露天石灰石矿山开采对水环境影响浅析

杨柯敏，丁素玲

（中材地质工程勘查研究院有限公司，北京 100102）

石灰石矿山的开采给人们提供了丰富的矿产资源，同时也带来了一系列的环境问题，特别是在水资源贫乏、生态环境脆弱的地区，大范围凹陷式开采石灰石矿产，使水资源面临严重的失衡问题，生态环境遭到破坏。当前，维持水资源平衡、保护生态环境的任务日益艰巨。我国是世界上淡水相对贫乏的国家之一，如何合理开发石灰石矿产资源，同时有效保护地下水资源，避免人类生存环境的恶化，成为促进社会主义市场经济发展的重大课题[1]。以往对石灰石矿山开采环境影响的研究多集中于生态环境方面，对其水环境影响方面的研究较少。笔者从水资源量的角度入手，以广东省某石灰石矿山开采对水环境的影响为例，剖析了石灰石矿产开发导致地表水、地下水失衡的机理，并提出控制措施。

1 矿区环境概况

1.1 水文气象

矿区地处亚热带季风气候区，年平均降水量1643.5mm，年平均风速1.6m/s，年平均气温21.4℃，年平均相对湿度74%。属韩江流域梅江水系，距离矿区最近的乌土河从矿区东侧由北向南流过，汇入石窟河。

1.2 矿区水文地质特征

矿区位于低山丘陵地带，地下水类型主要为松散岩类孔隙水和碳酸盐类岩溶裂隙水。

松散岩类孔隙水主要分布于矿区东部和南部低洼地段，含水层主要由冲洪积、坡残积和人工堆积的砂砾等组成，厚度为2～20m；碳酸盐类岩溶裂隙水广泛分布于矿区中部及西北部，含水层主要由下二叠统栖霞组(Pq)浅灰黑色中厚层状灰岩和中上石炭统壶天群(C2+3ht)灰质白云岩、灰岩、白云质灰岩、白云岩等组成，岩层由东向西逐渐增厚，厚度几十至180m，是矿区主要含水层，也是赋矿层。

区域内主要发育两条由南至北的正断层。断裂带及其附近岩层比较破碎，被后期岩脉所充填，具一定的导水性和富水性。但由于附近无较大的地表水体，构造断裂未沟通较大的含水构造，富水性不强，对矿床开采无影响。

矿区内各含水层均接受大气降水补给，径流排泄条件较好，地下水主要以潜流状态向地势低洼处排泄。矿区水文地质条件如图1所示。

2 矿坑涌水量及影响范围预测

矿区位于地下水补给区，含水层主要补给来源是大气降雨，可视为无限含水层。矿床主要充水通道为基岩裂隙和小规模的断裂裂隙。对于水文地质条件简单或中等的矿区，可以用“大井法”预测矿坑涌水量[2-3]。

2.1 石灰石矿产开采对地下水资源量影响预测

矿山在开采过程中采用抽水的方式排泄矿坑内的积水，该积水主要源于降雨与含水层的侧向补给。

根据当地近年降雨资料统计结果，历年日平均降雨量4.59mm，则矿区内降雨总量Q雨为5.76×103m3/d。

图1 矿区水文地质特征

潜水含水层的侧向补给量用“大井法”计算：

式中，Q涌——潜水含水层的涌水量，m3/d；

rw——矿坑系统引用半径(m)，rw=0.564

F——矿坑面积，m2；

R——矿坑疏干时含水层的影响半径，m，

Sw——水位降深，m；

K——渗透系数，m/d；

H——潜水位到矿坑最低开采境界的距离，70m。

本次将开采区作为研究对象，面积为1.57km2。由于矿区内第四系孔隙潜水含水层与下伏碳酸盐类岩溶裂隙含水层之间无隔水层，两者水力联系较为密切，将二者概化为统一的含水层。各参数取值见下表。计算得Q涌=1.56×104m3/d。

参数取值

由式(1)计算可得矿区矿坑排水造成的水资源损失总量：

2.2 石灰石矿山开采造成的地下水影响半径预测

根据矿区的平面形状，确定该区地下水影响半径的计算公式为：

式中：r0——引用半径，m；

F——坑道面积，m2；

K——渗透系数，m/d；

S——水位降深，m；

H——潜水位到最低开采境界的距离，m。

通过式(4)计算可得矿坑排水的含水层水位影响半径R为1165m。将形状不规则的采区按照面积等同的原则将其转换为假定的圆形区域，则采区的半径r0为707m。整个矿区排水的影响半径R0为1872m，影响面积为11km2。

3 流域内水资源损失量计算

流域指以分水岭为边界的一个由河流、湖泊或海洋等水系所覆盖的区域以及由该水系形成的集水区。该流域内地下水与地表水联系密切，地下水在地势低洼处以潜流形式补给地表水。矿坑排水包括降雨及含水层的侧向补给两部分，因此，矿体开采对地下水环境造成影响的同时，也对流域内地表水水资源量造成一定程度的影响。矿坑排水影响大小与矿坑所占流域面积大小成正比。笔者按照流域的概念对矿区所在流域进行了划分，流域边界以分水岭为界，面积约81km2。流域划分如图2所示。

矿区约占其所在流域面积的2%，所占比例较小。因此矿坑排水对该流域内水资源量影响不大。

综上可知，矿坑排水导致的地下水影响半径及整个流域的水资源损失量不大，故其对矿区周边水环境影响较小。

4 防治措施

图2 矿山所在流域划分

凹陷开采中周围的地表水与地下水向矿坑内汇集，矿坑长期排水可能造成矿区及邻近区域的地下水水位下降、含水层疏干等，甚至可能引起地面塌陷、荒漠化等环境地质问题[4]。因此，采取相关的水环境保护措施是必要的。

(1)以均衡开采为原则，防止地下水超量开采。进一步确定早期钻孔的位置、封孔情况和当前状态，对封孔差的钻孔采取注浆封堵措施将其封闭以减少其对采矿安全的威胁以及保护地下水资源[5]。

(2)矿区外围设置截洪沟或挡水堤，减少区域水资源量损失。

(3)建立地下水动态监测系统，在矿区周围布置地下水水位观测井，监测水位的变化。防止矿产资源开采过程中由于地下水水位变化诱发的地面沉降和岩溶塌陷等环境水文地质问题。

(4)制定供水应急预案，一旦发现因矿山开采影响周边居民饮用水的情况，立即启动预案。

5 结论

(1)通过计算可知，矿坑排水量为2.14×104m3/d,影响半径为1872m。从流域角度分析，矿区约占其所在流域面积的2%，占比例较小。因此矿坑排水对该区水资源量损失影响不大。

(2)针对矿坑排水可能对水环境造成的影响，提出设置排水沟及挡水堤等措施，制定地下水监测计划。在采取上述措施基础上，能够保证矿坑排水对水环境的影响得到有效的控制。

[1]周进生,王剑辉,党学亚.矿产开发对地下水失衡影响及其控制对策——以陕北煤炭资源开发为例[J].中国矿业,2009,18(12):52-55.

[2]楚敬龙.解析法在山区地下水环境影响评价中的应用[J].有色金属,2011(63):71-74.

[3]马红超,林立新.大井法预测矿坑涌水量[J].采矿技术,2009(2):53-79.

[4]崔立昌.矿山生态环境影响评价及恢复对策研究—以石灰石矿山开采为例[D].石家庄:河北师范大学,2003.

[5]高国卿.石灰石矿山开采对环境的影响与防护措施[J].河南建材,2009(5):110-111.