矿山地下开采对地下水环境的影响机理及防治

邓志文，杨建安，方 超

（中国瑞林工程技术有限公司,江西南昌 330031）

矿山地下开采对地下水环境的影响机理及防治

邓志文，杨建安，方 超

（中国瑞林工程技术有限公司,江西南昌 330031）

在分析矿山地下开采对地下水环境影响机理的基础上,提出了针对地下开采过程中对地下水环境影响评价需重点关注的调查内容,探讨了减轻或避免地下开采对地下水环境影响的防治措施。

矿山地下开采；地下水；影响评价；防治措施

矿山地下开采期间的井下凿岩、洒水降尘等作业产生的废水和井下涌水经巷道排水沟自流入井下水仓,然后泵出地表处理后达标排放,进入地表水体[1]。由于开采期间地下水形成一个以采坑为中心的降落漏斗,周围地下水流向采坑,因此开采期间井下废水一般不会影响地下水水质,主要对开采范围地下水流场产生影响,导致地下水水位下降,有可能引起矿区地表沉降、塌陷、开裂等环境地质问题,对矿区地表植被、农田、水体、居民等对象的用水资源产生影响,极端情况下可能产生井下突水事故。

1 影响机理分析

地下开采期对地下水环境的影响主要以影响范围和影响程度来表征。影响范围即为水平方向(横向)可能影响的区域,可用地下开采形成的地下水降落漏斗影响范围圈定；影响程度即为地下开采导致开采矿层顶板至地表(垂向)岩层中地下水水量漏失程度及受破坏岩层厚度。

1.1 影响范围的预测

地下开采必将在地下形成采空区,而蕴藏于采空区周边岩层中的地下水在周围水头压力的作用下将渗入采空区,造成周围岩层地下水水位下降、水质变化。地下开采将会形成一个以矿井为中心的降落漏斗而改变自然情况下地下水的补给、径流及排泄条件,同时这个漏斗还将随着开采深度的加深和巷道的水平延伸而扩大,使一定范围内的含水层被疏干,可能造成地表植物、农田和生活、生产等水源的枯竭。值得注意的是,施工过程中如果没有采取超前探水等预防措施,井巷一旦遇到含水断裂带和岩溶洞穴,则很可能造成突水事故。

地下开采引起的地下水位和流场变化范围是一个动态过程,因此降落漏斗的范围也是一个动态过程,为表征降落漏斗的最大影响范围,应选择地下开采服务年限内的最低开采标高进行降落漏斗(水位)影响范围预测。

地下开采一般采用 《地下水环境影响评价技术导则》附录C中推荐的“大井法”影响半径计算公式(式1)计算降落漏斗(地下水位)变化区域半径。

1.2 影响程度的预测

地下矿层开采后,围岩的原岩应力遭到破坏,致使应力重新分布,上覆岩层在应力作用下产生移动、变形和破坏。根据破坏情况,可将上覆岩层从下往上划分为三带,即垮落带、裂隙带和弯曲带。由于垮落带、裂隙带都具有一定的导水性,所以通常将这两带合称为导水裂缝带。裂缝带依据岩层的断裂、开裂及离层的发育程度和导水能力不同,又依次细分为严重开裂、一般开裂和微小开裂区,其导水能力随着裂缝的缩小而变小。在裂隙带的顶部至地表的整个岩系如果没有受到破坏,该带岩层一般情况具有较好的隔水能力。

含水层的破坏程度主要取决于覆岩破坏形成的导水裂缝带高度。导水裂隙带发育高度与矿层赋存地质条件、顶板岩性、矿层开采厚度、采矿方法等均有密切关系。以中硬岩为例,地下矿层开采后的导水裂缝带最大高度可采用公式（2）计算：

式中：Hmax为导水裂缝带高度,m；M为矿层采厚,m。

判断地下矿层开采后地表水源是否发生漏失的依据为公式（3）：

式中：Hmax为导水裂缝带最大高度,m；Hb为保护层厚度,m；Hlx为基岩风化带深度或裂隙深度,一般 Hlx= 10～100 m。

当地表水源基底距可采矿层垂高H＞Hs时，水源通常不会发生漏失；当 H≤Hs时，则地表水源会漏失。各参数的相对位置关系见图1。

图1 各参数的相对位置关系示意

2 此类环境影响评价的关注重点

为预测地下开采形成的地下水降落漏斗半径、开采矿层顶部导水裂缝带高度以及判断地下开采是否会导致地表水源漏失和漏失程度，首先需要进行现场调查、室内试验等工作以获取或确定相关计算参数的原始资料，水文地质条件复杂矿区还需有专门水文地质勘探工作。评价工作中应重点关注以下相关调查内容。

2.1 地质调查

地质调查包括地下水降落漏斗影响区及其附近区域的工程地质和水文地质调查。工程地质调查主要包括矿区周围地层、岩性、构造、地质灾害（如：断层、山崩、滑坡、塌陷、泥石流等），应特别关注断裂、岩溶洞穴、老窿等可能导致地下突水事故的调查，如：我国吉林石嘴铜矿曾因采矿巷道触及奥陶纪灰岩溶洞造成了矿井突水，使附近的富太河断流、矿井全部淹没，停产约半年；湖南水口山矿由于矿井突水造成地面沉陷千余处，最大的塌陷坑直径长达80多米，同时还引起了局部地震。水文地质调查主要包括矿区所处完整水文地质单元内的包气带岩性、结构和厚度、含水层和隔水层的岩性组成、分布范围、埋藏条件、渗透性（渗透系数）与富水性、矿区周围原始地下水水位、水质、地表水体分布、地下水的补给、径流、排泄条件、周围泉水分布等情况[3]。

2.2 矿山地下开采的工程内容

地下开采的工程内容主要包括采矿方法、采矿规模、地下水治理措施、开采范围、开采最低和最高标高、开拓运输系统布置、井巷支护方式等。在该项内容中，应重点关注采矿方法、采矿规模及地下水治理措施。不同的采矿方法、采矿规模对开采矿层顶板的破坏程度、余留的采空区面积和体积相差很大，导致对地下水影响也相差很大，以崩落采矿法影响最大，充填采矿法影响最小。不同的地下水治理措施对地下水环境的影响更大：采用帷幕注浆等堵水措施的矿山，由于封堵了地下水进入矿坑的集中径流通道，对周围地下水环境的影响较小；采用疏干排水措施的矿山，由于必须要将周围岩层中的地下水疏干至最低开采标高以下，形成大范围的地下水降落漏斗，其疏排的地下水量大，地下水位落差大，因此对周围地下水影响最大。

2.3 可能受影响的地表环境保护目标调查

调查内容主要包括地下水降落漏斗影响区涉及的完整水文地质单元内的地表植被种类、面积及其对水的依赖情况；农作物种类、面积及其对水的依赖情况；地表水体（河流、湖泊、水库、水塘、水渠等）分布、规模、底部岩层及其防渗情况；矿井水与大气降水、地表水和地下水的水力关系；生产、生活用水水井、泉点分布、水位；可能污染地下水的对象（如：固废堆场、工业、农业和生活污染源）等。

3 减轻或避免此类环境影响的措施

对地下水污染与防治问题，国内外有关专家和学者们做了大量的研究和探索工作，取得了一定的研究成果。比较一致的意见是：地下水一旦污染便很难治理，不仅要花费相当长的时间（几十年或上百年），而且要耗费昂贵的代价，因此以防为主，减少污染是保护地下水的根本措施，而治理只是出于不得已而采取的补救办法[4]。预防和治理措施主要包括以下几个方面。

3.1 地下开采的工程保护措施

1）正确选择采矿方法。优先采用房柱法、胶结充填法，尽量不采用崩落法，开采过程中废石、矿渣及时回填，尽量减小采空区，以预防地表陷落，减少地表水通过采矿错动区对底下的渗透，减少受污染的地下水量。

2）合理布置井巷，规避各种透水事件。根据地形条件，将井巷布置在远离河谷的地方，在有岩溶的地区，井巷尽可能布置在没有或只有轻微岩溶地段；井巷尽可能避开充水的地质构造带，当矿体上下盘富水不均一时，应尽量把井巷布置在富水性弱的一盘。

3）井下合理预留一定厚度的保护矿柱,预留局部矿体不采，合理控制采空区规模，避免采空区规模过大引起上部岩层松动而产生地裂缝，以防止导水裂缝产生，以致裂缝扩展至地表，造成地下水和地表水的漏失。

4）采用合理的地下水治理措施，在水文地质条件复杂的矿区，尽量采用以封堵地下水集中径流通道为主、疏干为辅的工程措施，尽量减小地下水降落漏斗的范围，从而减弱因为采矿疏干排水引起的地表塌陷、开裂等不良环境地质问题。

3.2 地质缺陷的防护措施

1）超前探水。在水文地质条件复杂的矿山或者采区附近发育有富水断裂带、富水老窿时，必须坚持“预测预报、有掘必探、先探后掘、先治后采、有疑必停”的原则，探明水源后制定防护措施。

2）掘进或回采过程中，遇见断层、裂缝等岩层破碎地段应及时加强衬砌喷浆、喷锚支护等，尽可能减小导水裂缝带厚度和渗水。

3）注浆封堵。对采区外围的导水层及巷道遇到涌水断裂带时，可采取注浆减小岩层裂隙及其渗透性，堵隔外围地下水阻止其进入采区。

4）修筑挡水墙。当井下某一段的涌水量很大或存在导水断裂带时，可采用帷幕灌浆、砌筑垂直防渗墙等措施封堵断裂等水平方向来水，尽量减少进入巷道的水量。如：某铅锌矿斜井井建期间，因未提前采取井壁帷幕注浆堵水措施，导致在穿过第四系含水层时大量抽出地下水，引起地表约1.25 hm2农田塌陷；后期施工吸取斜井施工教训后，采用钢筋混凝土支护及采取井壁帷幕注浆堵水措施，未再造成地表塌陷。斜井施工形成的塌陷区于2006年填平，2009年底又成功实施了帷幕注浆堵水，后经2年的长期地表沉降位移观测，显示未再出现任何塌陷和沉降。

3.3 地表环境保护目标的保护措施

1）河流的某一段经过矿区，而河床渗透性强，可在漏失地段采用粘土、沥青、水泥混凝土,或聚乙烯膜等材料修筑不透水的人工河床，以防止或减少河水渗入。必要时，可以考虑对河流进行改道，即选择合适地点修筑水坝，将原河道截断，用人工河道将河水引出矿区以外，避免河流对开采的充水影响。

2）在有条件的矿床周围设截水沟排水。山区降水后以地表水或潜水的形式流入矿区，地表有塌陷裂缝时，会使矿区涌水量大大增加。在这种情况下，可在矿床外缘或漏水区的上方迎水流方向修筑排水沟，将水排至影响范围之外。

3）地表防渗处理、填堵通道。为减小大气降雨渗入井下的水量，在影响区内采取填坑、补凹、整平地表或建不透水层等措施。

4）改变植物种类，如种植抗旱植物取代原有的喜水植物；改水田为旱地；搬迁污染源等。

3.4 开采服务期满后的防护措施

开采服务期满后，采空区的地下水位恢复到自然水位，地下水以泉点或从巷道口自然出露，如果不采取相应措施，则可能对地下水和地表水产生污染，尤其是含硫高的矿山，更应重视。一般可采取如下防护措施：1)对开采期形成的导水巷道、导水断裂、裂缝等不良地质区域进行充填、喷浆和封堵，减缓采空区地下水的流动，减轻采空区地下水与周边地下水、地表水的水力联系。2)在地下水自然水位以下采空区和地下水出露点堆填部分石灰等中和剂，净化闭矿初期地下水，防止地下水污染。3)对采空区井巷出口进行封堵，隔绝与外界空气的接触，减轻和避免空气中氧与采空区内矿岩中硫的接触反应，防止地下水酸化，溶解重金属。

4 结语

地下开采对地下水资源的破坏在开采期间一般具有不可逆性，地下水一旦被破坏和污染便很难治理，不仅要花费相当长的时间，而且要耗费昂贵的代价，应引起行为人的足够重视，通过环境影响评价确定其影响范围和程度后，以便采取相应的预防和补救措施。此外，在项目建设时，应结合区域经济建设和人类生活对地下水资源的需求与保护，对确定矿山建设的可行性有一定的作用。

[1] 《有色金属工程设计项目经理手册》编委会.有色金属工程设计项目经理手册[M].北京：化学工业出版社,2002.

[2] HJ610-2011,环境影响评价技术导则 地下水环境[S].

[4] 杨潮进.地采金属矿山透水事故预防探讨[J].有色金属（矿山部分），2008(2):52-54.

[5] 国家环境保护局开发监督司.环境影响评价技术原则与方法[M].北京：北京大学出版社,1992.

Influence Mechanism and Prevention of Underground Mining to Underground Water Environment

DENG Zhiwen,YANG Jianan,FANG Chao
(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

On the basis of analyzing underground mining's influence mechanism to underground water environment,aiming to investigation content needs to be paid attention,the paper puts forward prevention measures on avoiding the influence of underground mining to underground water environment.

underground mining;underground water;influence estimation;prevention measures

P64

B

1004-4345（2015）02-0005-03

2014-03-11

邓志文（1967—）,男，教授级高工，主要从事固体废物处理处置工程设计、研究和环境影响评价工作。