水溶开采盐类矿产资源引发地下水环境问题的成因分析

向 柳，陈植华，龚 星，宫宝禄

(中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430074)

水溶开采盐类矿产资源引发地下水环境问题的成因分析

向 柳，陈植华，龚 星，宫宝禄

(中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430074)

盐类矿产资源的水溶开采过程容易发生卤水泄漏污染地下水，引发地表涌(突)水等环境问题。以我国中部某矿区(包括碱矿和芒硝矿两大开采区)为例，调查和研究了多次地表涌(突)水现象，获取了不同深度范围内地下水的水化学数据资料，并综合分析了矿区内盐矿开采过程中容易造成卤水外泄的薄弱技术环节以及可能污染的途径通道和来源。结果表明：研究区地下水受污染程度由深到浅逐渐变小，浅层地下水(埋深小于10 m)基本未受到来自深层水的污染，仅涌水点周边存在局部污染的现象，泄漏的碱矿卤水和芒硝卤水均是污染源；生产井破损是碱矿卤水与芒硝卤水泄漏的重要原因，而溶腔失稳也是芒硝卤水泄漏的另一重要原因；由断层(NE—WS向)控制的主构造裂隙带和受鼻状构造控制的NW—SE向局部裂隙带可能分别是污染源进入矿区两个涌水范围(C庄一带和A镇一带)浅部含水层并且运移扩散的主要导水通道，而大量已废弃的封闭不良的石膏勘探孔是受污染的浅部地下水突涌地表的主要通道。

盐类矿床；卤水泄漏；地表涌(突)水；污染源；导水通道；水溶开采

深埋型盐类矿床的开采常采用水溶开采法，即以高温热水作为溶剂，高压注入矿床，将矿床中的盐类矿物就地溶解转变成流动的溶液(即卤水)，然后进行采集、运输的方法[1]。此法常与水力压裂技术相结合，通过水力压裂产生或扩张地层裂隙，进而连通两个或多个生产井，实施双井或多井对流开采，增加开采量[2]。这类开采方式的生产单元存在多处薄弱环节，极易造成大量高矿化度卤水外泄，污染地下水，进而引发地表涌(突)水问题，严重破坏地下水环境，威胁周边居民生活的用水安全[3]。

位于我国中部的某矿区内存在两大盐矿开采区，分别为碱矿(Na2CO3、NaHCO3)开采区和芒硝矿(Na2SO4)开采区。自1992年两大盐矿开采区陆续投产以来，曾多次发生采矿卤水泄漏引发地下水环境问题。2008—2010年发生在研究区东南部以及2011—2013年发生在研究区西北部的地表涌(突)水事故对地下水环境的破坏尤为严重，主要表现为高矿化度的卤水或咸水涌(突)出地表，使周边的地下水质量急剧恶化，同时出现水位抬升、民居房屋基础遭受破坏等现象，引起了社会及当地政府的高度重视。本文结合现场调查和数据分析，研究了两次地表涌(突)水事故中地下水的污染特征及其成因，以为后期治理及有效防治提供科学依据。

1 研究区概况

1.1 研究区地质背景

1.1.1 构造及岩性

研究区位于南襄盆地东南部次级凹陷的深凹处，面积约69.2 km2。凹陷的形成主要受南缘的北西向断裂F1和东面的北东向断裂F2控制，呈扇状展布。沉积沉降中心位于东南部边界断裂交汇处，向北逐渐抬起，构成一个南深北浅的箕状凹陷。深凹区总体上为一个走向北东的向斜，构造简单，无明显断层发育，地层倾向南东，倾角为3.54°～7°[4]。

矿区出露的地层由老至新为：古近系核桃园组泥岩、粉砂岩、砂砾岩以及泥质白云岩、白云质泥岩等；古近系廖庄组砂砾岩和砂质泥岩；新近系凤凰镇组砂质黏土、粉砂岩和砂砾岩，底部为块状砂砾岩层；第四系亚黏土、砂砾石、砂(见图2)。其中核桃园组是天然碱矿、芒硝矿的主要赋存层位。经钻探揭露，矿区碱矿层位于核桃园组一段中上部及二段的中下部，埋深约1 560.92～2 929.53 m，属NaHCO3型天然碱，几乎不含硫酸盐类矿物[5]，主要分布于研究区的中部；芒硝矿层位于1 003.66～1 397.58 m的核桃园组三段中上部，以Na2SO4为主，含少量NaCl，主要分布于研究区的东南部。此外，在廖庄组中还发现有层状和结核状石膏(CaSO4)矿，深约200～400 m左右，可能全区均有分布。

1.1.2 含(隔)水层的划分

依据地层岩性及钻孔资料，研究区地下水含水层自上而下可分为：第四系孔隙含水层、新近系凤凰镇组孔隙含水层、古近系廖庄组裂隙含水层和古近系核桃园组裂隙或岩溶裂隙含水层。由于廖庄组上部主要为含石膏矿的泥岩，透水性差，可视为区域隔水层，将区域隔水层以上的含水层统称为浅部含水层，隔水层以下的含水层则为深部含水层，其中浅部含水层为本文主要研究对象。

1.2 研究区地表涌(突)水现象

1.2.1 C庄一带地面涌(突)水现象

2008年11月—2010年5月，C庄一带出现高矿化度地面涌水现象，涌水期间地下水水位普遍抬升，多以面状或点状形态涌出，影响面积达到近2 km2。为防止涌水区域扩大，2010年至2012年间，陆续施工了5口疏干降压井(CH-1、CH-2、CH-3、CH-4、CH-5)，其中CH-1井抽水层位为-90 m，CH-2井的抽水层位为-150 m，CH-3、CH-4、CH-5井的抽水层位均为-250 m(见图3)，累计抽水量达15×104m3以上，经疏干降压，地面涌水范围逐渐缩小直至消失。

1.2.2 A镇一带地面涌(突)水现象

2011年6月—2013年5月，同在矿区范围内的A镇一带陆续出现6个地面涌水点，涌水点位置多与石膏勘探废弃井重合，呈点状分布(见图3)。根据涌水时间的先后顺序，出现的涌水点分别为Y-1原石膏勘探废弃孔平17，以下简述勘探孔编号)、Y-2(平39)、Y-3(平48)、Y-4(平38)、Y-5(平46)，其中Y-1、Y-2、Y-3、Y-4为长期涌水点，涌水量小且稳定，涌水时间长，一般超过1～2 a，Y-5则为短期突水点，水量大且时间短，具有突发性。

突水点Y-5于2013年1月26日首次出现异常渗水，并逐渐发展成涌水，2月17日该处突然发生突水并冲出泥浆近200 m3，后一直喷涌高温卤水，涌水量为20～30 m3/d，最大达200 m3/d，涌水量持续近20 d依旧没有减退。经过勘察发现，突水点附近的碱矿生产井S02的管壁于234 m处破裂，随后对S02井进行修补，于3月15日左右完成封井。此后，突水点的水量和温度明显下降，数天后地面仅剩少量涌水，直至消失，表明Y-5突水点的出现与S02井的破裂具有直接关系。

2 现场调查与数据获取

通过对不同时间、不同地点的地面持续涌(突)水现象的分析，可以初步判断研究区地下水环境已经遭受到不同程度的污染。为了确定其污染特征及具体成因，本研究于2013年3月(出现第二次涌(突)水时间段)分别在C庄和A镇一带不同深度的疏干降压井、地面涌(突)水点和民用饮水井进行了取样分析，其中CZ-1取样点与涌水区分别位于最低排泄基准面鸿雁河的南北两侧(见图3)，处于不同地下水系统，其水样数据可作为区域地下水的参照值。

3 研究区地下水的污染特征

从研究区C庄和A镇一带地下水及涌水各常规水化学组分含量(见表1)可以看出：C庄一带疏干降压水和A镇一带的涌水中均具有较高的矿化度，最高值为107 692.45 mg/L，最低值为1 715.36 mg/L，远高于地下水参照值374.94 mg/L，说明研究区地下水明显受到采矿卤水污染。下面分别对C庄一带和A镇一带地下水污染特征进行分析。

表1 研究区C庄和A镇一带地下水及涌水水化学组分含量一览表

注：“*”数据来自第三方检测报告;除深度单位为m外，其余单位均为mg/L。

3.1 C庄一带地下水污染特征

由研究区C庄一带各疏干降压井的抽水深度及分布位置(见图3)显示，CH-1、CH-2、CH-3各井的位置相近，其水化学分析结果可视为相同位置、不同埋深(CH-1、CH-2、CH-3各井埋深分别为90 m、150 m、250 m)的地下水水质情况；CH-3和CH-4(CH-5)两井为疏排埋深250 m的地下水，由于井距较大，可表示为相同埋深、不同位置的地下水水质情况；C-1井和C-2井可分别代表同一位置、埋深小于50 m及10 m的地下水水质情况。

C庄一带地下水埋深与矿化度的关系见图4。由图4可见，相同位置的CH-1井、CH-2井、CH-3井矿化度含量表明地下水埋深越深，受污染程度越大；相同地下水埋深的CH-3井、CH-4井(CH-5井)矿化度含量结果表明地下水在该涌水区东北边界受污染程度大于该涌水区中部；地下水埋深小于10 m的地下水(以下统称浅层地下水)的矿化度含量与地下水参照值相近，且各常规离子成分含量也无异常，说明该区域浅层地下水暂未受到污染。

3.2 A镇一带地下水污染特征

研究区A镇一带S02井的破裂直接导致Y-5处发生突水，突水矿化度极高，高矿化度水涌出地表后通过入渗进入浅层地下水，会污染周边浅层地下水。经检验，在距突水点东南约100 m处的A-4民井水，其矿化度超过1 g/L，可能是涌水对周边浅层地下水环境破坏的直接表现。

从垂向上来看，A镇一带浅层地下水，尤其是远离涌水点的浅层地下水矿化度较低，大多接近于地下水参照值，说明大部分浅层地下水暂未被污染；而在井深大于300 m的废弃石膏勘探井口采集的涌(突)水，其矿化度都高于1.5 g/L,远大于地下水参照值，表明该区域深层地下水受到污染。

综上所述，研究区两个区域的地下水污染特征表明：平面上，浅层地下水仅高矿化度涌水点周边存在局部受污染的现象；垂向上，深层地下水受污染程度大于浅层地下水。

4 研究区地下水环境污染的成因分析

为了进一步明确水溶开采盐类矿床过程如何对地下水环境造成污染并发生地表涌(突)水，需要从污染来源、泄漏原因及其导水通道三个方面进行综合分析。

4.1 污染来源

(1)

(2)

综上分析可见，研究区内的碱矿卤水和芒硝卤水均发生了泄漏，都是地下水的污染源。

4.2 卤水泄漏原因

研究区矿田内碱矿和芒硝矿的开采初期均采用的是单井对流开采法，后期则为水力压裂或自然溶蚀形成的双井或多井对流开采法，它们均属于水溶开采法[6]，其开采单元是由溶腔和生产井单元两部分组成，因此卤水外泄的原因可归纳为两点：一是开采溶腔失稳；二是生产井管壁破损。

4.2.1 开采溶腔稳定性分析

溶腔的稳定性是指生产过程中受开采扰动,不断扩大的溶腔的力学状态和保持平衡的能力，主要表现在两个方面：一是溶腔垮塌；二是顶板压裂裂隙的大规模发展。

(1) 溶腔垮塌的可能性

盐类矿产开采溶腔发生垮塌经历4个阶段，即初始溶腔的形成—地应力变化—溶腔顶板变形—溶腔顶板或上覆地层垮塌。随着开采年限的增加，初始溶腔不断扩大，多个溶腔将会连通，当溶腔跨距过大、上覆岩层的负荷超过顶板承压极限时，溶腔顶板或上覆岩层将会极度变形直至垮塌。

上覆岩层的变形直至垮塌过程主要以“三带”理论呈现，即冒落带、裂隙带和弯曲带[7]，其中冒落带为垮塌带，三个带的影响深度与矿层高度有直接关系，一般来说，每一带的影响高度是采空高度的2～3倍[8]。

在研究区内，碱矿和芒硝矿开采年限长(已超过20 a)，生产井间距小(最近仅约10 m)，从开采区后期采用的自然溶蚀或水力压裂双井、多井对流开采法推测可知，部分溶腔已连通，溶腔上覆岩层因过度变形而垮塌的可能性极大。

研究区天然碱矿层共有11层，矿层埋深为1 560.92～2 929.53 m，矿层平均厚度为2.11 m，经计算碱矿层内“三带”影响的最大高度则可达210 m左右，最易垮塌高度约为70 m；研究区芒硝矿层共有4层，矿层埋深为1 003.66～1 397.58 m，矿层平均厚度为8.93 m，经计算芒硝层内破坏带影响的最大高度为321 m左右，最易垮塌高度约为110 m。然而，盐矿开采过程中，卤水和沉渣的支撑作用可在一定程度上缓解围岩的变形和破坏[9]，因此矿层内破坏带影响高度可能不会达到最大高度，难以直接沟通浅层地下水含水层，引起卤水大量泄漏至上部地下水。

(2) 顶板压裂裂隙的发展

表2 碱矿层及其围岩的物理力学指标

在芒硝矿开采时，芒硝矿生产井的注水压力最大为7 MPa，1 003.66～1 397.58 m水柱产生的压强约为9.84～13.70 MPa，即芒硝矿开采溶腔围岩所承受的水力压强约为15.84～20.70 MPa，大于芒硝矿含矿段上覆岩层——核桃园组核一段上部泥岩(抗压强度一般在11.8～17.0 MPa[10])的抗压强度，在持续水压力的作用下，芒硝矿顶板极易产生压裂裂隙，又因为芒硝矿层“三带”影响高度较大，已进入廖庄组岩层，压裂裂隙沿“三带”发展可沟通上部裂隙进入浅部含水层。

综上所述，碱矿溶腔垮塌高度小且不易大规模发育压裂裂隙，难以连通浅部含水层，而芒硝矿溶腔在垮塌及大规模发育压裂裂隙的双重作用下，容易连通浅部含水层，污染地下水。

4.2.2 生产井的破损情况分析

4.3 导水通道

断层、裂隙和人工通道是采矿卤水发生泄漏后进入浅部含水层并涌出地表可能的导水通道[13]。研究区地质构造简单，无断层发育，因此只存在裂隙或人工通道，其中裂隙是卤水进入浅部地下水的主要通道，而人工通道是受污染的浅部地下水涌出地表的主要通道。

4.3.1 裂隙

裂隙主要分为构造裂隙和人为裂隙两种，构造裂隙是指在构造作用下形成的天然裂隙，其形成主要是由受构造应力场控制的最大水平主应力δH来决定。研究区构造应力场可分为整体构造应力场和局部构造应力场，因此存在两类受不同应力场控制的裂隙，分别为受断层F2(NE—WS向)控制的主构造裂隙带和受鼻状构造控制的NW—SE向局部微弱裂隙带[14-15]。主构造裂隙带的特点是裂隙发育程度高，相对单一平直，裂缝长度较长，垂直破裂面大；局部微弱裂隙带具有裂隙发育程度低，但数量多、裂缝短小而杂乱的特点。人为裂隙是指高压注水开采存在泄漏环节时，压力泄漏会导致新的裂隙生成，这些裂隙可能是在构造裂隙的基础上进一步扩展原有裂隙，也可能是在没有构造裂隙的情况下沿主应力方向形成新的裂隙，这种裂隙一般与构造裂隙的方向一致[16]。

研究区C庄一带涌水点展布方向与主构造裂隙带的主应力方向一致，说明C庄一带的裂隙导水通道受主构造裂隙带控制；研究区A镇一带S02井与其产生的突水点Y-5连线方向为NW—SE，与局部微弱裂隙带的发育方向一致，同时各涌水点展布方向几乎呈NW—SE向，表明A镇一带的主要裂隙导水通道受局部微弱裂隙带控制。

4.3.2 人工通道

研究区A镇一带涌(突)水事故的突水点均发生在废弃的石膏勘探井处，由于废弃井封闭不严密，高压的溶腔水或钻井破损泄漏的卤水可沿裂隙带渗透并与其连通，通过井眼涌出地表，因此废弃的石膏勘探井是受污染的浅部地下水涌出地表的主要通道。

5 结 论

本文以我国中部碱矿开采区和芒硝矿开采区共存的某盐类矿区为例，通过现场调查两次地表涌(突)水事故，分析研究了涌水区地下水的污染特征及其引发环境问题的成因，得到如下结论：

(1) 研究区地表涌(突)水区地下水的污染特征为：平面上，浅层地下水仅高矿化度涌水点周边存在局部受污染的现象；垂向上，深层地下水受污染程度大于浅层地下水。

(2) 碱矿卤水和芒硝矿卤水均是污染地下水并造成地表涌(突)水的主要来源。

(3) 生产井的破损是芒硝矿卤水和碱矿卤水泄漏的主要原因，同时溶腔失稳也是芒硝矿卤水泄漏的另一原因。

(4) 断层F2控制的NE—WS向主构造裂隙带和鼻状构造控制的NW—SE向局部微弱裂隙带是泄漏卤水进入浅部含水层，污染地下水的直接通道，而人工通道是受污染的地下水涌出地表的主要通道。

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Genetic Analysis of the Groundwater Environmental Problems Caused by the Solution Mining of Salt Mineral Resources

XIANG Liu,CHEN Zhihua,GONG Xing,GONG Baolu

(SchoolofEnvironmentalStudies,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

Solution mining of salt mineral resources may contaminate groundwater and make it burst out of the surface easily because of the brine leaking.Taking a large salt mining area in the middle of China as an example,this paper investigates and researches the water bursting phenomenon.Firstly,the study attains groundwater hydrochemical data of different depth and analyzes the weak parts of mining technology,the possible pollution way and the source of pollution.The results indicate that the groundwater pollution level decreases gradually with depth in the study area,and the shallow groundwater is not polluted by the deep groundwater except when it is close to water bursting points.The pollution sources are brines of the alkali deposit and glauber salt mine.The brine leakage in the alkali deposit production area is mainly caused by the damage of production wells,while the brine leakage in the glauber salt mine production area is the damage of production wells and the dissolved cavity buckling.The main structure facture zone controlled by the fault in NE—WS direction and the local weak fissure zone in NW—SE direction controlled by the nosing structure are the main channels for the polluted groundwater flowing to the aquifer around the two water bursting regions,and a large number of waste gypsum exploration boreholes are the important channels that polluted groundwater burst out of the surface.

salt deposit;brine leaking;surface water bursting;pollution sources;pollution channel;solution mining

1671-1556(2015)04-0056-07

2015-01-25

2015-03-17

向 柳(1990—)，女，硕士研究生，主要研究方向为矿区地下水污染。E-mail:xiangliu1990@126.com

X523

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.04.010

陈植华(1956—)，男，博士，教授，主要从事矿区水文地质、地下水污染防治等方面的研究。E-mail:zhchen@cug.edu.cn