遼寧撫順西露天煤礦涌水研究

石旭飛，江 山，崔 健，郭常來(lái)

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧沈陽(yáng) 110034

0 引言

遼寧撫順西露天煤礦有近百年的開(kāi)采歷史，為國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn).由于西露天礦邊坡地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)［1-6］，且位于撫順中心城區(qū)，對(duì)城市的環(huán)境、生存空間及發(fā)展影響巨大［7-9］，是撫順作為資源枯竭型城市轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要阻礙.

影響邊坡穩(wěn)定性的因素主要有高陡邊坡的重力作用［10-13］、降雨［14］和地下水滲流［15-16］.地下水滲流可使西露天礦泥頁(yè)巖質(zhì)邊坡軟化、泥化，同時(shí)由于滲流作用而造成泥頁(yè)巖質(zhì)邊坡體積膨脹，產(chǎn)生較大膨脹壓力，造成邊坡失穩(wěn)［16-17］.西露天礦近半數(shù)邊坡滑坡發(fā)生在6—9 月份雨季.強(qiáng)降雨條件下，隨著地下水位升高，邊坡巖體的靜水壓力加大，邊坡軟質(zhì)巖層的泥化過(guò)程加快，邊坡巖石地質(zhì)體的力學(xué)強(qiáng)度降低［17-18］.因此，為定量研究地下水滲流對(duì)西露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響以及制定科學(xué)的排水方案，就需要深入研究西露天礦的涌水來(lái)源及其補(bǔ)給量.

本研究基于已有地質(zhì)工作，利用水文地質(zhì)鉆探、同位素技術(shù)、水位統(tǒng)測(cè)等方法，分析西露天礦涌水來(lái)源，進(jìn)而評(píng)價(jià)各來(lái)源對(duì)西露天礦涌水的補(bǔ)給量，為西露天礦地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估和礦坑規(guī)劃利用提供水文地質(zhì)科學(xué)依據(jù).

1 礦區(qū)及周邊地質(zhì)概況

撫順西露天煤礦位于撫順市區(qū)南部，礦坑上部尺寸約6600 m×2200 m，底部尺寸約3700 m×400 m［19］，深380～420 m.西露天礦北面為渾河河谷沖積平原，南為丘陵山地，西為古城子河河谷地帶，東為東露天礦.

西露天礦附近地表水系主要有渾河、古城子河.渾河是撫順地區(qū)的主要干流，位于礦區(qū)北部，平行西露天礦北幫由東向西流經(jīng)撫順市區(qū)，距離北幫1.4～1.8 km，水力坡度約1.2‰.古城子河位于礦區(qū)西部，是渾河主要支流之一，由東南向西北匯入渾河干流（圖1）.

圖1 西露天礦區(qū)及周邊鉆孔分布圖Fig.1 Distribution map of boreholes within and around the West Open-Pit Mine

礦區(qū)北部上覆第四系松散巖層，主要分布于渾河河谷地帶，厚度12～13 m，含水層巖性主要為砂礫石或卵石，上部有少量亞黏土或亞砂土，夾細(xì)砂層；下伏基巖主要為花崗片麻巖和古近系泥巖、頁(yè)巖，為基巖裂隙弱含水層（圖2）.西露天礦南幫第四系松散巖層主要分布于西端的古城子河階地和東段及楊柏河、劉山河古河道，巖性主要為中細(xì)砂、粗砂、礫石，厚度10～20 m，下伏基巖主要為玄武巖和凝灰?guī)r.

圖2 西露天礦北部水文地質(zhì)剖面圖Fig.2 Hydrogeological profile in the north of the West Open-Pit Mine

2 研究方法

2.1 鉆孔布設(shè)

為獲取計(jì)算西露天礦涌水量的相關(guān)參數(shù)，本研究共收集礦區(qū)周邊鉆孔34 個(gè)（Z1—Z34），主要分布于西露天礦南部和東北部，在礦區(qū)北部和西部鉆孔資料較少.因此，本研究在西露天礦北部和西部共布設(shè)水文地質(zhì)鉆孔22 個(gè)（S1—S22），總進(jìn)尺600 m.各鉆孔分布和參數(shù)見(jiàn)圖1 和表1.

表1 西露天礦周邊第四系含水層底板高程統(tǒng)計(jì)表Table 1 Floor elevations of Quaternary aquifer around the West Open-Pit Mine

2.2 水位統(tǒng)測(cè)

為查明西露天礦周邊地下水流場(chǎng)和補(bǔ)徑排條件，本研究在西露天礦周邊地區(qū)進(jìn)行了水位統(tǒng)測(cè)共80 點(diǎn)次，水位統(tǒng)測(cè)點(diǎn)分布見(jiàn)圖3.

圖3 西露天礦周邊同位素樣品和水位統(tǒng)測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.3 Distribution of isotope samples and water level measurement points around the West Open-Pit Mine

2.3 同位素樣品采集和測(cè)試

為研究西露天礦坑涌水來(lái)源，在礦區(qū)周邊采集地下水和地表水同位素樣品20 件，其中渾河水樣品3件，古城子河水樣品2 件，地下水樣品11 件，礦坑涌水樣品4 件.同位素樣品分布見(jiàn)圖1，樣品由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所測(cè)試完成，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2.

3 涌水來(lái)源分析

由西露天礦周邊地表水和地下水樣品同位素組成（圖4）可以看出，礦坑涌水氫氧穩(wěn)定同位素組成在大氣降水線附近，并且與地下水和渾河水氫氧穩(wěn)定同位素組成比較接近，表明西露天礦涌水主要來(lái)源于大氣降水、地下水和渾河水，古城子河對(duì)涌水的補(bǔ)給較少.

圖4 西露天礦周邊地表水和地下水樣品同位素組成分布圖Fig.4 Isotopic composition distribution of surface water and groundwater samples around the West Open-Pit Mine

根據(jù)水位統(tǒng)測(cè)結(jié)果，渾河水位為69.2～74.7 m，古城子河水位為69.7～72.3 m.西露天礦北幫與渾河、古城子河之間的第四系孔隙含水層連續(xù)分布，且含水層底板低于渾河、古城子河水位3～12 m，底板坡度約0.2%.渾河和古城子河沿途通過(guò)側(cè)向補(bǔ)給第四系孔隙潛水流向礦坑，從第四系底板直接滲出.

除第四系松散巖類含水層外，礦區(qū)及周邊還存在白堊系龍鳳坎組砂巖裂隙水含水層、古近系西露天組泥頁(yè)巖裂隙水含水層、古近系玄武巖夾凝灰?guī)r含水層、鞍山群片麻巖含水層等弱含水層.上述含水層地下水沿基巖構(gòu)造破碎帶和風(fēng)化破碎帶側(cè)向流入西露天礦.

總體上，由于西露天礦不停地進(jìn)行礦坑疏干，大量排泄地下水，周邊地下水向礦坑內(nèi)徑流，形成一定范圍的人工流場(chǎng)，礦坑周邊地下水位急劇下降，水力梯度達(dá)8%～15%（圖5）.受西露天礦疏干影響，越靠近礦區(qū)，地下水位變幅越小（0.8～1.2 m）.

圖5 西露天礦周邊地下水等水位線圖Fig.5 Contour of groundwater level around the West Open-Pit Mine

4 涌水補(bǔ)給量評(píng)價(jià)

4.1 大氣降水對(duì)涌水的補(bǔ)給

大氣降水對(duì)涌水的補(bǔ)給量取決于降水量和礦坑匯水面積的大小，所以直接進(jìn)入西露天礦的大氣降水量通過(guò)以下公式計(jì)算得出：

其中，H 雨為降雨量，A 為匯水面積.

通過(guò)對(duì)撫順?biāo)恼?010—2019 年的降水資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（表3），撫順市多年平均降水量為779.5 mm.根據(jù)西露天礦周邊地形條件，礦區(qū)降雨匯水面積約為12.8 km2.通過(guò)計(jì)算，直接進(jìn)入西露天礦的大氣降水量為997.8×104m3/a.

表3 西露天礦歷年平均降雨量統(tǒng)計(jì)表Table 3 Average rainfall of the West Open-Pit Mine over the years

4.2 地表水對(duì)涌水的補(bǔ)給

由于渾河與西露天礦北幫距離較短（1.4～1.8 km），且渾河流向與西露天礦北幫走向基本平行（圖1），由礦區(qū)周邊鉆孔第四系含水層底板高程統(tǒng)計(jì)（表1）可知，渾河與西露天礦北幫之間的第四系含水層底板接近水平.因此，對(duì)渾河與西露天礦北幫之間的第四系松散巖類含水層進(jìn)行如下概化：

1）含水層均質(zhì)各向同性，第四系地層底板水平，上部降雨為均勻入滲；

2）渾河與西露天礦北幫之間的第四系含水層中的潛水流為一維漸變流，且趨于穩(wěn)定；

3）渾河河床底板與第四系含水層底板位于同一水平面；

4）渾河與西露天礦北幫之間第四系松散巖類孔隙水不存在分水嶺.

基于以上概化，渾河對(duì)西露天礦的補(bǔ)給單寬流量可用以下公式計(jì)算［20］：

其中，K—渾河與西露天礦北幫之間的第四系含水層滲透系數(shù)（m/d）；l—渾河與西露天礦北幫之間的距離（m）；h1—渾河水面至底板的距離（m）；h2—西露天礦北幫潛水水面至底板的距離（m）；W—渾河與西露天礦北幫之間單位時(shí)間、單位面積上的降雨入滲補(bǔ)給量（m/d）.

渾河對(duì)西露天礦的年度補(bǔ)給量可用以下公式計(jì)算：

其中L 為西露天礦北幫長(zhǎng)度.

西露天礦北幫長(zhǎng)度（L）取值為6 500 m，渾河與礦北幫之間的距離（l）取值為1 600 m.根據(jù)已有資料，降雨滲入補(bǔ)給系數(shù)α 取值0.23.通過(guò)S10 鉆孔抽水試驗(yàn)計(jì)算得出的滲透系數(shù)為104.1 m/d.結(jié)合水位統(tǒng)測(cè)結(jié)果，計(jì)算得出渾河對(duì)西露天礦涌水的補(bǔ)給量為1 115.7×104m3/a.

古城子河主要通過(guò)西幫對(duì)西露天礦補(bǔ)給，其補(bǔ)給量的計(jì)算方法與渾河相同.其中西露天礦西幫長(zhǎng)度取值為2 200 m，古城子河與西幫之間的平均距離取值為1 100 m.結(jié)合水位統(tǒng)測(cè)結(jié)果，計(jì)算得出古城子河對(duì)西露天礦的補(bǔ)給量計(jì)算結(jié)果為177.9×104m3/a.

4.3 地下水對(duì)涌水的補(bǔ)給

由于西露天礦周邊基巖裂隙含水層富水性較弱，且經(jīng)過(guò)實(shí)地勘察礦區(qū)基巖裂隙水滲水點(diǎn)出水量較小，多為點(diǎn)狀出水，且形成水流的出水點(diǎn)較少，故本研究?jī)H計(jì)算第四系松散巖類含水層地下水對(duì)西露天礦涌水的補(bǔ)給量.

由于西露天礦東幫范圍較小，且在東露天礦多年共同疏干作用下，其含水層的地下水賦存較少，而北幫和西幫地下水對(duì)西露天礦涌水的補(bǔ)給量已包含在渾河和古城子河對(duì)西露天礦涌水的補(bǔ)給量中，所以僅計(jì)算西露天礦南幫地下水對(duì)涌水的補(bǔ)給量.

由鉆孔揭露的地層信息來(lái)看，西露天礦南幫第四系松散巖類含水層主要分布于西端的古城子河階地（Z25 鉆孔）和礦區(qū)東段及楊柏河、劉山河古河道（Z30、Z31、Z32 鉆孔），含水層巖性主要為中細(xì)砂、粗砂及礫石，厚度10.4～32.2 m，滲透系數(shù)約30 m/d.

從地下水位統(tǒng)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，南幫西端第四系松散巖類含水層接近疏干，其地下水位低于第四系松散巖類含水層底板，故南幫地下水對(duì)西露天礦涌水補(bǔ)給量的計(jì)算范圍僅為南幫東段第四系松散巖類含水層.

基于以上概化，南幫地下水對(duì)西露天礦的補(bǔ)給單寬流量可用以下公式計(jì)算［20］：

其中，K—第四系含水層滲透系數(shù)（m/d）；l—地下水補(bǔ)給區(qū)與西露天礦南幫之間的距離（m）；h1—補(bǔ)給區(qū)地下水位至底板的距離（m）；h2—西露天礦南幫地下水位至底板的距離（m）；W—西露天礦南幫單位時(shí)間、單位面積上的降雨入滲補(bǔ)給量（m/d）.

地下水對(duì)西露天礦的年度滲漏補(bǔ)給量可用以下公式計(jì)算：

其中L 為西露天礦南幫長(zhǎng)度.

通過(guò)以上公式，結(jié)合地下水位統(tǒng)測(cè)結(jié)果和鉆孔揭露的地層信息，計(jì)算可得南幫地下水對(duì)西露天礦的年度滲漏補(bǔ)給量為186.4×104m3/a.

綜上，通過(guò)計(jì)算，周邊地區(qū)進(jìn)入西露天礦的總水量為2 477.8×104m3/a，來(lái)源主要為北幫渾河通過(guò)第四系含水層側(cè)向補(bǔ)給和大氣降水補(bǔ)給.其中北幫渾河側(cè)向補(bǔ)給的涌水量約1 115.7×104m3/a，約占45.0%；大氣降水直接降入礦坑水量約997.8×104m3/a，約占40.3%.西幫涌水量約177.9×104m3/a，約占7.2%，主要來(lái)源為古城子河側(cè)向補(bǔ)給；南幫涌水量約186.4×104m3/a，約占7.5%，主要來(lái)源為地下水通過(guò)楊柏河、劉山河古河道等地段側(cè)向徑流補(bǔ)給；東幫在東露天礦影響下接近疏干.

4.4 涌水補(bǔ)給量計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)已有資料，西露天礦2010—2019 年排水量見(jiàn)表4.

表4 西露天礦排水量統(tǒng)計(jì)表Table 4 Water drainage of the West Open-Pit Mine

由表4 可知，近10 年西露天礦平均排水量為2 339.6×104m3/a，計(jì)算得出周邊地區(qū)進(jìn)入西露天礦的總水量為2 477.8×104m3/a，二者相差為5.6%，表明計(jì)算得出周邊地區(qū)進(jìn)入西露天礦的總水量與西露天礦排水量基本達(dá)到平衡，進(jìn)入西露天礦的總水量計(jì)算值較合理.

5 結(jié)論

1）西露天礦坑是區(qū)域地下水匯集區(qū)，周邊地下水向礦坑內(nèi)徑流.地下水通過(guò)第四系松散巖類孔隙、基巖構(gòu)造破碎帶和風(fēng)化破碎帶側(cè)向流入西露天礦.受西露天礦疏干影響，礦坑周邊地下水位急劇下降，水力梯度達(dá)8%～15%.

2）周邊地區(qū)進(jìn)入西露天礦的總水量為2 477.8×104m3/a，來(lái)源主要為北幫渾河通過(guò)第四系含水層側(cè)向補(bǔ)給和大氣降水補(bǔ)給.其中北幫渾河側(cè)向補(bǔ)給的涌水量約1 115.7×104m3/a，約占45.0%；大氣降水直接降入礦坑水量約997.8×104m3/a，約占40.3%.

3）古城子河通過(guò)西露天礦西幫側(cè)向補(bǔ)給礦坑的水量約177.9×104m3/a；地下水通過(guò)南幫楊柏河、劉山河古河道等地段側(cè)向徑流補(bǔ)給的水量約186.4×104m3/a；東幫涌水在東露天礦影響下接近疏干.