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江西省崇义县某铜多金属矿水环境影响预测及预防措施*

2016-08-02沙迎华

华东地质 2016年1期
关键词:水环境预防措施预测

沙迎华,沙  珉

(1商丘市环境保护科学研究所,商丘,476000)(2江西省地质调查研究院, 南昌,330030)



江西省崇义县某铜多金属矿水环境影响预测及预防措施*

沙迎华1,沙 珉2

(1商丘市环境保护科学研究所,商丘,476000)(2江西省地质调查研究院, 南昌,330030)

摘要:以江西省崇义县某铜多金属矿为例,分析矿业活动对地表水、地下水环境及地下水均衡系统的影响,采用一维完全混合模式和地下水径流模型进行定量和定性预测。文章提出预防地下水均衡系统被破坏的相关措施为生产废水循环利用、修筑截水沟、拦挡坝预埋导水管、建设生产废水集水池、加强采空区管理等。

关键词:水环境;预测;预防措施;铜多金属矿

金属矿山开发过程中,矿坑涌水和选矿废水不仅影响地表水环境,还可能污染地表水体,破坏地下水系及含水层[1]。目前,很多学者针对矿山开发对水资源循环和水环境产生的影响,以及矿山水环境中重金属离子迁移转化等方面进行了研究[2-5]。本文以江西省崇义县某铜多金属矿为例,预测矿业活动对矿区地表水环境、地下水环境和地下水均衡系统的影响,采用一维完全混合模式预测地表水中重金属元素的影响程度。根据矿区固体废弃物重金属毒性浸出率,采用地下水径流模型预测对地下水环境的影响以及地下水均衡系统的影响程度。根据影响方式提出具体防治措施,为其它矿山的开发与环境协调发展提供借鉴。

1概况

该矿区地下水赋存以岩石孔隙水、风化裂隙水和基岩构造裂隙水为主。孔隙水赋存于第四系松散孔隙含水层,一般0.2~5.0m,由地势高处向低处渗流。风化裂隙水主要赋存在厚层状长石石英砂岩夹板岩的风化裂隙含水层中,水位变化与季节、大气降水量关系密切呈就地补给、就地排泄。基岩构造裂隙水主要为花岗岩中的构造裂隙含水层,主要接受大气降水的垂直渗入补给。

侵蚀基准面以上地下水以泉水形式补给地表水,侵蚀基准面以下地下水多以垂直渗入的方式接受地表水的补给,侧向补给较少。该矿区开发过程中影响当地水环境的方式(图1)主要为:分布于选矿工业场地和尾矿碴堆放场的生产废水;分布于尾矿碴堆放场和废石场的固体废弃物,以及在大气降水作用下形成的淋漓水;采空区对地下水均衡系统的破坏,造成局部地下水疏干。

2水环境背景

2.1地表水

矿区属长江流域赣江水系,是赣江重要支流。区内无大的水系,但沟谷发育,矿山附近的地表水主要是欧家洞小溪,溪水总体由北往南流向,汇聚注入南部的丰州河。欧家洞小溪多年平均流量6 m3/s,河宽3~5 m。通过对地表水现状(矿山开发前2008年11月)的监测,欧家洞小溪水质符合《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类标准,监测结果如表1。

图1 研究区水环境影响平面分布图Fig.1 Plane distribution map showing water environment effected in the research area

项目断面 pHCu硫化物PbAsCdCr6+ZnCODBOD5NH3-N氟化物石油类SW17.390.00170.02L0.001L0.0140.001L0.0210.001392.0L0.6020.420.02SW27.270.00270.02L0.001L0.0150.001L0.0330.001772.0L0.6950.460.03SW37.450.0040.02L0.001L0.0110.001L0.0150.002782.0L0.590.470.03SW46.960.00340.02L0.001L0.0120.001L0.0160.01182.0L0.6950.470.03标准值(Ⅲ类)6-91.00.20.050.050.0050.051.02041.01.00.05

注:带下标“L”表示该项目检测值低于方法最低检出限(下同)。

2.2地下水

根据地下水赋存介质和分布范围,矿区的地下水主要以孔隙水和裂隙水为主,细分为孔隙潜水、风化裂隙潜水和构造裂隙潜水。

孔隙潜水:主要为第四系残坡积层中的孔隙含水,冲积层分布于小河流两侧及山涧小溪冲沟的下方扇形地带,厚度一般2~4 m左右,由于所处地势低洼,常赋存较多潜水。残坡积层分布较广,但厚度一般不大,多在0.3~2 m,泉流量为0.027~0.078 L/s,单井涌水量35.55 t/d,平均渗透系数为5.35 m/d,为水量贫乏的孔隙潜水。

风化裂隙潜水:岩石为花岗岩,其风化带深度随地形而异,风化厚度一般为0.6~10.5 m,其含水性与大气降水以及季节变化有关,水位埋深一般1~2.5 m,泉流量平均为0.149 L/s。

构造裂隙潜水:区内经多次构造作用,岩石裂隙较为普遍。花岗岩富含裂隙水,但随深度的增加逐渐减弱。裂隙水大体呈层状分布,空间发育形态与地形有关,埋藏于侵蚀基准面以上,水位埋深一般5~15m,平均泉流量为0.138 L/s。

通过对仙人洞和牛押洞泉水监测,其地下水水质符合《地下水质量标准》(GB/T14848—93)Ⅲ类标准值,监测结果如表2。

2.3矿石性质

该铜多金属矿矿物种类主要有黄铜矿、辉铜矿、黑钨矿、黄铁矿、辉钼矿、石英、萤石、方解石、绿泥石和绢云母等。矿石(选矿大样)的主要化学成分见表3。从表3可知,本矿中Cu、Zn、Pb、As和S是影响水环境的主要元素,是本文重点讨论和预测的因子。

2.4采选工艺

根据矿藏赋存情况及矿体厚度,采用地下开采方式,采矿方法为浅孔留矿法,开拓运输方式为采用平巷及斜井加溜井开拓。选矿工艺为二段破碎、一段磨矿、浮-重-磁联合选矿。浮选药剂主要为丁黄药和松醇油。

2.5固体废弃物浸出毒性鉴别

矿山开发的固体废弃物主要为采矿时开拓废石(即矿体围岩)和选矿尾矿,根据该矿原矿主要化学成分,固体废弃物可能会为矿区及其周边的地表水和地下水贡献一定的Cu、Zn、Pb、As、Cr和Cd重金属离子。分别对5组废石和尾矿的浸出毒性进行鉴别,结果取平均值(表4),发现该金属矿Cu、Zn、Pb、As、Cr和Cd等毒性重金属元素浸出率极低,均低于浸出毒性鉴别标准值,且达到污水综合排放一级标准。

3矿山开发对当地水环境影响预测

根据该金属矿矿石性质及采选工艺,地表水和地下水影响因素主要为重金属元素和耗氧量,本文选定Cu、Pb、Zn、SS、As、Cd、Cr和CODcr为水环境影响因子。

3.1矿山开发对地表水的影响预测

对于地表水,本文重点预测枯水期矿山废水正常排放和事故排放时对欧家洞小溪的影响,正常排放和事故排放时废水排放量及废水中的预测因子浓度见表5。

表2 仙人洞和牛押洞地下水监测结果(单位:mg/L,pH为无量纲)

表3  研究区矿石主要组分

表4 废石、尾矿浸出毒性鉴别结果 (单位:mg/L,pH为无量纲)

欧家洞小溪流量小,水面窄且浅,混合快,因此重金属采用完全混合模式,COD采用一维模式。

完全混合模式:

式中:Qp-废水排放量(m3/s);Cp-污染物排放浓度(mg/L); Qh-河流流量(m3/s);Ch-河流上游污染物浓度(mg/L);C-污染物预测浓度(mg/L)。

一维水质模型方程式:

式中u-河流断面平均流速(m/s);K1-污染物的衰减系数(1/d);X-计算断面到初始断面的距离(m);C0-废水排入欧家洞小溪充分混合后的浓度(mg/L)。

通过计算,废水排放后距排放口500 m、1000 m和2000 m的欧家洞小溪的水质预测结果如表6。可知,无论是正常排放,还是事故排放,生产废水均低于《污水综合排放一级标准》限值1~2个数量级,说明生产废水对地表水环境影响较小。

3.2矿山开发对地下水环境影响预测

地下水水质影响主要表现为矿山排放的生产废水以及废石和尾矿在大气降水作用下形成的淋漓水进入地下水系统,对地下水水质进行改变,其主要影响因素一为生产废水以及“淋漓水”中影响因子的浓度(即物质条件),二是生产废水集中区及废石和尾矿堆放区周边岩石孔隙和裂隙发育程度以及水在其中的渗透能力(影响途径)。

生产废水和“淋漓水”水质影响因子浓度均高于背景值,就地下水水质而言,生产废水和“淋漓水”为影响地下水质提供了物质条件。另外,部分影响因子的浓度高于地下水水质标准(Ⅲ类),即为污染地下水质提供了物质条件,该矿开发可能影响至污染地下水质(表7)。

该矿矿体围岩为花岗岩,花岗岩主要含裂隙水,其含水量随裂隙发育深度的增加逐渐减弱。裂隙水大体呈层状分布,空间发育形态与地形有关,埋藏于侵蚀基准面以上,坑采时可自然排水,其水量也不大;矿体所赋存的构造破碎带被石英脉充填或硅质胶结,现有施工的钻孔也未发现涌水现象,说明含矿构造胶结紧密,透水性差。地表水与地下水联系不紧密,地表水仅靠岩石裂隙渗透进入地下水系统。

综上,由于该铜多金属矿区所在的岩石渗透性较差,地表水与地下水联系不紧密,因此,小坑矿区铜多金属矿的开采对矿区所在区域的地下水水质影响也较小。

3.3矿山开发对地下水均衡系统的影响

作为地下开采的矿山,该矿矿体薄(水平厚度0.9~2.53 m),倾角陡(70°~80°),且矿体的顶板和底板均为花岗岩,岩石坚硬致密,稳定性好,选择好的采矿方法,地压完全在可控范围之内。但是如果在对地压管理不善的情况下,采矿区一旦形成一定的地压,则会引起局部崩塌和裂隙,导致局部地下水疏干,造成小范围内的地下水均衡系统被破坏。

表5 研究区预测的废水水质及废水量

注:水量单位为m3/d,污染物单位为mg/L,废水排放时间按8h/d计。

表6 废水排放对地表水的贡献值影响预测结果(单位:mg/L)

表7影响地下水水质的生产废水和“淋漓水”水质一览表(单位:mg/L)

Table 7 Water qualities of the production wastewater and "dripping water" affecting groundwater

根据环境背景,本区以孔隙水及构造裂隙水为主,裂隙含水微弱,属裂隙充水矿床,本矿围岩中孔隙潜水的平均渗透系数为5.35 m/d,构造裂隙潜水的迳流模数平均为6.697 L/s·km2,说明本区围石的渗透性较差,区域之间的地下水联系性以及地表水与地下水之间的联系性较差,虽然本矿为地下开采,随着采矿活动不断向深部延伸,原来封闭的水循环体系会遭到一定的破坏,但地下水系统的补、径、排条件受影响程度较低。因此,在正常情况下,区域内地下水均衡基本不会被破坏。

4预防措施

4.1地表水环境影响预防措施

影响地表水环境的因素主要为生产废水,生产废水主要包括矿坑涌水和选矿废水,且主要为选矿废水。因此减少生产废水的排放和加强生产废水的管理是预防地表水环境受影响最有效的措施,具体措施为生产废水循环利用。

4.2地下水环境影响预防措施

影响地下水环境的方式主要为生产废水和废石及尾矿的“淋漓水”进入地下水系统。为预防生产废水和“淋漓水”进入地下水系统,可从以下两方面着手:一是降低“淋漓水”中影响因子的浓度,具体措施为在废石和尾矿碴堆放场下游修筑的拦挡坝中预埋导水管,将废石和尾矿碴中的大气降水即时排出,减少其与废石和尾矿碴接触时间,从而降低“淋漓水”中影响因子的浓度。二是阻隔生产废水和“淋漓水”进入地下水系统,具体措施为建设废石和尾矿碴堆放场时,在其底部先进行防渗技术处理,如采用粘土和铺设防渗土工布形成隔水层等。

4.3地下水均衡破坏防治措施

随着矿体的不断开采,采空区附近的应力平衡不断打破,为寻求新的应力平衡,采空区附近会不断发生岩石裂缝和崩塌,当岩石裂缝和崩塌发育到一定程度时将彻底打破地下水原有的均衡[6]。因此,加强地压管理是预防地下水均衡破坏的主要手段,主要措施为加强采矿方法和井下采矿区内地压监测。

5结语

生产废水和大气降水对废石和尾矿碴淋漓作用形成的淋漓水不仅影响地表水环境,且也影响地下水环境。根据矿山开发对水环境的影响,笔者提出以下预防措施:减少生产废水的排放和加强生产废水的管理;减少进入废石和尾矿碴堆放场的大气降水,减少“淋漓水”排放量;将废石和尾矿碴中的大气降水即时排出,减少水作用的时间,从而降低“淋漓水”中影响因子的浓度;生产废水集中地和废石及尾矿碴堆放场建设时采用防渗措施,从而阻止生产废水和“淋漓水”进入地下水系统;加强采矿方法和井下采矿区内地压监测。

参考文献

[1]中华人民共和国国土资源部. 2011中国矿产资源报告[M].北京:地质出版社,2011.

[2]孙秀玲, 姚春梅.矿山开采对水资源的影响[J].山东冶金,1998,(4):21-23.

[3]李连娟.榆神矿区矿山开发对水环境的影响及防治措施探讨[J].中国煤田地质,2005,(5):47-49.

[4]钟文丽,邓江红.矿山开发对矿区水环境影响评价―以四川省拉拉铜矿为例[J].地质找矿论丛,2007,22(2):153-158.

[5]任虹.矿山水环境中As的迁移转化及其影响因素研究综述[J].中山大学研究生学刊(自然科学版),2010,31(3):28-34.

[6]沙珉.江西武宁县东坪矿区地质环境问题及防治对策[J].东华理工大学学报(自然科学版),2011,34(4):361-367.

DOI:10.16788/j.hddz.32-1865/P.2016.01.008

* 收稿日期:2015-05-19改回日期:2015-09-24责任编辑:汪建宁

第一作者简介:沙迎华,1971年生,女,从事环境影响评价工作。

中图分类号:X141

文献标识码:A

文章编号:2096-1871(2016)01-061-06

Prediction for water environment influenced by a Copper polymetallic mine in Chongyi County, Jiangxi Province and its preventive measures

SHA Ying-hua1, SHA Min2

(1ShangqiuEnvironmentalProtectionScienceResearchInstitute,shangqiu476000,China)(2GeologicalSurveyofJiangxiProvince,Nanchang330030,China)

Abstract:Taking a copper polymetallic mine in Chongyi County, Jiangxi Province as an example, this study analyzed the influence of mining activities on the surface water, groundwater and groundwater balance system. The qualitative and quantitative prediction was conducted respectively using the one-dimensional completely-mixed model and groundwater flow mode. The relevant measures to prevent groundwater balance system from being damaged are proposed, including production wastewater recycling, building water drainage ditches, dam pre-buried guide pipes, construction production wastewater set pool and strengthening the goaf management.

Key words:water environment; forecast; preventive measures; copper polymetallic mine

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