水库工程建设可行性研究

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摘要：山东金岭铁矿是国内开采时间较早的地下开采铁矿山，目前其下属多个分矿山面临资源枯竭，即将关闭的问题，从安全角度出发，目前对矿体开采后形成的采空区处理方法以胶结充填为主，治理成本较高。联系矿山开采实际情况，对矿山关闭后利用采空区、岩石裂隙和开拓巷道等空间建设地下水库工程的可行性进行了初步分析和探讨。

关键词：地下水库工程；采空区；空隙；渗透系数；饱和单轴抗压强度；软化系数调蓄

水资源是解决水资源供需矛盾的重要途径之一，除了利用江河湖泊等天然地表水体外，世界各国愈来愈多地通过修建水库调蓄水资源。近几十年来，我国修建了很多地表水库，这些水库在防洪抗旱方面发挥了重要作用，并带来了巨大的经济利益。与此同时，修建地表水库也出现了不少问题。例如：库区泥沙淤积、水库壅水淤积、洪灾加剧（如三门峡水库）、水库蒸发；水库壅水及水库渗漏引起次生沼泽化和盐渍化，破坏生态环境；库区移民加重社会经济负担等等。基于以上原因，发达国家正在利用地下含水层——地下水库工程（ASR--aquiferstorageandrecovery）调蓄水资源，国外的提法是“含水层人工补给”或“含水层储存与回采（ASR--aquiferstorageandrecovery）”，而在我国则被称之为地下水库工程。地下水库的优势：一是建设成本低，工程不占地、不移民,通过“一截一蓄”,达到蓄水功能；二是工程更安全，没有垮坝的危险，对周边生态环境不会造成破坏。修建地下水库，可以多方面改善生态环境，例如：通过人工补给含水层抬升地下水位，可以消减因地下水超采形成的降落漏斗，缓解地面沉降。总之，利用地下水库调蓄水资源，可以对含水层有计划的补给与回采，实现含水层的可持续利用，有效改善生态环境，有必要大力发展地下水库。

1国际上地下水库建设情况

美国正在实施“含水层储存回采ASR工程计划”，到目前正在运行的ASR系统共有56个,而建成的系统则有100个以上。瑞典、荷兰、德国、澳大利亚、日本、伊朗等国，都在实施地下水人工补给，以解决国内水资源短缺问题，瑞典、荷兰和德国的人工补给含水层工程，在总供水中所占的份额分别达到20%、15%和10%。

2我国地下水库工程建设情况

2.1整体情况。我国自1975年兴建了第一个地下水库——南宫地下水库后，陆续修建了新疆乌拉泊洼地和柴窝堡盆地、石家庄滹沱河、陕西秦岭山前、山东八里沙河和黄水河等地下水库，为干旱区水资源的合理开发利用提供了新的思路。目前我国利用地下水库工程技术调蓄水资源的工作又在北京西郊、山东龙口、大连旅顺等地修建了地下水库，积累了一些经验，但是尚未取得较大成效。北京西郊地下水库，是一个多年调节型地下水库，该地下水库利用旧河道、平原水库、深井、废弃砂石坑进行回灌，取得了一定的效果，使得永定河河床地下水位上升2~3m。山东龙口黄水河地下水库,建成于1995年，是国内第一个设计功能较为完整的地下水库，通过修建拦河闸、地下坝及大量引渗设施，联合调蓄地表水与地下水，起到了阻断海水入侵的作用，同时也改善了库区的生态环境。2.2矿山地下水库建设情况。徐州城市规划区煤炭资源开采已经形成了约140km2的采空区，据初步估算，14个关闭煤矿采空区储水量可达7853×104m3，可为徐州市应急供水提供新水源。江苏徐州市人民政府、江苏省国土资源厅合作项目“徐州城市地质调查”项目——“徐州煤矿采空区地下水库建库可行性研究”已经完成，结论是徐州城市规划区采空区具备修建地下水库的基本条件。

3矿区水文地质和采空区概况

3.1区域地质。矿区位于鲁西地块（Ⅱ）东北部，鲁中隆块（Ⅲ）北部，泰山—沂山隆起（Ⅳ）北东，邹平—周村凹陷（Ⅴ）北缘。金岭铁矿区地处山东中部淄博盆地的东北边缘。淄博盆地位于泰、沂隆起的北部，齐河淄博凹陷的东端；北以齐河广饶深大断裂和益都深大断裂为界；东至淄河断层；南靠泰鲁凸起；西至文祖断裂；面积约6000km2。该盆地的地形特征为南端收敛高耸，向北倾伏开阔，东西两边隆起，中部平坦，地形南高北低。该区气候属干旱、半干旱气候区，多年平均降雨约640mm。该盆地的地层结构自老至新依次有：太古界花岗片麻岩、寒武系、奥陶系、石炭二叠系、白垩系及第四系地层，燕山期火成岩在盆地中有零星分布。该区构造如褶皱、断裂均较发育，与矿区有关的如湖田向斜、金岭短轴背斜，张店断层、金岭断层等。矿床类型为经过交代作用形成的矽卡岩型铁矿床。3.2水文地质条件。3.2.1自然地理。该区气候属北温带大陆季风区，四季分明。夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。多年平均气温13℃左右，多年平均降雨量640mm左右。矿区内地表水系不发育，仅在矿区东北面4km处有一条乌河，全长约40km，原为常年流水，现全年干枯，夏季偶尔有流水。3.2.2主要含水层。（1）奥陶系中统马家沟组灰岩岩溶裂隙含水层。该层灰岩在矿区南部出露，总面积40km2。岩体周边灰岩，多为矿体直接顶板，不论在地表或地下，灰岩岩溶均不发育，裂隙比较发育，是地下水的主要运移通道和蓄水空间。从总体看，矿区内灰岩岩溶不发育，裂隙较发育，其富水性弱或较弱，灰岩含水层在平面上富水性不均，在剖面上表现为上部较强，下部较弱。由于灰岩在剖面上的分带性，特别是矿体直接顶板有一层灰岩裂隙被热液矿物所充填，称为热液矿物充填带，厚约30~120m，基本上不含水且隔水，对简化矿区水文地质条件和矿床开采是十分有利的。水质在灰岩出露区为矿化度小于0.5g/L的HCO-3型淡水，随着埋藏深度的增加逐渐过渡到1g/L的SO2-4-HCO-3型水，至北部深埋区，则变为3g/L的SO2-4高矿化水。（2）第四系砂砾石孔隙含水层。它是淄河冲、洪积扇的边缘扩展部分，由中至细粒砂层组成，厚度不等，厚度有矿区南薄北厚、西薄东厚的特点。如辛庄矿床138号孔竟厚达40m。主要分布在边辛庄、召口、侯庄一带。其含水性亦较冲、洪积扇主体弱些。单位涌水量在侯庄一带最大为2.36L/（s•m），平均渗透系数为7.604m/d，含水层相关水文地质参数详见表1。3.2.3含水层之间及地下水与地表水的水力联系。由于矿区内第四系地层底部有一巨厚的粘土层与下伏灰岩接触，因此一般情况下，灰岩地下水与第四系砂砾石地下水无水力联系，但在北金召北和边辛庄矿床有第四系“天窗”的存在，使上述两含水层发生水力联系，且灰岩地下水补给第四系砂砾石地下水。但由于数十年来矿山开采疏干灰岩地下水及第四系砂砾石地下水的人为开采，目前第四系“天窗”及附近周边地带，第四系砂砾石含水层已经干涸，处于疏干状态。灰岩地下水水位早已降至第四系底板以下。故第四系砂砾石含水层之地下水，对矿山开采无充水威胁。灰岩含水层与石炭二叠系砂页岩裂隙含水层，有水力联系，且后者补给前者。但由于砂页岩裂隙含水层富水性微弱，水量有限，对矿山开采不具充水威胁。闪长岩裂隙含水层与灰岩含水层有水力联系，且前者补给后者。但由于闪长岩裂隙水含水层富水性微弱，水量有限，对矿山开采不具充水威胁。矿区内仅有一地表水流乌河，现已干枯，仅在雨季有短暂水流，且距矿区4km以外，它与第四系潜水有水力联系，且潜水补给河水。3.2.4矿区水文地质边界条件及灰岩地下水的运动及动态。灰岩地下水是矿区诸矿床开采的主要充水水源，其补给、径流、排泄条件，是评价矿区水文地质条件复杂程度的主要因素，而它们又是受矿区水文地质边界条件的严格制约和控制的。因此正确认识和刻化矿区水文地质边界条件，在任何时候都是至关重要的。矿区南部边界湖田向斜，其南北两翼灰岩地下水水力联系甚弱，区域灰岩地下水难以透过向斜轴部补给矿区灰岩地下水，湖田向斜可以作为矿区南部和东南部的阻力屏障。矿区的东部边界为金岭断层，尽管断层南段是透水的，但断层破碎带并不富水，矿区灰岩地下水也不会获得断层以东大量的补给。故金岭断层可以作为矿区的东部隔水边界，断层对相邻矿床的开采不具充水意义。张店断层位于矿区西部，是矿区西部的隔水边界。北高阳断层位于矿区的北部，是矿区北部的隔水边界。矿区南部裸露灰岩，接受大气降水补给，这是矿区灰岩地下水的主要补给源，但补给量有限。灰岩地下水顺地形坡降自南向北运动，天然情况下通过第四系“天窗”补给上覆第四系矿砾石含水层，是其唯一排泄形式。目前大量矿山已开采，矿山生产疏干灰岩地下水是灰岩地下水的唯一排泄形式。3.3采空区概况。山东金岭铁矿区的开采历史可以上溯到春秋战国时期，1948年淄博解放后方进行较大规模的开采，从20世纪60年代中期转入地下开采，目前下辖铁山辛庄矿、侯庄矿和召口矿3个分矿区，年产铁精份110×104t，属于较大规模的地下开采矿山。矿区周边存在顺达铁矿、金地铁矿、付山铁矿、晶新铁矿、金龙铁矿、金拓铁矿等十几个较大规模乡镇开采的矿山。总矿区面积约80km2。经统计，山东金岭铁矿区范围内累计采出磁铁矿石约4800×104t，形成采空区面积约200×104m2的采空区，采空区埋藏深度自-47~-649m。

4采空区地下水库工程建设条件分析

4.1采空区地下水库储水空间估算。采空区地下水库主要是利用采空区破断垮落岩体间的自由空隙进行蓄水，水库库容即采空区范围内垮落岩体的自由空隙总体积，采空区的空间大小决定了地下水库库容大小，采用容积法计算采空区储水量（即地下水库库容），估算公式如下：W=KMScosα式中：W——采空区储水量（地下水库库容），m3；M——采空区矿层平均采高，取5m；S——采空区面积，取256×104m2；Α——矿层平均倾角，取28°；K——充水系数（取值范围0.25~0.5），取0.35。经估算，矿区内采空区总体积约1280×104m3，可储水总量（地下水库库容）约507.39×104m3。4.2采空区地下水库水质状态。采空区水质是构建地下水库的重要因素，出库水质应基本符合《地下水环境质量标准》的Ⅲ类水标准。山东金岭铁矿区地下开采矿山矿坑涌水主要来自作为矿体直接顶的奥陶系灰岩溶隙承压含水层，水质在灰岩出露区为矿化度小于0.5g/L的HCO-3型淡水，随着埋藏深度的增加逐渐过渡到1g/L的SO2-4-HCO-3型水，至北部深埋区，则变为3g/L的SO2-4高矿化水，从矿区矿坑涌水多年来的水质分析资料来看，能够满足作为工业生产用水和农田灌溉用水的水质要求，矿化度、硫酸盐、氯化物、总硬度等指标超过国家饮用水标准（GB5749-2006），矿坑涌水各项指标化验结果低于《地下水环境质量标准》的Ⅲ类水标准数值。4.3采空区地下水动态调蓄能力采空区地下水库的调蓄能力是地下水库应急供水的资源保障。虽然矿坑涌水主要为奥陶系灰岩溶隙承压水，但在矿区范围内，局部因第四系底部隔水粘土层的缺失而形成“天窗”，矿床开采排水形成地下水降落漏斗，第四系孔隙潜水通过“天窗”与奥灰水发生直接水力联系，也进入矿坑涌水中。因此矿坑涌水的补给能力较强。目前山东金岭铁区总矿坑涌水量约5.5×104m3/d，其中铁山辛庄矿15000m3/d，侯庄矿16000m3/d，召口矿13000m3/d，其他为周边农采矿山排水。铁山辛庄矿矿坑排水一直为生产供水水源使用，该矿于2015年因资源枯竭而关闭，停止井下排水后改为地表钻孔取水方式满足生产用水需要，在每天提取生产用水6500m3的情况下，地下水位由-460m上升至-41m。以此类推，矿区地下水库工程建设完成后，其动态补给能力约23800m3/d。

5采空区地下水库运行安全性分析

采空区地下水库工程的坝体主要由保安矿（岩）柱和隔水岩层组成，正常情况下起到隔水作用，但采矿活动使矿（岩）柱中的裂隙扩大，地下水通过裂隙进入后破坏了其原有的应力平衡状态，采空区出现岩体孔隙、裂隙和空洞的再压密，并伴随岩块的转动和蠕变等出现“活化”现象，一旦采空区顶板垮落将导致地面沉降或局部塌落，形成地质灾害。因此采空区地下水库的稳定性是构建地下水库的关键。山东金岭铁矿区内的磁铁矿石为原生磁铁矿，矿体赋存于闪长岩体与灰岩的接触带及接触带与假整合面构造的复合部位，主要为中细粒结构，致密块状、斑杂状等构造，节理裂隙不发育，坚硬或较坚硬，稳固性较好，做矿体顶的结晶灰岩或大理岩的物理力学性质虽然略逊于矿石，但底板闪长岩的各项物理力学指标明显优于矿石（详见表2），并且软化系数一项均大于0.75，说明是非软化岩石，地下水的浸泡对其物理力学性质影响甚微，可不予考虑。因此，矿区范围内利用采空区建设地下水库结构稳定，不会引发采空区的“活化”现象。

6结论和建议

6.1主要结论。山东金岭铁矿采空区地下水库工程是以采空区破断垮落岩体间的自由空间及巷道为蓄水空间，据估算可蓄水总量（地下水库库容）约507.39×104m3，动态补给能力约23800m3/d；矿坑涌水各项指标化验结果低于《地下水环境质量标准》的Ⅲ类水标准数值，能够满足作为工业生产用水和农田灌溉用水的水质要求，矿化度、硫酸盐、氯化物、总硬度等指标超过国家饮用水标准（GB5749-2006）；矿岩各项物理力学指标表明，采空区作为地下水库库体结构稳定。因此，山东金岭铁矿采空区具备修建地下水库工程的基本条件。6.2主要建议。本文只是从采空区储水空间、动态补给、水质状态等方面进行了分析研究，但矿井中遗留的废弃物对地下水的污染机理、矿井内地下水在水位恢复过程中与围岩及其保护矿（岩）柱之间的水岩作用机理及其水动力与水质演化效应、矿坑水再利用可能诱发的环境地质问题及其防控技术等问题亟待研究。矿山关闭后原有的疏排地下水的设施都已撤离，如何利用未封闭的井筒或者大口径钻孔抽取矿坑水，其合理性和安全性也是将来研究的问题。

参考文献：

[1]GB50027-2001供水水文地质勘察规范[S].中国计划出版社，2001.

[2]水文地质手册[M].2版.北京：地质出版社，2012.

[3]山东金岭铁矿志（第一、二、三卷）[M].

作者:姜晓平 单位:山东正元地质勘查院