矿区地下水资源赋存特征与形成机理研究

黄登鹏

（甘肃省地质矿产勘查开发局第三地质矿产勘查院，甘肃 兰州 730050）

地下水系统是生态系统的重要组成部分，也是水循环中不可或缺的一环，其具有分布广泛、水质优良、储量丰富和开采便利等优点，既可以为人类的生产生活用水提供保障，也在保证经济和矿区资源持续发展、最大化到生态平衡的维持中拥有不可替代的作用。我国水资源南北分布不均，而导致有些矿区的水文地质条件较为困难[1]。本文从甘肃地区矿区地下水为切入点，探讨地下水的水化学特征、赋存特征及形成机理，并通过定性和定量分析研究区地下水所经历的主要水文地球化学过程，讨论外部环境对地下水化学的影响，研究径流过程中地下水的演化机理，并探讨矿区含水层的时空演化。研究结果有助于理解和分析各个矿区地下水的化学特征和分布规律，确定地下水水质的形成过程和特征，以及如何保护和处理矿区工业造成的地下水环境污染问题，在目前技术手段允许的条件下让地下水资源开发利用效益最大化[2]。

1 矿区地下水主要赋存特征

甘肃地区矿区主要分布于河西走廊祁连山下离瓜州县比较近，故矿区内的新生代松散层覆盖了矿区表面，一般设置+20m～+50m为平原的地面标高。季节性河流是矿区内的常见河流，成因是其受到大气降水控制。该区地下水的主要组成部分为二叠系砂岩裂隙、太原组灰岩及底部奥陶系灰岩三个含水层。上部强含水层以砂砾卵石为主，其有着结构松散，不含泥质，分选性差，磨圆度好等特性，粒径3cm～8cm，最大可达17cm；中部主隔层厚度一般为5m～8m，最大15m，中部主隔层有着比较稳定的层位，主要由淤泥质粉质粘土和淤泥质粉土构成；位于主隔层以下的下部中等含水层由于厚度相差悬殊，透水性不甚相同，其分布较为稳定，有些地段为多个砂层直接迭置，组成较厚的含水段[3]。

地下水主要赋存特征如下：

1.1 地下水分布特点

受大气降水的影响，第一含水层厚度变化在12m～29m以内。含水层岩性为粘土质砂、粉砂和细砂，水化学类型为HCO3—Na·Mg型，富水性中等偏强。第二含水层富水性依然是中等偏强，其由浅黄色粉砂、细砂和粘土质砂组成。第三含水层，厚度在17.6m～80m变化之间，富水性中等。第四含水层简称四含（又称底含），矿区内厚度变化区间大（0m～59.1m）[4]。第四含水层由于受第三隔水层阻隔，其与上部含水层（组）没有进行液压连接，并且由于风化带的影响，它与砂岩水和石灰石水有一定的液压连接。因此，在浅层矿产的开采过程中，遇水突破会受到威胁，从而影响矿产资源开采的安全性。

1.2 地下水的埋深

矿区区内地下水的埋深在空间上有着较为明显的变异性特点。研究区的地下水埋藏深度通常在30m以内，某些区域的埋藏深度可能超过30m。但是，在研究区域内，地下水深度相对较大，而在大多数区域，地下水深度通常较浅。研究区域地下水位的上升主要取决于地形。研究区域的中部和北部有两个不同的分水岭，基岩表面的高度较低，形成一个大的管状基岩表面，低地地区向北延伸[5]。矿区内地下水的埋深松散层厚度在39.8m～403.75m之间变化，其变化趋势与基岩面标高基本一致，松散层南厚北薄、东厚西薄。

1.3 地下水的化学组成

对矿区水样相关水化学参数进行统计分析，其各含水层化学类型统计结果如表1所示。

表1 各含水层化学类型统计结果

如表1所示，一般情况下，地下水中所含的主要离子的变化规律，一般为随着总矿化度的变化而变化，低矿化度水中常以HCO3-及Ca2+、Mg2+为主三个含水层的相应水化学参数变化趋势基本相同，寒武系灰岩水中这些离子的含量变化较小，同时也说明寒武系灰岩水的盐化作用相对微弱。高矿化水以Cl-及Na+为主；矿化水阴离子常以SO42-为主，阳离子既可以是Na+，也可以是Ca2+。从表1中可以看出，该矿区地下水中所含阴离子以HCO3-为主，阳离子主要包含Ca2+、Mg2+；而矿井水的阴离子主要为HCO3-，阳离子以K+、Na+为主，因此矿化度较高。由此可以看出，强酸根略小于弱酸根，此结果可以说明该区域矿区地下水在自然环境影响下会产生一定的浓缩现象。

1.4 地下水动态平衡及补、径、排

由于不同含水层岩性不同，其渗透性、含水性差异也很大。其拥有各自的补给、径流、排泄特征也由区域含水层的空间分布、沉积特征等决定。矿区内地表水流域边界与地下水系统边界在地形地貌控制的影响下基本一致，由于地形处于不同的水平，因此在流动过程中，顶线在平坦的边坡出较小、水力梯度较小、流动相对较慢。相比之下，在地形复杂且地形陡峭的河沟壑区，含水层的完整性受到可追溯侵蚀的干扰，这构成了局部最低基线排水水平。因此地下水流相对湍流，受流域水系，地形和水循环条件的影响，从补给区到流域，不同地区浅层地下水的化学性质和类型表现出明显的区域演化特征，反映出从淋溶到过滤的主要水化学作用。

2 矿区地下水主要形成机理

为探究矿区地下水主要形成机理，从渗流场、地下水流态、边界条件、补给源、空间分布及地貌等条件来分析实测水文地质模型。矿区地下水储存在离层空间中。矿区地质形成离层空间的一个主要因素是煤层上覆基岩中存在一定厚度的隔水岩层，该隔水层起到至关重要的作用。产生离层储水空间最关键的是安定组底部的砂质泥岩，且该砂质泥岩位于导水裂缝带的顶部。正是由于煤层特殊的顶板覆岩岩性及其组合关系，导致了矿区地下可以形成离层水，且离层水的形成机理和涌水机理基本相同，只是形成位置存在一定的差异，如图1所示。

图1 地下水形成机理及过程

随着工作面的回采，由于失去了支撑，泥岩的隔水层会因发生变形而弯曲下沉。但因为泥岩抗张强度较大，位于其上的砂岩含水层仅略微下沉，会在砂岩和泥岩间形成一个单独的储水空间，并且屋顶含水层中储存的水会在该空间中渗出并收集。伴随围墙的发育，在采矿作业中，在顶板泥岩的重量，岩石的压力和储层的破裂共同作用下，水屏障将不断变形和沉陷，直到位移达到极限为止。由于结构变化，泥岩将被破坏，然后发生分离。这种现象的事实在于，层状空间中的水体先是立即突出，再减少；并受到分离储水空间中水体的减少，泥岩阻水层的破裂空间随着阻水层的扩展而逐渐减小。随着矿产资源的进一步开采，分离层的位置将向前移动，然后分离层的储层将再次关闭，泥岩破裂位置前移会导致周期性突水，产生的水累积存储在离层空间进而形成地下水。

3 结束语

本文对矿区地下水资源赋存特征与形成机理进行研究，探究了不同地质条件下矿区地下水的特点，以及地下水的形成过程，对当前的地下水研究有着一定的参考意义。希望能对地下水以及工矿作业提供一定的参考。