2023, Vol. 32
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辽宁抚顺西露天煤矿有近百年的开采历史, 为国家的经济发展做出了巨大贡献. 由于西露天矿边坡地质灾害频发[1-6], 且位于抚顺中心城区, 对城市的环境、生存空间及发展影响巨大[7-9], 是抚顺作为资源枯竭型城市转型升级的重要阻碍.
影响边坡稳定性的因素主要有高陡边坡的重力作用[10-13]、降雨[14]和地下水渗流[15-16]. 地下水渗流可使西露天矿泥页岩质边坡软化、泥化, 同时由于渗流作用而造成泥页岩质边坡体积膨胀, 产生较大膨胀压力, 造成边坡失稳[16-17]. 西露天矿近半数边坡滑坡发生在6-9月份雨季. 强降雨条件下, 随着地下水位升高, 边坡岩体的静水压力加大, 边坡软质岩层的泥化过程加快, 边坡岩石地质体的力学强度降低[17-18]. 因此, 为定量研究地下水渗流对西露天矿边坡稳定性的影响以及制定科学的排水方案, 就需要深入研究西露天矿的涌水来源及其补给量.
本研究基于已有地质工作, 利用水文地质钻探、同位素技术、水位统测等方法, 分析西露天矿涌水来源, 进而评价各来源对西露天矿涌水的补给量, 为西露天矿地质灾害评估和矿坑规划利用提供水文地质科学依据.
1 矿区及周边地质概况抚顺西露天煤矿位于抚顺市区南部, 矿坑上部尺寸约6600 m×2200 m, 底部尺寸约3700 m×400 m [19], 深380~420 m. 西露天矿北面为浑河河谷冲积平原, 南为丘陵山地, 西为古城子河河谷地带, 东为东露天矿.
西露天矿附近地表水系主要有浑河、古城子河. 浑河是抚顺地区的主要干流, 位于矿区北部, 平行西露天矿北帮由东向西流经抚顺市区, 距离北帮1.4~1.8 km, 水力坡度约1.2‰. 古城子河位于矿区西部, 是浑河主要支流之一, 由东南向西北汇入浑河干流(图 1).
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图 1 西露天矿区及周边钻孔分布图 Fig.1 Distribution map of boreholes within and around the West Open-Pit Mine 1-河流(river); 2-施工钻孔及编号(studied borehole and number); 3-搜集钻孔及编号(collected borehole and number) |
矿区北部上覆第四系松散岩层, 主要分布于浑河河谷地带, 厚度12~13 m, 含水层岩性主要为砂砾石或卵石, 上部有少量亚黏土或亚砂土, 夹细砂层; 下伏基岩主要为花岗片麻岩和古近系泥岩、页岩, 为基岩裂隙弱含水层(图 2). 西露天矿南帮第四系松散岩层主要分布于西端的古城子河阶地和东段及杨柏河、刘山河古河道, 岩性主要为中细砂、粗砂、砾石, 厚度10~20 m, 下伏基岩主要为玄武岩和凝灰岩.
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图 2 西露天矿北部水文地质剖面图 Fig.2 Hydrogeological profile in the north of the West Open-Pit Mine 1-杂填土(miscellaneous fill); 2-素填土(plain fill); 3-粉质黏土(silty clay); 4-花岗片麻岩(granite gneiss); 5-粗砂(coarse sand); 6-圆砾(round gravel); 7-泥岩(mudstone); 8-等水位线(water table) |
为获取计算西露天矿涌水量的相关参数, 本研究共收集矿区周边钻孔34个(Z1-Z34), 主要分布于西露天矿南部和东北部, 在矿区北部和西部钻孔资料较少. 因此, 本研究在西露天矿北部和西部共布设水文地质钻孔22个(S1-S22), 总进尺600 m. 各钻孔分布和参数见图 1和表 1.
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表 1 西露天矿周边第四系含水层底板高程统计表 Table 1 Floor elevations of Quaternary aquifer around the West Open-Pit Mine |
为查明西露天矿周边地下水流场和补径排条件, 本研究在西露天矿周边地区进行了水位统测共80点次, 水位统测点分布见图 3.
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图 3 西露天矿周边同位素样品和水位统测点分布图 Fig.3 Distribution of isotope samples and water level measurement points around the West Open-Pit Mine 1-河流(river); 2-同位素采样点及编号(isotope sample and number); 3-水位统测点(water level measurement point) |
为研究西露天矿坑涌水来源, 在矿区周边采集地下水和地表水同位素样品20件, 其中浑河水样品3件, 古城子河水样品2件, 地下水样品11件, 矿坑涌水样品4件. 同位素样品分布见图 1, 样品由中国地质科学院水文地质环境地质研究所测试完成, 测试结果见表 2.
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表 2 同位素样品测试结果 Table 2 Test results of isotope samples |
由西露天矿周边地表水和地下水样品同位素组成(图 4)可以看出, 矿坑涌水氢氧稳定同位素组成在大气降水线附近, 并且与地下水和浑河水氢氧稳定同位素组成比较接近, 表明西露天矿涌水主要来源于大气降水、地下水和浑河水, 古城子河对涌水的补给较少.
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图 4 西露天矿周边地表水和地下水样品同位素组成分布图 Fig.4 Isotopic composition distribution of surface water and groundwater samples around the West Open-Pit Mine 1-古城子河(Guchengzi River); 2-浑河(Hunhe River); 3-矿坑涌水(mine water inrush); 4-地下水(groundwater) |
根据水位统测结果, 浑河水位为69.2~74.7 m, 古城子河水位为69.7~72.3 m. 西露天矿北帮与浑河、古城子河之间的第四系孔隙含水层连续分布, 且含水层底板低于浑河、古城子河水位3~12 m, 底板坡度约0.2%. 浑河和古城子河沿途通过侧向补给第四系孔隙潜水流向矿坑, 从第四系底板直接渗出.
除第四系松散岩类含水层外, 矿区及周边还存在白垩系龙凤坎组砂岩裂隙水含水层、古近系西露天组泥页岩裂隙水含水层、古近系玄武岩夹凝灰岩含水层、鞍山群片麻岩含水层等弱含水层. 上述含水层地下水沿基岩构造破碎带和风化破碎带侧向流入西露天矿.
总体上, 由于西露天矿不停地进行矿坑疏干, 大量排泄地下水, 周边地下水向矿坑内径流, 形成一定范围的人工流场, 矿坑周边地下水位急剧下降, 水力梯度达8%~15%(图 5). 受西露天矿疏干影响, 越靠近矿区, 地下水位变幅越小(0.8~1.2 m).
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图 5 西露天矿周边地下水等水位线图 Fig.5 Contour of groundwater level around the West Open-Pit Mine 1-河流(river); 2-等水位线(contour of water table); 3-水位值/m (water level value) |
大气降水对涌水的补给量取决于降水量和矿坑汇水面积的大小, 所以直接进入西露天矿的大气降水量通过以下公式计算得出:
| $ Q_{\text {降水 }}=H_{\text {雨 }} \cdot A $ |
其中, H雨为降雨量, A为汇水面积.
通过对抚顺水文站2010-2019年的降水资料进行统计分析(表 3), 抚顺市多年平均降水量为779.5 mm. 根据西露天矿周边地形条件, 矿区降雨汇水面积约为12.8 km2. 通过计算, 直接进入西露天矿的大气降水量为997.8×104 m3/a.
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表 3 西露天矿历年平均降雨量统计表 Table 3 Average rainfall of the West Open-Pit Mine over the years |
由于浑河与西露天矿北帮距离较短(1.4~1.8 km), 且浑河流向与西露天矿北帮走向基本平行(图 1), 由矿区周边钻孔第四系含水层底板高程统计(表 1)可知, 浑河与西露天矿北帮之间的第四系含水层底板接近水平. 因此, 对浑河与西露天矿北帮之间的第四系松散岩类含水层进行如下概化:
1) 含水层均质各向同性, 第四系地层底板水平, 上部降雨为均匀入渗;
2) 浑河与西露天矿北帮之间的第四系含水层中的潜水流为一维渐变流, 且趋于稳定;
3) 浑河河床底板与第四系含水层底板位于同一水平面;
4) 浑河与西露天矿北帮之间第四系松散岩类孔隙水不存在分水岭.
基于以上概化, 浑河对西露天矿的补给单宽流量可用以下公式计算[20]:
| $ q=K \frac{h_1{ }^2-h_2{ }^2}{2 l}+\frac{W l}{2} $ |
其中, K-浑河与西露天矿北帮之间的第四系含水层渗透系数(m/d); l-浑河与西露天矿北帮之间的距离(m); h1-浑河水面至底板的距离(m); h2-西露天矿北帮潜水水面至底板的距离(m); W-浑河与西露天矿北帮之间单位时间、单位面积上的降雨入渗补给量(m/d).
浑河对西露天矿的年度补给量可用以下公式计算:
| $ Q_{\text {浑河 }}=q \cdot L \cdot 365 $ |
其中L为西露天矿北帮长度.
西露天矿北帮长度(L)取值为6 500 m, 浑河与矿北帮之间的距离(l)取值为1 600 m. 根据已有资料, 降雨渗入补给系数α取值0.23. 通过S10钻孔抽水试验计算得出的渗透系数为104.1 m/d. 结合水位统测结果, 计算得出浑河对西露天矿涌水的补给量为1 115.7×104 m3/a.
古城子河主要通过西帮对西露天矿补给, 其补给量的计算方法与浑河相同. 其中西露天矿西帮长度取值为2 200 m, 古城子河与西帮之间的平均距离取值为1 100 m. 结合水位统测结果, 计算得出古城子河对西露天矿的补给量计算结果为177.9×104 m3/a.
4.3 地下水对涌水的补给由于西露天矿周边基岩裂隙含水层富水性较弱, 且经过实地勘察矿区基岩裂隙水渗水点出水量较小, 多为点状出水, 且形成水流的出水点较少, 故本研究仅计算第四系松散岩类含水层地下水对西露天矿涌水的补给量.
由于西露天矿东帮范围较小, 且在东露天矿多年共同疏干作用下, 其含水层的地下水赋存较少, 而北帮和西帮地下水对西露天矿涌水的补给量已包含在浑河和古城子河对西露天矿涌水的补给量中, 所以仅计算西露天矿南帮地下水对涌水的补给量.
由钻孔揭露的地层信息来看, 西露天矿南帮第四系松散岩类含水层主要分布于西端的古城子河阶地(Z25钻孔)和矿区东段及杨柏河、刘山河古河道(Z30、Z31、Z32钻孔), 含水层岩性主要为中细砂、粗砂及砾石, 厚度10.4~32.2 m, 渗透系数约30 m/d.
从地下水位统测数据来看, 南帮西端第四系松散岩类含水层接近疏干, 其地下水位低于第四系松散岩类含水层底板, 故南帮地下水对西露天矿涌水补给量的计算范围仅为南帮东段第四系松散岩类含水层.
基于以上概化, 南帮地下水对西露天矿的补给单宽流量可用以下公式计算[20]:
| $ q=K \frac{h_1^2-h_2^2}{2 l}+\frac{W l}{2} $ |
其中, K-第四系含水层渗透系数(m/d); l-地下水补给区与西露天矿南帮之间的距离(m); h1-补给区地下水位至底板的距离(m); h2-西露天矿南帮地下水位至底板的距离(m); W-西露天矿南帮单位时间、单位面积上的降雨入渗补给量(m/d).
地下水对西露天矿的年度渗漏补给量可用以下公式计算:
| $ Q_{\text {地下水 }}=q \cdot L \cdot 365 $ |
其中L为西露天矿南帮长度.
通过以上公式, 结合地下水位统测结果和钻孔揭露的地层信息, 计算可得南帮地下水对西露天矿的年度渗漏补给量为186.4×104 m3/a.
综上, 通过计算, 周边地区进入西露天矿的总水量为2 477.8×104 m3/a, 来源主要为北帮浑河通过第四系含水层侧向补给和大气降水补给. 其中北帮浑河侧向补给的涌水量约1 115.7×104 m3/a, 约占45.0%;大气降水直接降入矿坑水量约997.8×104 m3/a, 约占40.3%. 西帮涌水量约177.9×104 m3/a, 约占7.2%, 主要来源为古城子河侧向补给; 南帮涌水量约186.4×104 m3/a, 约占7.5%, 主要来源为地下水通过杨柏河、刘山河古河道等地段侧向径流补给; 东帮在东露天矿影响下接近疏干.
4.4 涌水补给量计算结果分析根据已有资料, 西露天矿2010-2019年排水量见表 4.
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表 4 西露天矿排水量统计表 Table 4 Water drainage of the West Open-Pit Mine |
由表 4可知, 近10年西露天矿平均排水量为2 339.6×104 m3/a, 计算得出周边地区进入西露天矿的总水量为2 477.8×104 m3/a, 二者相差为5.6%, 表明计算得出周边地区进入西露天矿的总水量与西露天矿排水量基本达到平衡, 进入西露天矿的总水量计算值较合理.
5 结论1) 西露天矿坑是区域地下水汇集区, 周边地下水向矿坑内径流. 地下水通过第四系松散岩类孔隙、基岩构造破碎带和风化破碎带侧向流入西露天矿. 受西露天矿疏干影响, 矿坑周边地下水位急剧下降, 水力梯度达8%~15%.
2) 周边地区进入西露天矿的总水量为2 477.8×104 m3/a, 来源主要为北帮浑河通过第四系含水层侧向补给和大气降水补给. 其中北帮浑河侧向补给的涌水量约1 115.7×104 m3/a, 约占45.0%;大气降水直接降入矿坑水量约997.8×104 m3/a, 约占40.3%.
3) 古城子河通过西露天矿西帮侧向补给矿坑的水量约177.9×104 m3/a; 地下水通过南帮杨柏河、刘山河古河道等地段侧向径流补给的水量约186.4×104 m3/a; 东帮涌水在东露天矿影响下接近疏干.
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