導(dǎo)語：水庫工程建設(shè)可行性研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：山東金嶺鐵礦是國內(nèi)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(guān)閉的問題，從安全角度出發(fā)，目前對礦體開采后形成的采空區(qū)處理方法以膠結(jié)充填為主，治理成本較高。聯(lián)系礦山開采實際情況，對礦山關(guān)閉后利用采空區(qū)、巖石裂隙和開拓巷道等空間建設(shè)地下水庫工程的可行性進行了初步分析和探討。

關(guān)鍵詞：地下水庫工程；采空區(qū)；空隙；滲透系數(shù)；飽和單軸抗壓強度；軟化系數(shù)調(diào)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(diào)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(fā)揮了重要作用，并帶來了巨大的經(jīng)濟利益。與此同時，修建地表水庫也出現(xiàn)了不少問題。例如：庫區(qū)泥沙淤積、水庫壅水淤積、洪災(zāi)加劇（如三門峽水庫）、水庫蒸發(fā)；水庫壅水及水庫滲漏引起次生沼澤化和鹽漬化，破壞生態(tài)環(huán)境；庫區(qū)移民加重社會經(jīng)濟負擔等等?；谝陨显?，發(fā)達國家正在利用地下含水層——地下水庫工程（ASR--aquiferstorageandrecovery）調(diào)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(yōu)勢：一是建設(shè)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(tài)環(huán)境不會造成破壞。修建地下水庫，可以多方面改善生態(tài)環(huán)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?？傊玫叵滤畮煺{(diào)蓄水資源，可以對含水層有計劃的補給與回采，實現(xiàn)含水層的可持續(xù)利用，有效改善生態(tài)環(huán)境，有必要大力發(fā)展地下水庫。

1國際上地下水庫建設(shè)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(tǒng)共有56個,而建成的系統(tǒng)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(nèi)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(shè)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(xù)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(qū)水資源的合理開發(fā)利用提供了新的思路。目前我國利用地下水庫工程技術(shù)調(diào)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(jīng)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(diào)節(jié)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(nèi)第一個設(shè)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(shè)施，聯(lián)合調(diào)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(qū)的生態(tài)環(huán)境。2.2礦山地下水庫建設(shè)情況。徐州城市規(guī)劃區(qū)煤炭資源開采已經(jīng)形成了約140km2的采空區(qū)，據(jù)初步估算，14個關(guān)閉煤礦采空區(qū)儲水量可達7853×104m3，可為徐州市應(yīng)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(zhì)調(diào)查”項目——“徐州煤礦采空區(qū)地下水庫建庫可行性研究”已經(jīng)完成，結(jié)論是徐州城市規(guī)劃區(qū)采空區(qū)具備修建地下水庫的基本條件。

3礦區(qū)水文地質(zhì)和采空區(qū)概況

3.1區(qū)域地質(zhì)。礦區(qū)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(qū)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(qū)氣候?qū)俑珊?、半干旱氣候區(qū)，多年平均降雨約640mm。該盆地的地層結(jié)構(gòu)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(qū)構(gòu)造如褶皺、斷裂均較發(fā)育，與礦區(qū)有關(guān)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(jīng)過交代作用形成的矽卡巖型鐵礦床。3.2水文地質(zhì)條件。3.2.1自然地理。該區(qū)氣候?qū)俦睖貛Т箨懠撅L區(qū)，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(qū)內(nèi)地表水系不發(fā)育，僅在礦區(qū)東北面4km處有一條烏河，全長約40km，原為常年流水，現(xiàn)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(tǒng)馬家溝組灰?guī)r巖溶裂隙含水層。該層灰?guī)r在礦區(qū)南部出露，總面積40km2。巖體周邊灰?guī)r，多為礦體直接頂板，不論在地表或地下，灰?guī)r巖溶均不發(fā)育，裂隙比較發(fā)育，是地下水的主要運移通道和蓄水空間。從總體看，礦區(qū)內(nèi)灰?guī)r巖溶不發(fā)育，裂隙較發(fā)育，其富水性弱或較弱，灰?guī)r含水層在平面上富水性不均，在剖面上表現(xiàn)為上部較強，下部較弱。由于灰?guī)r在剖面上的分帶性，特別是礦體直接頂板有一層灰?guī)r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(qū)水文地質(zhì)條件和礦床開采是十分有利的。水質(zhì)在灰?guī)r出露區(qū)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(qū)，則變?yōu)?g/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(qū)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(shù)為7.604m/d，含水層相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)詳見表1。3.2.3含水層之間及地下水與地表水的水力聯(lián)系。由于礦區(qū)內(nèi)第四系地層底部有一巨厚的粘土層與下伏灰?guī)r接觸，因此一般情況下，灰?guī)r地下水與第四系砂礫石地下水無水力聯(lián)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(fā)生水力聯(lián)系，且灰?guī)r地下水補給第四系砂礫石地下水。但由于數(shù)十年來礦山開采疏干灰?guī)r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(jīng)干涸，處于疏干狀態(tài)?；?guī)r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?；?guī)r含水層與石炭二疊系砂頁巖裂隙含水層，有水力聯(lián)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?guī)r含水層有水力聯(lián)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(qū)內(nèi)僅有一地表水流烏河，現(xiàn)已干枯，僅在雨季有短暫水流，且距礦區(qū)4km以外，它與第四系潛水有水力聯(lián)系，且潛水補給河水。3.2.4礦區(qū)水文地質(zhì)邊界條件及灰?guī)r地下水的運動及動態(tài)?；?guī)r地下水是礦區(qū)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(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度的主要因素，而它們又是受礦區(qū)水文地質(zhì)邊界條件的嚴格制約和控制的。因此正確認識和刻化礦區(qū)水文地質(zhì)邊界條件，在任何時候都是至關(guān)重要的。礦區(qū)南部邊界湖田向斜，其南北兩翼灰?guī)r地下水水力聯(lián)系甚弱，區(qū)域灰?guī)r地下水難以透過向斜軸部補給礦區(qū)灰?guī)r地下水，湖田向斜可以作為礦區(qū)南部和東南部的阻力屏障。礦區(qū)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(qū)灰?guī)r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(qū)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(qū)西部，是礦區(qū)西部的隔水邊界。北高陽斷層位于礦區(qū)的北部，是礦區(qū)北部的隔水邊界。礦區(qū)南部裸露灰?guī)r，接受大氣降水補給，這是礦區(qū)灰?guī)r地下水的主要補給源，但補給量有限?；?guī)r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(chǎn)疏干灰?guī)r地下水是灰?guī)r地下水的唯一排泄形式。3.3采空區(qū)概況。山東金嶺鐵礦區(qū)的開采歷史可以上溯到春秋戰(zhàn)國時期，1948年淄博解放后方進行較大規(guī)模的開采，從20世紀60年代中期轉(zhuǎn)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(qū)，年產(chǎn)鐵精份110×104t，屬于較大規(guī)模的地下開采礦山。礦區(qū)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(guī)模鄉(xiāng)鎮(zhèn)開采的礦山?？偟V區(qū)面積約80km2。經(jīng)統(tǒng)計，山東金嶺鐵礦區(qū)范圍內(nèi)累計采出磁鐵礦石約4800×104t，形成采空區(qū)面積約200×104m2的采空區(qū)，采空區(qū)埋藏深度自-47~-649m。

4采空區(qū)地下水庫工程建設(shè)條件分析

4.1采空區(qū)地下水庫儲水空間估算。采空區(qū)地下水庫主要是利用采空區(qū)破斷垮落巖體間的自由空隙進行蓄水，水庫庫容即采空區(qū)范圍內(nèi)垮落巖體的自由空隙總體積，采空區(qū)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(qū)儲水量（即地下水庫庫容），估算公式如下：W=KMScosα式中：W——采空區(qū)儲水量（地下水庫庫容），m3；M——采空區(qū)礦層平均采高，取5m；S——采空區(qū)面積，取256×104m2；Α——礦層平均傾角，取28°；K——充水系數(shù)（取值范圍0.25~0.5），取0.35。經(jīng)估算，礦區(qū)內(nèi)采空區(qū)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(qū)地下水庫水質(zhì)狀態(tài)。采空區(qū)水質(zhì)是構(gòu)建地下水庫的重要因素，出庫水質(zhì)應(yīng)基本符合《地下水環(huán)境質(zhì)量標準》的Ⅲ類水標準。山東金嶺鐵礦區(qū)地下開采礦山礦坑涌水主要來自作為礦體直接頂?shù)膴W陶系灰?guī)r溶隙承壓含水層，水質(zhì)在灰?guī)r出露區(qū)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(qū)，則變?yōu)?g/L的SO2-4高礦化水，從礦區(qū)礦坑涌水多年來的水質(zhì)分析資料來看，能夠滿足作為工業(yè)生產(chǎn)用水和農(nóng)田灌溉用水的水質(zhì)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(jié)果低于《地下水環(huán)境質(zhì)量標準》的Ⅲ類水標準數(shù)值。4.3采空區(qū)地下水動態(tài)調(diào)蓄能力采空區(qū)地下水庫的調(diào)蓄能力是地下水庫應(yīng)急供水的資源保障。雖然礦坑涌水主要為奧陶系灰?guī)r溶隙承壓水，但在礦區(qū)范圍內(nèi)，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(fā)生直接水力聯(lián)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(qū)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(nóng)采礦山排水。鐵山辛莊礦礦坑排水一直為生產(chǎn)供水水源使用，該礦于2015年因資源枯竭而關(guān)閉，停止井下排水后改為地表鉆孔取水方式滿足生產(chǎn)用水需要，在每天提取生產(chǎn)用水6500m3的情況下，地下水位由-460m上升至-41m。以此類推，礦區(qū)地下水庫工程建設(shè)完成后，其動態(tài)補給能力約23800m3/d。

5采空區(qū)地下水庫運行安全性分析

采空區(qū)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(yīng)力平衡狀態(tài)，采空區(qū)出現(xiàn)巖體孔隙、裂隙和空洞的再壓密，并伴隨巖塊的轉(zhuǎn)動和蠕變等出現(xiàn)“活化”現(xiàn)象，一旦采空區(qū)頂板垮落將導(dǎo)致地面沉降或局部塌落，形成地質(zhì)災(zāi)害。因此采空區(qū)地下水庫的穩(wěn)定性是構(gòu)建地下水庫的關(guān)鍵。山東金嶺鐵礦區(qū)內(nèi)的磁鐵礦石為原生磁鐵礦，礦體賦存于閃長巖體與灰?guī)r的接觸帶及接觸帶與假整合面構(gòu)造的復(fù)合部位，主要為中細粒結(jié)構(gòu)，致密塊狀、斑雜狀等構(gòu)造，節(jié)理裂隙不發(fā)育，堅硬或較堅硬，穩(wěn)固性較好，做礦體頂?shù)慕Y(jié)晶灰?guī)r或大理巖的物理力學(xué)性質(zhì)雖然略遜于礦石，但底板閃長巖的各項物理力學(xué)指標明顯優(yōu)于礦石（詳見表2），并且軟化系數(shù)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(xué)性質(zhì)影響甚微，可不予考慮。因此，礦區(qū)范圍內(nèi)利用采空區(qū)建設(shè)地下水庫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不會引發(fā)采空區(qū)的“活化”現(xiàn)象。

6結(jié)論和建議

6.1主要結(jié)論。山東金嶺鐵礦采空區(qū)地下水庫工程是以采空區(qū)破斷垮落巖體間的自由空間及巷道為蓄水空間，據(jù)估算可蓄水總量（地下水庫庫容）約507.39×104m3，動態(tài)補給能力約23800m3/d；礦坑涌水各項指標化驗結(jié)果低于《地下水環(huán)境質(zhì)量標準》的Ⅲ類水標準數(shù)值，能夠滿足作為工業(yè)生產(chǎn)用水和農(nóng)田灌溉用水的水質(zhì)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(xué)指標表明，采空區(qū)作為地下水庫庫體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。因此，山東金嶺鐵礦采空區(qū)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(qū)儲水空間、動態(tài)補給、水質(zhì)狀態(tài)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(nèi)地下水在水位恢復(fù)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(zhì)演化效應(yīng)、礦坑水再利用可能誘發(fā)的環(huán)境地質(zhì)問題及其防控技術(shù)等問題亟待研究。礦山關(guān)閉后原有的疏排地下水的設(shè)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：

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[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(zhì)勘查院