遼寧撫順西露天煤礦涌水研究

石旭飛，江 山，崔 健，郭常來

中國地質調查局沈陽地質調查中心，遼寧沈陽 110034

0 引言

遼寧撫順西露天煤礦有近百年的開采歷史，為國家的經濟發展做出了巨大貢獻.由于西露天礦邊坡地質災害頻發［1-6］，且位于撫順中心城區，對城市的環境、生存空間及發展影響巨大［7-9］，是撫順作為資源枯竭型城市轉型升級的重要阻礙.

影響邊坡穩定性的因素主要有高陡邊坡的重力作用［10-13］、降雨［14］和地下水滲流［15-16］.地下水滲流可使西露天礦泥頁巖質邊坡軟化、泥化，同時由于滲流作用而造成泥頁巖質邊坡體積膨脹，產生較大膨脹壓力，造成邊坡失穩［16-17］.西露天礦近半數邊坡滑坡發生在6—9 月份雨季.強降雨條件下，隨著地下水位升高，邊坡巖體的靜水壓力加大，邊坡軟質巖層的泥化過程加快，邊坡巖石地質體的力學強度降低［17-18］.因此，為定量研究地下水滲流對西露天礦邊坡穩定性的影響以及制定科學的排水方案，就需要深入研究西露天礦的涌水來源及其補給量.

本研究基于已有地質工作，利用水文地質鉆探、同位素技術、水位統測等方法，分析西露天礦涌水來源，進而評價各來源對西露天礦涌水的補給量，為西露天礦地質災害評估和礦坑規劃利用提供水文地質科學依據.

1 礦區及周邊地質概況

撫順西露天煤礦位于撫順市區南部，礦坑上部尺寸約6600 m×2200 m，底部尺寸約3700 m×400 m［19］，深380～420 m.西露天礦北面為渾河河谷沖積平原，南為丘陵山地，西為古城子河河谷地帶，東為東露天礦.

西露天礦附近地表水系主要有渾河、古城子河.渾河是撫順地區的主要干流，位于礦區北部，平行西露天礦北幫由東向西流經撫順市區，距離北幫1.4～1.8 km，水力坡度約1.2‰.古城子河位于礦區西部，是渾河主要支流之一，由東南向西北匯入渾河干流（圖1）.

圖1 西露天礦區及周邊鉆孔分布圖Fig.1 Distribution map of boreholes within and around the West Open-Pit Mine

礦區北部上覆第四系松散巖層，主要分布于渾河河谷地帶，厚度12～13 m，含水層巖性主要為砂礫石或卵石，上部有少量亞黏土或亞砂土，夾細砂層；下伏基巖主要為花崗片麻巖和古近系泥巖、頁巖，為基巖裂隙弱含水層（圖2）.西露天礦南幫第四系松散巖層主要分布于西端的古城子河階地和東段及楊柏河、劉山河古河道，巖性主要為中細砂、粗砂、礫石，厚度10～20 m，下伏基巖主要為玄武巖和凝灰巖.

圖2 西露天礦北部水文地質剖面圖Fig.2 Hydrogeological profile in the north of the West Open-Pit Mine

2 研究方法

2.1 鉆孔布設

為獲取計算西露天礦涌水量的相關參數，本研究共收集礦區周邊鉆孔34 個（Z1—Z34），主要分布于西露天礦南部和東北部，在礦區北部和西部鉆孔資料較少.因此，本研究在西露天礦北部和西部共布設水文地質鉆孔22 個（S1—S22），總進尺600 m.各鉆孔分布和參數見圖1 和表1.

表1 西露天礦周邊第四系含水層底板高程統計表Table 1 Floor elevations of Quaternary aquifer around the West Open-Pit Mine

2.2 水位統測

為查明西露天礦周邊地下水流場和補徑排條件，本研究在西露天礦周邊地區進行了水位統測共80 點次，水位統測點分布見圖3.

圖3 西露天礦周邊同位素樣品和水位統測點分布圖Fig.3 Distribution of isotope samples and water level measurement points around the West Open-Pit Mine

2.3 同位素樣品采集和測試

為研究西露天礦坑涌水來源，在礦區周邊采集地下水和地表水同位素樣品20 件，其中渾河水樣品3件，古城子河水樣品2 件，地下水樣品11 件，礦坑涌水樣品4 件.同位素樣品分布見圖1，樣品由中國地質科學院水文地質環境地質研究所測試完成，測試結果見表2.

3 涌水來源分析

由西露天礦周邊地表水和地下水樣品同位素組成（圖4）可以看出，礦坑涌水氫氧穩定同位素組成在大氣降水線附近，并且與地下水和渾河水氫氧穩定同位素組成比較接近，表明西露天礦涌水主要來源于大氣降水、地下水和渾河水，古城子河對涌水的補給較少.

圖4 西露天礦周邊地表水和地下水樣品同位素組成分布圖Fig.4 Isotopic composition distribution of surface water and groundwater samples around the West Open-Pit Mine

根據水位統測結果，渾河水位為69.2～74.7 m，古城子河水位為69.7～72.3 m.西露天礦北幫與渾河、古城子河之間的第四系孔隙含水層連續分布，且含水層底板低于渾河、古城子河水位3～12 m，底板坡度約0.2%.渾河和古城子河沿途通過側向補給第四系孔隙潛水流向礦坑，從第四系底板直接滲出.

除第四系松散巖類含水層外，礦區及周邊還存在白堊系龍鳳坎組砂巖裂隙水含水層、古近系西露天組泥頁巖裂隙水含水層、古近系玄武巖夾凝灰巖含水層、鞍山群片麻巖含水層等弱含水層.上述含水層地下水沿基巖構造破碎帶和風化破碎帶側向流入西露天礦.

總體上，由于西露天礦不停地進行礦坑疏干，大量排泄地下水，周邊地下水向礦坑內徑流，形成一定范圍的人工流場，礦坑周邊地下水位急劇下降，水力梯度達8%～15%（圖5）.受西露天礦疏干影響，越靠近礦區，地下水位變幅越小（0.8～1.2 m）.

圖5 西露天礦周邊地下水等水位線圖Fig.5 Contour of groundwater level around the West Open-Pit Mine

4 涌水補給量評價

4.1 大氣降水對涌水的補給

大氣降水對涌水的補給量取決于降水量和礦坑匯水面積的大小，所以直接進入西露天礦的大氣降水量通過以下公式計算得出：

其中，H 雨為降雨量，A 為匯水面積.

通過對撫順水文站2010—2019 年的降水資料進行統計分析（表3），撫順市多年平均降水量為779.5 mm.根據西露天礦周邊地形條件，礦區降雨匯水面積約為12.8 km2.通過計算，直接進入西露天礦的大氣降水量為997.8×104m3/a.

表3 西露天礦歷年平均降雨量統計表Table 3 Average rainfall of the West Open-Pit Mine over the years

4.2 地表水對涌水的補給

由于渾河與西露天礦北幫距離較短（1.4～1.8 km），且渾河流向與西露天礦北幫走向基本平行（圖1），由礦區周邊鉆孔第四系含水層底板高程統計（表1）可知，渾河與西露天礦北幫之間的第四系含水層底板接近水平.因此，對渾河與西露天礦北幫之間的第四系松散巖類含水層進行如下概化：

1）含水層均質各向同性，第四系地層底板水平，上部降雨為均勻入滲；

2）渾河與西露天礦北幫之間的第四系含水層中的潛水流為一維漸變流，且趨于穩定；

3）渾河河床底板與第四系含水層底板位于同一水平面；

4）渾河與西露天礦北幫之間第四系松散巖類孔隙水不存在分水嶺.

基于以上概化，渾河對西露天礦的補給單寬流量可用以下公式計算［20］：

其中，K—渾河與西露天礦北幫之間的第四系含水層滲透系數（m/d）；l—渾河與西露天礦北幫之間的距離（m）；h1—渾河水面至底板的距離（m）；h2—西露天礦北幫潛水水面至底板的距離（m）；W—渾河與西露天礦北幫之間單位時間、單位面積上的降雨入滲補給量（m/d）.

渾河對西露天礦的年度補給量可用以下公式計算：

其中L 為西露天礦北幫長度.

西露天礦北幫長度（L）取值為6 500 m，渾河與礦北幫之間的距離（l）取值為1 600 m.根據已有資料，降雨滲入補給系數α 取值0.23.通過S10 鉆孔抽水試驗計算得出的滲透系數為104.1 m/d.結合水位統測結果，計算得出渾河對西露天礦涌水的補給量為1 115.7×104m3/a.

古城子河主要通過西幫對西露天礦補給，其補給量的計算方法與渾河相同.其中西露天礦西幫長度取值為2 200 m，古城子河與西幫之間的平均距離取值為1 100 m.結合水位統測結果，計算得出古城子河對西露天礦的補給量計算結果為177.9×104m3/a.

4.3 地下水對涌水的補給

由于西露天礦周邊基巖裂隙含水層富水性較弱，且經過實地勘察礦區基巖裂隙水滲水點出水量較小，多為點狀出水，且形成水流的出水點較少，故本研究僅計算第四系松散巖類含水層地下水對西露天礦涌水的補給量.

由于西露天礦東幫范圍較小，且在東露天礦多年共同疏干作用下，其含水層的地下水賦存較少，而北幫和西幫地下水對西露天礦涌水的補給量已包含在渾河和古城子河對西露天礦涌水的補給量中，所以僅計算西露天礦南幫地下水對涌水的補給量.

由鉆孔揭露的地層信息來看，西露天礦南幫第四系松散巖類含水層主要分布于西端的古城子河階地（Z25 鉆孔）和礦區東段及楊柏河、劉山河古河道（Z30、Z31、Z32 鉆孔），含水層巖性主要為中細砂、粗砂及礫石，厚度10.4～32.2 m，滲透系數約30 m/d.

從地下水位統測數據來看，南幫西端第四系松散巖類含水層接近疏干，其地下水位低于第四系松散巖類含水層底板，故南幫地下水對西露天礦涌水補給量的計算范圍僅為南幫東段第四系松散巖類含水層.

基于以上概化，南幫地下水對西露天礦的補給單寬流量可用以下公式計算［20］：

其中，K—第四系含水層滲透系數（m/d）；l—地下水補給區與西露天礦南幫之間的距離（m）；h1—補給區地下水位至底板的距離（m）；h2—西露天礦南幫地下水位至底板的距離（m）；W—西露天礦南幫單位時間、單位面積上的降雨入滲補給量（m/d）.

地下水對西露天礦的年度滲漏補給量可用以下公式計算：

其中L 為西露天礦南幫長度.

通過以上公式，結合地下水位統測結果和鉆孔揭露的地層信息，計算可得南幫地下水對西露天礦的年度滲漏補給量為186.4×104m3/a.

綜上，通過計算，周邊地區進入西露天礦的總水量為2 477.8×104m3/a，來源主要為北幫渾河通過第四系含水層側向補給和大氣降水補給.其中北幫渾河側向補給的涌水量約1 115.7×104m3/a，約占45.0%；大氣降水直接降入礦坑水量約997.8×104m3/a，約占40.3%.西幫涌水量約177.9×104m3/a，約占7.2%，主要來源為古城子河側向補給；南幫涌水量約186.4×104m3/a，約占7.5%，主要來源為地下水通過楊柏河、劉山河古河道等地段側向徑流補給；東幫在東露天礦影響下接近疏干.

4.4 涌水補給量計算結果分析

根據已有資料，西露天礦2010—2019 年排水量見表4.

表4 西露天礦排水量統計表Table 4 Water drainage of the West Open-Pit Mine

由表4 可知，近10 年西露天礦平均排水量為2 339.6×104m3/a，計算得出周邊地區進入西露天礦的總水量為2 477.8×104m3/a，二者相差為5.6%，表明計算得出周邊地區進入西露天礦的總水量與西露天礦排水量基本達到平衡，進入西露天礦的總水量計算值較合理.

5 結論

1）西露天礦坑是區域地下水匯集區，周邊地下水向礦坑內徑流.地下水通過第四系松散巖類孔隙、基巖構造破碎帶和風化破碎帶側向流入西露天礦.受西露天礦疏干影響，礦坑周邊地下水位急劇下降，水力梯度達8%～15%.

2）周邊地區進入西露天礦的總水量為2 477.8×104m3/a，來源主要為北幫渾河通過第四系含水層側向補給和大氣降水補給.其中北幫渾河側向補給的涌水量約1 115.7×104m3/a，約占45.0%；大氣降水直接降入礦坑水量約997.8×104m3/a，約占40.3%.

3）古城子河通過西露天礦西幫側向補給礦坑的水量約177.9×104m3/a；地下水通過南幫楊柏河、劉山河古河道等地段側向徑流補給的水量約186.4×104m3/a；東幫涌水在東露天礦影響下接近疏干.