五彩灣礦區(qū)沖洪積細砂型包氣帶防污性能評價

陳 凱 王文科,2 馬文清 張紫昭,4 儲春妹

(1.新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆自治區(qū)烏魯木齊市，830046；2.長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西省西安市，710054;3.新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊，新疆自治區(qū)烏魯木齊市，830091；4.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇省徐州市，221116)

準(zhǔn)東煤田是我國規(guī)劃建設(shè)的第14個能源基地之一，同時也是國家“一帶一路”倡議礦產(chǎn)資源開發(fā)的核心區(qū)域之一。準(zhǔn)東煤田位于新疆昌吉回族自治州境內(nèi)，煤炭預(yù)測地質(zhì)儲量3747.6億t，該能源基地煤炭儲量大，儲存條件好，煤質(zhì)以長焰煤、不沾煤和弱粘煤為主，適用于煤電煤化工生產(chǎn)。因此，對五彩灣一號礦井煤炭資源的開發(fā)和利用，不僅可以帶動整個五彩灣礦區(qū)的發(fā)展，同時也對新疆區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展具有重要的促進作用。

近幾年，許多專家和學(xué)者對準(zhǔn)東煤田開發(fā)引起的地質(zhì)和環(huán)境問題進行了不同方面的研究，但是對于準(zhǔn)東煤田開采所引起的地下水環(huán)境問題和生態(tài)效應(yīng)破壞問題的研究則相對比較欠缺。因此，本文以五彩灣礦區(qū)一號礦井為研究對象，在對研究區(qū)自然地理概況和地質(zhì)條件全面分析的基礎(chǔ)上，首先對五彩灣礦區(qū)一號礦井包氣帶的地層巖性和分布規(guī)律進行分析，接著通過滲水試驗對研究區(qū)包氣帶的防污性能進行了研究和評價，最后對研究區(qū)內(nèi)土壤質(zhì)量進行了分析和評價。通過對五彩灣一號礦井包氣帶防污性能的研究，可以為干旱-半干旱礦區(qū)的安全開采以及生態(tài)環(huán)境評價提供地學(xué)基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)地質(zhì)條件

1.1 氣象水文

研究區(qū)屬大陸干旱荒漠氣候，年溫差和晝夜溫差變化較大。5-9月高溫炎熱，白天氣溫常在40℃以上，絕對最高氣溫可達41.2℃；12月至次年2月氣候嚴(yán)寒，絕對最低氣溫可降至-49.8℃(1969年1月26日)；5-8月偶有雷陣雨，冬季積雪稀少；冰凍期5個半月，凍土最大深度為1.3 m。根據(jù)研究區(qū)2015年氣象資料顯示，該區(qū)降雨量為46.1 mm/a，蒸發(fā)量為1501.8 mm/a。研究區(qū)內(nèi)地表無常年水流，夏季降雨形成的暫時性水流多向西北方向排泄，部分在低洼地匯集蒸發(fā)，形成平坦的淤積泥板地。區(qū)內(nèi)第四系分布廣泛，由于水位埋深較淺，且受新近系上新統(tǒng)獨山子組地層阻隔，因此在區(qū)內(nèi)北部的部分地勢低洼處形成地下水淺埋區(qū)。

1.2 地形地貌

研究區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地東南部，總體地勢東南高西北低，海拔為474～506 m，最大高差為32 m。按照地貌成因和形態(tài)類型可將研究區(qū)劃分為剝蝕準(zhǔn)平原和風(fēng)積沙漠兩種地貌類型。其中主井工業(yè)場地和臨時排矸場一帶地形相對平坦，具有剝蝕準(zhǔn)平原的地貌特征，而副井工業(yè)場地一帶多見小型沙丘分布，地形略有起伏，風(fēng)積沙漠的特征相對明顯。

1.3 地層巖性

研究區(qū)內(nèi)鉆孔揭露的地層主要為三疊系中-上統(tǒng)小泉溝群、侏羅系下統(tǒng)八道灣組、三工河組、中統(tǒng)西山窯組、中上統(tǒng)石樹溝群、白堊系下統(tǒng)吐谷魯群、新近系上統(tǒng)獨山子組以及第四系。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造類型較為簡單，該研究區(qū)位于帳蓬溝背斜的西翼，主要構(gòu)造為火燒山背斜與西大溝向斜，其火燒山背斜和西大溝向斜在研究區(qū)北部走向均為近南北向，臨近研究區(qū)走向轉(zhuǎn)為北東-南西向，并逐漸傾伏消失。

1.5 水文地質(zhì)

研究區(qū)屬天山北麓小河流域地下水系統(tǒng)北緣，根據(jù)研究區(qū)地下水的賦存條件、含水層的結(jié)構(gòu)特點及富水性性質(zhì)，將區(qū)內(nèi)地下水類型劃分為五個含水巖組和一個相對隔水巖組。

研究區(qū)地下水類型以第四系松散巖類孔隙潛水為主，其地層巖性主要以細砂和砂礫石為主。地下水由東南向西北方向徑流，地下水位埋深均小于10 m，地下水位標(biāo)高在470～500 m之間，水力坡度為0.002～0.003。此外，區(qū)內(nèi)地下水主要接收上游側(cè)向徑流補給，排泄方式主要包括以向下游側(cè)向徑流、蒸發(fā)、蒸騰的方式排泄以及未來礦坑的疏干排水。

2 研究區(qū)包氣帶特征分析

研究區(qū)內(nèi)包氣帶巖性均為第四系上更新統(tǒng)沖洪積細砂型，該類沖洪積細砂型包氣帶結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)東煤田能源基地具有一定的廣泛性，其包氣帶厚度分布較均勻，一般小于3 m，其中在主井工業(yè)場地包氣帶厚度為1.94 m，其包氣帶地層剖面柱狀圖如圖1所示，副井工業(yè)場地包氣帶厚度為1.35 m，臨時排矸場包氣帶厚度為1.21 m，副井工業(yè)場地南側(cè)約1.2 km處包氣帶厚度為0.90 m。研究區(qū)包氣帶厚度等值線圖如圖2所示。

由圖2可以看出，區(qū)內(nèi)南部包氣帶厚度呈現(xiàn)出由南向北逐漸減小的分布規(guī)律，南部地區(qū)包氣帶厚度一般為4～6 m，而向北至工業(yè)場地一帶，包氣帶厚度減小至1～2 m，局部地區(qū)小于1 m。在準(zhǔn)東公路沿線一帶，由于下部新近系隆起，第四系孔隙水富水性變差，滲透系數(shù)減小，地下水位埋深也隨著增大，包氣帶厚度一般為4～6 m，鉆孔KT4周圍包氣帶厚度大于8 m。而內(nèi)區(qū)東北角由于地勢急劇降低，水位埋深又逐漸增大，一般為2～4 m，探井TJ6周圍包氣帶厚度小于2 m。總體來看，區(qū)內(nèi)包氣帶厚度變化趨勢并不明顯，空間分布較均勻。

圖2 研究區(qū)包氣帶厚度等值線圖

3 研究區(qū)包氣帶防污性能評價

原位滲水試驗是野外測定包氣帶非飽和巖層滲透系數(shù)的一種簡易方法，最常用的是試坑法、單環(huán)法和雙環(huán)法。此外，為了達到消除垂向滲水過程中側(cè)向滲流不利影響的目的，通常會采用雙環(huán)法。同時，雙環(huán)法測定滲透系數(shù)精度也比單環(huán)法和試坑法要高，并且具有其裝置操作簡單和數(shù)據(jù)處理容易的特點。因此，在水文地質(zhì)參數(shù)測定中應(yīng)用廣泛。

3.1 試驗地點的選取

在對研究區(qū)自然地理概況和地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上，分別在研究區(qū)1號礦井的主井工業(yè)場地、副井工業(yè)場地、臨時排矸場和副井工業(yè)場地南側(cè)等4處位置分別布置1組雙環(huán)法滲水試驗。

3.2 試驗方法和過程

在4個典型的滲水試驗地點開挖一定規(guī)格的試坑，準(zhǔn)備2個鐵環(huán)，高度在30～50 cm之間，外環(huán)直徑為50 cm，內(nèi)環(huán)直徑為25 cm，2個鐵環(huán)同心放置。在試驗過程中要保證2個鐵環(huán)內(nèi)注水的同步性，并且使內(nèi)環(huán)和外環(huán)的水頭高度保持一致，一般為10 cm。此外，按一定的時間間隔進行水流量監(jiān)測，當(dāng)連續(xù)兩次監(jiān)測水流量之差不大于5%時，即可認為達到相對穩(wěn)定。此時可通過達西定律得出五彩灣礦區(qū)一號礦井沖洪積細砂型包氣帶的滲透系數(shù)見式(1)：

(1)

式中：K——滲透系數(shù)，cm/s；

Q——入滲的穩(wěn)定流量，cm3/s；

ω——內(nèi)環(huán)面積，cm2。

3.3 試驗結(jié)果及分析

根據(jù)研究區(qū)選取的4處滲水試驗地點、試驗方法、試驗過程以及試驗原理，對研究區(qū)各試驗點滲透系數(shù)進行了計算，包氣帶滲透系數(shù)計算結(jié)果見表1。

表1 包氣帶滲透系數(shù)計算結(jié)果

由表1結(jié)果可以看出，研究區(qū)內(nèi)主井工業(yè)場地、副井工業(yè)場地、臨時排矸場以及副井工業(yè)場地南側(cè)的滲透系數(shù)分別為0.009 cm/s、0.007 cm/s、0.005 cm/s和0.007 cm/s，根據(jù)國家規(guī)范《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則地下水環(huán)境》(HJ610-2011)中對包氣帶滲透性能的評判標(biāo)準(zhǔn)可看出，五彩灣礦區(qū)一號礦井沖洪積細砂型包氣帶的防污性能均為“弱”級別。

4 研究區(qū)土壤質(zhì)量分析

當(dāng)后續(xù)礦井開發(fā)后，產(chǎn)生的煤矸石勢必會對研究區(qū)的土壤和地下水造成一定污染和影響。因此，在區(qū)內(nèi)工業(yè)場地上游、下游以及臨時排矸場上游、下游等位置進行了土壤樣采集工作。通過土壤環(huán)境質(zhì)量評價結(jié)果可知：在工業(yè)場地上游及下游、臨時排矸場上游及下游采集的4組土壤樣品，并按照國家規(guī)范《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)進行了評價，其評價結(jié)果顯示：各項檢測項目均未超標(biāo)。由于五彩灣礦區(qū)一號礦井目前尚未開采，因此浸溶試驗選擇在煤質(zhì)相似的天池能源大井礦區(qū)南露天煤礦進行。本次共在該礦井2處位置采集了煤矸石樣品，每處樣品均采集5組進行平行檢測樣，共計采集10組樣品。檢測項目包括pH、總銅、總鋅、總鎘、總鉛、總鉻、六價鉻、總汞、總鈹、總鋇、總鎳、總銀、總砷、總硒、烷基汞、無機氟化物、氰化物、COD、石油類、揮發(fā)酚、硫化物、錳、總硬度、溶解性總固體、硝酸鹽、亞硝酸鹽、硫酸鹽、氯化物以及苯并(a)芘等29項。

按照《危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)》(GB5085.3-2007)對煤矸石浸出液進行危險廢物鑒別，鑒別結(jié)果顯示：10組煤矸石樣品浸出液中各項目檢測值均未達到危險廢物的限值，因此判定煤矸石不屬于危險廢物，為一般固體廢物。經(jīng)與《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)值對比發(fā)現(xiàn)，煤矸石樣品浸出液中各項目均未超標(biāo)，因此判定后期礦井開發(fā)后產(chǎn)生的煤矸石經(jīng)雨水淋濾后不會對五彩灣一號礦井的地下水造成污染和影響。

5 結(jié)論

本文通過對新疆五彩灣礦區(qū)一號礦井沖洪積細砂型包氣帶結(jié)構(gòu)防污性能的分析和研究，可以得出以下結(jié)論：

(1)研究區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地東南部的五彩灣地區(qū)，勘察區(qū)內(nèi)第四系含水層分布廣泛，地下水類型為松散巖類孔隙潛水，含水層巖性主要為細砂和砂礫石。

(2)研究區(qū)內(nèi)包氣帶巖性為第四系上更新統(tǒng)沖洪積細砂型，該類沖洪積細砂型包氣帶結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)東煤田能源基地具有一定的廣泛性，其厚度一般小于3 m，且區(qū)內(nèi)包氣帶厚度變化趨勢并不明顯，在空間分布上呈現(xiàn)出“南北厚中間薄”的特征。

(3)通過對研究區(qū)包氣帶防污性能的研究，其滲透系數(shù)在0.005～0.009 cm/s之間，防污性能評價級別均為“弱”等級；此外，通過對土壤環(huán)境質(zhì)量評價結(jié)果可知，研究區(qū)內(nèi)土壤各項檢測項目均未超標(biāo)；最后，根據(jù)對煤矸石浸出液進行浸溶試驗可知，10組煤矸石樣品浸出液中各項目檢測值均未達到危險廢物的限值，因此判定煤矸石不屬于危險廢物，并經(jīng)雨水淋濾后也不會對地下水造成污染。

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