熊芮 胡應(yīng)繪 金志遠
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,且沒有通過科學的合理開發(fā)與利用,那么巖溶水的使用和排出就會造成極大的資源浪費。本文根據(jù)巖溶水的形成機理,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)巖溶水的不科學處理,會造成溶巖礦區(qū)突水事故頻發(fā)。巖溶礦區(qū)一旦發(fā)生突水事故,就會影響安全生產(chǎn)或甚至淹井,引起地面塌陷,會造成巨大的經(jīng)濟損失。因此,合理管理、儲存和利用巖溶水,且使其循環(huán)利用,可顯著減少突水事故,減少資源浪費,社會經(jīng)濟效益顯著。本文根據(jù)巖溶水的形成機理,結(jié)合礦井的水文地質(zhì)條件,探討科學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)勘測方法主要有無線電波透視法、直流電阻測率法和礦井瞬變電磁法等。礦井水物探可以測定巖溶水的含水構(gòu)造,工作面頂?shù)装搴畬拥母凰裕瑤r溶礦區(qū)涌水補給源等水文地質(zhì)問題,水文地質(zhì)測繪可以測定巖溶水的水量和水質(zhì),物探和鉆探結(jié)合能精準地測繪出巖溶水的性質(zhì)和儲存位置以及地理分布,在開采前準確地了解到巖溶水的存儲形式,為巖溶水的防治和利用提供重要保障。
2 巖溶水的儲存
2.1 巖溶水的儲存形式和含水特征
從巖溶水的埋藏條件進行分類,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水形式可分為溶隙儲水形式、地下暗河儲水形式及巖溶管道儲水形式。
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有巖溶發(fā)育、水分布不均。一般做層流、無壓流動,動態(tài)變化比較大。地下暗河則處于氣候濕潤,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,一般來說,它是沒有壓力湍流。局部壓力流量很大,動態(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,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,有時形成深部水循環(huán)。地下水作層流流動,運動狀態(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,屬于承壓水,水壓一般較大,地下水作層流流動,運動狀態(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:不同地下河系統(tǒng)水位差異變化較大一般沒有統(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]
巖溶水運動特征主要是層流和湍流共同運動,壓力流與無壓流共存,運動方向不同步,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)堅持“預(yù)測預(yù)報,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)條件選擇合理科學的方法,對巖溶水進行治理。通常是“以排為主,堵排結(jié)合”的思想,但也有人認為過量排放會造成資源浪費、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,提出以下針對性的巖溶水防治方案。
(1)建立長期的觀測系統(tǒng),及時掌控巖溶水的動態(tài)特征。
(2)進行超前探放水。
(3)斷層加固,當有巖溶塌陷時,采用回填處理。
(4)進行灌漿或帷幕注漿,抬升地下水位。
a)裸露型巖溶地下水。
對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。對于那些含水較多的覆蓋型地貌,當其含水量大補給量又不大的溶巖礦區(qū),可提前將含水層的水疏干?;蛲ㄟ^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,對其防治時要綜合考慮,因地制宜采取針對性的治理措施。遵循“整體研究,逐塊分析,因地制宜,先易后難。”首先應(yīng)對其進行疏水降壓,使含水層水壓降到安全水頭以下。當承壓水壓力過大時,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,加工儲存的液體礦源。其利用涵蓋生產(chǎn)、生活各個方面。巖溶地區(qū)地下水資源豐富,目前主要有淺層巖溶儲水庫蓄水,地下河水庫蓄水,地下河流洞穴開挖存水,深層巖溶地層開挖等四種開發(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)點是水資源使用的低成本,缺點是建設(shè)成本高。
在地下河管線中,選擇合適的灌漿點,以上游水洞和洼地作為水庫的蓄水量,增加地下河上游水位,形成天然水庫和水源, 這樣產(chǎn)生的勢能差能用于發(fā)電。 這種方法的主要優(yōu)勢是水資源充足,使用成本低。 缺點是建設(shè)成本高,存在一定的風險。[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),并采取鉆井水來解決人們飲用水的困難。其主要優(yōu)點是水質(zhì)優(yōu)良穩(wěn)定,建設(shè)成本低。缺點是有一定的成井風險。
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)達到飽和,有利于地下水資源的鉆探,但鉆探時但應(yīng)重點關(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。它的開發(fā)利用和保護一直是人們關(guān)注的重點。其水文地質(zhì)條件復(fù)雜,而且地下水開發(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發(fā)還沒有統(tǒng)一的結(jié)論。但從引水的系統(tǒng)的角度出發(fā),對地下水資源開發(fā)利用和專項研究是與巖溶礦區(qū)地下水的賦存規(guī)律和地區(qū)水循環(huán)法結(jié)合進行共同研究的,與不同類型地下水喀斯特地下水資源的開發(fā),將為國家經(jīng)濟建設(shè)可持續(xù)開發(fā)利用的水資源服務(wù)。
同時,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,嚴重制約著經(jīng)濟和社會的發(fā)展。針對此情況應(yīng)該開展對喀斯特發(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)一的評價體系。建立建成一個統(tǒng)一的巖溶地質(zhì)安全風險評估體系。
參考文獻:
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[5]陳俊.礦區(qū)巖溶水的防治與利用[J].人民珠江,2014,35(06):13.
基金資助:貴州理工學院大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目(0416061),貴州理工學院高層次人才科研啟動基金(2003001060)