相邻矿山干扰开采对地下水流场的影响分析

朱常春，韩玉杰，刘佩贵，朱 晶

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥230009;2.江苏省南京市水利规划设计院，江苏 南京210000)

地下开采工程通过改变地下水径流途径影响地下水流系统，矿山水文地质条件和地下水渗流场被改变，主要原因之一是矿坑疏干排水［2］。矿井排水往往导致一定范围内浅层地下水水位下降，地表水下渗补给量增大，土壤含水率降低，打破了水资源在天然条件下的动态均衡［3］［4］［8］。受地形地貌等特征的影响，丘陵地区地下水资源不丰富，依赖于地下水的生态环境也比较脆弱。安徽省庐江县龙桥、马鞭山矿区地处丘陵地带，第四系松散层盖与基岩风化壳都比较薄，土壤保水能力比较脆弱，这类地区天然地下水流系统一旦受到破坏，首先将对农村零星饮用水和农业灌溉形成直接影响［1］［5］。因此，如处理不慎，往往导致当地群众与矿山企业之间关系紧张。就目前国内外关于矿山开采对地下水资源影响方面的研究，多偏重于平原地区独立开采、少有关注丘陵地带两个或两个以上矿山开采共同影响的相关研究。本文采用地下水流数值模拟模型，分别预测龙桥、马鞭山铁矿独立开采与相互干扰开采条件下对区域地下水流系统的影响;同时，也对今后类似情况矿山开采研究有重要的理论和实际价值。

1 研究区概况

研究区位于安徽省庐江县城东南26 km处，东临居巢区，西接六安市，南与桐城市接壤，北与合肥市毗邻。地形以平原、丘陵为主，属亚热带湿润季风气候，年平均温度15.6℃，年平均降雨量为1 248.2 mm，年平均蒸发量为1 402.3 mm。区内地表水系不发育，有一最大地表水体为梅庄水库，其底为透水性极弱的粗安岩，且距下部矿体400 m，对矿床水体不具威胁。区内地下水的主要补给来源为大气降水，排泄方式主要为潜水蒸发、泉水、河流排泄以及开采排泄。

区内出露地层主要为侏罗系中统罗岭组、上统龙门院组、砖桥组及第四系。区内褶皱构造不发育，基底沉积岩系地层为一走向近东西、向南倾斜的单斜构造。火山岩地层呈微角度不整合覆盖于其上，局部地段由于受后期构造变动或岩浆侵入活动的影响，地层产状略有变化。按含水介质类型将研究区地层划分为四个含水岩组:1.松散岩类孔隙含水岩组，水量贫乏—中等的，单井涌水量10～1 000 m3/d;2.火山碎屑岩孔洞裂隙含水岩组，水量中等的，单井涌水量100～1 000 m3/d;3.碎屑岩、碳酸盐岩类岩溶—裂隙含水岩组，水量贫乏的，单井涌水量 ＜100 m3/d;4.熔岩、次火山岩、粉砂岩、矿体裂隙含水岩组，水量贫乏的，单井涌水量 ＜100 m3/d。

2 概念模型

2.1 水文地质概念模型

根据水文地质条件，根据区域水文地质资料，研究区从上到下概化为4个含水岩组，松散岩类孔隙含水岩组、火山碎屑岩孔洞裂隙含水岩组、碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组和熔岩、次火山岩、粉砂岩、矿体裂隙含水岩组，各含水岩组之间的水位有一定的差别，但相差不大。

研究区天然状态下，地下水由南向北流动，河流流向与地下水等水位线垂直，河床切割较浅，因此东西两侧概化为零流量边界;北部以西河为边界，为排泄边界，由于此处第四系松散层发育较厚，研究区内地下水疏干排泄及水井开采对边界水位几乎无影响，概化为定水头边界;南部为海拔较高丘陵，以距矿区南部边界2.5 km处为边界，概化为隔水边界;模型上边界主要接受大气降水补给及潜水蒸发排泄，故概化为降水入渗补给、蒸发边界;矿床深部为黑云母二长岩、正长岩一石英正长岩及闪长玢岩，富水性极弱，可以概化为底部隔水层。

2.2 数学模型

根据水文地质概念模型及含水岩组的水力性质，将模拟区地下水流概化成非均质各向异性非稳定准三维地下水流系统，并建立相应的数学模型［6］［7］:

式中，Kx、Ky、Kz为渗透系数在 x、y、z 方向的分量(m/d);h为地下水水位(m);W为单位体积流量，用以代表流进源或流出汇的水量;μs为含水岩组的储水率(1/m);h0(x，y，z)为已知水位分布(m);t为时间(d);D为模拟区范围;Γ1为一类边界;Γ2为二类边界;q(x，y，z，t)为二类边界上的已知流量分布。

研究中，首先利用抽水试验数据，依据矿区水文地质条件，对参数进行分区，根据观测孔实测水位数据和已有实测矿坑涌水量数据进行调参拟合。利用经识别后的模型，模拟不同开采条件下的地下水流场。

3 地下水流系统影响评价

矿山开采首先破坏矿体裂隙含水岩组，伴随矿体大面积采空和矿床排水，随着采空区的形成和矿坑涌水的不断排出，原有的地下水流场发生改变，形成以矿床开采范围为中心的地下水降落漏斗，在其影响半径内，地下水流运动速度加快，地下水静储量减少，井泉干涸。

另外，地下水水位下降，使局部饱水带变为包气带，增大地下水水力坡度、渗流速度，增强地下水冲蚀能力，进而引发岩溶塌陷等地质灾害，进一步影响和改变矿区所在及相邻水文地质单元的水文地质条件。

3.1 对矿体裂隙含水层水位的影响分析

3.1.1 龙桥铁矿独立开采

图1 龙桥矿独立开采第24年末矿体裂隙含水层水位附加降深等值线

龙桥铁矿矿床独立开采(即马鞭山铁矿未开采)后对地下水水位形成的附加降深等值线图如图1所示。由图可以看出，矿床开采24年末，矿体裂隙含水层地下水水位降深最大处达到355 m，水位附加降深超过0 m的地区主要分布在矿区周边，面积为5.75 km2。

3.1.2 马鞭山铁矿独立开采

马鞭山铁矿矿床独立开采(即龙桥铁矿不开采)后形成的附加降深等值线图如图2所示。由图可知，矿床开采24年末，矿体裂隙含水层地下水水位降深最大处达到464 m，水位附加降深超过0 m的地区主要分布在矿区周边，面积为8.18 km2。

图2 马鞭山矿独立开采第24年末矿体裂隙含水层水位附加降深等值线

图3 马鞭山矿独立开采代表性点de水位附加降深变化过程线

马鞭山矿独立开采代表性点水位附加降深变化过程线(见图3)反映出黄屯、福兴、马山三处的地下水水位随矿床的开采呈明显的下降趋势，马鞭山矿独立开采15 a后，黄屯处的水位附加降深达1.97 m，福兴处的水位附加降深达116.00 m，马山处的水位附加降深达20.13 m。此后，降深幅度变小，小的波动是由于降雨、蒸发等因素所致。

图4 两矿开采相互干扰第24年末矿体裂隙含水层等水位线

3.1.3 两矿开采相互干扰

龙桥、马鞭山矿床同时持续开采24年后，模拟区内地下水水位等值线图如图4所示，由该图可以看出，矿床中心处，地下水水位已降至底板，且地下水水流方向发生明显变化，天然状态下，地下水总体上由南向北流，矿床开采疏干地下水后，矿床中心形成较大的水位降落漏斗，地下水开始向矿区方向流动。

矿床开采后形成的附加降深等值线图如图5所示。由该图可以看出，矿床开采24年末，矿体裂隙含水层地下水水位降深最大处达到493 m，水位附加降深超过0m的地区主要分布在矿区周边，面积为11.47 km2。

图5 两矿开采相互干扰第24年末矿体裂隙含水层水位附加降深等值线

图6 两矿开采相互干扰代表性点水位附加降深变化过程线

图6的代表性过程线反映出黄屯、福兴、马山三处的地下水水位随矿床的开采呈明显的下降趋势，两矿床开采10 a后，黄屯处的水位降深达1.90 m，福兴处的水位附加降深达99.89 m，马山处的水位附加降深达35.93 m。此后，降深幅度变小，小的波动是由于降雨、蒸发等因素所致。

3.2 对浅层地下水水位的影响分析

研究区所在区域，松散层厚度多小于5 m，松散孔隙水与下伏呈层状分布的基岩类风化裂隙水，二者之间没有连续稳定隔水层，具有统一的地下水水头和水位动态;从开发利用角度，这一套含水岩组，即松散孔隙～基岩类风化裂隙含水岩组，也是农村零星用水的混合开采层，一般在开采井中不加以隔水。此类含水岩组在研究区内多呈块状含水体的形态存在，而非一般情况下的呈层状的含水层。

研究区范围内的松散岩类孔隙含水岩组距矿体较远，无导水断裂沟通矿体。但由于松散岩类孔隙含水岩组与下伏的裂隙含水岩组之间不存在连续稳定的隔水层，随着裂隙含水岩组地下水水位的下降，松散岩类孔隙含水岩组的地下水水位也会随之下降，提水条件变化，甚至会使井水干枯。由此可见，两铁矿开采形成的裂隙含水岩组地下水水位降落漏斗影响范围内的民用水井水位将受到不同程度的影响。

3.2.1 龙桥铁矿独立开采

此种情况对浅层地下水形成的附加降深等值线图如图7所示。由图可以看出，矿床开采24年末，浅层地下水水位降深最大处达到40.44 m，水位附加降深超过0 m的地区面积为 6.04 km2。

图7 龙桥矿独立开采第24年末浅层地下水水位附加降深等值线

3.2.2 马鞭山铁矿独立开采

此种情况对浅层地下水形成的附加降深等值线图如图8所示。由该图可以看出，矿床开采24年末，浅层地下水水位降深最大处达到62.05 m，水位附加降深超过0m的地区面积为 15.06 km2。

图8 马鞭山矿独立开采第24年末浅层地下水水位附加降深等值线

3.2.3 两矿开采相互干扰

图9 两矿开采相互干扰第24年末浅层地下水水位附加降深等值线

此种情况对浅层地下水形成的附加降深等值线图如图9所示。由该图可以看出，矿床开采24年末，浅层地下水水位降深最大处达到69.89 m，矿床范围内的松散孔隙～基岩风化裂隙含水岩组中的块状含水体被疏干，水位附加降深超过0 m的地区面积为19.00 km2。

表1 矿山开采对地下水流系统的影响

4 结语

综合以上分析龙桥矿独立开采、马鞭山矿独立开采和两矿开采相互干扰三种情况矿坑涌水对深层矿体裂隙含水岩组和浅层民井取水含水岩组的不同影响结果可知(见表1):

(1)两矿开采相互干扰情况下矿坑涌水引起地下水位下降的情况最严重，降深最大，影响范围最广，而两矿独立开采时主要引起矿区内部及周边的地下水水位降低;

(2)矿坑涌水对浅层地下水的影响范围较深层地下水大，但降深相对较小，且影响范围主要集中在同一水文地质单元内，这一结果同调查中民用井情况一致;

(3)本文只预测了采矿对地下水水位降深变化的影响，而没有预测对地下水水质的影响，这将在以后的研究中继续开展。

［1］朱晶.丘陵地区矿山地下开采对地下水影响研究［D］.合肥:合肥工业大学.

［2］冯克印，刘善军，董强，等.山东省主要矿山排水对地下水系统影响研究［J］.中国地质灾害与防治学报.2010，21(3):125－128.

［3］李新旺，关天强，张红升，等.望田煤矿开采对地下水影响的研究［J］.煤炭科技.2012，38(1):41 －44.

［4］吴丹.周油坊铁矿水资源综合利用研究［D］.合肥:合肥工业大学.2011.

［5］邹君，王亚力，毛德华.南方丘陵区生态水资源库脆弱度评价—以湖南省为例［J］.生态学报.2008，28(8):3543－3552.

［6］刘永良，潘国营.基于Visual Modflow的岩溶水疏降流场模拟和涌水量预测［J］.河南理工大学学报(自然科学版).2009，28(1):51－54.

［7］Walton－Day.K，Poeter.E.Investigating hydraulic connections and the origin of water in a mine tunnel using stable isotopes and hydrographs［J］.Applied Geochemistry，24(12):2266 － 2282 Sp.Iss.SI DEC 2009.

［8］刘佩贵，陶月赞，周加鸿，等.丘陵区采矿排水对周边地下水流动系统影响分析［J］.工程勘察.2011，8:51－54.