控制煤炭开采量怎么提高地下水位（煤炭开采对地下水水位）

本文目录一览：

• 1、地理考试：指出煤炭开采过程中带来的生态环境问题并简述主要的治理措施。
• 2、如何提高矿产资源的综合利用水平
• 3、煤开采对地下水水量产生哪些影响
• 4、地下水资源保护与利用
• 5、开采对地下水运移规律的影响

地理考试：指出煤炭开采过程中带来的生态环境问题并简述主要的治理措施。

煤炭开采带来的环境污染和生态破坏问题日益突出，主要表现在：

1、地面水下跌

由于在煤炭开采过程中矿井水大量外排，导致地下水位下降，引起地面水下跌。

2、地层错动与地表下沉

由于煤矿井下水大量外抽，矿井上底承载能力下降，加上大部分小窑煤井在开采过程中，没有采取预留煤柱等预防措施，有的小窑煤井甚至对国有煤矿预留煤柱肆意采挖、破坏，导致地层错动，地表下沉。

3、地面水受到污染

矿井废水不经处理就外排，严重污染地面水体，淤塞河道和农田渠道，造成土壤板结，对农作物影响很大。

4、煤矸石占地及风化污染问题

5、对森林植被的破坏

煤炭开采需要大量木材，按万吨煤炭产量平均消耗坑木150立方；

6、二次扬尘污染问题

煤炭有相当一部分靠汽车运输，撒漏现象非常严重，大量煤炭流失，使街道煤尘飞扬。

治理措施：

一、加强矿井废水和区域环境综合治理

(一)对现有废水治理设施进行改造。对已老化、坏损的废水治理设施、设备进行修复、改造，确保矿井废水长期、稳定达标排放。

(二)对部分废弃矿井外排的废水进行治理。修建沉淀池，井投加石灰等药剂，经中和、反应、沉淀处理后，再达标外排。

(三)对部分环境污染和生态破坏严重的区域进行综合治理。一是对淤塞的河道进行清淤疏浚、护岸；二是做好水保工程，一般应在矿区地面径流汇入点建设污水沉淀处理池等。

二、搞好煤矸石的综合利用

可采取的措施是：

(一)提高煤矸石发电的综合利用量

(二)利用煤矸石代替粘土制砖

利用煤矸石全部代替粘土，既可以降低能耗，又能减少生态破坏，这是大宗利用煤矸石的主要途径。

1、煤矸石回填采矿区

利用煤矸石回填采矿区，既可减少煤矸石占地，又可减少煤矸石对环境的污染。一般用于回填的煤矸石以砂岩、石灰岩为主。

2、煤矸石作工程填筑材料

煤矸石作填筑材料主要是指充填沟谷、采煤塌陷区等区的建筑工程用地，或用于填筑铁路、公路路基等。

三、做好矿区植被恢复和矸石堆场的覆土植被工作

(一)实施封山育林，采取植草、人工造林和疏林补方式，提高地表涵养水源、保持水土的能力。

(二)对短期内暂无法消化的煤矸石，制定切实可行被保护规划、方案和措施。宜林则林，宜草则草，努好煤矸石堆场的覆土植被保护工作。

如何提高矿产资源的综合利用水平

矿产资源保护与合理开发利用全省矿业要通过对资源空间要素和生产要素的合理配置，实行分区管理，促进资源优势向产业优势的转变；

以市场为导向，以产品为切入点，以产业升级为核心，依靠科技进步，推进资源开发规模化和集约高效利用；

要按照控制开采总量、减少矿山数量、遵守矿山准入、提高利用水平的要求，合理开发与有效保护矿产资源。

一、矿业区域布局构建矿业新格局在沪宁沿线优化开发区域，加大限制开山采石力度，建设生态示范矿区。

禁采区内严禁开山采石，科学布局规划开采区或集中开采区，压缩露采范围，减少露采矿山数量，控制开采规模，坚决制止分散零星开采。

新建和延续开采的开山采石矿山规模必须达到中型以上。

在重点开采区内，积极引导企业节约集约利用资源，提高资源利用水平。

设立徐州铜山、贾汪、南京芝山和溧阳宜兴水泥用灰岩重点开采区，为国家重点支持的大型水泥企业提供资源保障。

设立金坛石盐重点开采区，合理开发石盐，发展盐化工，支持国家储气储油工程建设。

设立南京梅山铁矿和栖霞山铅锌矿为黑色金属和有色金属重点开采区，稳定铁矿和铅锌的开采规模，保障供给。

在沿运河、沿东陇海线等重点开发区域，加强优势矿产资源的合理开发和深度加工，将资源优势转化为产业优势。

合理开发利用淮安石盐、芒硝和凹凸棒石粘土资源，大力发展矿产品深加工业，开发系列中高档产品，提高资源综合利用水平。

发挥徐州煤炭生产基地和转运通道的优势，科学合理利用徐州的煤、石盐、石膏和水泥用灰岩资源，保障矿业的可持续发展，促进资源枯竭城市的产业升级；

扶持连云港磷矿资源的开发，延长矿山服务年限。

在禁止开发区和生态功能保护重点区域，禁止或严格限制对环境有影响的矿产资源开采活动。

建设矿业经济区全省设立7个矿业经济区，围绕重点开采区矿产资源开发，发展支柱产业，建设结构优化、布局合理、节约集约利用资源的环境友好型生态矿业，促进地方经济发展。

在徐州矿业经济区，壮大矿业经济规模，发展矿业循环经济。

鼓励发展煤电一体化产业、石膏开采与深加工业、铁矿开采与加工业、盐化工产业、石膏开采与深加工业、水泥灰岩开采加工业。

在连云港磷化工矿业经济区，充分利用磷矿资源，发展磷化工产业。

在淮安石盐芒硝化工矿业经济区，实现资源优势向经济优势和产业优势的转变，发展盐化工产业，逐步成为具有国际先进水平的国家级盐化工产业基地。

在淮安盱眙凹凸棒石粘土矿业经济区，发展凹凸棒石加工产业，促进盱眙县的凹凸棒石粘土产业尽快跻身于世界先进之列，同时成为支撑当地经济社会发展的重要载体。

在南京矿业经济区，节约集约利用资源，加强资源综合利用，发展矿业循环经济。

通过科技创新，发挥技术优势，提高企业核心竞争力。

在金坛盐盆盐化工矿业经济区，科学利用矿产资源和地下空间资源，发展盐化工产业，建设油气储备基地。

在溧阳宜兴水泥矿业经济区，采用先进生产工艺和现代化管理手段，建设全国一流的水泥生产基地。

培育要素市场，开拓省际和国际矿业市场大力发展矿产品流通市场，壮大矿产品交易市场等有形矿产品市场，探索建立矿产品期货市场等要素市场。

利用连云港港口、长江沿岸、徐州市交通枢纽的有利条件，加快建设煤炭、铁矿石等省内紧缺和短缺资源的贸易市场和贸易基地。

在宜溧地区，培育以建材矿产品为主的交易市场。

鼓励发展南京矿产品物流业、建材交易市场、矿产品期货市场。

实施“走出去”战略，建立以政府为指导的省际、国际合作，充分利用省外和国外资源。

通过投资、合资等方式，在省外尤其是西部地区的资源富集区建立能源等矿产的供应、开发基地。

鼓励和支持企业“走出去”，力求在境外资源勘查和开发方面取得新的突破。

二、矿产资源开发利用区禁止开采区

1、开山采石禁采区全省划定开山采石禁采区81个，禁采带33条。

在禁采区（带）内，不得新设开山采石矿山。

2、其他矿产禁采区在全省19个生态环境保护功能区、资源保护功能区和重要城镇及基础设施保护功能区内禁止开采矿产资源。

在苏锡常地下水超采区，对深层地下水继续实行禁采。

对特殊行业必须开采地下水的活动，应在按照相关规定进行充分论证的基础上，实行严格的审批和限量开采控制。

苏南、苏中煤炭资源分布区在规划期内不得采用传统方法开采。

开采砖瓦用粘土资源不得占用破坏耕地。

限制开采区

1、开山采石限采区开山采石禁采区外的区域划定为限采区。

开山采石限采区内的开山采石活动要科学规划，控制总量，集中开采。

以南京市为试点，在宜兴、溧阳、金坛、句容、溧水、高淳、江宁、六合、盱眙、铜山、东海、赣榆等县（市、区）规划设定12个建筑石料集中开采区。

在集中开采区内的建筑石料采矿权以招拍挂方式出让，实行总量控制，严格矿山准入，按照生态矿山要求建设开发。

2、地下水限采区徐州市七里沟水源地、盐城市区、大丰和沛县县城、大屯等地下水严重超采区，为地下水限采区。

地下水限采区内严禁新增开采井，严格控制地下水开采量和水位埋深。

保护矿区列入省矿产资源储量表中的目前还不能比较经济地开发利用的大中型及重要小型、低品位或难选冶的34个矿区，划定为保护矿区。

在矿产资源利用水平达到经济上合理、技术上可行之前，不得破坏性开采保护矿区的矿产资源。

建设项目不得压覆规划保护矿区。

重点开采区划定徐州地区煤炭重点开采区、丰县盐化工重点开采区、铜山水泥用灰岩重点开采区、贾汪区水泥用灰岩岩开采区、邳州石膏重点开采区、连云港地区磷矿重点开采加工区、淮安盐硝化工重点开采区、淮安盱眙凹土重点开采区、南京栖霞山铅锌矿重点开采区、南京梅山铁矿重点开采区、溧水芝山水泥用灰岩重点开采区、镇江——常州金坛盐盆岩盐重点开采区、溧阳周城—平桥水泥用灰岩重点开采区、溧阳上黄水泥用灰岩重点开采区和宜兴新芳水泥用灰岩重点开采区等15个重点开采区，鼓励和引导投资人按规划要求投资开采重点开采区内的矿产资源。

以金坛盐盆为示范，积极推进开发利用功能区划，优化矿产资源和矿山空间资源的开发利用。

按照规划功能合理安排勘查开采活动，促进重点开采区资源利用效益最大化。

三、开采规划区块对煤、铁、铅锌、金矿、锶矿、熔剂用灰岩、冶金用白云岩、熔剂用蛇纹岩、硫铁矿、芒硝、盐矿、磷矿、石膏、水泥用灰岩、高岭土、凹凸棒石粘土等开采矿种，在重点开采区、矿产资源开发整合重点地区、重点矿区、大中型矿产地划定开采规划区块。

开采规划区块是矿业权设置和整合的重要依据，一个开采规划区块原则上配置一个开采主体，新设置的采矿权原则上应位于规划确定的开采规划区块内。

全省共划分开采规划区块65个。

四、矿山准入条件新建、改扩建和延续开采矿山除按规定应具备资质条件、提交包括有水土保持方案的开发利用方案外，还必须符合以下准入条件。

环境保护准入新建矿山必须执行地质灾害危险性评估制度与矿山地质环境保护和综合治理制度，单独编制环境影响评价报告，并作为采矿权审批的必备要件；

对开采活动将造成重大环境影响且难以恢复治理的，实行一票否决。

生产矿山的矿山生态恢复治理书面承诺和保证金缴纳列入年检的必备内容。

安全生产准入新建、扩建和延续开采矿山必须符合矿山安全生产规定，进行安全预评价，并具有相应的安全设施。

安全设施必须与采矿主体工程做到“三同时”。

开采空间区域准入除经省以上人民政府批准外，不得进入规划划定的禁止开采区进行采矿活动，不得在禁止开采区内新建矿山。

规划禁采区内的已有矿山企业必须在限定时间内予以关闭。

在规划开采区内的矿山进行集约化、规模化的采矿活动。

矿山规模年限准入新建矿山开采规模必须与矿山占用储量规模相适应，限定矿山最小开采规模和矿山服务年限。

服务年限大型矿山一般不低于20年，中型矿山一般不低于10年，小型矿山不低于2——3年。

不得大矿小开、一矿多开。

资源利用准入新建、扩建和延续开采矿山必须满足和达到批准的矿山设计或国土资源管理部门提出的开采回采率、选矿回收率、共伴生资源综合利用率、废弃物回收利用的要求。

生产矿山要限期达到规定的资源利用率水平。

矿山开采方式必须符合相应的规范要求和批准的矿山设计方案。

露采矿山，应采用台阶式开采方式，禁止采用落后的、破坏和浪费资源的开采方法。

资质准入严格按照《关于进一步规范矿业权出让管理的通知》要求，根据其《分类目录》进行采矿权的出让。

保护正当合法竞争，参与采矿权交易活动的市场主体，应具有相应资质并符合投标要求。

对有违规违纪违法行为的，3年内不得参与交易活动。

五、矿业结构调整调整矿山规模结构按照集约高效的原则整合各类矿山，鼓励和引导矿山企业规模化开采，提高大中型矿山企业在全省矿山中的比重，压缩矿山数量，对小矿山加大改造整合力度，淘汰技术落后的矿山，关停资源浪费严重、矿区环境问题突出、安全无保障矿山。

全省矿山平均规模2010年达到10.6万吨，2015年达到11.9万吨，2020年达到13.2万吨。

全省大中型矿山比例2010年达到22%，2015年达到25%，2020年进一步提高；

其中非砖瓦用粘土矿山大中型矿山比例2010年达到50%，2015年达到60%，2020年达到70%。

省内18种主要矿产新建矿山必须达到规划确定的矿山最低开采规模要求，其他矿产新建矿山必须达到《全国矿产资源规划（2008—2015年）》的相关要求。

改进矿产品结构控制原煤生产规模，鼓励实施煤电一体化工程，着力发展坑口电厂和煤矸石发电等煤电联营和综合利用项目。

形成合理的“铁矿石采选冶→炼钢→钢材”产业链，获取更大的经济效益。

鼓励发展精深加工业，控制膨润土、凹凸棒石粘土初级产品加工；

严格控制在全省范围内新上水泥生产线和扩大水泥生产能力，控制发展低强度等级水泥，积极发展高强度等级水泥和特种水泥产品；

严格控制砖瓦用粘土开采量，加快“禁实限粘”进程，鼓励以非粘土资源或以工、矿固体废弃物为主要原料生产新墙材产品。

提升矿山生产技术结构积极推广先进适用的矿山采选技术和工艺，提高矿产品产量和质量。

鼓励矿山企业通过科技攻关、技术改造，淘汰落后生产能力、工艺，努力降低能耗，减轻对环境的污染或破坏。

重点发展煤层气开采技术、保水开采技术，鼓励发展煤炭洗、选项、加工和配煤、水煤浆等技术，加快推动洁净煤技术产业化；

鼓励发展矿区固体废弃物减量化、资源化、无害化处理和综合利用技术，积极研发共伴生矿和低品位、复杂难处理矿的选矿与综合利用技术。

鼓励砖瓦用粘土企业发展烧结粉煤灰砖、煤矸石砖、江（河）湖泊淤泥砖及泥质尾矿砖，开发模数空心砖、微孔砖等生产技术，引导空心砖生产向自保温、大型化发展。

倡导边开采边治理、湿法开采等生产工艺，落实水土保护措施，最大限度地减少因采矿引发的环境污染或破坏。

发展环保和资源综合利用的建筑材料生产技术，鼓励和扶持节能、环保型建筑材料的生产。

推广矿山无尾矿生产技术，促进矿业循环经济的规模化发展。

调整矿山企业组织结构培育、扶植矿产品加工基地和龙头企业。

鼓励发展大型矿业集团，构建和完善以大企业为主导、大中小企业专业化分工、产业化协作的产业组织体系。

对矿山企业依法开采的矿产资源及矿山企业的生产要素进行重组，高效利用矿产资源，逐步形成以大型矿业集团为主体，大中小型矿山协调发展的矿产开发新格局，实现矿山企业规模得到进一步扩大，效益进一步提高，数量进一步下降，促进矿产资源开发利用向生态矿业发展，增强矿业可持续发展能力。

实施省政府批准的矿产资源开发整合方案。

对整合对象的生产要素进行重组，合理布局开采矿山，高效利用矿产资源，逐步形成以大型矿业集团为主体，大中小型矿山协调发展的矿产开发新格局。

六、开采总量控制为实现开采总量调控目标，规划期间，全省重点控制煤、铁、熔剂用灰岩、冶金用白云岩、芒硝、盐矿、石膏、凹凸棒石粘土、水泥灰岩、建筑石料、砖瓦用粘土矿产的开采规模。

“十一五”期间，建筑石料开采量配置向连云港市适度倾斜，以满足港口建设需要。

七、砖瓦用粘土开发利用加强指导，编制专项规划各地根据实际情况，积极做好市县级砖瓦用粘土资源合理利用专项规划，严格市场准入，保护耕地，科学布局，注重整合，优化产品结构，推广节地、节能、利废、环保方法和技术，做到“边开采、边复垦”。

强化开发利用管理，加大监管力度对粘土砖生产企业的取土范围和规模进行严格控制，严禁占用耕地建窑或擅自在耕地上取土。

按照规划确定的开采区域，对取土范围实施“一勘六定”制度，即现场勘察与定界址、定取土时间、定取土深度、定取土数量、定复垦计划、定补偿标准，保证粘土资源管理到位。

除保留生产复古材料的小土窑外，对小土窑、小立窑和无土源的18门以下轮窑实行平毁复垦。

加快“禁实限粘”进程，大力发展新墙材产品继续推进“禁实限粘”，大力发展新墙材，基本淘汰粘土实心砖，进一步压缩以粘土为主要原料生产的空心粘土制品。

南京、苏州、无锡、常州、南通、盐城6个省辖市，以非粘土或以利废为主要原料的新墙材生产比例达55%以上，乡镇以上实现“禁实”目标，禁止生产或基本淘汰实心粘土砖，禁止或限制生产实心粘土砖。

其他地区以非粘土或以利废为主要原料的新墙材生产比例达50%以上，80%的乡镇实现“禁实”目标，大部分地区禁止生产或基本淘汰实心粘土砖，限制生产实心粘土砖。

节约集约利用资源，推广节地、节能、利废环保技术因地制宜，推广泰州和扬州市废地开发取土、南通市江河淤泥空心烧结砖、苏州和无锡工业污泥制砖、徐州市煤矸石和粉煤灰制砖及隧道窑烧制、宿迁坯场绿化、常州金坛边开采边绿化等资源利用方法、产品生产技术和环境保护措施。

八、主要矿产资源综合利用坚持“一转二有三综合四循环五节约”的原则，加大矿产资源综合利用技术的研发力度和应用广度，加强矿产资源储量动态监测，大力提高资源回收率和共伴生元素综合利用率，推进全省矿产资源综合利用示范工程，发展矿业循环经济。

到2010年，全省煤、铁、铅、锌、锶、硫、磷、石盐、芒硝和高岭土等主要开采矿种的开采回采率、选矿回收率、综合利用率继续保持在全国先进水平，到2015年基本达到国内领先水平，接近发达国家平均水平。

对重大采选技术、矿产综合利用技术、循环利用技术等进行先导性和示范性研究与开发，积极开展新能源、新材料矿产等非传统矿产资源利用技术的研究与开发，推动行业技术进步和产业升级。

因技术不成熟，尚不能综合利用的多金属共生的采、选固体废弃物等，可暂不利用，并妥善保护，防止资源浪费和环境污染。

以政府投资为引导、以企业投资为主体、以技术创新为核心、以资源综合利用为目标，在全省18个具有较好开采条件的重要资源矿区（田）中，推行矿产资源综合利用示范矿山和工程建设，树立矿业循环经济先进典型，全面推进矿产资源综合利用。

煤开采对地下水水量产生哪些影响

(1)地下水水位大幅急速下降。以至形成地下水降落漏斗。（2）造成地面沉降、塌陷。（3）河流,湖泊水量减少形成干涸等灾害。（4）减少泉流量。而泉流量减少则破坏了古建筑物与文物的保护，甚至因泉水枯竭使古井和旅游景点失去了应有的旅游价值。（5）水井枯竭。单井用水量减少造成水井报废,或掉泵，含沙量增加，使设备维修费与耗电量增加。（6）影响植被生长（7）影响水土保持，造成水土流失。（8）破坏房屋、公路、铁路、桥梁、水利、市政公用设施、矿山等工程建筑物开裂、倾斜、倒塌、埋没。(9)造成人与牲畜伤亡。（10）使地下水水质恶化。

地下水资源保护与利用

焦作市地处豫西北，北依太行，南临黄河，总面积6014km2，全区总人口348万，有煤炭、石灰石、铝土及铁矿石等矿产资源，工业以电力、化工、机械和煤炭为主，目前已发展成为以能源化工为主的新兴工业城市。焦作矿区工农业和生活用水，主要依靠地下水。焦作地区的地下水天然补给资源量为10.583m3/s，其中喀斯特水补给量为8.86m3/s，孔隙水补给量为1.723m3/s。

一、地下水资源开发利用现状

焦作市地下水资源由喀斯特水、孔隙水组成，且以喀斯特水为主，喀斯特水资源约占全部地下水资源85%左右。焦作矿区山前地区是九里山泉域喀斯特水的集中排泄区，地下水资源极为丰富。近年来，随着城市及工农业的发展及煤矿区的大量开采，在局部地段出现了小范围的降落漏斗，地下水位呈现明显下降的趋势。尽管如此，降落漏斗范围及漏斗中心水位稳定，多年来地下水位基本上处于动平衡状态，在丰水期、丰水年因地下水位回升，降落漏斗范围缩小乃至消失［4］。

目前人工开采已成为孔隙水、喀斯特水的主要排泄方式。地下水的开采方式有厂矿自备水源地（井）集中和分散式开采、焦作市自来水公司水源地集中开采、矿井排水和农业零星分散式开采。

1.自备水源地（井）开采地下水状况

1994年全市共有自备井234眼，年开采地下水量6347.86×104m3，平均2.013m3/s。其中全年开采孔隙地下水1939.36×104m3，平均0.615m3/s；喀斯特地下水4408.50×104m3，平均1.4000m3/s。1994与1993年相比减少了5.77%，1993年自备井开采地下水量6736.86×104m3。自备水源井除焦作电厂、中州铝厂、焦作铝厂、热电厂、焦作市水泥厂、化工一厂、造纸厂等厂矿企业属井群开采地下水外，其余多属零星分散式开采，且多以喀斯特水做供水水源。

（1）孔隙水开采量：受气候及人工开采双重因素影响，近年来焦作市区内孔隙水位呈下降趋势，焦作市区南部形成了孔隙水水位下降漏斗，且水质变差。为改善这一状况，自1990年开始对孔隙水的开采进行了限制，自备井开采量有所下降。1992年降至1466×104m3，1993年有所增加，达1765×104m3，1990年自备井开采孔隙水1991×104m3。1994年孔隙水开采量为1989.36×104m3，比1993年增加了173.86×104m3。自备井地下水开采总量年际变化较大，月最大采量为566.092×104m3（7月），月最低开采量为484.562×104m3（12月）。

（2）喀斯特水的开采量：焦作市喀斯特水资源丰富，水质好，是城市工业及居民生活的最佳供水水源。焦作市区各用水大户多开采喀斯特水。1994年自备井共开采喀斯特水4408.50×104m3，占自备井开采地下水总量的70%。1993年自备井开采喀斯特地下水4972.31×104m3，1994年与1993年大致相同。

2.焦作市自来水公司开采地下水状况

焦作市自来水公司现有6座水厂，其中第一水厂、第四水厂开采喀斯特地下水，第二水厂由新东公司（矿井排水）和焦作电厂岗庄自备水源联合供水，第三水厂由焦西公司（矿井排水）和东小庄水源地（开采喀斯特水）联合供水。焦作市自来水公司开采地下水的水源地只有第一水厂、第四水厂、东小庄水源地（岗庄水源地因属焦作电厂自备水源地，未计入其中）共三处。1994年焦作市自来水公司总供水量5425.74×104m3，其中地下水开采量2071.68×104m3，占总供水量的38.2%。

第一水厂位于焦作市中心新华街，利用已报废的2号、3号矿井供水，与1993年的142×104m3相比，增加了160.53×104m3，1994年共开采喀斯特地下水310.53×104m3，全年平均开采量0.0985m3/s。

第四水厂位于焦作市区北部近山前地带，现有开采井22眼。该水厂是焦作市自来水公司以地下水做水源的主要供水水源地，占焦作市自来水公司开采地下水总量的53.68%，占焦作市自来水公司总供水量的20.46%。1994年全年共开采喀斯特水1112×104m3，平均0.3527m3/s。

东小庄水源地位于焦作市区西部东小庄，现有开采井19眼，全年开采喀斯特地下水649.00×104m3，平均0.2058m3/s，比去年增加了15.89%左右。

3.矿井排水及利用

（1）矿井排水：分为焦东矿区和焦西矿区两部分。

焦东矿区的演马庄矿、九里山矿井排水量居各矿之首，多年来矿井排水量一直超过1.0m3/s。相比之下，中马村矿、小马村矿、冯营公司、方庄矿等矿井，矿井水文地质条件相对简单，矿井排水量小。1994年焦东矿区内的7个矿井，年平均排水量总计为3.3778m3/s，与1993年以前相比，略有下降。焦东矿区矿井排水总量季节变化不明显，相对稳定。

1994年焦东矿区内的演马庄矿矿井排水量仍居各矿之首，为1.0847m3/s，该矿近年来发生2次恶性煤层底板突水灾害，矿井排水量比较稳定。九里山矿井排水量平均为0.7903m3/s，该矿由于对煤层底板突水点进行了注浆堵水和工作面煤层底板注浆改造，因此自5月份起矿井排水量有所减小。其他矿如韩王公司、冯营公司、小马村矿、中马村矿等矿井，排水量比较稳定，多年变化不明显。1994年韩王公司矿井平均排水量为0.3840m3/s，冯营公司为0.3098m3/s，小马村矿为0.1248m3/s，中马村矿为0.6535m3/s，位村矿为0.0307m3/s。

焦西矿区的王封公司由于矿井关闭停产，矿井排水量呈下降并逐步稳定趋势，平均排水量1989年为1.50m3/s，1990年为1.26m3/s，1991年为1.02m3/s，1994年为1.0915m3/s。王封公司矿井排水量年内变化比较明显，月最高排水量1.1605m3/s，月最低排水量1.0182m3/s。焦东公司矿井排水量因矿井报废，矿井排水量呈下降至逐步稳定趋势。1991年为0.38m3/s，1992年为0.35m3/s，1994年则降为0.3033m3/s。朱村矿矿井排水量相对较大，并呈逐年增加趋势。1990年为0.80m3/s，1991年增至0.84m3/s，1994年则增至0.9013m3/s。1994年焦西公司矿井排水量是0.5970m3/s，与1993年相比，略有增加。焦西矿区的焦东公司、王封公司已经关闭停止采煤，没有开采新的工作面，整个矿区矿井排水量呈逐年减少并趋于稳定的状况，原煤层底板突水点已经作为供水井水源。1989年平均排水量3.25m3/s，1990年减至3.09m3/s、1991年进一步减至2.85m3/s，1994年略有增加，达2.8931m3/s。

（2）矿井水利用情况：目前，焦作市地下水开采的主要方式是矿井排水及农业灌溉利用，矿井排水量6.2707m3/s，综合利用矿井排水是开发利用地下水的有效途径。焦作市矿井水的利用有3个方面：

一是焦作市自来水公司利用矿井水情况。焦作市自来水公司所属的第五、第六水厂全部以矿井水做供水水源，第二、第三水厂部分利用的矿井水做供水水源。1994年，焦作市自来水公司四座水厂累计用矿井水3363.04×104m3，占焦作市自来水公司总供水量的61.8%。

第二水厂位于焦作市东北部，以焦东公司井排水做供水水源，1993年供水量1456×104m3，1994年供水量1571.66×104m3，较1993年略有增加。由于焦东公司已经关闭，矿井水的利用量一定会受到限制，目前，第二水厂正在建设新的水源地。

第三水厂位于解放西路，主要利用焦西公司矿井排水，1993年供水量1821×104m3，1994年为1288.50×104m3，较1993年相比减少了532.5×104m3。

第五水厂位于焦作市马村区，利用中马村矿矿井水作为供水水源供给马村区居民生活用水。1993年供水量239×104m3，1994年为297.68×104m3，比1993年增加了24.55%。

第六水厂位于焦作市中站区，利用李封公司矿井排水向焦作市中站区供水，1993年总供水131×104m3，1994年为196.2×104m3，较1993年增加了49.79%。

1994年焦作市自来水公司各水厂利用矿井总计达3363.04×104m3，全年平均1.0664m3/s。1993年矿井利用量3570×104m3，1994年较1993年减少了206.96×104m3。

二是焦作煤业集团公司各矿自用矿井水量。焦作煤业集团公司的朱村矿、九里山矿和演马庄矿，生产及生活用水全部或部分依赖矿井水做水源，据1994年调查，各矿利用矿井水量为0.282m3/s。

三是焦作市农业灌溉引用矿井排水。矿井排水除部分被焦作市自来水公司及焦作煤业集团公司各矿及焦作电厂、焦作市化工三厂等厂矿利用外，剩余部分经河渠排出矿外。流出矿外的矿井排水部分做为区内农田灌溉的水源，剩余部分则流出矿区。据河南省焦作市水利局资料，1994年焦东灌区和焦西灌区共利用矿井水1971.0×104m3，平均0.625m3/s。经过综合计算，矿井水利用总量平均为1.973m3/s，占矿井排水总量的31.47%。因而，矿井水资源利用程度较低。

4.焦作市农业开采地下水量

焦作市现有耕地面积16.7万亩，其中井灌面积6.7万亩，据河南省焦作市水利局资料，1994年农作物灌溉7次，灌水定额一般为75m3/亩次，由此算得1994年焦作市区各乡农业开采孔隙水3517.5×104m3，平均1.1154m3/s。加上焦作市修武县境内方庄乡、周庄乡、李万乡和五里源乡孔隙水农灌开采量0.7746m3/s，全区农业共开采浅层地下水平均1.89m3/s。

5.焦作市全区地下水开采总量

综合上述各项，1994年全区工农业生产及生活共开采地下水14379.73×104m3，平均4.56m3/s，其中开采喀斯特水6480.07×104m3，平均2.055m3/s，开采浅层孔隙水7899.66×104m3，平均2.505m3/s，焦作市自来水公司开采喀斯特水2071.68×104m3，平均0.6569m3/s，自备井开采地下水总计6347.86×104m3，平均2.013m3/s，农业灌溉开采浅层孔隙水5960.30×104m3，平均1.89m3/s（表3-18）。

表3-18 1993、1994年地下水排泄量 （单位：1000m3）

二、影响焦作地区地下水资源的主要因素

1.地下水补给量减小和排泄量增大

焦作地区除矿井排水和地下水污染严重影响着地下水资源外，地下水主要接受大气降水入渗和河流渗漏补给。因此，降水量和河流流量的大小是影响地下水资源的直接因素。

降水量的大小直接影响着地下水资源量，降水入渗是焦作地区地下水的主要补给源。自新中国成立以来，随着工农业的快速发展，地下水的开采量愈来愈大，地下水位愈来愈低，地表水资源枯竭，河流断流等，破坏水循环系统比较严重，大气降水量趋于下降趋势。1952～1964年平均降水量为826.1mm，1965～1977年平均降水量为681.56mm，1978～1982年平均降水量为662.55mm，1982～1988年平均降水量为642.4mm，1989年以来降水量一直偏低，影响了地下水资源的补给比较严重。

焦作市地下水位下降表现为4个阶梯，1952～1964年为第一阶梯，地下水位105m，1965～1977年为第二阶梯，地下水位91～98m，1978～1988年为第三阶梯，地下水位85～92m，1982年以来为第四阶梯，地下水位72～89m。主要原因为由于降水量的减小和开采量的增大，其地下水位与降水量和开采量关系见图3-36。

图3-36 地下水位与降水量和开采量关系图

丹河、西石河、山门河、纸坊沟、新河和翁涧河均为流经焦作矿区的河流，由于地表喀斯特发育，河流渗漏量比较大。例如，1994年对丹河480电厂至后陈庄段，取3个断面分枯水期、丰水期两次实测丹河流量，480电厂至后陈庄段河流漏失量平均为1.7338m3/s。近十几年来除丹河渗漏补给地下水外，尽管丹河流量也在逐年减小，新河和翁涧河为排污河，其他河流均已断流，因此，总的来说河流渗漏量也在减小。

焦作矿区所采煤层为石炭系、二叠系煤层，其直接充水水源主要为石炭系薄层灰岩，底部奥陶系灰岩喀斯特水间接充水水源，该层富水性好，补给水量大，严重威胁着煤炭的安全生产。为此对石炭系薄层灰岩进行疏水降压排水，对O2灰岩采取断层防水煤柱，实施“立足矿井、以防为主、疏堵结合、分类治理”的防治水方针。随着开采深度的增加，石炭系薄层灰岩煤层底板突水频率增高，O2灰岩水参与发生恶性煤层底板突水，排水量也越来越大，从用水角度来看，O2灰岩水开采量也与日俱增。例如，1952～1964年O2灰岩水开采量为1.501m3/s，1965～1977年O2灰岩水开采量4.964m3/s，1978～1982年O2灰岩水开采量5.5m3/s，1983以来O2灰岩水开采量8.463m3/s。据不完全统计，历年来煤层底板突水达1000余次，最大煤层底板突水量达320m3/min。因此，煤层底板突水是造成地下水资源枯竭的另一因素。

2.地下水污染状况

焦作地区河流中，丹河、西石河、山门河和纸坊沟水质好，符合饮用水标准。翁涧河水化学类型

型，总硬度、氯化物超标；新河河水矿化度2782.99mg/L，总硬度1669.63mg/L，Cl-含量149.21mg/L，均已超过标准。因而，翁涧河和新河有不同程度的污染。据河南省焦作市监测站资料，翁涧河非离子氨、高锰酸钾指数、生物耗氧量、化学耗氧量、六价铬均超标。翁涧河和新河均已成为严重污染的河流，成为地下水污染的源头。

孔隙水污染主要表现在焦作市区以南孔隙水的径流和排泄区，该区岩性细，渗透性差，水位埋深浅，长期蒸发浓缩作用，水中的离子含量特别是Cl-、K++Na+升高，矿化度增加。更为严重的，该区农业采用矿井水及工业生活污水灌溉，致使孔隙水水质恶化。焦作市区南部东王褚至恩村一带及焦作市区东南部仇化庄至焦作市修武杨楼、大高村一带的孔隙水水质类型为

型、

Mg2+型和

型，水质最差，本区所检测的18种项目中，超过饮用水标准的项目有总硬度、矿化度、氯化物、硫化物、硝酸盐、氟化物，各污染组分的超标率见表3-19。

表3-19 孔隙水水质状况统计表

根据近几年的监测与研究，喀斯特水水质正在逐渐恶化，且恶化速度也愈来愈快。主要表现在离子Cl-增加，水质变咸，个别水井水已失去饮用价值。据前人研究，本区喀斯特水Cl-背景值为26.69mg/L，到1998年喀斯特水Cl-已达到40～75mg/L，最高为128.73mg/L，2000年至少有三口喀斯特水源井Cl-含量超过国家饮用水标准（≤250mg/L），最高达1191.22mg/L。焦作地区内某单位喀斯特水自备井1999年Cl-含量为141.1mg/L，2000年为517.61mg/L，2001年为1258.6mg/L，2002年4月上升至2135mg/L，是国家饮用水标准的8.54倍。喀斯特水Cl-超标的水源井虽然是个别的，但由于整个焦作地区的喀斯特地下水同属于一个喀斯特水系统，水质如按目前速度继续恶化，整个焦作矿区喀斯特水未来都有被严重污染的危险。造成喀斯特水Cl-污染的原因为：喀斯特水补给区地表污水的渗漏；孔隙水、矿井排水通过O2灰岩“天窗”污染喀斯特水；受污染的河水渗漏补给喀斯特水［21］。

三、地下水保护与利用对策

1.防治水污染，污水资源化

对于没有处理能力的厂、矿、企业，应交纳污水处理费，由城市有关部门统一处理。按照国家产业结构调整政策和淘汰落后生产工艺、技术和装备，重点进行冶金、化工、水泥、电力、采选等重污染行业的结构调整。污水可以被认为“待生资源”，对于污水治理，应本着谁排放谁治理的原则，企业自建小型污水处理厂，处理达标的水可重复利用，以节约水资源。焦作市是以能源、化工为主的重工业城市，污水排放量相当大，并已对地下水造成不同程度的污染，使可利用的水资源量减少。实行污染物排放总量控制制度，从严掌握建设项目的审批，执行限期治理制度，坚持实行“关、停、禁、改、转”的方针。

2.排供环保三位一体

武强教授认为，采用排供环保结合优化管理，不仅考虑了排水系统的疏降效果和安全运营，而且供水系统的供水需求和环境系统的质量保护也同样是优化模型设计的重要约束指标，同时还要充分利用矿井排水，以及将排出的矿井水经过一定水质处理后，全部或部分用来代替矿区正在运行中的不同目的的供水水源［27，9，26］。焦作矿区为了安全生产，大量疏排地下水，矿井排水量为6.2707m3/s，占总开采量10.8134m3/s的58%。而且矿井排水的利用率仅为31.47%。

排供环保三位一体的优化模型除涉及地下水水力技术方面的管理外，同时也牵涉经济评价和环境保护以及产业结构规划等的管理。排供环保三位一体，就是在保证环境质量和矿井安全的前提下，提供给矿井和其周围地区一定数量的水资源，可用于生活、工业和农业等方面的供水。排供环保三位一体结合模型，不仅实现了将保证环境质量的矿井排水和地面抽水用于供水目的，而且通过选择多种供水用户所产生的经济效益最大的目标函数和适当的约束条件，完成了利用一个模型，同时综合制订排水、供水、环保三位一体的具体水资源优化管理方案。该模型已应用于焦作矿区九里山矿［27］。

3.加强水利价费改革

按照国家发改委改革水价促进节约用水指导意见通知的要求，进行水价调整，否则浪费水的问题不可能根本解决。逐步提高工程水价（自来水价、水利工程供水水价），水资源费（资源水价），水污染处理费（环境水价）。以水为主要的生产原料和生产手段，应制定较高的水价。水利工程水价要逐步到位，水资源费要适时调整。按照不同的行业实行不同的基本水价和不同的阶梯式水价标准，生活用水应有最低保障数量。工业用水要参照国内外先进用水定额定出适应不同地区、不同行业、不同工业产品的用水定额，超定额用水要加价，并责令限期改造设备，降低用水定额。农业水资源费的征收将会使最有潜力的用水大户提高节水意识，促进井灌节水，以水养水［33］。利用经济杠杆调整用水需求，促进节水工作。调整水价和水资源费，这是节约用水最重要的手段。

4.节约用水

提高重复利用率，节约水源，逐步实现“零”排放。加快工业节水新技术、新工艺和废水资源化的开发研究以及城市节水设施的研究制造；制定行业节水规划和用水标准定额，不断降低耗水量和排水量，提高水的利用率；搞好废水综合利用，实现废水资源化是提高水资源重复利用率的重要措施；通过产品结构、产业结构、企业组织结构和工业布局的调整实现节约用水，达到水资源的供需平衡，也是水污染防治的重点。这是城镇工业节水应该考虑的几个重要方面。

大面积发展适合精耕细作特点的高效节水形式，重点发展喷灌。要因地制宜采用管灌、渠灌、滴灌、喷灌等多种节水措施。搞好地面水灌渠的综合节水措施，发展井渠双灌。推广秸秆还田、覆膜栽培、集雨保水等农艺节水措施。无论是旱作农业，还是灌溉农业都必须采用农艺节水措施，以提高水资源的利用率。农业节水的农艺措施、工程措施要和科学管理结合起来。

节约用水是一项长期的根本措施，关系到社会的可持续发展。以发展农业节水灌溉和工业节水为重点，采取行政、经济、法制、管理等多项措施，千方百计地提高水的利用率和效益。

四、矿井水的水质处理技术

煤矿巷道是煤炭开采的主要场所。巷道中污染物质主要包括废机油、废酸液、煤尘、岩屑颗粒和病源菌以及井下的人工废弃物、粪便等。如果一些老窑积水与巷道相连通时，矿井水易被酸化。如果矿井接受地表水的补给，它们可能还会受到各种农药液和工业废水的污染，工业废水大都含有有机磷、酚、醛等有毒物质。大量涌入巷道的地下水必然会受到这个采煤环境的不同程度的污染。

因此，矿井排水的综合利用必须首先解决水质问题，它是排供环保结合的一个很重要环节。解决这个问题既要在井下巷道的输水过程中，既要根据不同污染类型矿井水和综合利用的不同供水对象，在地面实施矿井水的水质预处理，以便为各供水用户提供符合其具体水质要求的矿井排水资源，又要注意清浊水分流，尽量减轻矿井水的污染程度。矿井水的实用性处理技术和方法主要有以下几类：

1.矿井浑浊水的净化处理

矿井水中所含杂质大致可以划分为3类，即悬浮物、胶体物和溶解物［5］。矿井浑浊水净化处理的主要去除对象则是悬浮物和胶体物两类，它们是造成矿井水浊度的主要因素。浑浊水的一般常用净化处理流程为：

（1）澄清：澄清是指去除引起水浑浊的悬浮物和胶体物等杂质的过程，一般可划分为3个骤步，即混凝、沉淀和过滤。

（2）消毒：矿井浑浊水经过混凝、沉淀和过滤作用之后，便可着手对其进行消毒处理（消毒处理也可在过滤之前进行）。

矿井浑浊水一般的净化处理流程，如图3-37为其流程示意图。对于某些特殊类型的矿井浑浊水或特殊要求的供水用户，可根据其具体情况分别予以灵活处理，不必完全照搬以上的全部净化处理流程。

图3-37 矿井浑浊水净化处理流程示意图

例如，如果矿井排水的浑浊度较低，又无藻类繁殖时，浑浊度经常在100度以下，投放混凝药剂后可不经过混凝和沉淀作用，直接采用一次性过滤处理，将过滤后的矿井水加氯气消毒，随之经泵站送入供水管网。

再如，如果矿井排水的浑浊度较高，既要设法达到预期的净化目的，又要节约混凝药剂的投放量。可以在混凝、沉淀前采用自然沉淀方法，将原高浑浊度的矿井水中的粒径较大的泥沙颗粒预先沉淀掉一部分，所用构筑物可以是预沉淀池，也可以是沉砂池。最后，再进行混凝，沉淀、过滤和消毒处理。

2.矿井高硬度水的软化处理

水的硬度主要是指溶解于其中的Ca2+、Mg2+离子含量，溶解于水中的Fe2+、Mn2+、Sr2+离子也是影响水硬度的一个因素。下面介绍3种常用的软化方法：

（1）微生物方法：该种方法包括硫酸盐还原菌去硫法和铁细菌去铁法。

（2）化学方法：化学软化处理包括石灰、石灰乳中和法和石灰、苏打软化法。

（3）物理方法：该种软化处理方法包括蒸馏法、电渗析法和冲淡法3种。

3.矿井酸性水的中和处理

在煤层或其顶、底板中常含有硫化矿物，它们在氧化条件下形成硫酸化合物。矿井水中一旦溶解了这些硫酸化合物，便导致其

离子含量增高，成为酸性矿井水。

矿区酸性水的形成，对于大多数具有较强破坏性的酸性水，是随着煤矿开采时间的延长而逐渐形成的。而有的酸性水是在煤矿开采之前，即在硫化矿床氧化带处就已经富集了酸性水。

酸性水的危害是十分严重的。在俄罗斯布利亚矿区勘探中，由于酸性水的腐蚀作用，在8h内钻杆直径减少1mm，套管局部被腐蚀，在强酸性水分布地段，经12昼夜，套管壁就被腐蚀穿孔。矿井与储集酸性水的老窑、老空区沟通，酸性水便可沿通道进入矿井，因而酸性水就会污染井下生产环境。

对于已经形成的酸性水和受其污染的矿井，应采用石灰石中和法或微生物法加以治理。对于酸性的老窑积水，应设立防水煤柱等工程，使其与矿井系统完全隔离；对于含硫矿层要设法消灭充水充氧的环境，使其封闭并失去形成酸性水的环境。消除酸性矿井水的污染，预防和治理应同步进行。

4.矿井高铁高锰水的处理

当日处理100m3高铁、高锰水时，滤池可采用钢制圆形双级压力滤池，将滤池分成上、下两室，上、下室均采用锰砂作滤料。为了达到充分曝气，尽可能驱散水中游离CO2，且提高pH值，可采用叶轮式表面曝气装置，曝气池可做成矩形，水在曝气池停留时间约为20分钟。表面曝气双级滤池过滤除铁、锰工艺是一项比较经济且效果良好的技术方法。

除铁方法主要有两种，其一是莲蓬头曝气、石英砂过滤除铁，或者用河砂、卵石、木炭卵石层过滤除铁，其二是用天然锰砂接触氧化除铁，该方法简单经济，效果良好，已被广泛推广利用，这些工艺都能达到预期除铁的目的，使水中铁的含量达到符合国家生活饮用水标准。

20世纪70年代末发展了一种两级过滤处理系统的处理方法，该方法经过曝气、两级过滤，一般水中铁、锰含量均可被控制在国家生活饮用水标准之下。可同时消除水中的铁、锰离子含量，其工艺过程是首先将水充分曝气，然后经第一级滤池除铁，再经第二级滤池除锰。在除锰技术方面，最初采用的是接触氧化法除锰工艺，效果也良好。

开采对地下水运移规律的影响

通过相似材料模拟实验可知，煤层埋藏较浅且顶板较稳定时，采用留小煤柱开采（即宽巷道掘迸出煤），煤炭采出后由于小煤柱的支撑作用，煤层顶板不易垮落，在采空区上方不会形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，且引起的矿山压力较小，极大地降低了导水裂隙带的高度，大大减小了开采对地下水的影响。而采用全部垮落法开采，顶板基岩沿全厚切落，基岩垮落角较大，垮落直接波及地表，采空区上覆岩层基本上分“两带”即垮落带和断裂带，垮落带内散落岩块间隙较大，体积膨胀，随着时间增长和开采范围的加大，在上覆岩层压力作用下，一定程度上可得到压实，但胶结不良，岩块间隙仍相互贯通，水、水砂和泥浆容易通过；在垮落带之上为断裂带，断裂带中的岩层分布着大致平行于岩层层面和垂直于层面的裂隙，这些裂隙相互贯通，具有良好的导水性；地表变形破坏明显，出现下沉盆地，在下沉盆地的边缘和中部多处产生拉张裂缝，容易改变煤层上覆和下伏含水层地下水赋存、运移条件，触发和诱发更多地表水和地下水向采空区充水，加强了与其他含水层的水力联系，改善了含水层的补给条件，从而扩大了地下水对采空区的影响程度和范围。

开采煤层相当于在地下含水层的天然流场中设置人工排泄基准面，随着采煤工作面不断向前推迸，导水裂隙带在水平方向和垂直方向将不断扩展，煤层上覆直接充水含水层的水不断向采空区充水，在采空区近处水头下降速度大，远处下降速度小，随着距采空区距离的增大，降深逐渐减小，导致采空区上方周围的水位将逐渐下降，形成一个以采空区为中心的漏斗状水头下降区。对于潜水面来讲，降水漏斗在含水层内部扩展，开始其水量主要来自于潜水面下降成漏斗状那部分含水层中的重力疏干水；对于承压水来讲，降水漏斗不在含水层内部扩展，而是形成承压水头的降低区，开始其水量主要来自于含水层的弹性释水。根据水文地质条件的不同，可以分为以下两种情况：

4.1.5.1 没有补给的无限含水层

严格地说，理论上不可能出现稳定状态。但实际观察证明，随着降水漏斗的扩展，水位降深的速率会越来越小，当降水漏斗内的水位降深速率变得如此小，以致在一个较短的时间间隔内几乎观察不到明显的水位下降时，可近似作为稳定流来研究。当承压含水层侧向边界距离采空区很远时，边界对研究区的水头分布没有明显影响时，可以看作是无外界补给的无限含水层（图4.3）。

图4.3 没有补给的无限含水层向采空区充水

（1）数学模型

水及动力荷载作用下浅伏采空区围岩变形破坏研究

水头边界

水及动力荷载作用下浅伏采空区围岩变形破坏研究

流量边界

水及动力荷载作用下浅伏采空区围岩变形破坏研究

初始条件

水及动力荷载作用下浅伏采空区围岩变形破坏研究

本题初始条件H0（x，z）的值，采用稳定流的计算结果。

式中：T——综合渗透系数，m/s；

H——含水层的总水头，m；

S——含水层的贮水系数；

q——已知函数，表示Γ2上单位宽度的垂直补给量，m3/s；

n——Γ2的外法线方向；

ψ——已知函数。

（2）有限单元法计算公式的推导

采用里兹法，一渗流定解问题对应于一泛函极值问题，求泛函极值时所得的极值曲线或极值曲面就是渗流问题的解曲线或解曲面。

1）三角形单元基函数：任取一个三角形单元e，单元三结点在x，z平面上按逆时针方向编号为i、j、m，相应的坐标为（xi，zi）、（xj，zj）、（xm，zm），水头函数在三结点的值为Hi、Hj、Hm，单元内部的值用线性插值近似求得。设H在以i，j，m为顶点的三角形内的线性插值函数为

H（x，z）=a1+a2x+a3z （4.16）

式中：x，z——该平面上任一点P的坐标；

H（x，z）——该平面上任一点P的高度，也就是P点的水头；

a1，a2，a3——待求系数。

则有

Hi=a1+a2xi+a3zi

Hj=a1+a2xj+a3zj

Hm=a1+a2xm+a3zm

令

ai=xjzm-xmzjaj=xmzi-xizmam=xizj-xjzi

bi=zj-zmbj=zm-zibm=zi-zj

ci=xm-xjcj=xi-xmcm=xj-xi

并用Δ表示三角形的面积，即

水及动力荷载作用下浅伏采空区围岩变形破坏研究

解上述方程组得

水及动力荷载作用下浅伏采空区围岩变形破坏研究

水及动力荷载作用下浅伏采空区围岩变形破坏研究

水及动力荷载作用下浅伏采空区围岩变形破坏研究

将上式代入式（4.16）得单元e上的水头表达式为

水及动力荷载作用下浅伏采空区围岩变形破坏研究

水及动力荷载作用下浅伏采空区围岩变形破坏研究

式（4.17）就是以结点水头Hi、Hj、Hm为系数的三角形单元的插值函数表达式即单元自变函数簇，Ni、Nj、Nm就是三角形单元插值函数的基函数，也称形函数。

以三角形单元三结点水头值Hi、Hj、Hm为基础的线性插值函数用矩阵形式表示为

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则

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而

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则

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同理有

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以及

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2）泛函极值方程：总体方程对应的泛函数为

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将渗流场划分成有限个三角形单元，并设M为单元个数；n为结点总数；l为序号（l=1，2，…，n）。

根据泛函概念，设整个渗流场的自变函数簇为

总体泛函可以表示为单元泛函之和，即

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而单元的水头函数簇为

H（x，z）=HiNi+HjNj+HmNm

总体泛函求极值时可写成如下的泛函极值方程

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3）建立单元方程：以le表示单元e上的泛函，即

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下面依次求式（4.23）中各项的导数及其极小值。首先第一项

对单元3个结点水头Hi、Hj、Hm求导数，有

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将式（4.17），式（4.18）代入式（4.24）得

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同理有

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以矩阵表示则为

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同样第二项

对单元三个结点求导数，有

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引用数学公式

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得

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同理可得

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用矩阵表示则为

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对第三项积分有

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则

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用矩阵表示为

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这样，对任意单元e有

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对所有单元的泛函求得微分后叠加，并使其等于零（求极小值）就得到泛函对结点水头迸行微分的方程组

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则总体方程写成矩阵形式为

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式中，｛F} 是已知的常数项，由已知水头结点得出。

对于时间项取隐式有限差分，则上式变为

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式（4.32）就是要求解的线性代数方程组。式中总系数矩阵和常数列向量中的元素都是对各单元求和，即

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式中：Kij、Sij、Pij——总系数矩阵中第i行第j列元素；

、

、

——各单元相应的第i行第j列元素；]]

k——流量补给边界面上的单元数。

（3）计算结果与分析

采用不同开采方法引起的降水漏斗半径不一样，全部垮落法开采达到超充分采动，煤层上覆岩层的破坏程度及范围达到最大。随着工作面不断向前推迸，导水裂隙带的范围在水平方向不断扩展，但垂直方向导水裂隙带的高度不再增加。而采用留小煤柱开采对煤层上方的岩层破坏较轻，在采空区上方形成的垮落和断裂高度较小，相应形成的导水裂隙带的高度和范围也较小，对地下水的赋存、运移条件破坏较轻。结果全部垮落法开采降水漏斗影响范围是留小煤柱开采降水漏斗影响范围的三倍多[81]（图4.4至图4.6）。

图4.4 留小煤柱初采降水漏斗的影响半径

图4.5 留小煤柱开采降水漏斗的影响半径

图4.6 全部垮落法开采降水漏斗的影响半径

4.1.5.2 有侧向补给的有限含水层

在有侧向补给的有限含水层中，当降落漏斗扩展到补给边界后，侧向补给量和降水量相平衡，地下水可达到稳定状态（图4.7）。

图4.7 煤层下伏基岩含水层水顶托越流补给孔隙含水层示意图

（1）数学模型

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水头边界

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流量边界

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初始条件 H（x，z，0）=H0（x，z）（x，z）∈D

本题初始条件H0（x，z）的值，采用稳定流的计算结果。

式中：K——综合渗透系数，m/s；

H——孔隙含水层的总水头，m；

K1——弱透水层的渗透系数，m/s；

H1——下承压含水层的总水头，m；

m1——弱透水层的厚度，m；

S——含水层的贮水系数；

q——已知函数，表示Γ2上单位宽度的垂直补给量，m3/s；

n——Γ2的外法线方向；

ψ——已知函数。

（2）计算结果与分析

1）采用全部垮落法采煤，由于采动对煤层顶板的破坏较大，导水裂隙带内岩层的断裂较为严重。一系列垂直于层面的断开裂隙与层与层之间的离层裂隙彼此贯通，渗透性增强，从而诱发煤层上覆直接充水含水层的水向采空区充水，随着不断向矿井充水，其水头逐渐降低，这样与其上部孔隙含水层水位差距增大，加大了孔隙含水层垂直下渗。同时，由于孔隙含水层水位随着直接充水含水层水位下降而波动，当孔隙含水层水位降到煤层下伏基岩含水层水位以下时，就会导致煤层下伏基岩含水层顶托越流补给孔隙含水层，通过孔隙含水层流到采空区，以保持其对直接充水含水层有较稳定的补给量，这样煤层下覆基岩含水层就减少了径向或深部的天然排泄量，使更多的地下径流量转化为顶托越流量，加强了与其他含水层的水力联系，改善了含水层的补给条件，从而扩大了对地下水的影响和破坏范围[81]（图4.8）。

图4.8 全部垮落法开采降水漏斗的影响半径

2）采用留小煤柱开采，煤层上部含水层向矿井充水，水头降低后，孔隙含水层水垂直下渗，其水头随着变动。由于降水漏斗的影响范围没有扩展到下层基岩含水层上部的孔隙含水层，采空区周围含水层的水头下降较小，对地下水的补给和排泄途径影响较轻，下层基岩含水层中的水基本上保持原有的层流状态[81]（图4.9）。

图4.9 留小煤柱开采降水漏斗的影响半径