水溶開采鹽類礦產資源引發地下水環境問題的成因分析

向 柳，陳植華，龔 星，宮寶祿

(中國地質大學(武漢)環境學院，湖北 武漢 430074)

水溶開采鹽類礦產資源引發地下水環境問題的成因分析

向 柳，陳植華，龔 星，宮寶祿

(中國地質大學(武漢)環境學院，湖北 武漢 430074)

鹽類礦產資源的水溶開采過程容易發生鹵水泄漏污染地下水，引發地表涌(突)水等環境問題。以我國中部某礦區(包括堿礦和芒硝礦兩大開采區)為例，調查和研究了多次地表涌(突)水現象，獲取了不同深度范圍內地下水的水化學數據資料，并綜合分析了礦區內鹽礦開采過程中容易造成鹵水外泄的薄弱技術環節以及可能污染的途徑通道和來源。結果表明：研究區地下水受污染程度由深到淺逐漸變小，淺層地下水(埋深小于10 m)基本未受到來自深層水的污染，僅涌水點周邊存在局部污染的現象，泄漏的堿礦鹵水和芒硝鹵水均是污染源；生產井破損是堿礦鹵水與芒硝鹵水泄漏的重要原因，而溶腔失穩也是芒硝鹵水泄漏的另一重要原因；由斷層(NE—WS向)控制的主構造裂隙帶和受鼻狀構造控制的NW—SE向局部裂隙帶可能分別是污染源進入礦區兩個涌水范圍(C莊一帶和A鎮一帶)淺部含水層并且運移擴散的主要導水通道，而大量已廢棄的封閉不良的石膏勘探孔是受污染的淺部地下水突涌地表的主要通道。

鹽類礦床；鹵水泄漏；地表涌(突)水；污染源；導水通道；水溶開采

深埋型鹽類礦床的開采常采用水溶開采法，即以高溫熱水作為溶劑，高壓注入礦床，將礦床中的鹽類礦物就地溶解轉變成流動的溶液(即鹵水)，然后進行采集、運輸的方法[1]。此法常與水力壓裂技術相結合，通過水力壓裂產生或擴張地層裂隙，進而連通兩個或多個生產井，實施雙井或多井對流開采，增加開采量[2]。這類開采方式的生產單元存在多處薄弱環節，極易造成大量高礦化度鹵水外泄，污染地下水，進而引發地表涌(突)水問題，嚴重破壞地下水環境，威脅周邊居民生活的用水安全[3]。

位于我國中部的某礦區內存在兩大鹽礦開采區，分別為堿礦(Na2CO3、NaHCO3)開采區和芒硝礦(Na2SO4)開采區。自1992年兩大鹽礦開采區陸續投產以來，曾多次發生采礦鹵水泄漏引發地下水環境問題。2008—2010年發生在研究區東南部以及2011—2013年發生在研究區西北部的地表涌(突)水事故對地下水環境的破壞尤為嚴重，主要表現為高礦化度的鹵水或咸水涌(突)出地表，使周邊的地下水質量急劇惡化，同時出現水位抬升、民居房屋基礎遭受破壞等現象，引起了社會及當地政府的高度重視。本文結合現場調查和數據分析，研究了兩次地表涌(突)水事故中地下水的污染特征及其成因，以為后期治理及有效防治提供科學依據。

1 研究區概況

1.1 研究區地質背景

1.1.1 構造及巖性

研究區位于南襄盆地東南部次級凹陷的深凹處，面積約69.2 km2。凹陷的形成主要受南緣的北西向斷裂F1和東面的北東向斷裂F2控制，呈扇狀展布。沉積沉降中心位于東南部邊界斷裂交匯處，向北逐漸抬起，構成一個南深北淺的箕狀凹陷。深凹區總體上為一個走向北東的向斜，構造簡單，無明顯斷層發育，地層傾向南東，傾角為3.54°～7°[4]。

礦區出露的地層由老至新為：古近系核桃園組泥巖、粉砂巖、砂礫巖以及泥質白云巖、白云質泥巖等；古近系廖莊組砂礫巖和砂質泥巖；新近系鳳凰鎮組砂質黏土、粉砂巖和砂礫巖，底部為塊狀砂礫巖層；第四系亞黏土、砂礫石、砂(見圖2)。其中核桃園組是天然堿礦、芒硝礦的主要賦存層位。經鉆探揭露，礦區堿礦層位于核桃園組一段中上部及二段的中下部，埋深約1 560.92～2 929.53 m，屬NaHCO3型天然堿，幾乎不含硫酸鹽類礦物[5]，主要分布于研究區的中部；芒硝礦層位于1 003.66～1 397.58 m的核桃園組三段中上部，以Na2SO4為主，含少量NaCl，主要分布于研究區的東南部。此外，在廖莊組中還發現有層狀和結核狀石膏(CaSO4)礦，深約200～400 m左右，可能全區均有分布。

1.1.2 含(隔)水層的劃分

依據地層巖性及鉆孔資料，研究區地下水含水層自上而下可分為：第四系孔隙含水層、新近系鳳凰鎮組孔隙含水層、古近系廖莊組裂隙含水層和古近系核桃園組裂隙或巖溶裂隙含水層。由于廖莊組上部主要為含石膏礦的泥巖，透水性差，可視為區域隔水層，將區域隔水層以上的含水層統稱為淺部含水層，隔水層以下的含水層則為深部含水層，其中淺部含水層為本文主要研究對象。

1.2 研究區地表涌(突)水現象

1.2.1 C莊一帶地面涌(突)水現象

2008年11月—2010年5月，C莊一帶出現高礦化度地面涌水現象，涌水期間地下水水位普遍抬升，多以面狀或點狀形態涌出，影響面積達到近2 km2。為防止涌水區域擴大，2010年至2012年間，陸續施工了5口疏干降壓井(CH-1、CH-2、CH-3、CH-4、CH-5)，其中CH-1井抽水層位為-90 m，CH-2井的抽水層位為-150 m，CH-3、CH-4、CH-5井的抽水層位均為-250 m(見圖3)，累計抽水量達15×104m3以上，經疏干降壓，地面涌水范圍逐漸縮小直至消失。

1.2.2 A鎮一帶地面涌(突)水現象

2011年6月—2013年5月，同在礦區范圍內的A鎮一帶陸續出現6個地面涌水點，涌水點位置多與石膏勘探廢棄井重合，呈點狀分布(見圖3)。根據涌水時間的先后順序，出現的涌水點分別為Y-1原石膏勘探廢棄孔平17，以下簡述勘探孔編號)、Y-2(平39)、Y-3(平48)、Y-4(平38)、Y-5(平46)，其中Y-1、Y-2、Y-3、Y-4為長期涌水點，涌水量小且穩定，涌水時間長，一般超過1～2 a，Y-5則為短期突水點，水量大且時間短，具有突發性。

突水點Y-5于2013年1月26日首次出現異常滲水，并逐漸發展成涌水，2月17日該處突然發生突水并沖出泥漿近200 m3，后一直噴涌高溫鹵水，涌水量為20～30 m3/d，最大達200 m3/d，涌水量持續近20 d依舊沒有減退。經過勘察發現，突水點附近的堿礦生產井S02的管壁于234 m處破裂，隨后對S02井進行修補，于3月15日左右完成封井。此后，突水點的水量和溫度明顯下降，數天后地面僅剩少量涌水，直至消失，表明Y-5突水點的出現與S02井的破裂具有直接關系。

2 現場調查與數據獲取

通過對不同時間、不同地點的地面持續涌(突)水現象的分析，可以初步判斷研究區地下水環境已經遭受到不同程度的污染。為了確定其污染特征及具體成因，本研究于2013年3月(出現第二次涌(突)水時間段)分別在C莊和A鎮一帶不同深度的疏干降壓井、地面涌(突)水點和民用飲水井進行了取樣分析，其中CZ-1取樣點與涌水區分別位于最低排泄基準面鴻雁河的南北兩側(見圖3)，處于不同地下水系統，其水樣數據可作為區域地下水的參照值。

3 研究區地下水的污染特征

從研究區C莊和A鎮一帶地下水及涌水各常規水化學組分含量(見表1)可以看出：C莊一帶疏干降壓水和A鎮一帶的涌水中均具有較高的礦化度，最高值為107 692.45 mg/L，最低值為1 715.36 mg/L，遠高于地下水參照值374.94 mg/L，說明研究區地下水明顯受到采礦鹵水污染。下面分別對C莊一帶和A鎮一帶地下水污染特征進行分析。

表1 研究區C莊和A鎮一帶地下水及涌水水化學組分含量一覽表

注：“*”數據來自第三方檢測報告;除深度單位為m外，其余單位均為mg/L。

3.1 C莊一帶地下水污染特征

由研究區C莊一帶各疏干降壓井的抽水深度及分布位置(見圖3)顯示，CH-1、CH-2、CH-3各井的位置相近，其水化學分析結果可視為相同位置、不同埋深(CH-1、CH-2、CH-3各井埋深分別為90 m、150 m、250 m)的地下水水質情況；CH-3和CH-4(CH-5)兩井為疏排埋深250 m的地下水，由于井距較大，可表示為相同埋深、不同位置的地下水水質情況；C-1井和C-2井可分別代表同一位置、埋深小于50 m及10 m的地下水水質情況。

C莊一帶地下水埋深與礦化度的關系見圖4。由圖4可見，相同位置的CH-1井、CH-2井、CH-3井礦化度含量表明地下水埋深越深，受污染程度越大；相同地下水埋深的CH-3井、CH-4井(CH-5井)礦化度含量結果表明地下水在該涌水區東北邊界受污染程度大于該涌水區中部；地下水埋深小于10 m的地下水(以下統稱淺層地下水)的礦化度含量與地下水參照值相近，且各常規離子成分含量也無異常，說明該區域淺層地下水暫未受到污染。

3.2 A鎮一帶地下水污染特征

研究區A鎮一帶S02井的破裂直接導致Y-5處發生突水，突水礦化度極高，高礦化度水涌出地表后通過入滲進入淺層地下水，會污染周邊淺層地下水。經檢驗，在距突水點東南約100 m處的A-4民井水，其礦化度超過1 g/L，可能是涌水對周邊淺層地下水環境破壞的直接表現。

從垂向上來看，A鎮一帶淺層地下水，尤其是遠離涌水點的淺層地下水礦化度較低，大多接近于地下水參照值，說明大部分淺層地下水暫未被污染；而在井深大于300 m的廢棄石膏勘探井口采集的涌(突)水，其礦化度都高于1.5 g/L,遠大于地下水參照值，表明該區域深層地下水受到污染。

綜上所述，研究區兩個區域的地下水污染特征表明：平面上，淺層地下水僅高礦化度涌水點周邊存在局部受污染的現象；垂向上，深層地下水受污染程度大于淺層地下水。

4 研究區地下水環境污染的成因分析

為了進一步明確水溶開采鹽類礦床過程如何對地下水環境造成污染并發生地表涌(突)水，需要從污染來源、泄漏原因及其導水通道三個方面進行綜合分析。

4.1 污染來源

(1)

(2)

綜上分析可見，研究區內的堿礦鹵水和芒硝鹵水均發生了泄漏，都是地下水的污染源。

4.2 鹵水泄漏原因

研究區礦田內堿礦和芒硝礦的開采初期均采用的是單井對流開采法，后期則為水力壓裂或自然溶蝕形成的雙井或多井對流開采法，它們均屬于水溶開采法[6]，其開采單元是由溶腔和生產井單元兩部分組成，因此鹵水外泄的原因可歸納為兩點：一是開采溶腔失穩；二是生產井管壁破損。

4.2.1 開采溶腔穩定性分析

溶腔的穩定性是指生產過程中受開采擾動,不斷擴大的溶腔的力學狀態和保持平衡的能力，主要表現在兩個方面：一是溶腔垮塌；二是頂板壓裂裂隙的大規模發展。

(1) 溶腔垮塌的可能性

鹽類礦產開采溶腔發生垮塌經歷4個階段，即初始溶腔的形成—地應力變化—溶腔頂板變形—溶腔頂板或上覆地層垮塌。隨著開采年限的增加，初始溶腔不斷擴大，多個溶腔將會連通，當溶腔跨距過大、上覆巖層的負荷超過頂板承壓極限時，溶腔頂板或上覆巖層將會極度變形直至垮塌。

上覆巖層的變形直至垮塌過程主要以“三帶”理論呈現，即冒落帶、裂隙帶和彎曲帶[7]，其中冒落帶為垮塌帶，三個帶的影響深度與礦層高度有直接關系，一般來說，每一帶的影響高度是采空高度的2～3倍[8]。

在研究區內，堿礦和芒硝礦開采年限長(已超過20 a)，生產井間距小(最近僅約10 m)，從開采區后期采用的自然溶蝕或水力壓裂雙井、多井對流開采法推測可知，部分溶腔已連通，溶腔上覆巖層因過度變形而垮塌的可能性極大。

研究區天然堿礦層共有11層，礦層埋深為1 560.92～2 929.53 m，礦層平均厚度為2.11 m，經計算堿礦層內“三帶”影響的最大高度則可達210 m左右，最易垮塌高度約為70 m；研究區芒硝礦層共有4層，礦層埋深為1 003.66～1 397.58 m，礦層平均厚度為8.93 m，經計算芒硝層內破壞帶影響的最大高度為321 m左右，最易垮塌高度約為110 m。然而，鹽礦開采過程中，鹵水和沉渣的支撐作用可在一定程度上緩解圍巖的變形和破壞[9]，因此礦層內破壞帶影響高度可能不會達到最大高度，難以直接溝通淺層地下水含水層，引起鹵水大量泄漏至上部地下水。

(2) 頂板壓裂裂隙的發展

表2 堿礦層及其圍巖的物理力學指標

在芒硝礦開采時，芒硝礦生產井的注水壓力最大為7 MPa，1 003.66～1 397.58 m水柱產生的壓強約為9.84～13.70 MPa，即芒硝礦開采溶腔圍巖所承受的水力壓強約為15.84～20.70 MPa，大于芒硝礦含礦段上覆巖層——核桃園組核一段上部泥巖(抗壓強度一般在11.8～17.0 MPa[10])的抗壓強度，在持續水壓力的作用下，芒硝礦頂板極易產生壓裂裂隙，又因為芒硝礦層“三帶”影響高度較大，已進入廖莊組巖層，壓裂裂隙沿“三帶”發展可溝通上部裂隙進入淺部含水層。

綜上所述，堿礦溶腔垮塌高度小且不易大規模發育壓裂裂隙，難以連通淺部含水層，而芒硝礦溶腔在垮塌及大規模發育壓裂裂隙的雙重作用下，容易連通淺部含水層，污染地下水。

4.2.2 生產井的破損情況分析

4.3 導水通道

斷層、裂隙和人工通道是采礦鹵水發生泄漏后進入淺部含水層并涌出地表可能的導水通道[13]。研究區地質構造簡單，無斷層發育，因此只存在裂隙或人工通道，其中裂隙是鹵水進入淺部地下水的主要通道，而人工通道是受污染的淺部地下水涌出地表的主要通道。

4.3.1 裂隙

裂隙主要分為構造裂隙和人為裂隙兩種，構造裂隙是指在構造作用下形成的天然裂隙，其形成主要是由受構造應力場控制的最大水平主應力δH來決定。研究區構造應力場可分為整體構造應力場和局部構造應力場，因此存在兩類受不同應力場控制的裂隙，分別為受斷層F2(NE—WS向)控制的主構造裂隙帶和受鼻狀構造控制的NW—SE向局部微弱裂隙帶[14-15]。主構造裂隙帶的特點是裂隙發育程度高，相對單一平直，裂縫長度較長，垂直破裂面大；局部微弱裂隙帶具有裂隙發育程度低，但數量多、裂縫短小而雜亂的特點。人為裂隙是指高壓注水開采存在泄漏環節時，壓力泄漏會導致新的裂隙生成，這些裂隙可能是在構造裂隙的基礎上進一步擴展原有裂隙，也可能是在沒有構造裂隙的情況下沿主應力方向形成新的裂隙，這種裂隙一般與構造裂隙的方向一致[16]。

研究區C莊一帶涌水點展布方向與主構造裂隙帶的主應力方向一致，說明C莊一帶的裂隙導水通道受主構造裂隙帶控制；研究區A鎮一帶S02井與其產生的突水點Y-5連線方向為NW—SE，與局部微弱裂隙帶的發育方向一致，同時各涌水點展布方向幾乎呈NW—SE向，表明A鎮一帶的主要裂隙導水通道受局部微弱裂隙帶控制。

4.3.2 人工通道

研究區A鎮一帶涌(突)水事故的突水點均發生在廢棄的石膏勘探井處，由于廢棄井封閉不嚴密，高壓的溶腔水或鉆井破損泄漏的鹵水可沿裂隙帶滲透并與其連通，通過井眼涌出地表，因此廢棄的石膏勘探井是受污染的淺部地下水涌出地表的主要通道。

5 結 論

本文以我國中部堿礦開采區和芒硝礦開采區共存的某鹽類礦區為例，通過現場調查兩次地表涌(突)水事故，分析研究了涌水區地下水的污染特征及其引發環境問題的成因，得到如下結論：

(1) 研究區地表涌(突)水區地下水的污染特征為：平面上，淺層地下水僅高礦化度涌水點周邊存在局部受污染的現象；垂向上，深層地下水受污染程度大于淺層地下水。

(2) 堿礦鹵水和芒硝礦鹵水均是污染地下水并造成地表涌(突)水的主要來源。

(3) 生產井的破損是芒硝礦鹵水和堿礦鹵水泄漏的主要原因，同時溶腔失穩也是芒硝礦鹵水泄漏的另一原因。

(4) 斷層F2控制的NE—WS向主構造裂隙帶和鼻狀構造控制的NW—SE向局部微弱裂隙帶是泄漏鹵水進入淺部含水層，污染地下水的直接通道，而人工通道是受污染的地下水涌出地表的主要通道。

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Genetic Analysis of the Groundwater Environmental Problems Caused by the Solution Mining of Salt Mineral Resources

XIANG Liu,CHEN Zhihua,GONG Xing,GONG Baolu

(SchoolofEnvironmentalStudies,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

Solution mining of salt mineral resources may contaminate groundwater and make it burst out of the surface easily because of the brine leaking.Taking a large salt mining area in the middle of China as an example,this paper investigates and researches the water bursting phenomenon.Firstly,the study attains groundwater hydrochemical data of different depth and analyzes the weak parts of mining technology,the possible pollution way and the source of pollution.The results indicate that the groundwater pollution level decreases gradually with depth in the study area,and the shallow groundwater is not polluted by the deep groundwater except when it is close to water bursting points.The pollution sources are brines of the alkali deposit and glauber salt mine.The brine leakage in the alkali deposit production area is mainly caused by the damage of production wells,while the brine leakage in the glauber salt mine production area is the damage of production wells and the dissolved cavity buckling.The main structure facture zone controlled by the fault in NE—WS direction and the local weak fissure zone in NW—SE direction controlled by the nosing structure are the main channels for the polluted groundwater flowing to the aquifer around the two water bursting regions,and a large number of waste gypsum exploration boreholes are the important channels that polluted groundwater burst out of the surface.

salt deposit;brine leaking;surface water bursting;pollution sources;pollution channel;solution mining

1671-1556(2015)04-0056-07

2015-01-25

2015-03-17

向 柳(1990—)，女，碩士研究生，主要研究方向為礦區地下水污染。E-mail:xiangliu1990@126.com

X523

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.04.010

陳植華(1956—)，男，博士，教授，主要從事礦區水文地質、地下水污染防治等方面的研究。E-mail:zhchen@cug.edu.cn