铜陵市狮子山矿区地下水位动态监测网建设研究

2018-06-20，

地下水 2018年3期

，

(安徽省地质矿产勘查局321地质队，安徽铜陵 244033)

狮子山矿区位于铜陵市东郊约7 km，是长江中下游成矿带最大的铜矿田，也是我国重要的铜资源生产基地之一[1]。狮子山矿区长期大规模矿产开发活动为地方经济建设做出了巨大贡献，但矿业开发诱发的矿山地质环境问题，也成为制约经济和社会发展的重要因素，严重影响了人民生命财产安全和正常生活秩序[2]。特别是岩溶塌陷地质灾害问题[3-4]。例如位于矿区东北部的西湖镇朝山村自2011年12月10日起开始发生岩溶塌陷，至2011年12月31日，共产生塌陷40处之多，影响面积约24×104m2，危及村民466户，1 229人，属重大岩溶不良地质灾害。分析认为，该塌陷区位于新华山铜矿的排水漏斗范围内，新华山铜矿大强度排水是本次塌陷重要诱因[4]。相关研究也表明矿山抽排地下水是本地区岩溶塌陷的重要诱因之一[3、5-9]。通过岩溶地下水监测，可及时掌握其变化规律,做到正确地预测预报岩溶塌陷的发生发展趋势[3、6]。

地下水监测是一个系统工程，包括地下水位监测、水质监测、水温监测及水量监测等内容[10]。我国地下水监测工作始于20世纪50年代[11]，目前有关地下水位监测网建设方面的研究，主要集中在我国北方城市，监测目的多是为工农业生产、城市供水等水资源管理提供依据[12-14]。而针对大型矿区开展的地下水动态监测网的研究相对较少。因此，本研究在详细分析矿区地质背景的基础上，再结合区内主要矿山分布位置、岩溶塌陷区分布位置以及现有水文井孔分布情况，初步提出了狮子山矿区地下水位动态监测网建设方案，可为矿区岩溶塌陷地质灾害监测预警及水资源管理部门提供参考。

1 矿区地质概况

1.1 地质构造

狮子山矿区处于顺安—大通复向斜次一级褶皱青山背斜的北东段，区内除部分地段为第四系冲积和坡积物覆盖外，出露的地层主要为三叠系中、下统，深部经工程揭露可见上泥盆统—上二叠统。赋矿地层自下而上依次产出志留系茅山组到三叠系龙头山组，岩性主要为灰岩、硅质灰岩、白云质灰岩、白云岩、砂岩、砂页岩及硅质页岩等，其中金矿床主要富集在上部三叠系地层中。构造主要发育北东向的青山背斜，以及近南北向、近东西向、北东向和北西向的断裂；岩浆岩多呈岩墙—岩枝状产出，主要为燕山期辉石闪长岩、石英闪长岩、花岗闪长岩等中酸性侵入岩以及晚期煌斑岩、花岗斑岩等脉岩等。狮子山矿区铜、金等矿产资源丰富，以铜为主的矿床有冬瓜山矿床、大团山矿床、老鸦岭矿床、花树坡矿床和东、西狮子山等，以金为主的矿床主要有朝山金矿床、胡村金矿床、包村金矿床和长龙山金矿床等，以及还有鸡冠山铁矿床、曹山硫铁矿床等矿山。

1.2 水文地质条件

狮子山矿区位于长江南岸丘陵平原区，水文地质条件严格受区域地貌、地质构造和岩性的控制，主要含水层为三叠系龙头山组、分水岭组和南陵湖组，单井出水量可达1 000 m3/d，岩溶发育，形态以小溶洞和溶蚀裂隙为主，岩溶发育下限-200 m，强岩溶带位于+10 m标高以上，破碎带、裂隙发育带和接触带附近岩溶增强[15]。从宏观上看，浅部为厚约300～400 m的含水相对丰富的岩溶裂隙含水层，中部为厚约200～260 m的含水微弱的砂页岩裂隙含水层，深部为含水弱且很不均匀的灰岩裂隙含水层，该层以构造裂隙导水为主。

本区地下水的埋藏主要受地形控制，第四系孔隙水埋藏较浅，一般小于5 m。岩溶水和基岩裂隙水水位随地形变化较大，地下水位埋深一般在5～15 m。矿区附近地下水受矿山排水影响，地下水位埋深较大，可达100 m以下。大气降水是区内地下水的主要补给来源，由碳酸盐岩石组成的丘陵为补给区，地表及浅部发育的岩溶(溶蚀)裂隙为降水入渗的通道。地下水大部分就地排泄在坡脚形成季节泉，部分进入第四系覆盖区向外排泄，矿山疏干排水是区内地下水的主要排泄方式。

2 地下水开发利用现状及环境地质问题

2.1 地下水资源开发利用现状

上个世纪80年代以来，地方经济快速增长，需水量急增，工矿、乡镇纷纷打井取水，据不完全统计，矿区基周边建有基岩供水井21口(见表1)，开采量约200～2 000 m3/d，主要开采南陵湖组、东马鞍山组岩溶裂隙水。在开采地下水过程中，曾有零星的小规模岩溶塌陷产生，如大冲、西湖镇水泥厂等岩溶塌陷。2004年前后狮子山老城区自来水改造，企业、乡镇等水井皆停采。部分水井受矿山排水影响，井水位降深较大也停止开采。截止目前，这些供水井均已停采。

表1 矿区及周边供水井历史上开采情况一览表

2.2 矿山抽排地下水现状

狮子山矿区矿产资源丰富，采矿历史悠久，开采矿山众多。区内最多时共有开采矿山32座，目前仍在生产约10余座，其余多为停产、闭坑或未开采状态，矿区范围内曾有非法开采井口也已被取缔。目前区内主要排水矿山有6座(见表2)，矿坑总排水量丰水期(汛期)可达2～3×104m3/d，一般1～2×104m3/d。除冬瓜山铜矿开采深部矿体外，其余矿山开采矿体较浅。矿体主要受层间裂隙、接触带、断裂构造控制，赋存于黄龙船山组、栖霞组、大隆组及小凉亭组、塔山组、南陵湖组、龙头山组与石英闪长岩接触带。其中龙头山组、南陵湖组与岩体接触带附近岩溶发育，充水量大，水文地质条件较为复杂。

表2 狮子山矿区主要生产矿山水文地质及排水情况一览表

2.3 开采(抽排)地下水引发的环境地质问题

2.3.1 岩溶塌陷地质灾害

区内岩溶塌陷因采矿疏排地下水和机井抽水引发，矿山疏干排水引发塌陷数量多，影响范围大，机井开采地下水引发零星塌陷。全区现有6处发生塌陷(见图2、表3)，共形成塌坑88余个，影响面积59.493×104m2。岩溶塌陷主要发生在新华山铜矿的北部铜陵县天门镇新民村、包村金矿的东部周冲，铜井冲亦有少量塌陷产生。其中朝山村—新民村塌坑数量多，影响面积大，目前尚存隐患[4]。

另外，岩溶塌陷的发生还会造成岩溶地下水污染。如矿区外围北部凤凰山铜矿选矿废水通过小郎冲塌坑流入地下，致使小郎冲水2井铜、铅、锌超标；叶家湖水源地存在高铁孔隙水通过塌陷区污染岩溶水问题[3]。

表3 狮子山矿区岩溶塌陷统计表

2.3.2 地下水资源衰减

狮子山矿区矿山众多，矿山长期排水已破坏区内地下水天然动态。矿区开采初期，地下水呈天然状态，矿区地下水位标高一般在±0 m以上，经过多年采矿及强排水，矿区地下水位普遍下降，矿区中心地下水地下水位埋深较大，可达100 m以下。根据王龙平等人的研究[2]，狮子山矿区灰岩岩溶水水位下降幅度较大，三叠系南陵湖组灰岩岩溶水水位平均下降约140 m，二叠系栖霞组灰岩岩溶水水位平均下降约105 m，表现为开采型动态特征。

地下水均衡破坏严重，改变了区内地下水流向和地下水均衡，使主要含水层地下水位下降，水力坡度变陡，形成疏干漏斗区。

3 矿区内地下水位动态监测现状

狮子山矿区内矿山较多，规模大小不一，其中国有矿山仅一座(冬瓜山铜矿)，其余全为集体和私营矿山。各矿山在前期勘查、开拓过程中也做过一些水文地质调查工作，对地下水位动态进行过短期监测。另外，在矿区内岩溶塌陷勘查过程中也做了一些短期地下水位动态监测工作。

目前，区内仅321地质队对狮子山老城区区域开展了多年来间断性监测(J1、ZK750、SHK21、ZK540、农科所供水井等监测点)，多年来监测结果见图1。从图中可以看出，由于矿山长期排水，狮子山老城区一带多年来地下水水位呈持续下降趋势，说明补给与排泄处于负均衡状态，形成了地下水降落漏斗，这也说明矿山抽排水对老城区一带地下水资源影响较严重。

图1 狮子山老城区多年来地下水位等值线图 (a. 1983年，b. 1993年c. 2013年)

4 矿区地下水位动态监测网建设设想

4.1 矿区地下水位动态监测网建设目的

通过在狮子山矿区建设一个长期地下水位动态监测网，查明矿区地下水水位的时空分布特征，分析地下水水位变化趋势及采矿工程对地下水的影响，探索地下水位变化与矿区岩溶塌陷地质灾害的关系，分析岩溶塌陷发展趋势，为矿山安全生产、矿山地质环境保护与治理及岩溶塌陷地质灾害问题的研究和防治提供基础资料，为水资源管理部门决策服务。

4.2 矿区地下水位动态监测网布置原则

监测网布置原则主要有：(1)地下水动态监测网应尽可能控制矿区矿山排水漏斗；(2)监测浅层地下水与深层地下水的水力联系；(3)针对矿区范围内主要导水破碎带进行监测；(4)利用原有观测孔(水文孔)，以利于资料的对比和重复利用，并节省费用。

4.3 矿区地下水位动态监测网建设初步方案

(1)监测层位：矿区主要含水层为浅部的三叠系龙头山组、分水岭组、南陵湖组的碳酸盐岩类岩溶裂隙含水岩组，岩溶发育，形态以小溶洞和溶蚀裂隙为主，富水性在破碎带、裂隙发育带和接触带附近岩溶增强，富水程度中等—强，为矿山主要充水含水层，是地下水动态监测的主要重点层位。

(2)监测孔布置：根据矿区水文地质条件、原有观测孔的保存状态以及观测孔的布置原则，地下水监测孔布置见图2，建议布设监测孔33座，分布在各灰岩分布区、破碎带处以及重要矿山分布区，基本控制矿区地下水流场的主要区域。

(3)监测方法及频次：建议采用自动监测系统，实施全天候监测。

(4)数据处理：水位数据采集后传输到数据处理分析系统中进行处理分析，可实时了解矿区水位变化情况。相关分析数据可接入地质环境监测网，可供管理部门参考。

4.4 动态监测网建设初步方案可行性分析

开展矿区地下水位动态监测，在监测孔方面，可利用矿区原有供水井、监测孔来进行，部分需要开展清淤、洗井和井口维护工作，就可以直接利用；在监测技术方面，目前国内地下水自动监测技术已相当成熟，监测数据的采集、存储、发送、接收、存入数据库以及数据分析均可实现自动化；在监测费用方面，申请地下水管理部门财政经常性支出项目或纳入矿山地质环境监测费用；在成果应用方面，监测成果可供地下水管理部门及岩溶塌陷地质灾害研究和防治部门参考。因此，开展狮子山矿区地下水位动态监测网建设是可行的。