导水区划分。乔小娟等以西山煤矿
［20］
为例，探讨了煤炭开采在水量和水质两层面对地下水资源和环境产生的影响。王长友等应用经验公式
为煤矿防治水提供了理计算和数值模拟的方法对杭来湾煤矿萨拉乌苏组含水层流场及水位进行了预测，
［21］
论依据。
2杭来湾煤矿地质概况
杭来湾井田位于榆林城北约20km 、金鸡滩乡东1km 处，其南端为头道河，北端为二道河的源头，为榆溪河的两大主要支流，自东向西于井田10km 处流入榆溪河（图1）。
杭来湾井田范围地层平缓，起伏变化小，地
结构简单，整体表现为一单斜，北西层倾角0．5ʎ ，
倾，断层不发育。井田地层由老至新为：三叠系上统瓦窑堡组（T 3w ）厚度25m 以上；侏罗系下统富县组（J 1f ）厚度1．91 54．00m ；侏罗系中统延安组（J 2y ）为含煤地层，厚度238．34 306．06m ；侏罗系中统直罗组（J 2z ）厚度13．49 152．63m ；第四系下更新统午城组（Q 1w ）厚4．39 67．10m 、中更新统离石组（Q 2l ）厚度4．64 83．64m 、
1
上更新统萨拉乌苏组（Q 3s ）厚度0 64．92m 、全
1al +pl
、Q 2al 新统冲洪积层（Q 4风积4）厚度1．8 8m 、
2eol
层（Q 4）厚度0 12m 。主要开采煤层为延安组第三段上部3号煤层，层位稳定，厚度大，煤层厚度为4．85 11．9m 。
3杭来湾煤矿水文地质特征
图1杭来湾井田位置
Figure 1Location of Hanglaiwan minefield
井田位于毛乌素沙漠东延，地势中部高，为黄土梁岗区，南北部低，为沙漠滩地区，井田内水系不发育。根据赋存条件及水力特征，将杭来湾井田地下含水层分为两类：第四系松散岩类孔隙及孔隙裂隙潜水与碎屑岩类裂隙水。3．1第四系松散岩类及孔隙裂隙潜水
（1）全新统河谷冲积层孔隙潜水。含水层主要分布在井田南方的头道河阶地及漫滩中，阶地中砂砾石层厚度较薄，厚度为1．50 7．85m 。河谷两侧则为黄土梁峁区，贫水故河谷侧向补给条件差。含水层上部岩性为粉砂土，下部岩性为砂砾石及粉细砂，透水性较好，富水性弱。
（2）上更新统冲湖积层孔隙潜水（萨拉乌素组潜水）。含水层呈面状分布于沙漠滩地区，以地下水赋
存条件为依据，萨拉乌苏组潜水又分为中等－强富水区域与弱富水区域。中等－强富水区域分布于井田
四周高，中间低，大气降水及地表水易于汇集渗入补给；含水层成分为松散的粉北部及南部的局部滩地中，
细砂夹中粗砂，厚度较大，一般为20 50m 。弱富水区域分布于井田北部沙漠滩地区，砂层较薄，水位大多
仅局部含有薄的含水砂层，储存地下水的条件差，富水性弱。在砂层之下，
（3）第四系更新统黄土孔隙裂隙潜水。含水层全区分布，井田中部零星出露，井田的南部与北部的局
厚度为9．80 120．49m ，一般为40 80m 。含水层主要为粉土质黄部地段隐伏在萨拉乌苏组地层下面，
土，部分地段夹粉细砂层，厚度为9．80 90．00m 。其富水性受不同的地貌条件影响显现出的差异较大，总体上富水性弱。
3．2碎屑岩类裂隙水
（1）侏罗系碎屑岩类风化壳裂隙承压水，为基岩顶部的风化裂隙带，广布全区，位于第四系中更新统
厚度一般为20m 左右，由于其上覆厚黄土弱含水层，故其富含的地下水具有承压性，富水性黄土的下面，
弱。
（2）碎屑岩类裂隙承压水，被3号煤层划分为上、下含水岩段。3号煤上部含水岩段，J 2y 4，包括J 2z 、各岩性段，厚度为15．04 69．10m ，由东向西逐渐增大。含水层
裂隙不发育，富水性弱。根据主要为直罗组底部的" 七里镇砂岩" 与延安组第四段底部的" 真武洞砂岩" ，
3
抽水试验，水位埋深为6．20 66．20m ，当降深为31．25 50．88m ，涌水量为1．607 32．31m /d，单位涌水量为0．00049 0．01182L /（s ·m ），渗透系数为0．0013 0．014m /d。
3号煤下部含水岩段包括煤层至J 2y 底界间的岩层，岩性主要为浅灰色粉砂岩、细砂岩与深灰色泥岩的不等厚互层，埋藏较深，岩石较完整，裂隙不发育，含水层薄，富水性弱。3．3隔水层
隔水层位于煤系中，为层间裂隙承压水的隔水层，与含水层相间连续分布，岩性主要为泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及粉砂岩等，厚度一般为10 40m 。
4陕北杭来湾煤矿导水裂隙带的计算
杭来湾煤矿首采盘区位置（图2），采用倾斜长臂式采煤法，一次性采全高，顶板管理为全部垮落法，据钻孔资料首采区3号煤层厚度为6．72 11．90m ，平均厚度为9．31m ，直接顶板岩性主要为粉砂岩、泥岩，夹少量细粒－粗粒长石砂岩，为中硬
《建筑物、岩层。根据水体、铁路及主要井
中硬岩层的巷煤柱留设与压煤开采规程》
计算公式，即：
100Σm
H c =ʃ 2．2（1）
4．7Σm +19100Σm
H f =（2）ʃ 5．6
1．6Σm +3．6
式中：H c 为冒落带最大高度（m ）；H f
为导水裂隙带最大高度（m ）；∑m 为累计采厚（m ）。
通过计算井田北部前期开采区26个
对比井钻孔的3号煤层顶板冒裂带高度，
田含水层距离煤层的高度，得出井田前期开采区内开采3号煤层后由于顶板岩层垮落而形成的导水裂隙带已沟通碎屑岩类裂隙承压水含水层，成为矿井的充水通
图2首采区及水样点位置图
Figure 2Position of first excavation area and water samples
·188·
道，计算结果（表1）。
干旱区资源与环境第31卷
表13号煤层顶板基岩冒裂带与地下水含水层关系统计表
Table 1Ｒelationshipbetween caving zone and groundwater aquifer
煤层
范围首采区
钻孔数26
厚度（m ）
底板埋深（m ）
冒裂带高度（m ）
碎屑岩类裂隙带
冒裂带顶与碎冒裂带与碎屑冒裂带顶与屑岩类裂隙带
岩类裂隙带基岩风化裂隙
关系沟通
冒裂带与第四系松
埋深（m ）底间距（m ）
6．72 11． 90200．85 241． 0067．90 76． 24112．18 151． 74－14．05 －1．12带底间距（m ）散层关系47．64 113．45未沟通
5陕北杭来湾煤矿煤炭开采对地下水资源的影响
5．1煤炭开采对地下水资源量影响计算
（1）煤炭开采破坏的静储量的计算方法。煤炭开采后，顶板的垮落会破坏煤层上覆含水层，导致含水
这部分水被称作地下水静储量。静储量的破坏是一次性的，其数值是与含层中储存的地下水很快被排空，
水层的含水特征相关的固定值。
静储量计算公式为：Q J =ΣH i ·S i ·μi
i =1n
（3）
43
式中：Q J 为煤炭开采破坏的含水层静储量（10m ）；H i 为煤炭开采破坏的含水层厚度（m ）；S i 为采空
42
区面积（10m ）；μi 为含水层的给水度。
杭来湾井田北部首采盘区南北长5200m 、东西宽5600m ，碎屑岩类裂隙含水层厚度15．04 69．10m ，平均厚度为42．06m 。给水度的选取通过钻孔单位涌水量类比给水度的方法（公式4），借鉴典型计算中五
7305试验工作面的单位涌水量q s =0．057L /（s ·m ）及给水度μs =1．17ˑ 10－3［11］，杭来湾首采阳矿7303、
－3
区单位涌水量q i =0．01182L /（s ·m ），计算得出μi =0．243ˑ 10
μs q s
=则μi =μs ·q i /qs （4）μi q i
（2）煤炭开采破坏的含水层动储量的计算方法。煤炭开采活动破坏含水层后，矿井涌水量先迅速增加，而后随着时间渐趋于稳定，最后维持在一个相对稳定量，称为动储量。动储量的破坏同样是不可逆的，其数值是一个变量，受到降水量、地形、地质构造、煤层埋深以及开采方法等因素的影响。
动储量的计算公式：Q D =ΣS i ·M i
i =1
n
（5）
4342
式中：Q D 为采煤破坏的地下水的动储量（10m /h）；S i 为采空区面积（10m ）；M i 为采煤破坏的地下
32
水模数（m /h·m ）。
3
首采区30101工作面长299．5m ，推进方向长4252m ，涌水量为Q 3=0．0591m /h则M i =Q 3/（299．5ˑ
4252）=0．464ˑ 10－7m 3/h·m 2
（3）采空区积水。煤炭开采过程中导致煤层上覆岩层中冒裂带的形成，冒裂带中大量的裂隙沟通了含水层，加强了含水层之间的水力联系，开采后冒裂带中的大量裂隙和空隙成为地下水的巨大存储空间，采空区积水量计算公式：
Q C =KMS /cosα（6）
32
式中：Q C 为采空区积水量（m ）；M 为开采煤层高度（m ）；S 为采空区淹没面积（m ）；α为煤层倾角（ʎ ）；K 为充水系数。
煤炭开采产生的采空体积一部分被冒落的岩石发生碎胀后充填（即岩石的残余碎胀体积），另一部分
［22］
因上覆岩层向下移动，以地表下沉的形式被转移到地表。因此，有下述关系式成立：V =V 1+V 2
式中：V 为采空体积；V 1为下沉体积；V 2为冒落带岩石的残余碎胀体积。采空区积水体积V' 等于冒落带岩石碎块间的空隙体积之和，即：V' =V 2=V －V 1则充水系数：K =（V －V 1）/V=（MS －HS ）/MS=1－H /M
（7）即：K =1－H /M
杭来湾煤矿首采区煤层采高M =9．31m ，煤层直接顶为细砂岩夹粗砂岩，采空区面积为S i =2912ˑ
104m 2，煤层倾角α=0．5ʎ ，陕西有色榆林煤业有限公司监测的实测最大下沉值为H =7．25m ，则充水系数：K =1－H /M=1－7．25/9．31=0．221
443
采空区积水量：Q C =KMS /cosα=0．221ˑ 9．31ˑ 2912ˑ 10/cos0．5=5991．52ˑ 10m 根据资料，相关参数和地下水静储量、动储量破坏值及采空区积水的计算结果（表2）。
表2开采破坏地下水资源计算表
Table 2Losses of groundwater resource caused by coal mining
范围首采区
采空区面积（S i /104m 2）
2912
破坏含水层厚度（H i /m）42．06
给水度μi
0．243ˑ 10－3
地下水模数（M i /m3/h·m 2）0．464ˑ 10－7
采高（m ）9．31
充水系数K 0．221
静储量
动储量
采空区积水
（Q J /104m 3）（Q D /104m 3/h）（Q C /104m 3）29．76
1．35
5991．52
5．2采煤对地下水水质的影响
本次研究在杭来湾井田的地表出露泉点、坑道裂隙、地质钻孔等达到一定流量的出露部位，使用瓶装法实地进行了水样的采集工作，共采集19件水样，并对其进行水质全分析，采样点位置及编号（图2），水样分析结果（表3、表4）。
表3杭来湾井田水质分析结果（一般化学指标）（mg /L）
Table 3General chemical index analysis results of water in Hanglaiwan minefield （mg /L）
编号D01D02D06D10D11D12D13D14D15D16D17D18D19
pH
Fe
8．470．0068．50．0457．457．617．397．687．447．636．957．97．97．467．65
0．070．010．080．010．280．340．120．121．060．420．13
Mn 2+Cl －0．00114．320．00110．740．00414．320．00214．320．00528．630．00714．320．036
17．9
0．00514．320．00435．790．00735．790．03828．630．02614．320．00410．74≤0．1≤250
－SO 24
表4杭来湾井田水质分析结果（毒理指标）（mg /L）
Table 4Toxicological index analysis results of water
in Hanglaiwan minefield （mg /L）
Hg As 编号
D010．0000490．00606D02D06D10D11D12D13D14D15D16D17D18D19限值
0．0000230．00919
/0．00167
0．0000540．003920．000190．002420．0000550．000630．0000270．000810．00011
0．0022
0．0000220．000160．0000220．004170．000010．005430．000120．003280．0000120．00182≤0．001
≤0．01
Cr 6+
///0．004
//0．0040．006
/0．0040．0040．0040．006
NO 3－F －
0．1119．110．380．10．120．210．230．221．531．540．120．08
3．451．838．612．72．583．442．651．865．442．03≤20
NO 2－
////////0．91
////≤0．02
TDS 345．37197．68228．64260．13362．93224．65391．34241．99547．22538．62700．28261．7219．13≤1000
CaCO 3COD Mn 241．01147．53172．63193．42272．29163．42276．88184．26362．8695．48120．01183．51120．26≤450
2．991．890．75
11．141．041．440．83．180．82．041．040．7≤3
25．931．611．616．6933．068．7754．314．844．84101．594．0830．9122．74≤250
0．0614．570．0639．26
限值6．5 8． 5≤0．3≤0．05≤1．00
2++2+
由水样的分析结果可知杭来湾井田浅层地下水中阳离子主要是以Ca 为主，其次是Na 和Mg ，阴
－
离子主要是HCO 3，水化学类型主要为HCO 3－Ca 型，全区分布。通过检测地下水样的13项监测指标（pH 、铁、锰、氯化物、硫酸盐、溶解性总固体、总硬度（以CaCO 3计）、耗氧量（COD Mn 法）、汞、砷、六价铬、氟
（GB /T14848－93），硝酸盐及亚硝酸盐（以N 计）等），并对比国标《地下水质量标准》所采大部分水化物、
样的监测指标可以达到Ⅲ类水标准，总体水质较好，但所采水样的细菌总数均超标，尤其是D10和D14水
D15的硝酸盐样的大肠杆菌超标，并且个别水样的某些指标超标，其中D17水样的铁和氟化物含量超标，
D16的氟化物含量超标，及亚硝酸盐含量超标，不可作为饮用水直接使用，必须在进行处理后方可使用。
6结论及建议
（1）通过分析地下水赋存特征和冒裂带高度的计算得出杭来湾煤矿首采区开采后冒裂带沟通了碎屑
岩裂隙承压水，而冒裂带并未触及富水性强的萨拉乌苏组含水层，因此首采区工作面顶板下泄水主要来自于碎屑岩裂隙承压水。
43
（2）杭来湾井田首采区开采破坏的地下水资源量很大，其中静储量破坏值为29．76ˑ 10m ，动储量破
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坏值为1．35ˑ 10m /h，采空区积水值为5991．52ˑ 10m ，且采煤活动对地下水资源的破坏是永久、不可逆的，这对于陕北生态脆弱区地下水系统以及地表生态系统有着很大的影响，因此为了补偿地下水资源的破坏，建议对地下水做好实时监测工作并加强对于矿坑水的综合利用。
（3）杭来湾井田开采活动目前对地下水水质的影响较小，地下水基本达到国家Ⅲ类水标准，但地下水细菌总数普遍超标，且局部毒理指标超标，不能直接饮用。建议通过规范采煤，合理选择煤矸石堆放场地等措施来有效地保护水质。
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Influence of coal exploitation on groundwater resources in Yuxi river valley of northern Shaanxi
DONG Zhenyu ，WANG Shuangming
（College of Environmental Science and Engineering ，Chang＇an University ，Xi＇a n 710054，China ）
Abstract ：Yuxi river valley at northern Shaanxi belongs to the eco －fragile region．The coal exploitation influ-enced groundwater and ecological environment badly and led to water shortage and poor water quality ，but the degree of influence is difficult to evaluate．Taking the coal exploiting area in Hanglaiwan coal mine as an exam-ple ，on the basis of analysis of hydrological geology condition and engineering geology condition ，the influence of coal mining on the groundwater resources and environment was analyzed quantitatively and qualitatively through calculation and test of water sample．The results show that the groundwater static reserves damaged by coal min-ing was 29．76ˑ 104m 3and groundwater dynamic reserves destruction reached 1．35ˑ 104m 3/hand goaf water was 5991．52ˑ 104m 3．The results of test show that the groundwater is basically safe so coal mining has little im-pact on water quality．To make up for the destruction of ground water resources the comprehensive utilization of goaf water must be enhanced．
Key words ：groundwater resource ；coal mining ；quantitative recognition ；Yuxi river volley ；northern of Shaanxi