冀東鐵礦田的開發(fā)對(duì)區(qū)域地下水環(huán)境的影響

張莉麗，宋 峰，劉新社，折書群，劉大金

(1.華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊050021;2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球物理與測(cè)繪工程學(xué)院，北京100083)

河北省冀東地區(qū)鐵礦資源豐富，是我國重要的鐵礦資源基地之一。特別是司家營一帶，礦床規(guī)模大，分布集中，主要有司家營鐵礦、馬城鐵礦、大賈莊鐵礦等，鐵礦石總資源量(332+333)為25億 t，平均品位＞30%。礦體賦存在太古界單塔子群白廟子組地層中，礦體上覆灤河沖洪積扇第四系砂礫卵石含水層，其特點(diǎn)是厚度大、分布廣、富水性及透水性極強(qiáng)，灤河、新灤河河水與地下水聯(lián)系密切，屬于大水礦床。上世紀(jì)七十年代勘探后，因礦床露天開采疏干排水困難，且疏干排水將產(chǎn)生大面積水位下降，破壞地下水環(huán)境，一直未能開采而成為大水呆滯礦。本文通過分析司家營一帶鐵礦開發(fā)對(duì)區(qū)域水環(huán)境的影響，提出了保護(hù)環(huán)境措施，以利于區(qū)域資源、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

1 區(qū)域地下水環(huán)境現(xiàn)狀

研究區(qū)地下含水系統(tǒng)自上而下可分為三個(gè)含水層:第四系松散巖孔隙水含水層，基巖風(fēng)化裂隙水含水層，基巖構(gòu)造裂隙水含水層。各含水層(組)之間相互聯(lián)系從而構(gòu)成統(tǒng)一含水體，整個(gè)地下含水系統(tǒng)形似“蘑菇狀”，第四系含水層和基巖風(fēng)化裂隙含水層分布在全區(qū)，形似“蘑菇頭”，基巖構(gòu)造裂隙含水層呈帶狀分布于各個(gè)礦床構(gòu)造破碎帶附近，形似數(shù)個(gè)“蘑菇頸”。

在天然狀態(tài)下，第四系孔隙水接受大氣降水、河流滲漏、農(nóng)田灌溉回滲等補(bǔ)給后，由北向南徑流運(yùn)動(dòng);基巖裂隙水在北部山區(qū)基巖裸露區(qū)接受大氣降水補(bǔ)給后，自北向南徑流，由于基巖風(fēng)化裂隙含水層滲透性較差，地下水側(cè)向徑流受阻，基巖風(fēng)化裂隙水托頂越流補(bǔ)給第四系下部中等含水層，基巖地下水位略高于第四系地下水位，為承壓水，在長(zhǎng)期的垂向交替運(yùn)動(dòng)后，基巖裂隙水、第四系地下水水頭趨于一致，水位埋深一般 3.5～7.5 m。

礦山采用預(yù)留基巖隔水頂板井下充填法采礦。在開采條件下，礦山深部疏干排水，深部基巖構(gòu)造裂隙水壓力釋放，在水頭梯度的作用下，第四系水通過風(fēng)化帶垂向越流補(bǔ)給基巖構(gòu)造裂隙水，垂向上存在水頭梯度，地下水疏干流場(chǎng)呈現(xiàn)出三維空間流場(chǎng)，第四系水為礦床充水水源，基巖構(gòu)造裂隙帶為礦床充水通道。

礦山開發(fā)使區(qū)域基巖裂隙水水位下降，在司家營礦區(qū)形成基巖裂隙水降落漏斗，漏斗中心基巖地下水位下降40 m左右，但第四系地下水流場(chǎng)形狀基本未變，第四系地下水位基本未變。

區(qū)內(nèi)地下水水化學(xué)類型簡(jiǎn)單，一般為重碳酸鈣型或重碳酸鈣鎂型，礦化度低，一般＜0.7 g/L，通過地下水水質(zhì)控制點(diǎn)各種污染物監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，各種指標(biāo)均滿足地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，說明已經(jīng)開發(fā)的部分礦山對(duì)地下水環(huán)境質(zhì)量影響不大。

自上世紀(jì)20年代以來，國外對(duì)礦體開采以及開采技術(shù)進(jìn)行了大量深入的研究，并且取得了豐碩的科研成果［1－4］，我國對(duì)礦體開采的水下安全開采則較晚，始于上世紀(jì)60年代，但是迄今為止，我國水體下采礦技術(shù)已基本成熟［5－9］。該礦山采用預(yù)留基巖隔水頂板井下充填法采礦［10－11］。在開采條件下，礦山深部疏干排水，深部基巖構(gòu)造裂隙水壓力釋放，在水頭梯度的作用下，第四系水通過風(fēng)化帶垂向越流補(bǔ)給基巖構(gòu)造裂隙水，垂向上存在水頭梯度，地下水疏干流場(chǎng)呈現(xiàn)出三維空間流場(chǎng)，第四系水為礦床充水水源，基巖構(gòu)造裂隙帶為礦床充水通道。

2 司家營礦開發(fā)對(duì)地下水環(huán)境影響分析

2.1 礦山開發(fā)對(duì)地下水系統(tǒng)的影響

礦山采用上向分層充填法采礦，對(duì)地下水系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面:

(1)充填法將改變基巖構(gòu)造裂隙含水層的透水性和富水性。

(2)礦山深部排水后，地下水壓力釋放，并通過其上的基巖弱風(fēng)化帶擴(kuò)展形成一定范圍的地下水壓力釋放場(chǎng)。在地下水頭梯度作用下，首先，基巖強(qiáng)風(fēng)化帶、第四系粘性土層壓密釋水;然后，上部第四系水通過基巖強(qiáng)風(fēng)化帶、第四系粘性土層垂向越流補(bǔ)給。粘性土層壓密釋水，將改變粘性土相對(duì)隔水層透水性，同時(shí)將造成一定范圍的地面沉降。

(3)礦山深部排水將改變基巖地下水補(bǔ)徑排條件，在礦山附近形成基巖地下水降落漏斗。最終對(duì)第四系含水層補(bǔ)給、徑流和排泄條件產(chǎn)生一定的影響。

2.2 礦山開發(fā)對(duì)地下水資源的影響

2.2.1 水文地質(zhì)模型

根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)條件，考慮礦區(qū)排水影響范圍，創(chuàng)建礦區(qū)水文地質(zhì)模型。

(1)模型范圍:x取值范圍是(386 000，4 382 000)，y的取值范圍是(404 000，4 400 000)，東西長(zhǎng)18 km，南北寬18 km，面積 324 km2。

(2)邊界條件:第四系及基巖風(fēng)化帶四周邊界處理為無限邊界;構(gòu)造裂隙含水(層)帶的兩翼基巖裂隙不發(fā)育，透水性弱，為隔水邊界;上邊界為大氣降水入滲補(bǔ)給的自由面邊界;下邊界劃到－450 m，由于下部基巖完整，透水性弱，作為隔水邊界處理。

(3)含水層概化:地下水含水系統(tǒng)概化為非均質(zhì)各向異性含水系統(tǒng)，自上而下共劃分8層，分別為第四系上部強(qiáng)含水層、第四系相對(duì)隔水層、第四系下部中等含水層、基巖強(qiáng)風(fēng)化裂隙弱含水層、基巖弱風(fēng)化裂隙含水層、基巖風(fēng)化層底板～250 m、－250～－350 m、－350～－450 m。礦山巷道和采場(chǎng)排水，深部地下水的壓力大幅度降低，第四系地下水將由上向下逐層越流補(bǔ)給基巖風(fēng)化裂隙含水層，再由風(fēng)化裂隙含水層進(jìn)入下部斷裂及其影響帶形成的基巖裂隙含水帶，最終匯入礦坑，地下水流場(chǎng)呈現(xiàn)三維空間流場(chǎng)，將地下水流系統(tǒng)概化為三維非穩(wěn)定流。

2.2.2 數(shù)學(xué)模型

對(duì)上述的水文地質(zhì)模型進(jìn)行概化，創(chuàng)建相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

式中:H 表示地下水位(m);Kx、Ky、Kz分別表示為 x、y、z方向的滲透系數(shù)(m/d);μs分別表示貯水率和給水度;Qi為地下水開采量或排水量(m3/d);H0(x，y，z)為初始水位(m);Ω、S、I分別表示滲流區(qū)域、地下水自由面、無限邊界;ε表示降水入滲強(qiáng)度(m/d);E0表示水面蒸發(fā)量(m/d);Ha表示地面標(biāo)高(m);Smax表示潛水最大蒸發(fā)深度(m)。

2.2.3 數(shù)值模型

對(duì)上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值模擬。運(yùn)用的模擬軟件是三維地下水流模擬軟件Visual MODFLOW。模型的空間離散采用矩形有限差分的離散方法對(duì)研究區(qū)進(jìn)行剖分，并對(duì)地層分界線、抽水孔、觀測(cè)孔附近進(jìn)行加密處理，平面共剖分單元168×137個(gè)，每層單元格為23 016個(gè)，8層共剖分184 128個(gè)單元。

由于礦山是在2009年初開始排水的，因此，以2008年底的地下水流場(chǎng)作為模型識(shí)別的初始流場(chǎng)。根據(jù)研究區(qū)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、鉆孔巖芯采取率、抽水試驗(yàn)等資料將模擬區(qū)進(jìn)行水文地質(zhì)參數(shù)初步分區(qū)，并對(duì)水文地質(zhì)參數(shù)賦值。利用35個(gè)不同深度觀測(cè)孔的長(zhǎng)期地下水動(dòng)態(tài)資料及大賈莊回風(fēng)井放水試驗(yàn)資料進(jìn)行模型識(shí)別。各觀測(cè)孔的觀測(cè)水位動(dòng)態(tài)曲線與計(jì)算水位動(dòng)態(tài)曲線基本吻合，說明水文地質(zhì)條件概化是合理的，識(shí)別后的水文地質(zhì)參數(shù)是符合客觀實(shí)際的，利用數(shù)值模型分析未來礦坑排水對(duì)區(qū)域地下水流場(chǎng)的影響是可靠的。

在建立地下水?dāng)?shù)值模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)礦山開采方案，預(yù)測(cè)礦山排水條件下區(qū)域地下水流場(chǎng)的演變(見圖1和圖2)，結(jié)果表明:由于礦山排水，第四系淺部強(qiáng)含水層形成地下水降落漏斗，漏斗降深小、擴(kuò)展遠(yuǎn)、非常平緩，田興鐵礦、大賈莊鐵礦、馬城鐵礦附近第四系淺部強(qiáng)含水層水位分別降低1.39 m、0.92 m、0.68 m，在司馬賈礦區(qū)中心周圍 7 km 范圍以外，水位降低小于0.1 m。第四系深部中等含水層地下水位降落漏斗形似“平底鍋”，漏斗中心流場(chǎng)平緩，水位降幅為11.89 m，向外流場(chǎng)逐漸變陡。

圖1 第四系淺部含水層預(yù)測(cè)流場(chǎng)圖(2036年)

圖2 第四系深部含水層預(yù)測(cè)流場(chǎng)圖(2036年)

礦區(qū)周邊工農(nóng)業(yè)供水層主要為第四系上部強(qiáng)含水層，農(nóng)灌井深20 m左右，水位埋深3.5～7.5 m。礦山排水不會(huì)影響農(nóng)業(yè)灌溉用水，離礦區(qū)最近的灤縣水源地距離礦區(qū)10 km，其他水源地距離礦區(qū)更遠(yuǎn)，礦山排水不會(huì)影響周圍集中供水水源地的正常運(yùn)行。

2.3 礦山開發(fā)對(duì)地下水質(zhì)量的影響

礦山開采方法為充填法，充填料為尾礦和水泥等，其中膠結(jié)充填料中尾礦占80%，非膠結(jié)充填料中全部為尾礦，因此，礦山開采對(duì)地下水環(huán)境質(zhì)量的影響主要表現(xiàn)在以尾礦作為充填料對(duì)地下水水質(zhì)的影響。通過對(duì)尾礦浸出液試驗(yàn)結(jié)果的分析(見表3)，尾礦浸出液滿足《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，此外，填充料濾水和基巖裂隙水一起通過排水系統(tǒng)進(jìn)入礦井水處理站，處理達(dá)標(biāo)后回用，因此，尾礦回填井下對(duì)礦區(qū)基巖裂隙水水質(zhì)不會(huì)造成較大的影響，同時(shí)，礦山疏干排水使礦區(qū)基巖裂隙承壓水壓力釋放，第四系水源源不斷地越流補(bǔ)給，加快基巖裂隙水循環(huán)，礦區(qū)基巖裂隙水不會(huì)影響區(qū)域基巖裂隙水水質(zhì)。

3 結(jié)語

(1)司馬賈礦區(qū)的開采，會(huì)在礦山附近形成基巖地下水降落漏斗，但不會(huì)影響農(nóng)業(yè)灌溉用水和周圍集中供水水源地的正常運(yùn)行，并且不會(huì)對(duì)礦區(qū)基巖裂隙水水質(zhì)造成較大的影響。

(2)礦區(qū)位于灤河沖洪積扇上部，第四系砂礫卵石含水層厚度大、分布廣、透水性富水性強(qiáng)，補(bǔ)給充沛，地下水資源豐富，是當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)用水主要開采層，因此在開發(fā)礦產(chǎn)資源的同時(shí)，務(wù)必保護(hù)好地下水資源。

(3)采用充填法采礦，預(yù)留合理的基巖隔水頂板，隔斷或減弱第四系水與礦坑的聯(lián)系，是保護(hù)地下水環(huán)境的關(guān)鍵。

(4)利用數(shù)值法預(yù)測(cè)礦山排水條件下區(qū)域地下水流場(chǎng)演變時(shí)，是基于頂板穩(wěn)定、充填質(zhì)量滿足要求的基礎(chǔ)之上的。

(5)在礦山開發(fā)過程中，應(yīng)采取提高充填質(zhì)量、加強(qiáng)礦坑頂板穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)、對(duì)不穩(wěn)定性頂板進(jìn)行注漿加固處理、增強(qiáng)礦山建設(shè)地震設(shè)防能力等措施，以提高頂板穩(wěn)定性。

表3 尾礦浸出毒性鑒別結(jié)果表

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