磁窑堡地区煤矸石堆淋滤液对地下水的影响分析＊

张一冰

（宁夏回族自治区水文环境地质勘察院，宁夏 银川 750021）

煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。当地矿企业都将煤矸石堆放在固定的堆放场，不再进行利用。随着采矿活动的进行，煤矸石的堆放也越来越多，占地面积亦越来越大，造成了原生地貌景观的破坏。并且煤矸石中硫化物的逸出和浸出会对大气、农田和水体造成污染。本文主要对磁窑堡地区煤矸石淋滤液对地下水影响进行分析，通过对区内不同岩性包气带进行双环渗水试验，并通过试验概算出淋滤液入渗至地下水的时间。

1 研究区概况

磁窑堡位于宁夏灵武市东部约28 km处，属中温带内陆干旱气候区，多年平均气温9.47℃，其中1月份多年平均气温-7.26℃，为全年最低；年平均降水量207.7 mm，年平均蒸发量1 844.3 mm，多集中在4—8月，占全年蒸发量的64.86%，蒸发量与气温呈现出正相关性；区内地貌类型主要以风积沙地为主，植被主要以荒漠草原植被及沙生植被。研究区内矿企较多，主要的矿种类型为煤炭。

2 试验方法

2.1 试验设计

本次根据不同包气带岩性及不同位置，设置了13组渗水试验，其包气带岩性分别为细砂、粉砂、粘砂土、砂粘土、黄土状粉土、粉砂（含泥）。

2.2 方法及数据处理

在试坑底嵌入两个铁环，内、外环直径分别为0.25 m和0.5 m，如图1所示。将内环与外环同时注水，控制内部和外部的水面高度保持一直，设定水面高度为10 cm。用量杯取定量水注入内环并开始计时，同时缓慢往外环注水并保持外环的水面高度在10 cm处不变。当内环中的水面高度降至10 cm处继续加入定量水并读取时间。重复上述工作至内环定量水入渗时间稳定次数在10次以上，可终止该组试验。

图1 双环渗水试验原理图

最终包气带岩性渗透系数采用以下公式计算：

式（1）中：K为渗透系数，m/d；Q为稳定渗水量，m3/d；L为试验结束时水的入渗深度，试验后开挖确定；F为渗水面积，即内环面积（直径为25 cm），本次试验为0.049 m2；Hk为毛细压力，取毛细上升高度的一半，根据茹林公式，按不同岩性取值；Z为渗坑内水层的厚度，本次试验为0.10 m。

数据处理采用Excel。

3 实验结果

根据试验数据和试验原理：稳定入渗量Q根据试验固定加水量与稳定入时间比值确定，稳定入渗时间采用试验最后10组数据的平均值；入渗面积F采用内环的面积（直径25.0 cm），0.49 m2；入渗深度L根据试验后开挖试坑确定，这13组试验的入渗深度在0.12～0.81 m之间；毛细上升高度Hk采用表1所示的各种土的毛细上升高度经验值选取；渗坑内水层的厚度Z，本次试验统一使用0.10 m。

表1 各种土的毛细上升高度经验值

包气带渗水试验参数计算结果如表2所示，通过对其中的数据进行分析，得出不同地方的相同岩性，在不同条件下的垂直渗透系数也不一样。

表2 包气带渗水试验参数计算结果

C01与L02分别在白芨滩自然保护区的东部和西部进行的渗水试验，其岩性一致，均为细砂，但两个试验点的渗透系数相差较大。C01试验点东10 m为圆疙瘩湖，地层中的细砂较为潮湿且松散，这是导致渗透系数比L02较大的主要原因。

C02、C03、C04三点的岩性均为粉砂，但其密实程度不一，导致试验数据差异较大，为了方便后续计算，将三种密实状态的粉砂视为一类土，故其垂直渗透系数选取三者的平均值。

C09试验点主要岩性为粉砂，但其泥质含量较高，整体土体较为密实，故试验结果计算出的垂向渗透系数较小。

根据各种试验参数的选取，利用试验原理公式，计算出各不同岩性包气带垂向渗透系数，绘制出不同岩性包气带渗水系统历时曲线，如图2～图7所示。试验计算结果如表3所示。

表3 （续）

图2 L02（细砂）渗水试验历时曲线图

图3 C04（粉砂）渗水试验历时曲线图

图4 C09（粉砂含泥）渗水试验历时曲线图

图5 C06（粘砂土）渗水试验历时曲线图

图6 L03（砂粘土）渗水试验历时曲线图

图7 L04（黄土状粉土）渗水试验历时曲线图

表3 不同岩性包气带渗透系数计算表

根据磁窑堡区内的煤矸石堆放的地方，确定包气带最小厚度为16 m，从“最坏”因素考虑，将包气带渗透系数选取渗水试验结果的最大值，14.183 7 m/d。即：

式（2）（3）（4）中：v为达西流速，m/d；K为包气带渗透系数，m/d；i为水力坡度，随着时间的增大，水力坡度趋于1，即入渗速率v的数值等于渗透系数K；v′为实际流速，m/s；n为孔隙度，根据《水文地质手册（第二版）》，取为0.4；s为污染物在包气带中运移最短距离，m，即包气带厚度；t为污染物入渗到地下水的时间，d。

计算得出，地表煤矸石淋滤液入渗到达地下水的时间为0.45 d。

由此可知，在饱水入渗条件下，煤矸石淋滤液最快会在0.45 d后入渗到地下水中。因此，应对煤矸石堆进行防渗措施，防止淋滤液扩散。

4 结论

磁窑堡地区的包气带岩性主要为细砂、粉砂、粘砂土、砂粘土、黄土状粉土、粉砂（含泥）。其渗透系数细砂＞粉砂＞粉砂（含泥）＞粘砂土＞砂粘土＞黄土状粉土。通过对煤矸石淋滤液入渗情况“最坏”因素考虑，淋滤液在0.45 d后入渗至地下水中。