礦產(chǎn)資源開采對(duì)周邊淺層地下水的影響分析

鐘畝鋒

（廣西地礦建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530000）

淺層地下水系統(tǒng)是自然生態(tài)環(huán)境中的重要組成部分，淺層地下水資源具有分布范圍廣、水質(zhì)良好、開采便利等優(yōu)點(diǎn)，是生產(chǎn)生活中重要的水資源來源，一方面為人類提供優(yōu)質(zhì)的生活用水，另一方面還能起到維持生態(tài)平衡的重要作用。近年來隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的逐漸發(fā)展，大量的礦產(chǎn)資源開采工作逐漸開展，礦產(chǎn)資源的開采已經(jīng)成為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的依賴，經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源和資源的需求量不斷的增加，礦產(chǎn)資源的開發(fā)雖然推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但是同時(shí)也影響到了自然生態(tài)環(huán)境。所以此次對(duì)礦產(chǎn)資源開采對(duì)周邊淺層地下水的影響進(jìn)行了研究，分別從礦產(chǎn)資源開采對(duì)周邊淺層地下水空間結(jié)構(gòu)、水量、水質(zhì)、基流四方面影響進(jìn)行分析，為礦產(chǎn)資源開采與周邊淺層地下水資源協(xié)調(diào)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 礦產(chǎn)資源開采對(duì)周邊淺層地下水的影響

1.1 礦產(chǎn)資源開采對(duì)周邊淺層地下水空間結(jié)構(gòu)的影響

礦產(chǎn)資源開采會(huì)破壞掉周邊淺層地下水空間結(jié)構(gòu)，其破壞形式主要由三種。

一是在礦產(chǎn)資源開采前期，通過礦井基建作業(yè)，各種巷道和礦井的挖掘會(huì)直接揭露周邊淺水層地下水的含水層和隔水層。

二是在礦產(chǎn)資源開采期間，由于礦區(qū)地下賦巖結(jié)構(gòu)遭到破壞，形成的冒裂帶向上擴(kuò)展將直接影響到地下水的含水層，使含水層結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，將會(huì)導(dǎo)致周邊淺水層地下水沿著裂縫涌入礦井。

三是受到礦產(chǎn)資源開采活動(dòng)影響，在開采過程中會(huì)直接觸碰到淺水層地下水的隔水層，使含水層水壓增大，隔水層底板無法承受含水層水壓直接涌入采空區(qū)，引發(fā)底板突水事故[1]。淺層地下水空間結(jié)構(gòu)主要是由隔水層、底板、含水層構(gòu)成的，下圖為淺層地下水空間結(jié)構(gòu)圖。

圖1 淺層地下水空間結(jié)構(gòu)圖

隔水層是于礦產(chǎn)資源開采過程中最先接觸到的淺層地下水結(jié)構(gòu)組織，同時(shí)也是與地面距離最近的。隨著礦區(qū)的礦產(chǎn)資源逐漸被開采完畢，隔水層將逐漸失去平衡并逐漸向上推進(jìn)，當(dāng)與采礦工作面達(dá)到一定距離后，隔水層開始失去穩(wěn)定開始垮落，并逐漸帶動(dòng)底板和覆巖向上發(fā)展，直至采空區(qū)被周圍巖塊填滿為止。由于隔水層上方礦產(chǎn)資源被開采完畢，受地下水壓作用使隔水層周圍巖塊發(fā)生碎裂填充整個(gè)采空區(qū)，形成豐富的巖石間隙，為礦產(chǎn)資源周邊的淺層地下水提供了流通通道，使地下水隨著泥沙涌入礦井通道。底板位于隔水層和含水層之間，是含水層失去隔水層的最后一道擋水組織，它屬于具有良好連續(xù)性的巖層。隨著礦產(chǎn)資源工作的推進(jìn)，采空區(qū)內(nèi)面積逐漸擴(kuò)大，而底板也隨著向上推進(jìn)，底板上升高度在礦區(qū)采空面積擴(kuò)展到一定范圍時(shí)達(dá)到最高高度。但隨著礦產(chǎn)資源開采時(shí)間的推移，底板的上方巖石會(huì)逐漸被壓實(shí)，使淺層地下水空間結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)被破壞掉的隔水層形成的巖石縫隙會(huì)逐漸閉合，底板的高度會(huì)向相反方向運(yùn)動(dòng)[2]。含水層是淺層地下水資源的匯集區(qū)域，隨著礦產(chǎn)資源開采對(duì)隔水層和底板的破壞，含水層也會(huì)隨著發(fā)生上下移動(dòng)，并且含水層內(nèi)水資源會(huì)通過巖石縫隙向上涌動(dòng)，在礦產(chǎn)資源開采后形成大規(guī)模的采空區(qū)后，含水層內(nèi)水壓與采空區(qū)壓力無法形成抗衡，使含水層內(nèi)水資源大量涌進(jìn)采空區(qū)，直至采空區(qū)被填滿為止。

礦產(chǎn)資源開采除了會(huì)對(duì)周邊淺層地下水空間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響以外，還會(huì)改變地下水空間結(jié)構(gòu)性質(zhì)。正常情況下，淺層地下水系統(tǒng)通過自然補(bǔ)給、運(yùn)動(dòng)、蓄水、徑流、蒸發(fā)、排泄等環(huán)節(jié)，形成自然循環(huán)系統(tǒng)。在礦產(chǎn)資源開采過程中，由于開采要求，隨著一些開采活動(dòng)破壞掉原有的周邊淺層地下水空間結(jié)構(gòu)，其空間結(jié)構(gòu)性質(zhì)也會(huì)發(fā)生一定改變，打破原有的資源水循環(huán)系統(tǒng)，其中包括淺層地下水空間結(jié)構(gòu)的滲透性、蓄水性、入滲性以及含水厚度等，其重要影響表現(xiàn)為淺層地下水空間結(jié)構(gòu)滲透性增強(qiáng)，蓄水性減弱，入滲性增強(qiáng)，含水厚度相對(duì)變小。

表1 礦產(chǎn)資源開采對(duì)周邊淺層地下水污染

1.2 礦產(chǎn)資源開采對(duì)周邊淺層地下水水量的影響

礦產(chǎn)資源開采對(duì)周邊淺層地下水水量的影響主要呈現(xiàn)出較強(qiáng)的階段性，即基建期、開采期、封礦后期三個(gè)礦產(chǎn)資源開采階段，每個(gè)階段對(duì)周邊淺層地下水水量的影響是不同的?；ㄆ诎ǖV井巷道施工、礦山地基建設(shè)以及機(jī)電設(shè)備安置三部分，在基建期間，鉆井設(shè)備會(huì)穿過礦層、隔水層、底板到達(dá)含水層，從而導(dǎo)致周邊淺層地下水水位上升，引發(fā)淺層地下水涌出等一系列問題，使礦產(chǎn)資源周邊淺層地下水水量變少。隨著采礦基建工作逐漸收尾，其對(duì)周邊淺層地下水水量的影響逐漸減弱，如果基建期施工技術(shù)合理，基建結(jié)束后周邊淺層地下水會(huì)逐漸恢復(fù)到原有水量。開采期主要是礦產(chǎn)資源開采期間，隨著開采作業(yè)的不斷推進(jìn)，礦區(qū)內(nèi)的圍巖支撐條件發(fā)生改變，隨之形成了導(dǎo)水裂隙帶和底板礦壓斷裂帶，隔水層和底板的承壓水通過導(dǎo)水裂隙帶和底板礦壓斷裂帶涌出，周邊的淺層地下水流失由此產(chǎn)生，并且呈現(xiàn)長期性和連續(xù)性特點(diǎn)，以此使周邊淺層地下水水量減少。隨著礦產(chǎn)資源開采工作的結(jié)束，進(jìn)入封礦后期，此時(shí)由于不再生產(chǎn)新的采空區(qū)，周邊淺層地下水的隔水層和底板逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，礦產(chǎn)資源開采活動(dòng)對(duì)周邊淺層地下水水量的影響逐漸變小，直至周邊淺層地下水回復(fù)到原有水量。

礦產(chǎn)資源開采對(duì)周邊地下水水量的影響機(jī)制主要是 ：受礦產(chǎn)資源開采活動(dòng)的擾動(dòng)，礦區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力的平衡遭到破壞，在新的應(yīng)力平衡過程中，采空區(qū)由于局部受力不均勻使圍巖巖體發(fā)生變形直至斷裂，進(jìn)而形成導(dǎo)水裂隙帶，周邊淺層地下水通過巖石縫隙噴涌而出，從而使周邊淺層地下水水量變少。除此之外，不合理開采活動(dòng)直接揭露含水層也是影響周邊淺層地下水水量減少的重要影響因素[3]。淺層地下水的含水層因地質(zhì)結(jié)構(gòu)不同分為覆巖含水層和底板含水層，覆巖含水層是與圍巖距離較近的含水層，底板含水層是與底板直接接觸的含水層，但無論是哪種含水層，其破壞機(jī)制都是受到礦產(chǎn)資源開采活動(dòng)影響，圍巖和底板受覆巖層重力、隔水層重力、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用力等共同作用，使含水層的原有受力方向和受力大小發(fā)生改變，打破原有平衡機(jī)制，導(dǎo)致含水層系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定。由于淺層地下水系統(tǒng)具有修復(fù)性特征，當(dāng)含水層平衡狀態(tài)被打破后，淺層地下水系統(tǒng)會(huì)通過將含水層中的水資源排泄的形式保持這種平衡狀態(tài)，以此導(dǎo)致淺層地下水水量減少。

1.3 礦產(chǎn)資源開采對(duì)周邊淺層地下水水質(zhì)的影響

礦產(chǎn)資源開采對(duì)周邊淺層地下水水質(zhì)的影響是復(fù)雜的化學(xué)、物理過程。礦產(chǎn)資源開采過程中淺層地下水污染源主要為礦井水、工業(yè)廢水、生活廢水、固體廢棄物淋溶水、機(jī)電設(shè)備排放液體等，都能對(duì)周邊淺層地下水水質(zhì)產(chǎn)生較大影響。其中礦井水主要來自礦產(chǎn)資源開采過程中的底板斷裂帶所影響的含水層，以及洗礦過程中的防塵、灌漿形成的污水，其主要污染物為 CC（主要為礦粉、巖石粉、滑石粉）、二氧化硫以及 COD（化學(xué)需氧量）類 ；工業(yè)廢水的污染物主要為 AOD（溶解氧）、少量石油、BOD、BAD 等 ；生活廢水主要來源于礦產(chǎn)資源開采期間施工人員生活中 ；固體廢棄物淋溶水主要是指石灰、礦渣等固體廢棄物在長期受自然降水淋溶所產(chǎn)生的污水，其主要污染物為固體廢棄物中的可溶解分析 ；機(jī)電設(shè)備排放液體主要是開采過程中機(jī)電設(shè)備作業(yè)產(chǎn)生的排放液體，其主要污染物為石油和潤滑劑等。下表為礦產(chǎn)資源開采對(duì)周邊淺層地下水污染具體情況。其中礦井水是礦產(chǎn)資源開采過程中主要形成的污染源，礦井水按照水中所含有污染物的特性，大致可分為堿性礦井水、酸性礦井水、硫性礦井水、含懸浮物礦井水四種。當(dāng)?shù)V產(chǎn)資源開采過程中形成礦井水，并將其抽出向外進(jìn)行排放時(shí)，由于礦體中的金屬分子融入水中，形成有毒或劇毒的污染物，無論礦井水是都經(jīng)過有效處理，其中所含有的污染物都會(huì)流經(jīng)到周邊淺層地下水中，對(duì)其產(chǎn)生嚴(yán)重的水質(zhì)污染。礦產(chǎn)資源開采導(dǎo)致周邊淺層地下水水質(zhì)變差的影響機(jī)制為 ：礦產(chǎn)資源在開采過程中會(huì)生產(chǎn)大量的工業(yè)污水，這些工業(yè)污水會(huì)經(jīng)由地表土壤、包氣帶、采空區(qū)巖石縫隙、隔水層、底板進(jìn)入到含水層，并且通過水動(dòng)力流動(dòng)作用與周邊淺層地下水的水資源進(jìn)行溶質(zhì)交換，從而對(duì)周邊淺層地下水造成污染，降低地下水水體質(zhì)量。礦產(chǎn)資源開采污染周邊淺層地下水屬于一個(gè)化學(xué)、物理過程，其主要表現(xiàn)為 ：工業(yè)污水在流經(jīng)過程中，由于地表土壤和巖石具有一定的物理吸附功能，將工業(yè)污水中一部分的有毒有害物質(zhì)進(jìn)行吸附，但剩下的無毒無害的工業(yè)廢水又在礦體中的分子相融合，生成新的有毒有害溶質(zhì)，對(duì)周邊淺層地下水水質(zhì)的影響變得更大。

1.4 礦產(chǎn)資源開采對(duì)周邊淺層地下水基流的影響

基流是淺層地下水對(duì)周邊河流補(bǔ)給的那一部分水量，在自然狀態(tài)下，淺層地下水基流量是常年不變的一個(gè)定量，無論是周邊河流的豐水期合適枯水期，淺層地下水都能保證基流水量，淺層地下水基流的計(jì)算公式如下。

公式（1）中，α表示基流系數(shù)；W表示淺層地下水地表徑流量；P表示淺層地下水降水補(bǔ)給量；E表示淺層地下水蒸發(fā)量；q1表示周邊淺層地下水蓄變量；q2表示周邊淺層地下水流失量；f表示地下水下滲量；Q表示礦坑排水量；t表示計(jì)算時(shí)間長度；h1表示初始地下水水位；h2表示計(jì)算時(shí)地下水水位；?表示周邊淺層地下水水位變幅帶補(bǔ)給水水量。當(dāng)h1＞h2時(shí)，q2＞0；當(dāng)h1＜h2，q2＜0。根據(jù)上文礦山資源開采對(duì)周邊淺層地下水水量和空間結(jié)構(gòu)的影響分析中可以確定，公式（1）中F、P、E、?是基本不變的，由于礦產(chǎn)資源開采破壞了周邊淺層地下水水系發(fā)育，導(dǎo)致礦床水平投影上基本沒有流動(dòng)的水體，所以將q1可以看作一個(gè)定值，又因?yàn)榈V床充水因素，故Q也可以看作一個(gè)定值。當(dāng)?shù)V產(chǎn)資源開采時(shí)，周邊地下水水量會(huì)減少，故地下水水位下降，即h1比原有自然狀態(tài)時(shí)會(huì)變小，進(jìn)而導(dǎo)致q1也隨之減少，f值逐漸增大，最后導(dǎo)致周邊淺層地下水徑流量W變小，基流系數(shù)α也隨之變小，影響周邊淺層地下水基流量開始減小。

因此，礦產(chǎn)資源開采對(duì)周邊淺層地下水基流的影響主要集中表現(xiàn)為兩個(gè)方面：一方面，是對(duì)周邊淺層地下水基流流域水文下墊面的破壞，隨著礦產(chǎn)資源開采工作的逐漸開展，采空塌陷區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大，導(dǎo)致礦體覆巖含水層水量減少，水位下降，孔隙潛水基流補(bǔ)給量增多，孔隙潛水位下降甚至疏干，周邊淺層地下水包氣帶變厚，礦層潛水及土壤水分蒸發(fā)減少，水土保持能力下降；另一方面，是周邊淺層地下水基流量的減少，當(dāng)?shù)V區(qū)基建工作完成后，由于礦產(chǎn)資源在開采過程中的生產(chǎn)排水，造成礦床頂板以下地下水空間結(jié)構(gòu)的破壞，無法形成新的有效的蓄水空間，導(dǎo)致周邊淺層地下水蓄水能力降低，周邊淺層地下水天然基流大量轉(zhuǎn)化為礦坑排水排出，地下水基流量將大幅度減少。

2 結(jié)束語

由于個(gè)人水平有限和時(shí)間倉促，此次雖然對(duì)礦產(chǎn)資源開采對(duì)周邊淺層地下水的影響分析取得了一定的研究成果，但礦產(chǎn)資源開采除了會(huì)影響到周邊淺層地下水空間結(jié)構(gòu)、水量、水質(zhì)以及基流以外，還會(huì)對(duì)周邊淺層地下水環(huán)境、活動(dòng)場(chǎng)產(chǎn)生一定影響，并且還需要結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)，所以對(duì)于礦產(chǎn)資源開采對(duì)周邊淺層地下水的影響分析還有待進(jìn)一步研究。