矿山水文地质环境问题及其主控因素分析

赵宇辉

（山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队，山东 济南 250014）

矿产资源一直是我国经济工业化和城镇化发展的重要支柱，尤其是在矿产资源较为发达省市，将矿业作为省市经济发展支撑。但在通过开发矿产资源促进经济发展的同时，矿山环境出现水土流失、水体污染、地质灾害频发、地表水断流等环境问题。而这些环境问题，却直接影响社会财产、工程设施、田地等人类生存必需设施和发展空间[1]。为此分析矿山水文地质环境问题及其主控因素，为矿山环境问题提供相关解决依据。

1 水文地质环境问题

矿山开采需要对矿洞中的地下水进行疏干处理，从而让机械和矿工进入矿洞，开采矿产资源。在这个过程中，不可避免地出现地下水缺失、采矿的废弃矿渣、粉尘、废气等污染物进入地下水等现象。此外，矿山所排出的地下水，会直接或间接地排入河流、水库、湖泊等地表水中，导致地表水过量。基于此，形成如图1所示的矿山水文地质影响情况。

图1 矿山水文地质影响情况

从图1中可以看出，地下水是水文地质环境的主要组成元素，其可以直接影响矿山水文地质环境平衡。而矿山在开采过程中，所使用的开采手段会直接给矿山水文地质环境带来如下问题。

1.1 含水层结构破坏

矿山处于长期露天开采状态，大量的矿产资源从山体中取出，让原本凸出的山体变成不同大小的矿坑，改变矿山原本的地势[2]。然而，地下水属于流动水资源，且其流动路径会随着地势的变化而变化，处于高处的地下水势必会流入开采的矿坑中，再被抽水机从矿坑中抽出，这一过程让矿坑变成了地下水蓄水池和排水池，直接破坏矿山水文地质含水层，间接破坏矿山水文地质环境的水文循环。此外，矿山在开采过程中，所形成的矿洞一旦坍塌，必然会造成岩层错动、移位等现象，更会扩大含水层破坏面积。因此，矿山矿洞挖掘、抽排水、矿石开采等过程，会破坏水文地质环境中含水层结构。

矿山开采后会形成采空区域，这个区域中会出现冒落带和裂隙带地质结构，在地下含水层破坏条件下，成为地下水流通的新通道，打破矿山岩层岩溶裂隙含水层水力平衡，间接改变地下水动力平衡。因此，矿山水文地质环境存在水岩土力学、水文循环、渗流场等平衡以及含水层被破坏的问题。

1.2 矿区地下水位下降

矿山地下水一般位于矿产资源上层，在矿产资源开采过程中，需要将矿山上层地下水疏干，形成矿产资源开采矿洞，才能完成矿产资源开采工作。这一过程破坏了矿山水文地质环境的水循环，迫使该区域形成新的地下水流动系统。然而，大量抽排的地下水，还是直接减少了矿山地下水含量。

此外，矿山水岩土力学、水文循环、渗流场等平衡以及含水层被破坏，导致矿山原本的含水层不再积蓄水资源，并且随着原本的地下水流入开采的矿洞中不断被疏干。与此同时，该含水层的上覆和下伏含水层，也因为缺少该含水层蕴含的水资源滋润，出现水资源急剧减少的现象，加大地下水水位下降幅度。

当矿山水文地质环境出现地下水水位下降问题时，矿山周边的河流缺少基流的流入，也会出现水位下降的现象，直接影响矿山周围田地供水。若矿山所处区域属于干旱区域，会迅速降低该区域土壤中的含水量，出现土壤黏结问题，导致土壤沙化、生态全面退化，造成难以挽回的生态环境问题。

此外，矿山岩层多为上覆沉积物堆叠而成，含水层被破坏后，在上层土层的压力作用下，含水层会被进一步压密，出现地面沉降现象。若地层中还藏有溶洞，土层经过地表水长时间浸泡后，使得松散沉积物坍落在溶洞中，形成大量塌陷洼坑和淤泥，乃至形成沼泽。

1.3 过量补充地表水

矿山抽排的地下水，会全部排入矿山周边的河流中，从而增加地表水的含量。然而，非自然手段补充的地表水，会引起湖泊、河流、水库等地表水水位上升，淹没周边建筑物、农田和道路，给该区域造成经济损失。此外，超出河流承受能力的地表水，会大幅度增加地表土壤含水量，降低土壤密度，破坏岩土力学平衡，导致矿山周边出现山体滑坡、坍塌等地质灾害。

1.4 地下水污染

矿山开采过程中，必然会产生大量废弃矿渣，以及矿山粉尘和废气等污染物。而矿山开采排水这一过程需持续至矿山开采结束，其产生的采矿污染物不可避免地流入疏干地下水中，进而被排入地表水中。此外，矿山开采过程中所破坏的含水层之间会相互连通，导致大量的有害元素与含水层中的水资源发生交换，进入地下水循环。当这些有害物质进入水资源循环后，将会大范围污染地下水。

2 矿山水文地质环境主控因素

矿山水文地质环境主控因素主要指对地下水影响最大的因素[3]。为此，采用敏感性分析方法，量化不同因素对地下水影响程度，通过计算某一因素对地下水的灵敏度系数，确定矿山水文地质环境主控因素，则某一因素对地下水的灵敏度系数计算公式如下式所示：

（1）式中，γik表示灵敏度系数，其阈值为[0,1]，当γik=1时，xk对yi影响最大，属于矿山水文地质环境主控因素，当γik=0时，xk对yi影响最小，不属于矿山水文地质环境主控因素；表示求偏导；xk(k=1,2,L,K)表示影响地下水变化的第k种因素，K表示影响因素数量；yi(i=1,2,L,I)表示在第k种因素影响下，地下水第i项参数变化值，I表示地下水参数数量；Δxk表示xk影响地下水变化后产生的变量。

根据（1）式所示的某一因素对地下水的灵敏度系数计算公式，采用数值模拟的方式，在其他因素不变的条件下改变xk，改变单一影响因素，判断该因素对地下水水质参数、源汇项、边界条件等地下水参数的影响程度。基于此，设计的主控因素判断矩阵如表1所示。

表1 主控因素判断矩阵

如表1所示的主控因素判断矩阵，当式（1）计算得到的灵敏度系数值，满足表1所示的判断矩阵时，该因素即会对地下水参数产生较大的影响，归属于矿山水文地质环境主控因素，且“1”在表1所示的判断矩阵中，占据范围越大，该因素对于矿山水文地质环境控制程度越高。

3 结语

综上所述，矿山开采必然会破坏水文地质环境，并且在破坏矿山的水文地质环境的同时，还破坏了矿山所处区域的水文地质环境，给该区域造成无可挽回的自然资源损失。为了降低矿山开采给矿山及其所处区域带来的水文地质环境，分析矿山水文地质环境主控因素，为合理、规范的矿山开采行为提供依据。