礦山地下開采對(duì)地下水環(huán)境的影響機(jī)理及防治

鄧志文，楊建安，方 超

（中國瑞林工程技術(shù)有限公司,江西南昌 330031）

礦山地下開采對(duì)地下水環(huán)境的影響機(jī)理及防治

鄧志文，楊建安，方 超

（中國瑞林工程技術(shù)有限公司,江西南昌 330031）

在分析礦山地下開采對(duì)地下水環(huán)境影響機(jī)理的基礎(chǔ)上,提出了針對(duì)地下開采過程中對(duì)地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)需重點(diǎn)關(guān)注的調(diào)查內(nèi)容,探討了減輕或避免地下開采對(duì)地下水環(huán)境影響的防治措施。

礦山地下開采；地下水；影響評(píng)價(jià)；防治措施

礦山地下開采期間的井下鑿巖、灑水降塵等作業(yè)產(chǎn)生的廢水和井下涌水經(jīng)巷道排水溝自流入井下水倉,然后泵出地表處理后達(dá)標(biāo)排放,進(jìn)入地表水體[1]。由于開采期間地下水形成一個(gè)以采坑為中心的降落漏斗,周圍地下水流向采坑,因此開采期間井下廢水一般不會(huì)影響地下水水質(zhì),主要對(duì)開采范圍地下水流場(chǎng)產(chǎn)生影響,導(dǎo)致地下水水位下降,有可能引起礦區(qū)地表沉降、塌陷、開裂等環(huán)境地質(zhì)問題,對(duì)礦區(qū)地表植被、農(nóng)田、水體、居民等對(duì)象的用水資源產(chǎn)生影響,極端情況下可能產(chǎn)生井下突水事故。

1 影響機(jī)理分析

地下開采期對(duì)地下水環(huán)境的影響主要以影響范圍和影響程度來表征。影響范圍即為水平方向(橫向)可能影響的區(qū)域,可用地下開采形成的地下水降落漏斗影響范圍圈定；影響程度即為地下開采導(dǎo)致開采礦層頂板至地表(垂向)巖層中地下水水量漏失程度及受破壞巖層厚度。

1.1 影響范圍的預(yù)測(cè)

地下開采必將在地下形成采空區(qū),而蘊(yùn)藏于采空區(qū)周邊巖層中的地下水在周圍水頭壓力的作用下將滲入采空區(qū),造成周圍巖層地下水水位下降、水質(zhì)變化。地下開采將會(huì)形成一個(gè)以礦井為中心的降落漏斗而改變自然情況下地下水的補(bǔ)給、徑流及排泄條件,同時(shí)這個(gè)漏斗還將隨著開采深度的加深和巷道的水平延伸而擴(kuò)大,使一定范圍內(nèi)的含水層被疏干,可能造成地表植物、農(nóng)田和生活、生產(chǎn)等水源的枯竭。值得注意的是,施工過程中如果沒有采取超前探水等預(yù)防措施,井巷一旦遇到含水?dāng)嗔褞Ш蛶r溶洞穴,則很可能造成突水事故。

地下開采引起的地下水位和流場(chǎng)變化范圍是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程,因此降落漏斗的范圍也是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程,為表征降落漏斗的最大影響范圍,應(yīng)選擇地下開采服務(wù)年限內(nèi)的最低開采標(biāo)高進(jìn)行降落漏斗(水位)影響范圍預(yù)測(cè)。

地下開采一般采用 《地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則》附錄C中推薦的“大井法”影響半徑計(jì)算公式(式1)計(jì)算降落漏斗(地下水位)變化區(qū)域半徑。

1.2 影響程度的預(yù)測(cè)

地下礦層開采后,圍巖的原巖應(yīng)力遭到破壞,致使應(yīng)力重新分布,上覆巖層在應(yīng)力作用下產(chǎn)生移動(dòng)、變形和破壞。根據(jù)破壞情況,可將上覆巖層從下往上劃分為三帶,即垮落帶、裂隙帶和彎曲帶。由于垮落帶、裂隙帶都具有一定的導(dǎo)水性,所以通常將這兩帶合稱為導(dǎo)水裂縫帶。裂縫帶依據(jù)巖層的斷裂、開裂及離層的發(fā)育程度和導(dǎo)水能力不同,又依次細(xì)分為嚴(yán)重開裂、一般開裂和微小開裂區(qū),其導(dǎo)水能力隨著裂縫的縮小而變小。在裂隙帶的頂部至地表的整個(gè)巖系如果沒有受到破壞,該帶巖層一般情況具有較好的隔水能力。

含水層的破壞程度主要取決于覆巖破壞形成的導(dǎo)水裂縫帶高度。導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與礦層賦存地質(zhì)條件、頂板巖性、礦層開采厚度、采礦方法等均有密切關(guān)系。以中硬巖為例,地下礦層開采后的導(dǎo)水裂縫帶最大高度可采用公式（2）計(jì)算：

式中：Hmax為導(dǎo)水裂縫帶高度,m；M為礦層采厚,m。

判斷地下礦層開采后地表水源是否發(fā)生漏失的依據(jù)為公式（3）：

式中：Hmax為導(dǎo)水裂縫帶最大高度,m；Hb為保護(hù)層厚度,m；Hlx為基巖風(fēng)化帶深度或裂隙深度,一般 Hlx= 10～100 m。

當(dāng)?shù)乇硭椿拙嗫刹傻V層垂高H＞Hs時(shí)，水源通常不會(huì)發(fā)生漏失；當(dāng) H≤Hs時(shí)，則地表水源會(huì)漏失。各參數(shù)的相對(duì)位置關(guān)系見圖1。

圖1 各參數(shù)的相對(duì)位置關(guān)系示意

2 此類環(huán)境影響評(píng)價(jià)的關(guān)注重點(diǎn)

為預(yù)測(cè)地下開采形成的地下水降落漏斗半徑、開采礦層頂部導(dǎo)水裂縫帶高度以及判斷地下開采是否會(huì)導(dǎo)致地表水源漏失和漏失程度，首先需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)等工作以獲取或確定相關(guān)計(jì)算參數(shù)的原始資料，水文地質(zhì)條件復(fù)雜礦區(qū)還需有專門水文地質(zhì)勘探工作。評(píng)價(jià)工作中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下相關(guān)調(diào)查內(nèi)容。

2.1 地質(zhì)調(diào)查

地質(zhì)調(diào)查包括地下水降落漏斗影響區(qū)及其附近區(qū)域的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)調(diào)查。工程地質(zhì)調(diào)查主要包括礦區(qū)周圍地層、巖性、構(gòu)造、地質(zhì)災(zāi)害（如：斷層、山崩、滑坡、塌陷、泥石流等），應(yīng)特別關(guān)注斷裂、巖溶洞穴、老窿等可能導(dǎo)致地下突水事故的調(diào)查，如：我國吉林石嘴銅礦曾因采礦巷道觸及奧陶紀(jì)灰?guī)r溶洞造成了礦井突水，使附近的富太河斷流、礦井全部淹沒，停產(chǎn)約半年；湖南水口山礦由于礦井突水造成地面沉陷千余處，最大的塌陷坑直徑長達(dá)80多米，同時(shí)還引起了局部地震。水文地質(zhì)調(diào)查主要包括礦區(qū)所處完整水文地質(zhì)單元內(nèi)的包氣帶巖性、結(jié)構(gòu)和厚度、含水層和隔水層的巖性組成、分布范圍、埋藏條件、滲透性（滲透系數(shù)）與富水性、礦區(qū)周圍原始地下水水位、水質(zhì)、地表水體分布、地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件、周圍泉水分布等情況[3]。

2.2 礦山地下開采的工程內(nèi)容

地下開采的工程內(nèi)容主要包括采礦方法、采礦規(guī)模、地下水治理措施、開采范圍、開采最低和最高標(biāo)高、開拓運(yùn)輸系統(tǒng)布置、井巷支護(hù)方式等。在該項(xiàng)內(nèi)容中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注采礦方法、采礦規(guī)模及地下水治理措施。不同的采礦方法、采礦規(guī)模對(duì)開采礦層頂板的破壞程度、余留的采空區(qū)面積和體積相差很大，導(dǎo)致對(duì)地下水影響也相差很大，以崩落采礦法影響最大，充填采礦法影響最小。不同的地下水治理措施對(duì)地下水環(huán)境的影響更大：采用帷幕注漿等堵水措施的礦山，由于封堵了地下水進(jìn)入礦坑的集中徑流通道，對(duì)周圍地下水環(huán)境的影響較??；采用疏干排水措施的礦山，由于必須要將周圍巖層中的地下水疏干至最低開采標(biāo)高以下，形成大范圍的地下水降落漏斗，其疏排的地下水量大，地下水位落差大，因此對(duì)周圍地下水影響最大。

2.3 可能受影響的地表環(huán)境保護(hù)目標(biāo)調(diào)查

調(diào)查內(nèi)容主要包括地下水降落漏斗影響區(qū)涉及的完整水文地質(zhì)單元內(nèi)的地表植被種類、面積及其對(duì)水的依賴情況；農(nóng)作物種類、面積及其對(duì)水的依賴情況；地表水體（河流、湖泊、水庫、水塘、水渠等）分布、規(guī)模、底部巖層及其防滲情況；礦井水與大氣降水、地表水和地下水的水力關(guān)系；生產(chǎn)、生活用水水井、泉點(diǎn)分布、水位；可能污染地下水的對(duì)象（如：固廢堆場(chǎng)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活污染源）等。

3 減輕或避免此類環(huán)境影響的措施

對(duì)地下水污染與防治問題，國內(nèi)外有關(guān)專家和學(xué)者們做了大量的研究和探索工作，取得了一定的研究成果。比較一致的意見是：地下水一旦污染便很難治理，不僅要花費(fèi)相當(dāng)長的時(shí)間（幾十年或上百年），而且要耗費(fèi)昂貴的代價(jià)，因此以防為主，減少污染是保護(hù)地下水的根本措施，而治理只是出于不得已而采取的補(bǔ)救辦法[4]。預(yù)防和治理措施主要包括以下幾個(gè)方面。

3.1 地下開采的工程保護(hù)措施

1）正確選擇采礦方法。優(yōu)先采用房柱法、膠結(jié)充填法，盡量不采用崩落法，開采過程中廢石、礦渣及時(shí)回填，盡量減小采空區(qū)，以預(yù)防地表陷落，減少地表水通過采礦錯(cuò)動(dòng)區(qū)對(duì)底下的滲透，減少受污染的地下水量。

2）合理布置井巷，規(guī)避各種透水事件。根據(jù)地形條件，將井巷布置在遠(yuǎn)離河谷的地方，在有巖溶的地區(qū)，井巷盡可能布置在沒有或只有輕微巖溶地段；井巷盡可能避開充水的地質(zhì)構(gòu)造帶，當(dāng)?shù)V體上下盤富水不均一時(shí)，應(yīng)盡量把井巷布置在富水性弱的一盤。

3）井下合理預(yù)留一定厚度的保護(hù)礦柱,預(yù)留局部礦體不采，合理控制采空區(qū)規(guī)模，避免采空區(qū)規(guī)模過大引起上部巖層松動(dòng)而產(chǎn)生地裂縫，以防止導(dǎo)水裂縫產(chǎn)生，以致裂縫擴(kuò)展至地表，造成地下水和地表水的漏失。

4）采用合理的地下水治理措施，在水文地質(zhì)條件復(fù)雜的礦區(qū)，盡量采用以封堵地下水集中徑流通道為主、疏干為輔的工程措施，盡量減小地下水降落漏斗的范圍，從而減弱因?yàn)椴傻V疏干排水引起的地表塌陷、開裂等不良環(huán)境地質(zhì)問題。

3.2 地質(zhì)缺陷的防護(hù)措施

1）超前探水。在水文地質(zhì)條件復(fù)雜的礦山或者采區(qū)附近發(fā)育有富水?dāng)嗔褞?、富水老窿時(shí)，必須堅(jiān)持“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、有掘必探、先探后掘、先治后采、有疑必停”的原則，探明水源后制定防護(hù)措施。

2）掘進(jìn)或回采過程中，遇見斷層、裂縫等巖層破碎地段應(yīng)及時(shí)加強(qiáng)襯砌噴漿、噴錨支護(hù)等，盡可能減小導(dǎo)水裂縫帶厚度和滲水。

3）注漿封堵。對(duì)采區(qū)外圍的導(dǎo)水層及巷道遇到涌水?dāng)嗔褞r(shí)，可采取注漿減小巖層裂隙及其滲透性，堵隔外圍地下水阻止其進(jìn)入采區(qū)。

4）修筑擋水墻。當(dāng)井下某一段的涌水量很大或存在導(dǎo)水?dāng)嗔褞r(shí)，可采用帷幕灌漿、砌筑垂直防滲墻等措施封堵斷裂等水平方向來水，盡量減少進(jìn)入巷道的水量。如：某鉛鋅礦斜井井建期間，因未提前采取井壁帷幕注漿堵水措施，導(dǎo)致在穿過第四系含水層時(shí)大量抽出地下水，引起地表約1.25 hm2農(nóng)田塌陷；后期施工吸取斜井施工教訓(xùn)后，采用鋼筋混凝土支護(hù)及采取井壁帷幕注漿堵水措施，未再造成地表塌陷。斜井施工形成的塌陷區(qū)于2006年填平，2009年底又成功實(shí)施了帷幕注漿堵水，后經(jīng)2年的長期地表沉降位移觀測(cè)，顯示未再出現(xiàn)任何塌陷和沉降。

3.3 地表環(huán)境保護(hù)目標(biāo)的保護(hù)措施

1）河流的某一段經(jīng)過礦區(qū)，而河床滲透性強(qiáng)，可在漏失地段采用粘土、瀝青、水泥混凝土,或聚乙烯膜等材料修筑不透水的人工河床，以防止或減少河水滲入。必要時(shí)，可以考慮對(duì)河流進(jìn)行改道，即選擇合適地點(diǎn)修筑水壩，將原河道截?cái)?，用人工河道將河水引出礦區(qū)以外，避免河流對(duì)開采的充水影響。

2）在有條件的礦床周圍設(shè)截水溝排水。山區(qū)降水后以地表水或潛水的形式流入礦區(qū)，地表有塌陷裂縫時(shí)，會(huì)使礦區(qū)涌水量大大增加。在這種情況下，可在礦床外緣或漏水區(qū)的上方迎水流方向修筑排水溝，將水排至影響范圍之外。

3）地表防滲處理、填堵通道。為減小大氣降雨滲入井下的水量，在影響區(qū)內(nèi)采取填坑、補(bǔ)凹、整平地表或建不透水層等措施。

4）改變植物種類，如種植抗旱植物取代原有的喜水植物；改水田為旱地；搬遷污染源等。

3.4 開采服務(wù)期滿后的防護(hù)措施

開采服務(wù)期滿后，采空區(qū)的地下水位恢復(fù)到自然水位，地下水以泉點(diǎn)或從巷道口自然出露，如果不采取相應(yīng)措施，則可能對(duì)地下水和地表水產(chǎn)生污染，尤其是含硫高的礦山，更應(yīng)重視。一般可采取如下防護(hù)措施：1)對(duì)開采期形成的導(dǎo)水巷道、導(dǎo)水?dāng)嗔选⒘芽p等不良地質(zhì)區(qū)域進(jìn)行充填、噴漿和封堵，減緩采空區(qū)地下水的流動(dòng)，減輕采空區(qū)地下水與周邊地下水、地表水的水力聯(lián)系。2)在地下水自然水位以下采空區(qū)和地下水出露點(diǎn)堆填部分石灰等中和劑，凈化閉礦初期地下水，防止地下水污染。3)對(duì)采空區(qū)井巷出口進(jìn)行封堵，隔絕與外界空氣的接觸，減輕和避免空氣中氧與采空區(qū)內(nèi)礦巖中硫的接觸反應(yīng)，防止地下水酸化，溶解重金屬。

4 結(jié)語

地下開采對(duì)地下水資源的破壞在開采期間一般具有不可逆性，地下水一旦被破壞和污染便很難治理，不僅要花費(fèi)相當(dāng)長的時(shí)間，而且要耗費(fèi)昂貴的代價(jià)，應(yīng)引起行為人的足夠重視，通過環(huán)境影響評(píng)價(jià)確定其影響范圍和程度后，以便采取相應(yīng)的預(yù)防和補(bǔ)救措施。此外，在項(xiàng)目建設(shè)時(shí)，應(yīng)結(jié)合區(qū)域經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人類生活對(duì)地下水資源的需求與保護(hù)，對(duì)確定礦山建設(shè)的可行性有一定的作用。

[1] 《有色金屬工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目經(jīng)理手冊(cè)》編委會(huì).有色金屬工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目經(jīng)理手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

[2] HJ610-2011,環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 地下水環(huán)境[S].

[4] 楊潮進(jìn).地采金屬礦山透水事故預(yù)防探討[J].有色金屬（礦山部分），2008(2):52-54.

[5] 國家環(huán)境保護(hù)局開發(fā)監(jiān)督司.環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)原則與方法[M].北京：北京大學(xué)出版社,1992.

Influence Mechanism and Prevention of Underground Mining to Underground Water Environment

DENG Zhiwen,YANG Jianan,FANG Chao
(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

On the basis of analyzing underground mining's influence mechanism to underground water environment,aiming to investigation content needs to be paid attention,the paper puts forward prevention measures on avoiding the influence of underground mining to underground water environment.

underground mining;underground water;influence estimation;prevention measures

P64

B

1004-4345（2015）02-0005-03

2014-03-11

鄧志文（1967—）,男，教授級(jí)高工，主要從事固體廢物處理處置工程設(shè)計(jì)、研究和環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作。