磁窯堡地區(qū)煤矸石堆淋濾液對(duì)地下水的影響分析＊

張一冰

（寧夏回族自治區(qū)水文環(huán)境地質(zhì)勘察院，寧夏 銀川 750021）

煤矸石是采煤過程和洗煤過程中排放的固體廢物，是一種在成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量較低、比煤堅(jiān)硬的黑灰色巖石。當(dāng)?shù)氐V企業(yè)都將煤矸石堆放在固定的堆放場，不再進(jìn)行利用。隨著采礦活動(dòng)的進(jìn)行，煤矸石的堆放也越來越多，占地面積亦越來越大，造成了原生地貌景觀的破壞。并且煤矸石中硫化物的逸出和浸出會(huì)對(duì)大氣、農(nóng)田和水體造成污染。本文主要對(duì)磁窯堡地區(qū)煤矸石淋濾液對(duì)地下水影響進(jìn)行分析，通過對(duì)區(qū)內(nèi)不同巖性包氣帶進(jìn)行雙環(huán)滲水試驗(yàn)，并通過試驗(yàn)概算出淋濾液入滲至地下水的時(shí)間。

1 研究區(qū)概況

磁窯堡位于寧夏靈武市東部約28 km處，屬中溫帶內(nèi)陸干旱氣候區(qū)，多年平均氣溫9.47℃，其中1月份多年平均氣溫-7.26℃，為全年最低；年平均降水量207.7 mm，年平均蒸發(fā)量1 844.3 mm，多集中在4—8月，占全年蒸發(fā)量的64.86%，蒸發(fā)量與氣溫呈現(xiàn)出正相關(guān)性；區(qū)內(nèi)地貌類型主要以風(fēng)積沙地為主，植被主要以荒漠草原植被及沙生植被。研究區(qū)內(nèi)礦企較多，主要的礦種類型為煤炭。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次根據(jù)不同包氣帶巖性及不同位置，設(shè)置了13組滲水試驗(yàn)，其包氣帶巖性分別為細(xì)砂、粉砂、粘砂土、砂粘土、黃土狀粉土、粉砂（含泥）。

2.2 方法及數(shù)據(jù)處理

在試坑底嵌入兩個(gè)鐵環(huán)，內(nèi)、外環(huán)直徑分別為0.25 m和0.5 m，如圖1所示。將內(nèi)環(huán)與外環(huán)同時(shí)注水，控制內(nèi)部和外部的水面高度保持一直，設(shè)定水面高度為10 cm。用量杯取定量水注入內(nèi)環(huán)并開始計(jì)時(shí)，同時(shí)緩慢往外環(huán)注水并保持外環(huán)的水面高度在10 cm處不變。當(dāng)內(nèi)環(huán)中的水面高度降至10 cm處繼續(xù)加入定量水并讀取時(shí)間。重復(fù)上述工作至內(nèi)環(huán)定量水入滲時(shí)間穩(wěn)定次數(shù)在10次以上，可終止該組試驗(yàn)。

圖1 雙環(huán)滲水試驗(yàn)原理圖

最終包氣帶巖性滲透系數(shù)采用以下公式計(jì)算：

式（1）中：K為滲透系數(shù)，m/d；Q為穩(wěn)定滲水量，m3/d；L為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)水的入滲深度，試驗(yàn)后開挖確定；F為滲水面積，即內(nèi)環(huán)面積（直徑為25 cm），本次試驗(yàn)為0.049 m2；Hk為毛細(xì)壓力，取毛細(xì)上升高度的一半，根據(jù)茹林公式，按不同巖性取值；Z為滲坑內(nèi)水層的厚度，本次試驗(yàn)為0.10 m。

數(shù)據(jù)處理采用Excel。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)原理：穩(wěn)定入滲量Q根據(jù)試驗(yàn)固定加水量與穩(wěn)定入時(shí)間比值確定，穩(wěn)定入滲時(shí)間采用試驗(yàn)最后10組數(shù)據(jù)的平均值；入滲面積F采用內(nèi)環(huán)的面積（直徑25.0 cm），0.49 m2；入滲深度L根據(jù)試驗(yàn)后開挖試坑確定，這13組試驗(yàn)的入滲深度在0.12～0.81 m之間；毛細(xì)上升高度Hk采用表1所示的各種土的毛細(xì)上升高度經(jīng)驗(yàn)值選取；滲坑內(nèi)水層的厚度Z，本次試驗(yàn)統(tǒng)一使用0.10 m。

表1 各種土的毛細(xì)上升高度經(jīng)驗(yàn)值

包氣帶滲水試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2所示，通過對(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出不同地方的相同巖性，在不同條件下的垂直滲透系數(shù)也不一樣。

表2 包氣帶滲水試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

C01與L02分別在白芨灘自然保護(hù)區(qū)的東部和西部進(jìn)行的滲水試驗(yàn)，其巖性一致，均為細(xì)砂，但兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的滲透系數(shù)相差較大。C01試驗(yàn)點(diǎn)東10 m為圓疙瘩湖，地層中的細(xì)砂較為潮濕且松散，這是導(dǎo)致滲透系數(shù)比L02較大的主要原因。

C02、C03、C04三點(diǎn)的巖性均為粉砂，但其密實(shí)程度不一，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)差異較大，為了方便后續(xù)計(jì)算，將三種密實(shí)狀態(tài)的粉砂視為一類土，故其垂直滲透系數(shù)選取三者的平均值。

C09試驗(yàn)點(diǎn)主要巖性為粉砂，但其泥質(zhì)含量較高，整體土體較為密實(shí)，故試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出的垂向滲透系數(shù)較小。

根據(jù)各種試驗(yàn)參數(shù)的選取，利用試驗(yàn)原理公式，計(jì)算出各不同巖性包氣帶垂向滲透系數(shù)，繪制出不同巖性包氣帶滲水系統(tǒng)歷時(shí)曲線，如圖2～圖7所示。試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 （續(xù)）

圖2 L02（細(xì)砂）滲水試驗(yàn)歷時(shí)曲線圖

圖3 C04（粉砂）滲水試驗(yàn)歷時(shí)曲線圖

圖4 C09（粉砂含泥）滲水試驗(yàn)歷時(shí)曲線圖

圖5 C06（粘砂土）滲水試驗(yàn)歷時(shí)曲線圖

圖6 L03（砂粘土）滲水試驗(yàn)歷時(shí)曲線圖

圖7 L04（黃土狀粉土）滲水試驗(yàn)歷時(shí)曲線圖

表3 不同巖性包氣帶滲透系數(shù)計(jì)算表

根據(jù)磁窯堡區(qū)內(nèi)的煤矸石堆放的地方，確定包氣帶最小厚度為16 m，從“最壞”因素考慮，將包氣帶滲透系數(shù)選取滲水試驗(yàn)結(jié)果的最大值，14.183 7 m/d。即：

式（2）（3）（4）中：v為達(dá)西流速，m/d；K為包氣帶滲透系數(shù)，m/d；i為水力坡度，隨著時(shí)間的增大，水力坡度趨于1，即入滲速率v的數(shù)值等于滲透系數(shù)K；v′為實(shí)際流速，m/s；n為孔隙度，根據(jù)《水文地質(zhì)手冊（第二版）》，取為0.4；s為污染物在包氣帶中運(yùn)移最短距離，m，即包氣帶厚度；t為污染物入滲到地下水的時(shí)間，d。

計(jì)算得出，地表煤矸石淋濾液入滲到達(dá)地下水的時(shí)間為0.45 d。

由此可知，在飽水入滲條件下，煤矸石淋濾液最快會(huì)在0.45 d后入滲到地下水中。因此，應(yīng)對(duì)煤矸石堆進(jìn)行防滲措施，防止淋濾液擴(kuò)散。

4 結(jié)論

磁窯堡地區(qū)的包氣帶巖性主要為細(xì)砂、粉砂、粘砂土、砂粘土、黃土狀粉土、粉砂（含泥）。其滲透系數(shù)細(xì)砂＞粉砂＞粉砂（含泥）＞粘砂土＞砂粘土＞黃土狀粉土。通過對(duì)煤矸石淋濾液入滲情況“最壞”因素考慮，淋濾液在0.45 d后入滲至地下水中。