某大水礦山地下水資源綜合利用與回灌技術

游紅江

（1.華北有色工程勘察院有限公司；2.河北省礦山地下水安全技術創新中心）

近年來隨著科學技術日新月異發展，我國從20世紀70 年代開始大規模開發地下水資源，但由于在地下水資源開發和利用中缺乏合理的管理，造成了水資源極大浪費。尤其是礦山開采逐步由淺部向深部延伸，許多礦山地下水資源無措施、無規劃亂排放，造成區域地下位急劇下降，礦山開采過程中如何保護地下水資源顯得尤為重要。目前我國地下水資源嚴重匱乏，國家對生態、環境、地下水資源保護意識增強，生態文明建設應與經濟建設協同發展，“綠水青山就是金山銀山”。故礦山開采過程中，必須尋求一條綠色、環保開采思路。某礦處于邢臺百泉泉域地下水強逕流帶中，礦區中奧陶系石灰巖含水層裂隙巖溶發育，透水性強，富水性好，與區域含水層連通好，是礦區主要含水層。

從水害防控和礦山環境方面來看，該礦山開采面臨著兩大問題：①由于該礦山水文地質條件較復雜，且為深、大水礦山，治理水患是首要問題；②當地政府從生態環境保護方面要求“礦坑疏干實現地表零排放”目標，成為礦山面臨的關鍵問題。因此，為合理開發礦產資源和保護區域地下水資源、周圍生態環境保護，須采取有效手段封堵或切斷礦區與周圍區域地下水聯系，從而達到減少礦坑排水量，又能保證礦山后續開采技術上安全、可靠；并且，后續疏干期間對礦坑水綜合利用，能更好地保護區域水資源和周圍生態環境，實現生態環境保護與資源開發同步，走可持續性發展道路。

1 礦區水文地質條件

礦區有4個含水層組：第四系松散巖類孔隙含水巖組（平均厚度72 m），石炭、二迭系薄層灰巖和砂頁巖裂隙含水巖組（平均厚度24.2 m），寒武、奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組（平均厚度416 m），燕山期巖漿巖風化裂隙弱含水巖組。

由于礦床埋藏深，主要含水層奧陶系中統灰巖為圍巖和頂板，厚度大、分布廣，富水性強，具有豐富的動、靜儲量，預測-230 m 中段正常年份礦坑涌水量為12.22×104m3/d，礦區水文地質條件較復雜。

2 防治水技術手段

為保護區域地下水資源，合理開發礦產資源，該礦山先后實施了全封閉帷幕注漿工程和礦坑水回灌工程，井巷開拓系統建設工作已接近尾聲。

該礦前期采取了堵排相結合，以堵為主的治水方案，采用全封閉型單排帷幕注漿方法堵截礦山地下水，限制了地下水降落漏斗的擴展范圍，降低了礦坑涌水量。不僅有效解決礦山水患問題，又保護了地下水資源，且經濟合理。

該礦采用帷幕注漿技術封堵了礦坑水與區域地下水力聯系后，根據設計堵水率（堵水目標為80%）計算，正式開采后仍有30 000 m3/d 礦坑水排出地表，為礦山資源的開采與建設以及后期礦山的安全高效運營奠定了基礎，目前礦坑總排放量約為20 000 m3/d。

3 礦坑水綜合利用與回灌

3.1 礦坑水綜合利用

為實現礦坑水零排放的目標，該礦山提出將帷幕內剩余20%的礦坑水經處理后，多余部分直接回灌的設想，礦坑疏干水經處理后主要用途為采礦、選礦等生產用水以及生活用水。

3.2 多余水回灌

多余部分礦坑水采用回灌技術來進一步加大對地下水資源和水環境的保護力度。礦坑水防治水—處理—回灌系統見圖1。

地下水取水容易而回灌難，選擇最有利回灌區域并進行回灌試驗，進而確定回灌層位、回灌量、回灌方式及其他參數。

3.2.1 回灌區選擇主要原則

（1）首先應為區域地下水徑流方向下游，距離帷幕線越遠越好，這樣既能保證回灌影響范圍，有利于地下水擴散；又能防止回灌水返流，對礦區內水位影響。

（2）地層透水性強弱決定了回灌能力大小，故在回灌區域內選擇地層滲透性較強且與區域含水層連通性較好的部位，這樣有利于回灌過程中地下水及時疏通、排泄。

3.2.2 物探手段

在選定有利區域內采用可控源音頻大地電磁勘查手段進行物探測試，探測地下裂隙巖溶發育帶，確定較強透水帶位置，為回灌井布置提供依據。并通過偵查孔進一步驗證回灌井位置選擇是否合理，從而使回灌井的施工做到有的放矢，避免因地層透水性不詳導致回灌井無法達到設計回灌量。其次，進行回灌井成井施工并逐段進行回灌試驗，以確定回灌地層及回灌能力。

3.2.3 回灌試驗

回灌試驗的目的是確定回灌段、回灌井數量及回灌方式，檢測地層的回灌能力，為后續整體回灌井施工提供相應依據。

3.2.4 回灌井結構設計

回灌井口徑直接關系到回灌量的大小，需要根據區域水文地質情況及回灌試驗井施工設備能力綜合考慮。初步設計回灌井-179.0 m 以上口徑不小于377 mm，終孔口徑不小于325 mm，因為該有利回灌區域地層標高-300 m 以下為透水性較弱的奧陶系灰巖及燕山期巖漿巖地層，故回灌井的深度設計標高為-300 m，回灌井結構見圖2。

3.2.5 回灌試驗段滲透性

因帷幕注漿頂板標高為+100 m，為避免回灌水倒流至帷幕內，故回灌試驗時回灌水位不宜超過標高+90 m。根據回灌試驗，該區域石灰巖地層在垂向上有3 層裂隙巖溶較發育，作為回灌段位，試驗段試驗結果見表1。

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根據回灌試驗結論，后期回灌井施工時依據相應偵查孔在該3 個段位壓（注）水試驗以單位涌水量2 L/s·m 作為滿足回灌要求的地層評判標準，且鉆孔單位涌水量q 富水性屬于強富水層位［1］，從而指導回灌井井位選擇。

3.2.6 回灌井數量

考慮未來礦坑疏干的影響和區域水位的下降，同時地下水以上地段將無法進行沖洗因回灌而造成的裂隙堵塞。因此，本次設計主要回灌段為③層。礦山投產后該礦礦坑水回灌量按3.00 萬m3/d 計算。根據回灌試驗，該回灌層位預計單井回灌量可達到496.8 m3/h（回灌井水位抬升至+90.0 m時）。

回灌試驗群井回灌公式

式中，n為增加回灌井數量，口；S總為回灌井內水位抬升高度，取回灌井水位抬升至+90.0 m 時的高度，m；Q為回灌量，取496.8 m3/h。

根據公式（1）計算本試驗段回灌量，可知當n=3時能滿足回灌設計要求。考慮群井回灌對回灌能力的影響，長期回灌造成堵塞，單井回灌能力降低，以及本礦區灰巖含水層巖溶裂隙發育的不均一性，故設計回灌井數量為7 口，每3 口為一個回灌組，分為2個回灌組，1口備用。

3.2.7 回灌方式

目前常用的地下水回灌方法有真空回灌、加壓回灌和無壓自流回灌等。無壓回灌方式是將處理后的礦坑水通過管道注入回灌井內，具有造價經濟、操作簡單等特點，但是其回灌能力受限制。加壓回灌方式是采用固管措施，用大泵量水泵通過管道回灌，并在井口進行封閉，同時安裝壓力表，確定壓力、流量之間的關系。加壓回灌方式為加壓泵回灌，運行成本高［2］，由于本礦區礦坑水處理池與回灌井水位相差約240 m，從經濟效果及方案可行性等多方面綜合考慮，采用無壓自流回灌方式。

3.2.8 回灌井回揚

由于回灌過程中的各種原因會導致回灌井裂隙堵塞，回灌能力下降，這樣會引起回灌效率的降低。當回灌井回灌能力低于本井回灌能力70%時，需進行地下水回揚。

3.2.9 地下水水質要求

對于回灌水質要求礦坑水凈化處理后須達到Ⅲ類地下水標準，目的是不會因為回灌水水質而對地下水產生影響和保證回灌井運行壽命，故而設計布置5眼觀測孔對地下水水質進行動態監測［3］。

3.2.10 回灌水位動態觀測

根據回灌試驗所得的回灌區域地層水文地質參數推算回灌影響范圍。利用抽水試驗影響半徑公式計算此影響范圍

式中，R為回灌影響半徑，m；S為當回灌量為1 250 m3/h（30 000 m3/d）時，回灌井內水位抬升高度，取回灌井水位抬升至+90.0m 時的高度，m；H為含水層厚度，取300 m；k為取回灌層位在-179.0～-300.0 m時的滲透系數，為1.04 m/d。

根據公式（2）計算得出R=2 480 m。由于抽水存在著壓力的傳遞效應，而回灌靠的是自身壓力的擴散，因此回灌的影響半徑要小于由抽水試驗公式計算出的半徑2 480 m。

結合回灌影響區域，根據地層的構造和抽水試驗漏斗的擴散方向布置17 眼水位監測孔（依據規范規定，巖溶山區水位監測系統觀測孔布置密度不小于6 眼/10 km2，最大布置密度14 眼/10 km2）［4-5］，對地下水水位進行定期監測的動態變化。

3.2.11 回灌效益

通過回灌技術，礦坑水經過處理后，除了滿足生產、生活用水外，剩余部分通過回灌設施全部回灌地下，既保護區域地下水資源、也不會造成對周圍生態環境污染。

（1）經濟效益。為了減少礦坑地下水的排放，在礦體周圍布置并實施了堵水帷幕，根據帷幕堵水目標，帷幕實施后礦坑涌水量最大為3 萬m3/d。采取地下水回灌措施后，每年可節約政府征收水資源費近3 000多萬元，具有可觀的經濟效益。

（2）環境效益。通過礦坑水回灌工程的實施，實現了礦坑水地面零排放，進一步保護礦區及周邊的地下水資源，防止地下水降落漏斗的擴大。為附近村民生活飲用水涵養了水源，對整個區域的水生態環境修復起到了積極作用。

4 結 論

某礦山在地下水資源保護方面采用帷幕注漿技術及回灌技術的實施，走出了一條防水、治水、綜合利用地下水資源之路，從而實現了礦坑水零排放的目標及礦山資源開發規劃與生態環境保護同步，礦山開采利用與生態修復治理同步，走可持續發展綠色道路，對其他類似礦山地下水資源保護和周圍生態環境保護起到借鑒作用。