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

        2014-09-18 10:06:54張莉麗劉新社折書群劉大金
        地下水 2014年4期
        關(guān)鍵詞:礦山

        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,其特點是厚度大、分布廣、富水性及透水性極強,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)對區(qū)域水環(huán)境的影響,提出了保護環(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礦床構(gòu)造破碎帶附近,形似數(shù)個“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)田灌溉回滲等補給后,由北向南徑流運動;基巖裂隙水在北部山區(qū)基巖裸露區(qū)接受大氣降水補給后,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,在長期的垂向交替運動后,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,地下水疏干流場呈現(xiàn)出三維空間流場,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)控制點各種污染物監(jiān)測結(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,國外對礦體開采以及開采技術(shù)進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,地下水疏干流場呈現(xiàn)出三維空間流場,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)對地下水環(huán)境影響分析

        2.1 礦山開發(fā)對地下水系統(tǒng)的影響

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

        (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)化帶擴展形成一定范圍的地下水壓力釋放場。在地下水頭梯度作用下,首先,基巖強風(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風(fēng)化帶、第四系粘性土層垂向越流補給。粘性土層壓密釋水,將改變粘性土相對隔水層透水性,同時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徑排條件,在礦山附近形成基巖地下水降落漏斗。最終對第四系含水層補給、徑流和排泄條件產(chǎn)生一定的影響。

        2.2 礦山開發(fā)對地下水資源的影響

        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含水層、第四系相對隔水層、第四系下部中等含水層、基巖強風(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給基巖風(fēng)化裂隙含水層,再由風(fēng)化裂隙含水層進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,地下水流場呈現(xiàn)三維空間流場,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

        對上述的水文地質(zhì)模型進行概化,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

        對上述數(shù)學(xué)模型進行數(shù)值模擬。運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研究區(qū)進行剖分,并對地層分界線、抽水孔、觀測孔附近進行加密處理,平面共剖分單元168×137個,每層單元格為23 016個,8層共剖分184 128個單元。

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

        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)測礦山排水條件下區(qū)域地下水流場的演變(見圖1和圖2),結(jié)果表明:由于礦山排水,第四系淺部強含水層形成地下水降落漏斗,漏斗降深小、擴展遠、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”,漏斗中心流場平緩,水位降幅為11.89 m,向外流場逐漸變陡。

        圖1 第四系淺部含水層預(yù)測流場圖(2036年)

        圖2 第四系深部含水層預(yù)測流場圖(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,礦山排水不會影響周圍集中供水水源地的正常運行。

        2.3 礦山開發(fā)對地下水質(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地下水水質(zhì)的影響。通過對尾礦浸出液試驗結(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)進入礦井水處理站,處理達標(biāo)后回用,因此,尾礦回填井下對礦區(qū)基巖裂隙水水質(zhì)不會造成較大的影響,同時,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給,加快基巖裂隙水循環(huán),礦區(qū)基巖裂隙水不會影響區(qū)域基巖裂隙水水質(zhì)。

        3 結(jié)語

        (1)司馬賈礦區(qū)的開采,會在礦山附近形成基巖地下水降落漏斗,但不會影響農(nóng)業(yè)灌溉用水和周圍集中供水水源地的正常運行,并且不會對礦區(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,補給充沛,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,務(wù)必保護好地下水資源。

        (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,是保護地下水環(huán)境的關(guān)鍵。

        (4)利用數(shù)值法預(yù)測礦山排水條件下區(qū)域地下水流場演變時,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、加強礦坑頂板穩(wěn)定性監(jiān)測、對不穩(wěn)定性頂板進行注漿加固處理、增強礦山建設(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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