相鄰礦山干擾開采對地下水流場的影響分析

朱常春，韓玉杰，劉佩貴，朱 晶

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥230009;2.江蘇省南京市水利規(guī)劃設(shè)計院，江蘇 南京210000)

地下開采工程通過改變地下水徑流途徑影響地下水流系統(tǒng)，礦山水文地質(zhì)條件和地下水滲流場被改變，主要原因之一是礦坑疏干排水［2］。礦井排水往往導(dǎo)致一定范圍內(nèi)淺層地下水水位下降，地表水下滲補給量增大，土壤含水率降低，打破了水資源在天然條件下的動態(tài)均衡［3］［4］［8］。受地形地貌等特征的影響，丘陵地區(qū)地下水資源不豐富，依賴于地下水的生態(tài)環(huán)境也比較脆弱。安徽省廬江縣龍橋、馬鞭山礦區(qū)地處丘陵地帶，第四系松散層蓋與基巖風(fēng)化殼都比較薄，土壤保水能力比較脆弱，這類地區(qū)天然地下水流系統(tǒng)一旦受到破壞，首先將對農(nóng)村零星飲用水和農(nóng)業(yè)灌溉形成直接影響［1］［5］。因此，如處理不慎，往往導(dǎo)致當(dāng)?shù)厝罕娕c礦山企業(yè)之間關(guān)系緊張。就目前國內(nèi)外關(guān)于礦山開采對地下水資源影響方面的研究，多偏重于平原地區(qū)獨立開采、少有關(guān)注丘陵地帶兩個或兩個以上礦山開采共同影響的相關(guān)研究。本文采用地下水流數(shù)值模擬模型，分別預(yù)測龍橋、馬鞭山鐵礦獨立開采與相互干擾開采條件下對區(qū)域地下水流系統(tǒng)的影響;同時，也對今后類似情況礦山開采研究有重要的理論和實際價值。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于安徽省廬江縣城東南26 km處，東臨居巢區(qū)，西接六安市，南與桐城市接壤，北與合肥市毗鄰。地形以平原、丘陵為主，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年平均溫度15.6℃，年平均降雨量為1 248.2 mm，年平均蒸發(fā)量為1 402.3 mm。區(qū)內(nèi)地表水系不發(fā)育，有一最大地表水體為梅莊水庫，其底為透水性極弱的粗安巖，且距下部礦體400 m，對礦床水體不具威脅。區(qū)內(nèi)地下水的主要補給來源為大氣降水，排泄方式主要為潛水蒸發(fā)、泉水、河流排泄以及開采排泄。

區(qū)內(nèi)出露地層主要為侏羅系中統(tǒng)羅嶺組、上統(tǒng)龍門院組、磚橋組及第四系。區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造不發(fā)育，基底沉積巖系地層為一走向近東西、向南傾斜的單斜構(gòu)造。火山巖地層呈微角度不整合覆蓋于其上，局部地段由于受后期構(gòu)造變動或巖漿侵入活動的影響，地層產(chǎn)狀略有變化。按含水介質(zhì)類型將研究區(qū)地層劃分為四個含水巖組:1.松散巖類孔隙含水巖組，水量貧乏—中等的，單井涌水量10～1 000 m3/d;2.火山碎屑巖孔洞裂隙含水巖組，水量中等的，單井涌水量100～1 000 m3/d;3.碎屑巖、碳酸鹽巖類巖溶—裂隙含水巖組，水量貧乏的，單井涌水量 ＜100 m3/d;4.熔巖、次火山巖、粉砂巖、礦體裂隙含水巖組，水量貧乏的，單井涌水量 ＜100 m3/d。

2 概念模型

2.1 水文地質(zhì)概念模型

根據(jù)水文地質(zhì)條件，根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，研究區(qū)從上到下概化為4個含水巖組，松散巖類孔隙含水巖組、火山碎屑巖孔洞裂隙含水巖組、碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組和熔巖、次火山巖、粉砂巖、礦體裂隙含水巖組，各含水巖組之間的水位有一定的差別，但相差不大。

研究區(qū)天然狀態(tài)下，地下水由南向北流動，河流流向與地下水等水位線垂直，河床切割較淺，因此東西兩側(cè)概化為零流量邊界;北部以西河為邊界，為排泄邊界，由于此處第四系松散層發(fā)育較厚，研究區(qū)內(nèi)地下水疏干排泄及水井開采對邊界水位幾乎無影響，概化為定水頭邊界;南部為海拔較高丘陵，以距礦區(qū)南部邊界2.5 km處為邊界，概化為隔水邊界;模型上邊界主要接受大氣降水補給及潛水蒸發(fā)排泄，故概化為降水入滲補給、蒸發(fā)邊界;礦床深部為黑云母二長巖、正長巖一石英正長巖及閃長玢巖，富水性極弱，可以概化為底部隔水層。

2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)水文地質(zhì)概念模型及含水巖組的水力性質(zhì)，將模擬區(qū)地下水流概化成非均質(zhì)各向異性非穩(wěn)定準(zhǔn)三維地下水流系統(tǒng)，并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型［6］［7］:

式中，Kx、Ky、Kz為滲透系數(shù)在 x、y、z 方向的分量(m/d);h為地下水水位(m);W為單位體積流量，用以代表流進源或流出匯的水量;μs為含水巖組的儲水率(1/m);h0(x，y，z)為已知水位分布(m);t為時間(d);D為模擬區(qū)范圍;Γ1為一類邊界;Γ2為二類邊界;q(x，y，z，t)為二類邊界上的已知流量分布。

研究中，首先利用抽水試驗數(shù)據(jù)，依據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)條件，對參數(shù)進行分區(qū)，根據(jù)觀測孔實測水位數(shù)據(jù)和已有實測礦坑涌水量數(shù)據(jù)進行調(diào)參擬合。利用經(jīng)識別后的模型，模擬不同開采條件下的地下水流場。

3 地下水流系統(tǒng)影響評價

礦山開采首先破壞礦體裂隙含水巖組，伴隨礦體大面積采空和礦床排水，隨著采空區(qū)的形成和礦坑涌水的不斷排出，原有的地下水流場發(fā)生改變，形成以礦床開采范圍為中心的地下水降落漏斗，在其影響半徑內(nèi)，地下水流運動速度加快，地下水靜儲量減少，井泉干涸。

另外，地下水水位下降，使局部飽水帶變?yōu)榘鼩鈳?，增大地下水水力坡度、滲流速度，增強地下水沖蝕能力，進而引發(fā)巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，進一步影響和改變礦區(qū)所在及相鄰水文地質(zhì)單元的水文地質(zhì)條件。

3.1 對礦體裂隙含水層水位的影響分析

3.1.1 龍橋鐵礦獨立開采

圖1 龍橋礦獨立開采第24年末礦體裂隙含水層水位附加降深等值線

龍橋鐵礦礦床獨立開采(即馬鞭山鐵礦未開采)后對地下水水位形成的附加降深等值線圖如圖1所示。由圖可以看出，礦床開采24年末，礦體裂隙含水層地下水水位降深最大處達到355 m，水位附加降深超過0 m的地區(qū)主要分布在礦區(qū)周邊，面積為5.75 km2。

3.1.2 馬鞭山鐵礦獨立開采

馬鞭山鐵礦礦床獨立開采(即龍橋鐵礦不開采)后形成的附加降深等值線圖如圖2所示。由圖可知，礦床開采24年末，礦體裂隙含水層地下水水位降深最大處達到464 m，水位附加降深超過0 m的地區(qū)主要分布在礦區(qū)周邊，面積為8.18 km2。

圖2 馬鞭山礦獨立開采第24年末礦體裂隙含水層水位附加降深等值線

圖3 馬鞭山礦獨立開采代表性點de水位附加降深變化過程線

馬鞭山礦獨立開采代表性點水位附加降深變化過程線(見圖3)反映出黃屯、福興、馬山三處的地下水水位隨礦床的開采呈明顯的下降趨勢，馬鞭山礦獨立開采15 a后，黃屯處的水位附加降深達1.97 m，福興處的水位附加降深達116.00 m，馬山處的水位附加降深達20.13 m。此后，降深幅度變小，小的波動是由于降雨、蒸發(fā)等因素所致。

圖4 兩礦開采相互干擾第24年末礦體裂隙含水層等水位線

3.1.3 兩礦開采相互干擾

龍橋、馬鞭山礦床同時持續(xù)開采24年后，模擬區(qū)內(nèi)地下水水位等值線圖如圖4所示，由該圖可以看出，礦床中心處，地下水水位已降至底板，且地下水水流方向發(fā)生明顯變化，天然狀態(tài)下，地下水總體上由南向北流，礦床開采疏干地下水后，礦床中心形成較大的水位降落漏斗，地下水開始向礦區(qū)方向流動。

礦床開采后形成的附加降深等值線圖如圖5所示。由該圖可以看出，礦床開采24年末，礦體裂隙含水層地下水水位降深最大處達到493 m，水位附加降深超過0m的地區(qū)主要分布在礦區(qū)周邊，面積為11.47 km2。

圖5 兩礦開采相互干擾第24年末礦體裂隙含水層水位附加降深等值線

圖6 兩礦開采相互干擾代表性點水位附加降深變化過程線

圖6的代表性過程線反映出黃屯、福興、馬山三處的地下水水位隨礦床的開采呈明顯的下降趨勢，兩礦床開采10 a后，黃屯處的水位降深達1.90 m，福興處的水位附加降深達99.89 m，馬山處的水位附加降深達35.93 m。此后，降深幅度變小，小的波動是由于降雨、蒸發(fā)等因素所致。

3.2 對淺層地下水水位的影響分析

研究區(qū)所在區(qū)域，松散層厚度多小于5 m，松散孔隙水與下伏呈層狀分布的基巖類風(fēng)化裂隙水，二者之間沒有連續(xù)穩(wěn)定隔水層，具有統(tǒng)一的地下水水頭和水位動態(tài);從開發(fā)利用角度，這一套含水巖組，即松散孔隙～基巖類風(fēng)化裂隙含水巖組，也是農(nóng)村零星用水的混合開采層，一般在開采井中不加以隔水。此類含水巖組在研究區(qū)內(nèi)多呈塊狀含水體的形態(tài)存在，而非一般情況下的呈層狀的含水層。

研究區(qū)范圍內(nèi)的松散巖類孔隙含水巖組距礦體較遠，無導(dǎo)水?dāng)嗔褱贤ǖV體。但由于松散巖類孔隙含水巖組與下伏的裂隙含水巖組之間不存在連續(xù)穩(wěn)定的隔水層，隨著裂隙含水巖組地下水水位的下降，松散巖類孔隙含水巖組的地下水水位也會隨之下降，提水條件變化，甚至?xí)咕煽?。由此可見，兩鐵礦開采形成的裂隙含水巖組地下水水位降落漏斗影響范圍內(nèi)的民用水井水位將受到不同程度的影響。

3.2.1 龍橋鐵礦獨立開采

此種情況對淺層地下水形成的附加降深等值線圖如圖7所示。由圖可以看出，礦床開采24年末，淺層地下水水位降深最大處達到40.44 m，水位附加降深超過0 m的地區(qū)面積為 6.04 km2。

圖7 龍橋礦獨立開采第24年末淺層地下水水位附加降深等值線

3.2.2 馬鞭山鐵礦獨立開采

此種情況對淺層地下水形成的附加降深等值線圖如圖8所示。由該圖可以看出，礦床開采24年末，淺層地下水水位降深最大處達到62.05 m，水位附加降深超過0m的地區(qū)面積為 15.06 km2。

圖8 馬鞭山礦獨立開采第24年末淺層地下水水位附加降深等值線

3.2.3 兩礦開采相互干擾

圖9 兩礦開采相互干擾第24年末淺層地下水水位附加降深等值線

此種情況對淺層地下水形成的附加降深等值線圖如圖9所示。由該圖可以看出，礦床開采24年末，淺層地下水水位降深最大處達到69.89 m，礦床范圍內(nèi)的松散孔隙～基巖風(fēng)化裂隙含水巖組中的塊狀含水體被疏干，水位附加降深超過0 m的地區(qū)面積為19.00 km2。

表1 礦山開采對地下水流系統(tǒng)的影響

4 結(jié)語

綜合以上分析龍橋礦獨立開采、馬鞭山礦獨立開采和兩礦開采相互干擾三種情況礦坑涌水對深層礦體裂隙含水巖組和淺層民井取水含水巖組的不同影響結(jié)果可知(見表1):

(1)兩礦開采相互干擾情況下礦坑涌水引起地下水位下降的情況最嚴重，降深最大，影響范圍最廣，而兩礦獨立開采時主要引起礦區(qū)內(nèi)部及周邊的地下水水位降低;

(2)礦坑涌水對淺層地下水的影響范圍較深層地下水大，但降深相對較小，且影響范圍主要集中在同一水文地質(zhì)單元內(nèi)，這一結(jié)果同調(diào)查中民用井情況一致;

(3)本文只預(yù)測了采礦對地下水水位降深變化的影響，而沒有預(yù)測對地下水水質(zhì)的影響，這將在以后的研究中繼續(xù)開展。

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