冀东铁矿田的开发对区域地下水环境的影响

张莉丽，宋 峰，刘新社，折书群，刘大金

(1.华北有色工程勘察院有限公司，河北 石家庄050021;2.中国矿业大学(北京)地球物理与测绘工程学院，北京100083)

河北省冀东地区铁矿资源丰富，是我国重要的铁矿资源基地之一。特别是司家营一带，矿床规模大，分布集中，主要有司家营铁矿、马城铁矿、大贾庄铁矿等，铁矿石总资源量(332+333)为25亿 t，平均品位＞30%。矿体赋存在太古界单塔子群白庙子组地层中，矿体上覆滦河冲洪积扇第四系砂砾卵石含水层，其特点是厚度大、分布广、富水性及透水性极强，滦河、新滦河河水与地下水联系密切，属于大水矿床。上世纪七十年代勘探后，因矿床露天开采疏干排水困难，且疏干排水将产生大面积水位下降，破坏地下水环境，一直未能开采而成为大水呆滞矿。本文通过分析司家营一带铁矿开发对区域水环境的影响，提出了保护环境措施，以利于区域资源、环境的可持续发展。

1 区域地下水环境现状

研究区地下含水系统自上而下可分为三个含水层:第四系松散岩孔隙水含水层，基岩风化裂隙水含水层，基岩构造裂隙水含水层。各含水层(组)之间相互联系从而构成统一含水体，整个地下含水系统形似“蘑菇状”，第四系含水层和基岩风化裂隙含水层分布在全区，形似“蘑菇头”，基岩构造裂隙含水层呈带状分布于各个矿床构造破碎带附近，形似数个“蘑菇颈”。

在天然状态下，第四系孔隙水接受大气降水、河流渗漏、农田灌溉回渗等补给后，由北向南径流运动;基岩裂隙水在北部山区基岩裸露区接受大气降水补给后，自北向南径流，由于基岩风化裂隙含水层渗透性较差，地下水侧向径流受阻，基岩风化裂隙水托顶越流补给第四系下部中等含水层，基岩地下水位略高于第四系地下水位，为承压水，在长期的垂向交替运动后，基岩裂隙水、第四系地下水水头趋于一致，水位埋深一般 3.5～7.5 m。

矿山采用预留基岩隔水顶板井下充填法采矿。在开采条件下，矿山深部疏干排水，深部基岩构造裂隙水压力释放，在水头梯度的作用下，第四系水通过风化带垂向越流补给基岩构造裂隙水，垂向上存在水头梯度，地下水疏干流场呈现出三维空间流场，第四系水为矿床充水水源，基岩构造裂隙带为矿床充水通道。

矿山开发使区域基岩裂隙水水位下降，在司家营矿区形成基岩裂隙水降落漏斗，漏斗中心基岩地下水位下降40 m左右，但第四系地下水流场形状基本未变，第四系地下水位基本未变。

区内地下水水化学类型简单，一般为重碳酸钙型或重碳酸钙镁型，矿化度低，一般＜0.7 g/L，通过地下水水质控制点各种污染物监测结果可知，各种指标均满足地下水环境质量标准，说明已经开发的部分矿山对地下水环境质量影响不大。

自上世纪20年代以来，国外对矿体开采以及开采技术进行了大量深入的研究，并且取得了丰硕的科研成果［1－4］，我国对矿体开采的水下安全开采则较晚，始于上世纪60年代，但是迄今为止，我国水体下采矿技术已基本成熟［5－9］。该矿山采用预留基岩隔水顶板井下充填法采矿［10－11］。在开采条件下，矿山深部疏干排水，深部基岩构造裂隙水压力释放，在水头梯度的作用下，第四系水通过风化带垂向越流补给基岩构造裂隙水，垂向上存在水头梯度，地下水疏干流场呈现出三维空间流场，第四系水为矿床充水水源，基岩构造裂隙带为矿床充水通道。

2 司家营矿开发对地下水环境影响分析

2.1 矿山开发对地下水系统的影响

矿山采用上向分层充填法采矿，对地下水系统的影响主要表现在以下三个方面:

(1)充填法将改变基岩构造裂隙含水层的透水性和富水性。

(2)矿山深部排水后，地下水压力释放，并通过其上的基岩弱风化带扩展形成一定范围的地下水压力释放场。在地下水头梯度作用下，首先，基岩强风化带、第四系粘性土层压密释水;然后，上部第四系水通过基岩强风化带、第四系粘性土层垂向越流补给。粘性土层压密释水，将改变粘性土相对隔水层透水性，同时将造成一定范围的地面沉降。

(3)矿山深部排水将改变基岩地下水补径排条件，在矿山附近形成基岩地下水降落漏斗。最终对第四系含水层补给、径流和排泄条件产生一定的影响。

2.2 矿山开发对地下水资源的影响

2.2.1 水文地质模型

根据矿区水文地质条件，考虑矿区排水影响范围，创建矿区水文地质模型。

(1)模型范围:x取值范围是(386 000，4 382 000)，y的取值范围是(404 000，4 400 000)，东西长18 km，南北宽18 km，面积 324 km2。

(2)边界条件:第四系及基岩风化带四周边界处理为无限边界;构造裂隙含水(层)带的两翼基岩裂隙不发育，透水性弱，为隔水边界;上边界为大气降水入渗补给的自由面边界;下边界划到－450 m，由于下部基岩完整，透水性弱，作为隔水边界处理。

(3)含水层概化:地下水含水系统概化为非均质各向异性含水系统，自上而下共划分8层，分别为第四系上部强含水层、第四系相对隔水层、第四系下部中等含水层、基岩强风化裂隙弱含水层、基岩弱风化裂隙含水层、基岩风化层底板～250 m、－250～－350 m、－350～－450 m。矿山巷道和采场排水，深部地下水的压力大幅度降低，第四系地下水将由上向下逐层越流补给基岩风化裂隙含水层，再由风化裂隙含水层进入下部断裂及其影响带形成的基岩裂隙含水带，最终汇入矿坑，地下水流场呈现三维空间流场，将地下水流系统概化为三维非稳定流。

2.2.2 数学模型

对上述的水文地质模型进行概化，创建相应的数学模型。

式中:H 表示地下水位(m);Kx、Ky、Kz分别表示为 x、y、z方向的渗透系数(m/d);μs分别表示贮水率和给水度;Qi为地下水开采量或排水量(m3/d);H0(x，y，z)为初始水位(m);Ω、S、I分别表示渗流区域、地下水自由面、无限边界;ε表示降水入渗强度(m/d);E0表示水面蒸发量(m/d);Ha表示地面标高(m);Smax表示潜水最大蒸发深度(m)。

2.2.3 数值模型

对上述数学模型进行数值模拟。运用的模拟软件是三维地下水流模拟软件Visual MODFLOW。模型的空间离散采用矩形有限差分的离散方法对研究区进行剖分，并对地层分界线、抽水孔、观测孔附近进行加密处理，平面共剖分单元168×137个，每层单元格为23 016个，8层共剖分184 128个单元。

由于矿山是在2009年初开始排水的，因此，以2008年底的地下水流场作为模型识别的初始流场。根据研究区地层岩性、地质构造、钻孔岩芯采取率、抽水试验等资料将模拟区进行水文地质参数初步分区，并对水文地质参数赋值。利用35个不同深度观测孔的长期地下水动态资料及大贾庄回风井放水试验资料进行模型识别。各观测孔的观测水位动态曲线与计算水位动态曲线基本吻合，说明水文地质条件概化是合理的，识别后的水文地质参数是符合客观实际的，利用数值模型分析未来矿坑排水对区域地下水流场的影响是可靠的。

在建立地下水数值模型的基础上，根据矿山开采方案，预测矿山排水条件下区域地下水流场的演变(见图1和图2)，结果表明:由于矿山排水，第四系浅部强含水层形成地下水降落漏斗，漏斗降深小、扩展远、非常平缓，田兴铁矿、大贾庄铁矿、马城铁矿附近第四系浅部强含水层水位分别降低1.39 m、0.92 m、0.68 m，在司马贾矿区中心周围 7 km 范围以外，水位降低小于0.1 m。第四系深部中等含水层地下水位降落漏斗形似“平底锅”，漏斗中心流场平缓，水位降幅为11.89 m，向外流场逐渐变陡。

图1 第四系浅部含水层预测流场图(2036年)

图2 第四系深部含水层预测流场图(2036年)

矿区周边工农业供水层主要为第四系上部强含水层，农灌井深20 m左右，水位埋深3.5～7.5 m。矿山排水不会影响农业灌溉用水，离矿区最近的滦县水源地距离矿区10 km，其他水源地距离矿区更远，矿山排水不会影响周围集中供水水源地的正常运行。

2.3 矿山开发对地下水质量的影响

矿山开采方法为充填法，充填料为尾矿和水泥等，其中胶结充填料中尾矿占80%，非胶结充填料中全部为尾矿，因此，矿山开采对地下水环境质量的影响主要表现在以尾矿作为充填料对地下水水质的影响。通过对尾矿浸出液试验结果的分析(见表3)，尾矿浸出液满足《地下水质量标准》Ⅲ类标准，此外，填充料滤水和基岩裂隙水一起通过排水系统进入矿井水处理站，处理达标后回用，因此，尾矿回填井下对矿区基岩裂隙水水质不会造成较大的影响，同时，矿山疏干排水使矿区基岩裂隙承压水压力释放，第四系水源源不断地越流补给，加快基岩裂隙水循环，矿区基岩裂隙水不会影响区域基岩裂隙水水质。

3 结语

(1)司马贾矿区的开采，会在矿山附近形成基岩地下水降落漏斗，但不会影响农业灌溉用水和周围集中供水水源地的正常运行，并且不会对矿区基岩裂隙水水质造成较大的影响。

(2)矿区位于滦河冲洪积扇上部，第四系砂砾卵石含水层厚度大、分布广、透水性富水性强，补给充沛，地下水资源丰富，是当地工农业用水主要开采层，因此在开发矿产资源的同时，务必保护好地下水资源。

(3)采用充填法采矿，预留合理的基岩隔水顶板，隔断或减弱第四系水与矿坑的联系，是保护地下水环境的关键。

(4)利用数值法预测矿山排水条件下区域地下水流场演变时，是基于顶板稳定、充填质量满足要求的基础之上的。

(5)在矿山开发过程中，应采取提高充填质量、加强矿坑顶板稳定性监测、对不稳定性顶板进行注浆加固处理、增强矿山建设地震设防能力等措施，以提高顶板稳定性。

表3 尾矿浸出毒性鉴别结果表

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