巖溶礦區(qū)地下水資源儲(chǔ)存與管理

熊芮 胡應(yīng)繪 金志遠(yuǎn)

摘 要：巖溶礦區(qū)的巖溶發(fā)育是極度不均勻的，巖溶水在我國(guó)分布范圍廣泛，它們不僅水量大，而且水壓高，影響著礦區(qū)的生產(chǎn)與安全。如果巖溶礦區(qū)巖溶水處理方式不當(dāng)，且沒(méi)有通過(guò)科學(xué)的合理開(kāi)發(fā)與利用，那么巖溶水的使用和排出就會(huì)造成極大的資源浪費(fèi)。本文根據(jù)巖溶水的形成機(jī)理，結(jié)合礦井的水文地質(zhì)條件，總結(jié)了巖溶水治理措施和管理方法，并提出了展望。

關(guān)鍵詞：巖溶水；防治；儲(chǔ)存；管理

巖溶是指可溶性巖石如白云巖、石灰?guī)r等被水溶蝕后產(chǎn)生的裂隙，地下水通過(guò)各種途徑累積在其中，稱為巖溶水。[1]巖溶水具有多種形態(tài)，小到溶孔，大到溶洞及暗河。在采礦過(guò)程中，礦井水害是礦區(qū)最主要的災(zāi)害之一，而巖溶礦區(qū)巖溶水的不科學(xué)處理，會(huì)造成溶巖礦區(qū)突水事故頻發(fā)。巖溶礦區(qū)一旦發(fā)生突水事故，就會(huì)影響安全生產(chǎn)或甚至淹井，引起地面塌陷，會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，合理管理、儲(chǔ)存和利用巖溶水，且使其循環(huán)利用，可顯著減少突水事故，減少資源浪費(fèi)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著。本文根據(jù)巖溶水的形成機(jī)理，結(jié)合礦井的水文地質(zhì)條件，探討科學(xué)合理的巖溶水治理措施和管理方法。

1 巖溶水的水文地質(zhì)條件

巖溶礦區(qū)水文地質(zhì)條件，是巖溶礦區(qū)充水的主要影響因素，了解礦區(qū)的巖溶水充水水源和充水通道是礦井水害防治的重要條件。礦井充水水源防治應(yīng)從各個(gè)方面綜合考慮各種因素，根據(jù)巖溶類型和賦存條件，采用有效的防范措施，大致估算巖溶水的數(shù)量和質(zhì)量。巖溶水的水文地質(zhì)勘測(cè)方法主要有無(wú)線電波透視法、直流電阻測(cè)率法和礦井瞬變電磁法等。礦井水物探可以測(cè)定巖溶水的含水構(gòu)造，工作面頂?shù)装搴畬拥母凰裕瑤r溶礦區(qū)涌水補(bǔ)給源等水文地質(zhì)問(wèn)題，水文地質(zhì)測(cè)繪可以測(cè)定巖溶水的水量和水質(zhì)，物探和鉆探結(jié)合能精準(zhǔn)地測(cè)繪出巖溶水的性質(zhì)和儲(chǔ)存位置以及地理分布，在開(kāi)采前準(zhǔn)確地了解到巖溶水的存儲(chǔ)形式，為巖溶水的防治和利用提供重要保障。

2 巖溶水的儲(chǔ)存

2.1 巖溶水的儲(chǔ)存形式和含水特征

從巖溶水的埋藏條件進(jìn)行分類，巖溶水埋藏淺的可分為覆蓋型巖溶水、裸露型巖溶水；埋藏深度很深的深埋藏型巖溶水，巖溶礦區(qū)巖體的巖溶程度化或巖體構(gòu)造應(yīng)力分割留下的裂隙其儲(chǔ)水形式可分為溶隙儲(chǔ)水形式、地下暗河儲(chǔ)水形式及巖溶管道儲(chǔ)水形式。

a）裸露型巖溶水的形態(tài)一般為裂隙潛水或地下暗河、弱巖溶白云石、裂隙在薄灰?guī)r潛水、不純碳酸鹽巖礦區(qū)。巖溶水的含水特征是沒(méi)有巖溶發(fā)育、水分布不均。一般做層流、無(wú)壓流動(dòng)，動(dòng)態(tài)變化比較大。地下暗河則處于氣候濕潤(rùn)，均質(zhì)厚層灰?guī)r，大多分布在產(chǎn)狀平緩，構(gòu)造破碎的地質(zhì)構(gòu)造帶。這種地質(zhì)構(gòu)造使其形成地下暗河。它的地下水流非常大，一般來(lái)說(shuō)，它是沒(méi)有壓力湍流。局部壓力流量很大，動(dòng)態(tài)范圍很大。

b）覆蓋型地下巖溶水是巖溶裂隙不集中徑流帶地下水，其主要有兩種賦存形式。一種是在斷層中或第四紀(jì)沉積物和巖溶巖層接觸面附近，其埋藏屬于承壓水，這種巖溶水水壓不大，一般做層流流動(dòng)，水位變化不大。另一類位于非均質(zhì)碳酸鹽巖夾層斷裂帶及其兩側(cè)裂隙，或厚層石灰?guī)r巖溶發(fā)育。其含水性質(zhì)表現(xiàn)為地下水層流與紊流取決于通道情況，水位變化幅度小。

c）埋藏型巖溶地下水可分為層間裂隙巖溶水和脈狀裂隙巖溶水，層間裂隙巖溶水分布在上覆和下伏非巖溶化巖層中，其埋藏很深，有時(shí)形成深部水循環(huán)。地下水作層流流動(dòng)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定。脈狀裂隙巖溶水位于很厚的碳酸鹽巖層的構(gòu)造破碎帶中呈條帶狀分布，這種巖溶水埋藏深但，巖溶發(fā)育一般，其有減弱的趨勢(shì)，屬于承壓水，水壓一般較大，地下水作層流流動(dòng)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定。

巖溶水不同的水文地質(zhì)條件形成了不同的補(bǔ)給、排泄。南方巖溶地下水與地表水互為一體，互相轉(zhuǎn)換，相互補(bǔ)給，入滲參數(shù)較大（60%80%）而北方的入滲參數(shù)約占30%。北方的巖溶水是通過(guò)排泄密集的巖溶泉而形成的，南方的巖溶水主要由地下河流，洞穴，泉水和河流組成。南方巖溶水通常具有以下特點(diǎn)：不同地下河系統(tǒng)水位差異變化較大一般沒(méi)有統(tǒng)一區(qū)域地下水位；供水和蓄水源難以區(qū)分；地下河特征 ，水量變化與地表水具有較好的相似性地下水位深度變化較大，常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性缺水現(xiàn)象。[2]

巖溶水運(yùn)動(dòng)特征主要是層流和湍流共同運(yùn)動(dòng)，壓力流與無(wú)壓流共存，運(yùn)動(dòng)方向不同步，局部與整體不一致，區(qū)域地下水位不統(tǒng)一。[3]

2.2 巖溶水的防治

礦井水的防治工作應(yīng)堅(jiān)持“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，有疑必探，先探后治，先治后采”的原則，采取“防，堵，疏，排，截”的綜合治理措施，綜合突出礦區(qū)突水特征，含水率，巖溶發(fā)育特征等方面，采用物探與鉆探相結(jié)合的方法。根據(jù)水文地質(zhì)條件選擇合理科學(xué)的方法，對(duì)巖溶水進(jìn)行治理。通常是“以排為主，堵排結(jié)合”的思想，但也有人認(rèn)為過(guò)量排放會(huì)造成資源浪費(fèi)、環(huán)境破壞等。[4]因此，也有人提出“限量排放，堵排結(jié)合”的治理措施。根據(jù)上述不同巖溶水水文地質(zhì)條件，提出以下針對(duì)性的巖溶水防治方案。

（1）建立長(zhǎng)期的觀測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)掌控巖溶水的動(dòng)態(tài)特征。

（2）進(jìn)行超前探放水。

（3）斷層加固，當(dāng)有巖溶塌陷時(shí)，采用回填處理。

（4）進(jìn)行灌漿或帷幕注漿，抬升地下水位。

a）裸露型巖溶地下水。

對(duì)于裸露型巖溶地下水，大氣降水為其主要充水通道，應(yīng)設(shè)立地表水防滲措施，通常主要的方法是封堵裸露型巖溶地表，采用土石，充填封堵。若裸露的面積比較大，可用下部充填礫土，在其上部覆蓋黏土，使其高于地表0.51m。這樣可減少地表水對(duì)裸露型巖溶地下水的影響。

b）覆蓋型巖溶地下水。

覆蓋型巖溶地下水的治理可采用超前疏干，注漿堵水截流。對(duì)于那些含水較多的覆蓋型地貌，當(dāng)其含水量大補(bǔ)給量又不大的溶巖礦區(qū)，可提前將含水層的水疏干。或通過(guò)井下鉆孔疏放，將含水層中的地下水有控制的排放到井巷排水溝中，緩慢疏放。預(yù)防地下水突然涌入礦井，造成災(zāi)害事故，加大巖溶水治理難度。

c）深埋型巖溶地下水。

深埋型巖溶地下水屬于承壓水，對(duì)其防治時(shí)要綜合考慮，因地制宜采取針對(duì)性的治理措施。遵循“整體研究，逐塊分析，因地制宜，先易后難?！笔紫葢?yīng)對(duì)其進(jìn)行疏水降壓，使含水層水壓降到安全水頭以下。當(dāng)承壓水壓力過(guò)大時(shí)，可采用地表、地下聯(lián)合疏水降壓。在其隔水層薄弱帶注漿加固。提高隔水層的阻水能力。

3 巖溶水的利用

巖溶水目前可主要用作電力發(fā)電能源，飲用水供水水源，加工儲(chǔ)存的液體礦源。其利用涵蓋生產(chǎn)、生活各個(gè)方面。巖溶地區(qū)地下水資源豐富，目前主要有淺層巖溶儲(chǔ)水庫(kù)蓄水，地下河水庫(kù)蓄水，地下河流洞穴開(kāi)挖存水，深層巖溶地層開(kāi)挖等四種開(kāi)發(fā)方式和使用方式。

在巖溶地區(qū)，地下水主要存在于地下河流管道中。針對(duì)這種地質(zhì)情況，應(yīng)選擇合適的斷面，人為挖掘巷道，改變地下徑流環(huán)流路線，引水解決缺水問(wèn)題，這也是解決喀斯特地區(qū)干旱的重要手段。其主要優(yōu)點(diǎn)是水資源使用的低成本，缺點(diǎn)是建設(shè)成本高。

在地下河管線中，選擇合適的灌漿點(diǎn)，以上游水洞和洼地作為水庫(kù)的蓄水量，增加地下河上游水位，形成天然水庫(kù)和水源， 這樣產(chǎn)生的勢(shì)能差能用于發(fā)電。 這種方法的主要優(yōu)勢(shì)是水資源充足，使用成本低。 缺點(diǎn)是建設(shè)成本高，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。[5]

在地下水暴露較少的地區(qū)，選擇合適的地下水富集區(qū)，并采取鉆井水來(lái)解決人們飲用水的困難。其主要優(yōu)點(diǎn)是水質(zhì)優(yōu)良穩(wěn)定，建設(shè)成本低。缺點(diǎn)是有一定的成井風(fēng)險(xiǎn)。

在覆蓋型巖溶地區(qū)，巖溶地下水豐富，通常呈層狀分布，水力大小均勻分布，水力相互連通。水力停滯區(qū)達(dá)到飽和，有利于地下水資源的鉆探，但鉆探時(shí)但應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注巖溶地平線的厚度和分布。

4 結(jié)論與展望

巖溶礦區(qū)擁有豐富的地下水資源。它的開(kāi)發(fā)利用和保護(hù)一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)。其水文地質(zhì)條件復(fù)雜，而且地下水開(kāi)發(fā)利用困難。目前，巖溶礦區(qū)地下水利用率不高。地下水資源如何合理開(kāi)發(fā)還沒(méi)有統(tǒng)一的結(jié)論。但從引水的系統(tǒng)的角度出發(fā)，對(duì)地下水資源開(kāi)發(fā)利用和專項(xiàng)研究是與巖溶礦區(qū)地下水的賦存規(guī)律和地區(qū)水循環(huán)法結(jié)合進(jìn)行共同研究的，與不同類型地下水喀斯特地下水資源的開(kāi)發(fā)，將為國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用的水資源服務(wù)。

同時(shí)，喀斯特地質(zhì)是一種重要的地質(zhì)形式，地下溶洞和暗河極分布極多，地質(zhì)環(huán)境脆弱，旱澇災(zāi)害、石漠化、喀斯特塌陷頻繁，嚴(yán)重制約著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展。針對(duì)此情況應(yīng)該開(kāi)展對(duì)喀斯特發(fā)展規(guī)律的研究，分析和總結(jié)環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題的統(tǒng)一模型，建立生態(tài)地質(zhì)環(huán)境脆弱性統(tǒng)一的評(píng)價(jià)體系。建立建成一個(gè)統(tǒng)一的巖溶地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系。

參考文獻(xiàn)：

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基金資助：貴州理工學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（0416061），貴州理工學(xué)院高層次人才科研啟動(dòng)基金（2003001060）