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摘要：山東金嶺鐵礦是國內開采時間較早的地下開采鐵礦山，目前其下屬多個分礦山面臨資源枯竭，即將關閉的問題，從安全角度出發，目前對礦體開采后形成的采空區處理方法以膠結充填為主，治理成本較高。聯系礦山開采實際情況，對礦山關閉后利用采空區、巖石裂隙和開拓巷道等空間建設地下水庫工程的可行性進行了初步分析和探討。

關鍵詞：地下水庫工程；采空區；空隙；滲透系數；飽和單軸抗壓強度；軟化系數調蓄

水資源是解決水資源供需矛盾的重要途徑之一，除了利用江河湖泊等天然地表水體外，世界各國愈來愈多地通過修建水庫調蓄水資源。近幾十年來，我國修建了很多地表水庫，這些水庫在防洪抗旱方面發揮了重要作用，并帶來了巨大的經濟利益。與此同時，修建地表水庫也出現了不少問題。例如：庫區泥沙淤積、水庫壅水淤積、洪災加劇（如三門峽水庫）、水庫蒸發；水庫壅水及水庫滲漏引起次生沼澤化和鹽漬化，破壞生態環境；庫區移民加重社會經濟負擔等等。基于以上原因，發達國家正在利用地下含水層——地下水庫工程（ASR--aquiferstorageandrecovery）調蓄水資源，國外的提法是“含水層人工補給”或“含水層儲存與回采（ASR--aquiferstorageandrecovery）”，而在我國則被稱之為地下水庫工程。地下水庫的優勢：一是建設成本低，工程不占地、不移民,通過“一截一蓄”,達到蓄水功能；二是工程更安全，沒有垮壩的危險，對周邊生態環境不會造成破壞。修建地下水庫，可以多方面改善生態環境，例如：通過人工補給含水層抬升地下水位，可以消減因地下水超采形成的降落漏斗，緩解地面沉降。總之，利用地下水庫調蓄水資源，可以對含水層有計劃的補給與回采，實現含水層的可持續利用，有效改善生態環境，有必要大力發展地下水庫。

1國際上地下水庫建設情況

美國正在實施“含水層儲存回采ASR工程計劃”，到目前正在運行的ASR系統共有56個,而建成的系統則有100個以上。瑞典、荷蘭、德國、澳大利亞、日本、伊朗等國，都在實施地下水人工補給，以解決國內水資源短缺問題，瑞典、荷蘭和德國的人工補給含水層工程，在總供水中所占的份額分別達到20%、15%和10%。

2我國地下水庫工程建設情況

2.1整體情況。我國自1975年興建了第一個地下水庫——南宮地下水庫后，陸續修建了新疆烏拉泊洼地和柴窩堡盆地、石家莊滹沱河、陜西秦嶺山前、山東八里沙河和黃水河等地下水庫，為干旱區水資源的合理開發利用提供了新的思路。目前我國利用地下水庫工程技術調蓄水資源的工作又在北京西郊、山東龍口、大連旅順等地修建了地下水庫，積累了一些經驗，但是尚未取得較大成效。北京西郊地下水庫，是一個多年調節型地下水庫，該地下水庫利用舊河道、平原水庫、深井、廢棄砂石坑進行回灌，取得了一定的效果，使得永定河河床地下水位上升2~3m。山東龍口黃水河地下水庫,建成于1995年，是國內第一個設計功能較為完整的地下水庫，通過修建攔河閘、地下壩及大量引滲設施，聯合調蓄地表水與地下水，起到了阻斷海水入侵的作用，同時也改善了庫區的生態環境。2.2礦山地下水庫建設情況。徐州城市規劃區煤炭資源開采已經形成了約140km2的采空區，據初步估算，14個關閉煤礦采空區儲水量可達7853×104m3，可為徐州市應急供水提供新水源。江蘇徐州市人民政府、江蘇省國土資源廳合作項目“徐州城市地質調查”項目——“徐州煤礦采空區地下水庫建庫可行性研究”已經完成，結論是徐州城市規劃區采空區具備修建地下水庫的基本條件。

3礦區水文地質和采空區概況

3.1區域地質。礦區位于魯西地塊（Ⅱ）東北部，魯中隆塊（Ⅲ）北部，泰山—沂山隆起（Ⅳ）北東，鄒平—周村凹陷（Ⅴ）北緣。金嶺鐵礦區地處山東中部淄博盆地的東北邊緣。淄博盆地位于泰、沂隆起的北部，齊河淄博凹陷的東端；北以齊河廣饒深大斷裂和益都深大斷裂為界；東至淄河斷層；南靠泰魯凸起；西至文祖斷裂；面積約6000km2。該盆地的地形特征為南端收斂高聳，向北傾伏開闊，東西兩邊隆起，中部平坦，地形南高北低。該區氣候屬干旱、半干旱氣候區，多年平均降雨約640mm。該盆地的地層結構自老至新依次有：太古界花崗片麻巖、寒武系、奧陶系、石炭二疊系、白堊系及第四系地層，燕山期火成巖在盆地中有零星分布。該區構造如褶皺、斷裂均較發育，與礦區有關的如湖田向斜、金嶺短軸背斜，張店斷層、金嶺斷層等。礦床類型為經過交代作用形成的矽卡巖型鐵礦床。3.2水文地質條件。3.2.1自然地理。該區氣候屬北溫帶大陸季風區，四季分明。夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。多年平均氣溫13℃左右，多年平均降雨量640mm左右。礦區內地表水系不發育，僅在礦區東北面4km處有一條烏河，全長約40km，原為常年流水，現全年干枯，夏季偶爾有流水。3.2.2主要含水層。（1）奧陶系中統馬家溝組灰巖巖溶裂隙含水層。該層灰巖在礦區南部出露，總面積40km2。巖體周邊灰巖，多為礦體直接頂板，不論在地表或地下，灰巖巖溶均不發育，裂隙比較發育，是地下水的主要運移通道和蓄水空間。從總體看，礦區內灰巖巖溶不發育，裂隙較發育，其富水性弱或較弱，灰巖含水層在平面上富水性不均，在剖面上表現為上部較強，下部較弱。由于灰巖在剖面上的分帶性，特別是礦體直接頂板有一層灰巖裂隙被熱液礦物所充填，稱為熱液礦物充填帶，厚約30~120m，基本上不含水且隔水，對簡化礦區水文地質條件和礦床開采是十分有利的。水質在灰巖出露區為礦化度小于0.5g/L的HCO-3型淡水，隨著埋藏深度的增加逐漸過渡到1g/L的SO2-4-HCO-3型水，至北部深埋區，則變為3g/L的SO2-4高礦化水。（2）第四系砂礫石孔隙含水層。它是淄河沖、洪積扇的邊緣擴展部分，由中至細粒砂層組成，厚度不等，厚度有礦區南薄北厚、西薄東厚的特點。如辛莊礦床138號孔竟厚達40m。主要分布在邊辛莊、召口、侯莊一帶。其含水性亦較沖、洪積扇主體弱些。單位涌水量在侯莊一帶最大為2.36L/（s•m），平均滲透系數為7.604m/d，含水層相關水文地質參數詳見表1。3.2.3含水層之間及地下水與地表水的水力聯系。由于礦區內第四系地層底部有一巨厚的粘土層與下伏灰巖接觸，因此一般情況下，灰巖地下水與第四系砂礫石地下水無水力聯系，但在北金召北和邊辛莊礦床有第四系“天窗”的存在，使上述兩含水層發生水力聯系，且灰巖地下水補給第四系砂礫石地下水。但由于數十年來礦山開采疏干灰巖地下水及第四系砂礫石地下水的人為開采，目前第四系“天窗”及附近周邊地帶，第四系砂礫石含水層已經干涸，處于疏干狀態。灰巖地下水水位早已降至第四系底板以下。故第四系砂礫石含水層之地下水，對礦山開采無充水威脅。灰巖含水層與石炭二疊系砂頁巖裂隙含水層，有水力聯系，且后者補給前者。但由于砂頁巖裂隙含水層富水性微弱，水量有限，對礦山開采不具充水威脅。閃長巖裂隙含水層與灰巖含水層有水力聯系，且前者補給后者。但由于閃長巖裂隙水含水層富水性微弱，水量有限，對礦山開采不具充水威脅。礦區內僅有一地表水流烏河，現已干枯，僅在雨季有短暫水流，且距礦區4km以外，它與第四系潛水有水力聯系，且潛水補給河水。3.2.4礦區水文地質邊界條件及灰巖地下水的運動及動態。灰巖地下水是礦區諸礦床開采的主要充水水源，其補給、徑流、排泄條件，是評價礦區水文地質條件復雜程度的主要因素，而它們又是受礦區水文地質邊界條件的嚴格制約和控制的。因此正確認識和刻化礦區水文地質邊界條件，在任何時候都是至關重要的。礦區南部邊界湖田向斜，其南北兩翼灰巖地下水水力聯系甚弱，區域灰巖地下水難以透過向斜軸部補給礦區灰巖地下水，湖田向斜可以作為礦區南部和東南部的阻力屏障。礦區的東部邊界為金嶺斷層，盡管斷層南段是透水的，但斷層破碎帶并不富水，礦區灰巖地下水也不會獲得斷層以東大量的補給。故金嶺斷層可以作為礦區的東部隔水邊界，斷層對相鄰礦床的開采不具充水意義。張店斷層位于礦區西部，是礦區西部的隔水邊界。北高陽斷層位于礦區的北部，是礦區北部的隔水邊界。礦區南部裸露灰巖，接受大氣降水補給，這是礦區灰巖地下水的主要補給源，但補給量有限。灰巖地下水順地形坡降自南向北運動，天然情況下通過第四系“天窗”補給上覆第四系礦礫石含水層，是其唯一排泄形式。目前大量礦山已開采，礦山生產疏干灰巖地下水是灰巖地下水的唯一排泄形式。3.3采空區概況。山東金嶺鐵礦區的開采歷史可以上溯到春秋戰國時期，1948年淄博解放后方進行較大規模的開采，從20世紀60年代中期轉入地下開采，目前下轄鐵山辛莊礦、侯莊礦和召口礦3個分礦區，年產鐵精份110×104t，屬于較大規模的地下開采礦山。礦區周邊存在順達鐵礦、金地鐵礦、付山鐵礦、晶新鐵礦、金龍鐵礦、金拓鐵礦等十幾個較大規模鄉鎮開采的礦山。總礦區面積約80km2。經統計，山東金嶺鐵礦區范圍內累計采出磁鐵礦石約4800×104t，形成采空區面積約200×104m2的采空區，采空區埋藏深度自-47~-649m。

4采空區地下水庫工程建設條件分析

4.1采空區地下水庫儲水空間估算。采空區地下水庫主要是利用采空區破斷垮落巖體間的自由空隙進行蓄水，水庫庫容即采空區范圍內垮落巖體的自由空隙總體積，采空區的空間大小決定了地下水庫庫容大小，采用容積法計算采空區儲水量（即地下水庫庫容），估算公式如下：W=KMScosα式中：W——采空區儲水量（地下水庫庫容），m3；M——采空區礦層平均采高，取5m；S——采空區面積，取256×104m2；Α——礦層平均傾角，取28°；K——充水系數（取值范圍0.25~0.5），取0.35。經估算，礦區內采空區總體積約1280×104m3，可儲水總量（地下水庫庫容）約507.39×104m3。4.2采空區地下水庫水質狀態。采空區水質是構建地下水庫的重要因素，出庫水質應基本符合《地下水環境質量標準》的Ⅲ類水標準。山東金嶺鐵礦區地下開采礦山礦坑涌水主要來自作為礦體直接頂的奧陶系灰巖溶隙承壓含水層，水質在灰巖出露區為礦化度小于0.5g/L的HCO-3型淡水，隨著埋藏深度的增加逐漸過渡到1g/L的SO2-4-HCO-3型水，至北部深埋區，則變為3g/L的SO2-4高礦化水，從礦區礦坑涌水多年來的水質分析資料來看，能夠滿足作為工業生產用水和農田灌溉用水的水質要求，礦化度、硫酸鹽、氯化物、總硬度等指標超過國家飲用水標準（GB5749-2006），礦坑涌水各項指標化驗結果低于《地下水環境質量標準》的Ⅲ類水標準數值。4.3采空區地下水動態調蓄能力采空區地下水庫的調蓄能力是地下水庫應急供水的資源保障。雖然礦坑涌水主要為奧陶系灰巖溶隙承壓水，但在礦區范圍內，局部因第四系底部隔水粘土層的缺失而形成“天窗”，礦床開采排水形成地下水降落漏斗，第四系孔隙潛水通過“天窗”與奧灰水發生直接水力聯系，也進入礦坑涌水中。因此礦坑涌水的補給能力較強。目前山東金嶺鐵區總礦坑涌水量約5.5×104m3/d，其中鐵山辛莊礦15000m3/d，侯莊礦16000m3/d，召口礦13000m3/d，其他為周邊農采礦山排水。鐵山辛莊礦礦坑排水一直為生產供水水源使用，該礦于2015年因資源枯竭而關閉，停止井下排水后改為地表鉆孔取水方式滿足生產用水需要，在每天提取生產用水6500m3的情況下，地下水位由-460m上升至-41m。以此類推，礦區地下水庫工程建設完成后，其動態補給能力約23800m3/d。

5采空區地下水庫運行安全性分析

采空區地下水庫工程的壩體主要由保安礦（巖）柱和隔水巖層組成，正常情況下起到隔水作用，但采礦活動使礦（巖）柱中的裂隙擴大，地下水通過裂隙進入后破壞了其原有的應力平衡狀態，采空區出現巖體孔隙、裂隙和空洞的再壓密，并伴隨巖塊的轉動和蠕變等出現“活化”現象，一旦采空區頂板垮落將導致地面沉降或局部塌落，形成地質災害。因此采空區地下水庫的穩定性是構建地下水庫的關鍵。山東金嶺鐵礦區內的磁鐵礦石為原生磁鐵礦，礦體賦存于閃長巖體與灰巖的接觸帶及接觸帶與假整合面構造的復合部位，主要為中細粒結構，致密塊狀、斑雜狀等構造，節理裂隙不發育，堅硬或較堅硬，穩固性較好，做礦體頂的結晶灰巖或大理巖的物理力學性質雖然略遜于礦石，但底板閃長巖的各項物理力學指標明顯優于礦石（詳見表2），并且軟化系數一項均大于0.75，說明是非軟化巖石，地下水的浸泡對其物理力學性質影響甚微，可不予考慮。因此，礦區范圍內利用采空區建設地下水庫結構穩定，不會引發采空區的“活化”現象。

6結論和建議

6.1主要結論。山東金嶺鐵礦采空區地下水庫工程是以采空區破斷垮落巖體間的自由空間及巷道為蓄水空間，據估算可蓄水總量（地下水庫庫容）約507.39×104m3，動態補給能力約23800m3/d；礦坑涌水各項指標化驗結果低于《地下水環境質量標準》的Ⅲ類水標準數值，能夠滿足作為工業生產用水和農田灌溉用水的水質要求，礦化度、硫酸鹽、氯化物、總硬度等指標超過國家飲用水標準（GB5749-2006）；礦巖各項物理力學指標表明，采空區作為地下水庫庫體結構穩定。因此，山東金嶺鐵礦采空區具備修建地下水庫工程的基本條件。6.2主要建議。本文只是從采空區儲水空間、動態補給、水質狀態等方面進行了分析研究，但礦井中遺留的廢棄物對地下水的污染機理、礦井內地下水在水位恢復過程中與圍巖及其保護礦（巖）柱之間的水巖作用機理及其水動力與水質演化效應、礦坑水再利用可能誘發的環境地質問題及其防控技術等問題亟待研究。礦山關閉后原有的疏排地下水的設施都已撤離，如何利用未封閉的井筒或者大口徑鉆孔抽取礦坑水，其合理性和安全性也是將來研究的問題。

參考文獻：

[1]GB50027-2001供水水文地質勘察規范[S].中國計劃出版社，2001.

[2]水文地質手冊[M].2版.北京：地質出版社，2012.

[3]山東金嶺鐵礦志（第一、二、三卷）[M].

作者:姜曉平 單位:山東正元地質勘查院