礦山水文地質(zhì)環(huán)境問題及其主控因素分析

趙宇輝

（山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，山東 濟(jì)南 250014）

礦產(chǎn)資源一直是我國經(jīng)濟(jì)工業(yè)化和城鎮(zhèn)化發(fā)展的重要支柱，尤其是在礦產(chǎn)資源較為發(fā)達(dá)省市，將礦業(yè)作為省市經(jīng)濟(jì)發(fā)展支撐。但在通過開發(fā)礦產(chǎn)資源促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時，礦山環(huán)境出現(xiàn)水土流失、水體污染、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)、地表水?dāng)嗔鞯拳h(huán)境問題。而這些環(huán)境問題，卻直接影響社會財產(chǎn)、工程設(shè)施、田地等人類生存必需設(shè)施和發(fā)展空間[1]。為此分析礦山水文地質(zhì)環(huán)境問題及其主控因素，為礦山環(huán)境問題提供相關(guān)解決依據(jù)。

1 水文地質(zhì)環(huán)境問題

礦山開采需要對礦洞中的地下水進(jìn)行疏干處理，從而讓機(jī)械和礦工進(jìn)入礦洞，開采礦產(chǎn)資源。在這個過程中，不可避免地出現(xiàn)地下水缺失、采礦的廢棄礦渣、粉塵、廢氣等污染物進(jìn)入地下水等現(xiàn)象。此外，礦山所排出的地下水，會直接或間接地排入河流、水庫、湖泊等地表水中，導(dǎo)致地表水過量?；诖耍纬扇鐖D1所示的礦山水文地質(zhì)影響情況。

圖1 礦山水文地質(zhì)影響情況

從圖1中可以看出，地下水是水文地質(zhì)環(huán)境的主要組成元素，其可以直接影響礦山水文地質(zhì)環(huán)境平衡。而礦山在開采過程中，所使用的開采手段會直接給礦山水文地質(zhì)環(huán)境帶來如下問題。

1.1 含水層結(jié)構(gòu)破壞

礦山處于長期露天開采狀態(tài)，大量的礦產(chǎn)資源從山體中取出，讓原本凸出的山體變成不同大小的礦坑，改變礦山原本的地勢[2]。然而，地下水屬于流動水資源，且其流動路徑會隨著地勢的變化而變化，處于高處的地下水勢必會流入開采的礦坑中，再被抽水機(jī)從礦坑中抽出，這一過程讓礦坑變成了地下水蓄水池和排水池，直接破壞礦山水文地質(zhì)含水層，間接破壞礦山水文地質(zhì)環(huán)境的水文循環(huán)。此外，礦山在開采過程中，所形成的礦洞一旦坍塌，必然會造成巖層錯動、移位等現(xiàn)象，更會擴(kuò)大含水層破壞面積。因此，礦山礦洞挖掘、抽排水、礦石開采等過程，會破壞水文地質(zhì)環(huán)境中含水層結(jié)構(gòu)。

礦山開采后會形成采空區(qū)域，這個區(qū)域中會出現(xiàn)冒落帶和裂隙帶地質(zhì)結(jié)構(gòu)，在地下含水層破壞條件下，成為地下水流通的新通道，打破礦山巖層巖溶裂隙含水層水力平衡，間接改變地下水動力平衡。因此，礦山水文地質(zhì)環(huán)境存在水巖土力學(xué)、水文循環(huán)、滲流場等平衡以及含水層被破壞的問題。

1.2 礦區(qū)地下水位下降

礦山地下水一般位于礦產(chǎn)資源上層，在礦產(chǎn)資源開采過程中，需要將礦山上層地下水疏干，形成礦產(chǎn)資源開采礦洞，才能完成礦產(chǎn)資源開采工作。這一過程破壞了礦山水文地質(zhì)環(huán)境的水循環(huán)，迫使該區(qū)域形成新的地下水流動系統(tǒng)。然而，大量抽排的地下水，還是直接減少了礦山地下水含量。

此外，礦山水巖土力學(xué)、水文循環(huán)、滲流場等平衡以及含水層被破壞，導(dǎo)致礦山原本的含水層不再積蓄水資源，并且隨著原本的地下水流入開采的礦洞中不斷被疏干。與此同時，該含水層的上覆和下伏含水層，也因?yàn)槿鄙僭摵畬犹N(yùn)含的水資源滋潤，出現(xiàn)水資源急劇減少的現(xiàn)象，加大地下水水位下降幅度。

當(dāng)?shù)V山水文地質(zhì)環(huán)境出現(xiàn)地下水水位下降問題時，礦山周邊的河流缺少基流的流入，也會出現(xiàn)水位下降的現(xiàn)象，直接影響礦山周圍田地供水。若礦山所處區(qū)域?qū)儆诟珊祬^(qū)域，會迅速降低該區(qū)域土壤中的含水量，出現(xiàn)土壤黏結(jié)問題，導(dǎo)致土壤沙化、生態(tài)全面退化，造成難以挽回的生態(tài)環(huán)境問題。

此外，礦山巖層多為上覆沉積物堆疊而成，含水層被破壞后，在上層土層的壓力作用下，含水層會被進(jìn)一步壓密，出現(xiàn)地面沉降現(xiàn)象。若地層中還藏有溶洞，土層經(jīng)過地表水長時間浸泡后，使得松散沉積物坍落在溶洞中，形成大量塌陷洼坑和淤泥，乃至形成沼澤。

1.3 過量補(bǔ)充地表水

礦山抽排的地下水，會全部排入礦山周邊的河流中，從而增加地表水的含量。然而，非自然手段補(bǔ)充的地表水，會引起湖泊、河流、水庫等地表水水位上升，淹沒周邊建筑物、農(nóng)田和道路，給該區(qū)域造成經(jīng)濟(jì)損失。此外，超出河流承受能力的地表水，會大幅度增加地表土壤含水量，降低土壤密度，破壞巖土力學(xué)平衡，導(dǎo)致礦山周邊出現(xiàn)山體滑坡、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害。

1.4 地下水污染

礦山開采過程中，必然會產(chǎn)生大量廢棄礦渣，以及礦山粉塵和廢氣等污染物。而礦山開采排水這一過程需持續(xù)至礦山開采結(jié)束，其產(chǎn)生的采礦污染物不可避免地流入疏干地下水中，進(jìn)而被排入地表水中。此外，礦山開采過程中所破壞的含水層之間會相互連通，導(dǎo)致大量的有害元素與含水層中的水資源發(fā)生交換，進(jìn)入地下水循環(huán)。當(dāng)這些有害物質(zhì)進(jìn)入水資源循環(huán)后，將會大范圍污染地下水。

2 礦山水文地質(zhì)環(huán)境主控因素

礦山水文地質(zhì)環(huán)境主控因素主要指對地下水影響最大的因素[3]。為此，采用敏感性分析方法，量化不同因素對地下水影響程度，通過計算某一因素對地下水的靈敏度系數(shù)，確定礦山水文地質(zhì)環(huán)境主控因素，則某一因素對地下水的靈敏度系數(shù)計算公式如下式所示：

（1）式中，γik表示靈敏度系數(shù)，其閾值為[0,1]，當(dāng)γik=1時，xk對yi影響最大，屬于礦山水文地質(zhì)環(huán)境主控因素，當(dāng)γik=0時，xk對yi影響最小，不屬于礦山水文地質(zhì)環(huán)境主控因素；表示求偏導(dǎo)；xk(k=1,2,L,K)表示影響地下水變化的第k種因素，K表示影響因素數(shù)量；yi(i=1,2,L,I)表示在第k種因素影響下，地下水第i項(xiàng)參數(shù)變化值，I表示地下水參數(shù)數(shù)量；Δxk表示xk影響地下水變化后產(chǎn)生的變量。

根據(jù)（1）式所示的某一因素對地下水的靈敏度系數(shù)計算公式，采用數(shù)值模擬的方式，在其他因素不變的條件下改變xk，改變單一影響因素，判斷該因素對地下水水質(zhì)參數(shù)、源匯項(xiàng)、邊界條件等地下水參數(shù)的影響程度?；诖?，設(shè)計的主控因素判斷矩陣如表1所示。

表1 主控因素判斷矩陣

如表1所示的主控因素判斷矩陣，當(dāng)式（1）計算得到的靈敏度系數(shù)值，滿足表1所示的判斷矩陣時，該因素即會對地下水參數(shù)產(chǎn)生較大的影響，歸屬于礦山水文地質(zhì)環(huán)境主控因素，且“1”在表1所示的判斷矩陣中，占據(jù)范圍越大，該因素對于礦山水文地質(zhì)環(huán)境控制程度越高。

3 結(jié)語

綜上所述，礦山開采必然會破壞水文地質(zhì)環(huán)境，并且在破壞礦山的水文地質(zhì)環(huán)境的同時，還破壞了礦山所處區(qū)域的水文地質(zhì)環(huán)境，給該區(qū)域造成無可挽回的自然資源損失。為了降低礦山開采給礦山及其所處區(qū)域帶來的水文地質(zhì)環(huán)境，分析礦山水文地質(zhì)環(huán)境主控因素，為合理、規(guī)范的礦山開采行為提供依據(jù)。