地下水的开采

地下水的开采（精选10篇）

地下水的开采 篇1

摘要：我国是世界上水资源比较贫乏的国家, 特别是地下水更加贫乏。而我国煤矿的开采对我国地下水资源造成严重破坏, 目前我国半干旱和干旱地下水资源已经因为被煤矿开采破坏而无法修复。文章结合开采煤矿对地下水破坏的现状和影响因素, 提出了相应的控制煤矿开采破坏地下水的对策。

关键词：煤矿开采,地下水,影响

0 引言

我国煤矿开采技术落后, 大多煤矿采用粗放式开采技术。粗放式开采不但浪费煤矿资源, 而且对地下水资源的影响巨大。贵州是我国南方煤炭资源最丰富的省区, 素来有“西南煤海”的称誉。贵州86个县中有76个产煤, 因为贵州产煤的地方鳞次栉比对地下水的破坏尤其严重。

1 煤矿开采对地下水的影响

1.1 煤矿开采沉陷对地下导水的影响

煤矿开采对地下水的影响与地质构造特征有关, 地下水是靠地质构造控制和引导的。地质构造的复杂程度和断层的次数是煤矿开采对地下水影响程度的主要因素, 地质构造越加复杂断层越多, 煤矿开采的煤层离地下断层就越近, 煤矿开采对地下水的破坏也就越大, 反之, 则越远。煤矿开采挖空后, 导致地底沉陷顶板垮落。顶板垮落后, 在地底形成导水裂缝带 (由于顶板垮落形成的垮落带和裂隙带两者的合称) 。贯通其中的地下水层通过导水裂缝带时, 一部分地下水会漏失导致地下水位下降破坏导水裂缝带的含水层。含水层被破坏漏失后, 会导致与破坏的含水层有关联的其他含水层受到影响。煤矿开采造成的沉陷对煤矿开采地带地下水的影响程度, 主要由开采地带覆岩被破坏后产生的导水裂缝带的高度是否会波及此处地下含水层的水体以及波及的程度。贵州地下水资源丰富, 地质构造复杂断层较多, 特别是贵州六枝等地方煤矿开采比较集中而地下水又比较丰富, 这样煤矿开采对地下水的影响就比较大。

1.2 煤矿开采对地下水层的影响

水文地质条件是煤矿开采对地下水影响的主要因素。隔水层和含水层的裂隙、流向分支、厚度和岩溶构造、地下水的补给水源、富水程度是煤矿开采影响地下水流失的主要因素。由于煤层形成的时代不同后又经长久变迁, 使地下煤层上下连接的地下水理特征前后的变化很大, 含水层和隔水层交错。煤层本身属于地下弱含水层, 离地下含水层比较近。因此煤矿开采将直接影响地下含水层的结构, 改变煤矿开采地带的地下含水层与地下隔水层的相对关系, 影响地下水层的形成和规律。

煤矿的开采方法也是影响地下含水层程度的重要因素之一, 煤矿开采方法影响地下含水层结构主要体现在煤矿采煤的回采率、工作面宽度和采煤顶板的管理办法。煤矿开采的顶板管理办法有两种, 一种是支护, 另一种是全陷。如果煤矿开采采用全陷管理采煤顶板, 煤矿开采就会破坏采煤顶板岩层的结构使其失去自然平衡状态, 这样采煤顶板岩层就会产生沉陷、裂缝或者移动的情况。如果采煤顶板岩层遭到这些破坏, 它的隔水性就会降低, 地下含水层的水资源会透过采煤顶板岩层渗进采煤区, 这时采煤工作已经破坏了含水层的结构, 对地下含水层造成影响。而采用全陷的煤矿采煤工作面比较宽, 回采率大, 对地下含水层的影响也会比较大。

采用支护管理采煤顶板岩层, 限制采煤工作面的宽度, 回采率相对也比较小, 对地下水层的影响也比较小。另外, 采煤顶板岩层结构特征也是决定采煤工作对地下含水层影响的决定因素。如果顶板岩层连续性好厚度大, 顶板岩层的隔水性能会比较好其承受破坏的能力比较大, 那么煤矿采煤对地下含水层的影响就比较小。

1.3 煤矿开采对地下水资源水位水量的影响

煤矿开采破坏采煤顶板岩层, 顶板岩层塌陷、裂缝等会造成含水层的水顺着裂缝流进采煤空区, 影响采煤工作的进行。这样, 煤矿会对采煤区的地下水进行疏排。煤矿对地下水资源的疏排, 减少地下含水层的厚度影响地下含水层的结构甚至严重者造成地下水资源枯竭。煤矿开采对地下水的疏排, 降低了地下水的水位减少地下水的水流量, 破坏岩溶结构造成岩溶地面塌陷的连锁反应, 破坏地下水的环境。最终影响城市居民用水和我国采煤地区的农业用水, 不利于我国经济的发展影响城乡市民的生活。

1.4 煤矿开采对地下水水质的影响

煤矿开采破坏了地下含水层和隔水层, 使地下水与地下岩层亲密接触。岩石与地下水长久接触后, 会被侵蚀加剧岩石的氧化作用。这样, 煤矿开采就破坏了地下水的化学环境, 使化学环境失衡, 地下微生物和生物作用加强, 岩石侵蚀氧化后的化学成分融入地下水中, 使地下水含有较多的有机无机悬浮固体物质, 破坏地下水的水质。另外, 地下水流进煤矿矿坑融进很多煤矿物质, 地下水资源在疏排之前已经被煤矿污染, 排出后流进附近的河流造成附近水资源的污染。

2 煤矿开采对地下水破坏的控制对策

煤矿开采对地下水破坏的控制对策是尽量采用分层采煤法、填充采煤法和部分开采法。分层采煤法是对煤层采用分层开采, 尽量减小接近顶板岩层的第一二层煤层的开采, 控制采煤顶板暴露的面积, 煤矿对煤层分层开采时采用间歇式开采。根据煤矿地带的地质结构和地下水质结构, 确定对地下水含水层和地质结构破坏最小的开采方式。充填开采法是一种煤矿顶板岩层的管理办法, 开采过后对顶板岩层破坏严重的地方进行材料填充, 这样可以较小采煤对含水层覆岩的破坏程度, 进而减小煤矿开采对地下含水层的破坏。部分开采是指分条开采, 煤矿开采前做好规划把需开采的煤层分成若干调带, 开采时采一层留一层, 使留下的煤层可以支撑覆岩层的压力, 从而较小对覆岩层的破坏, 继而较小对含水层的破坏。

3 结论

贵州煤矿开采地区比较多, 连年连续开采已经对贵州地下水造成严重破坏。再开采时, 更需注意煤矿开采对地下水的保护。文章通过对煤矿开采对地下水的影响的详尽阐述, 提出了相应的保护对策。

参考文献

[1]牛仁亮.山西省煤炭开采对水资源的破坏影响及评价[M].北京:中国科学技术出版社, 2003, 9.

[2]还祥生等.山西忻州神达望田煤业有限公司矿山地质环境保护与恢复治理方案[R].北京:北京市地质矿产勘查开发总公司, 2011.

地下开采矿山的设计与应用 篇2

关键词：计算机 辅助设计 采矿工程 应用

中图分类号：TP399文献标识码：A文章编号：1674-098X（2014）07（c）-0081-01

1 计算机辅助系统的组成及设计理念

计算机辅助系统是一个综合的计算机系统，其具有交互式的图形处理能力，由主机、显示图形设备、扫描仪、磁带驱动器、绘图仪以及打印机等组成。其采矿设计是利用互动系统来进行，终端显示器能够控制采矿的每一步操作。主要的设计内容有：（1）设计前对矿山环境、技术以及设备的了解，进行各方面任务目标的满足；（2）具体实施方案的设计。设计的内容主要来自具体实践的要求，同时还包括设计者的知识水平以及对采矿的认识，其他还有对技术的可行性以及功能需求的满足。（3）验证、修改以及定型，并表达设计对象，根据经济、技术、功能以及审美等各方面具体数据和要求进行全方面的修改。（4）设计完成的技术文件通常包括三视图、部件图、以及剖面图和其他说明等内容。

2 计算机辅助设计的应用

开采矿山的最终目的就是要获得矿石，所谓的矿山工程设计，就是工程师以及设计人员等将矿山坏境改变的现代科技技术手段，从而能够满足政府、企业、特定人群等的要求。因此，采矿设计的任务：第一，开采优质的矿石，第二，对工程结构进行有效的保护，使其能承受自然和人工的，长期的和可持续发展的开采压力；第三，我们必须确保尽可能低的价格和成本，最大限度地提高经济效益和社会效益，以确保安全并进行后续工程建设。

通过大量的实践证明，CAD能够让开采矿山设计的设计水平和质量提高，能够给设计者提供传统设计所没有的设计空间，让设计者的想象力任意挥洒，由于人性，环境以及教育等的差异，每个设计师都有自己独特的想法、观念、习惯以及表达方式，因此，在设计环节使用计算机辅助部分与其余部分之间接口的描述方法也难以取得一致。因此，在设计进行之前对项目进行深入细致的了解是所有工程师都必须要做的功课。在设计过程中，对设计工程师的具体要求为：（1）认真设计；（2）工程结构参数分析；（3）掌握设计采矿地图的全过程；（4）绘制施工图。

在设计中，要全方位的经济分析是必不可少的，这是非常重要的事情，概算以及预算分析在每一个设计阶段都要进行。项目的投资、编制以及安排建设计划都是必须要通过概算来确定的；特别是预算，其对工程造价、考核工程成本和以及经济性都有着非常重要的影响组。总之，本研究的目的是协助系统设计人员将工程设计方案顺利完成，对设计领域专家的思维进行模拟，从而展开工作。也就是说，采矿CAD系统能够采矿设计专家思想的直接反应。

3 采矿CAD技术特点分析

任何一个软，就必须选择合适的系统架构，在选择时，应充分考虑该软件所涉及行业的特点以及该软件技术目前的发展水平。目前的计算机技术领域正不断朝着三维实体，可视化以及一体化的方向发展，但要用于采矿业，还必须要进行长时期的研究才能实现。所以在进行软件结构的选择时，企业的特点和地位是绝对不可忽视的。目前来说，我国适合CAD技术的矿山特点有以下几点。

（1）设计的质量得到了提高，且用时较短。CAD系统能够让整个设计的过程更加客观、准确、高效、规范。

（2）充分有效性和连续性。无论是地质，采矿，测量，或信息处理的及时性之间的选矿和转移更多的财富是连续性，更加注重系统集成和数据共享。

（3）提升了采矿CAD系统的通用性以及可移植性。由于产业以及企业的差异，再加上生产过程中需要处理的信息的不断变化，这也导致矿上行业中的让CAD技术应用研究有了比较强的针对性，其他行业的甚至是同行业的技术都不能照搬，因此，必须对图形的处理方法、环境以及数据的接口技术进行有针对性的研究。

（4）研究要基于实际。在目前的矿山计算机技术范围内对二维方式下的矿山 CAD 软件应用进行研究，使得其与传统设计能够进行很好的衔接。因此，对三维实体设計思想的过分追求是不符合实际的，一切开发和研究都要在实际的基础上进行。

（5）目前，CAD软件开发者从二维到三维设计模式设计模式的转变。但由于技术水平的限制，断时期内完成比较困难。但只要不断的学习新的科学技术知识，对三维实体建模技术进行仔细的研究，在GIS数据挖掘空间工程技术的基础上，就能够让矿山设计得到大幅度的提高。

4 结语

综上所述，目前的CAD技术正朝着一个开放的、集成化、智能化和标准化方向发展。在矿山计算机CAD技术的设计应用过程中，要充分考虑实际问题，从实际情况出发制定相应的设计方案，环境以及设计人员的知识水平、思维方式等都是采矿设计的关键因素。通过该文的研究也不难看出，矿山CAD技术能够让设计质量提高，同时缩短周期。在计算机技术的不断发展下，会有更合适、更高质的计算机辅助系统为矿山建设发挥更大的作用。

参考文献

[1]陈建宏.可视化集成采矿CAD系统研究[D].中南大学，2002.

[2]杨义辉.采矿CAD可视化集成系统研究[D].西安科技大学，2006.

[3]马江平.露天矿地质CAD软件系统的开发[D].辽宁工程技术大学，2005.

[4]谭正华.三维可视化环境下采矿设计与生产规划关键技术研究[D].中南大学，2010.

[5]吴奉亮.集成化采矿法CADd的知识协同性研究[D].西安科技大学，2009.

地下水的开采 篇3

关键词：地下水,水头,孔隙水压力,有效应力,地面沉降

0 引言

我国地面沉降最早发生于上世纪20年代的上海和天津地区,目前全国已有70多个城市发生了不同程度的地面沉降,沉降面积已达6.4万平方公里,沉降中心最大沉降量超过2m的有上海、天津、太原、西安等城市。过量抽取地下水是当前产生地面沉降最主要的原因之一,关于地下水位降低引起地面沉降的机理,目前学术界公认的是由于地下水位降低,引起土中孔隙水压力降低,从而使土层的有效应力增加,进而产生固结变形。这对于承压水容易理解,因为在承压含水层水头降低的过程中,土层中总应力保持不变,孔隙水压力减小,故而土层中有效应力增加。但对于潜水或层间无压水来说,问题就复杂得多,地下水位降低一方面引起土中孔隙水压力减小,另一方面也造成总应力减少,土层中有效应力是增是减则不能一概而论。

自然条件下,地下水往往是分层存在的,多层地下水的水头分布受地质条件及边界条件的影响和控制,张在明[1]、李广信[2]、周载阳[3]等对此都已有深入的研究。稳定渗流条件下,在含水层中,孔隙水压力即压力水头呈静水压力分布,在两个含水层之间的弱透水层即相对隔水层中,孔隙水压力由其上下两个含水层的压力水头决定。根据达西定律及水流连续原理,均质土层中孔隙水压力分布为线性。典型的孔隙水压力分布见图1。

很显然,随着地下水位或水头的变动,土层中的孔隙水压力会发生变化,当总应力不变时,其有效应力也会随之改变。地下水开采引起地下水位或水头下降,相关土层中孔隙水压力减小,当产生有效应力增加时,就会发生土层的固结变形,从而造成地面沉降。由于潜水水位和承压水水头变化影响的范围和内在机理不同,产生的后果亦有很大的差异,以下分别讨论。

1 潜水水位下降引起的地面沉降

多含水层条件下,如图2所示,假定只开采潜水含水层,其它含水层水位或水头不变,潜水水位大面积下降前后,各土层均达到稳定渗流状态。潜水水位下降前,土中各点自重状态下的总应力、孔隙水压力和有效应力见表1。

注:表中Δh为水位下降高度;γw为水的重度;γisat为第i土层的饱和重度;γ'i为第i土层的有效重度

潜水位由O点下降到F点后,各点自重状态下的总应力、孔隙水压力和有效应力见表2。

潜水位由O点下降到F点后,各点自重状态下的总应力、孔隙水压力和有效应力的变化量见表3。

注:表中γi为第i土层的天然重度

现在我们进行详细的分析。先来看一下总应力的变化,由表3可见,潜水水位降低后,除O点保持不变外,A、B、D、F各点的总应力均减小,且减小量相等,为Δh(γ1 sat-γ1),换算为Δhn(1-Sr)γw,这正是潜水水位下降Δh时含水层单位面积内排出的地下水重量,n(1-Sr)即为潜水含水层的给水度。

再看一下有效应力的变化,O点的有效应力不变;F点和A点的有效应力增加,需要注意的是增加量不是Δhγw而是;B点和D点的有效应力减少,减少量为Δhn(1-Sr)γw。

注:表中Sr为水位下降后潜水含水层水位变动带的饱和度;n为潜水含水层的孔隙率;e为潜水含水层的孔隙比

进一步分析还可得出如下结论:

(1)在O点至F点之间即潜水水位变动带,土层中总自重应力减小,减小的数值呈线性分布且由O点至F点在0~Δhn(1-Sr)γw之间变动;其有效自重应力增加,增加的数值呈线性分布且由O点至F点在之间变动;

(2)在F点至A点之间,即潜水水位变动带以下的潜水含水层中,土层中总自重应力减小,减小的数值为定值Δhn(1-Sr)γw;其有效自重应力增加,增加的数值为定值;

(3)在A点至B点之间,即构成潜水含水层隔水底板的相对隔水层中,土层中总自重应力减小,减小的数值为定值Δhn(1-Sr)γw;由于在A点处,土层中的有效自重应力增加,增加量为,而在B点处,土层中的有效自重应力减少,减少量为Δhn(1-Sr)γw,鉴于该土层中总自重应力、孔隙水压力及其变化量均为线性分布,其有效自重应力的变化亦为线性分布,因此在A点和B点之间一定存在C点,在C点处,潜水水位降低后,其有效自重应力的改变量为0,即Δσ'C=0。C点即为中性点,C点以上土层中的有效自重应力增加,C点以下土层中的有效自重应力减小。C点至该相对隔水层顶的距离;有趣的是A、B点的有效自重应力变化量差即Δσ'A-Δσ'B=Δhγw;

(4)在B点至D点之间,即另外一个含水层中,土层中总自重应力减小,减小的数值为定值Δhn(1-Sr)γw;当该层含水层水位或水头保持不变时,该含水层中的孔隙水应力不变,因此其有效自重应力减小,减小的数值为定值Δhn(1-Sr)γw。依此类推,其下部的所有土层的总自重应力和有效自重应力均减小,且减小的数值均为定值Δhn(1-Sr)γw。

综合以上分析和结论,我们可以得出潜水水位降低Δh时,引起的土层固结压缩变形为:

式中:s固结为土层的固结压缩量;E1、E2为相应土层对应于有效应力变化压力段的压缩模量,以下同。

不应忘记的是C点以下的土层中,有效自重应力是减小的,理论上会出现土层的卸荷回弹,应计算其回弹量:

BD段及以下:

式中:si回弹为第i土层的回弹量;Ei回弹为第i土层对应于有效应力变化压力段的回弹模量,以下同。

地面沉降量等于固结压缩量减掉回弹量。

尽管潜水水位降低可引起土层有效应力的增加与减少,但主要还是以产生地面下沉为主。这是因为:第一,有效应力的增加量比有效应力的减小量Δhn(1-Sr)γw大得多,亦即从饱和重度到有效重度差别要比由饱和重度到天然重度的差值大得多;第二,一般来说土层回弹模量比压缩模量大得多;第三,有效应力减少的土层多为砂土层(含水层)或者下部土层,较为密实或者模量较大。

2 承压水水头降低引起的地面沉降

对于承压含水层,如图3所示,假定只开采该层承压水,其它含水层水位或水头不变,承压水水头大面积降低前后,各土层均达到稳定渗流状态。

与潜水水位下降类似,经分析计算后,各点自重状态下总应力、孔隙水压力和有效应力的变化量见表4。

由表4可见,承压水头降低与潜水水位下降产生的结果显然不同,承压水头降低后,土中各点的总自重应力变化量均为0。在承压含水层中,有效应力的变化量均为Δhγw。在土层中不存在有效自重应力增加的情况。

由于自重应力及其变化量均呈线性分布,我们还可以得到以下结论:

(1)在A点至B点之间,有效自重应力增加量为从0~Δhγw逐渐增大且呈线性分布。A点以上的土层中有效应力变化量为0;

(2)在C点至D点之间,有效自重应力增加量为从Δhγw~0逐渐减小且呈线性分布。D点以下的土层中有效应力变化量为0。

这样我们可以得出承压水头降低时,引起的土层固结压缩变形为:

与潜水水位下降不同,承压水头降低不产生有效应力减小的情况,因此也无需考虑卸荷回弹的问题。发生大面积降水时,土层固结压缩变形量即为地面沉降量。

3 其它情况下的地面沉降

3.1 单一潜水含水层的情况

(1)当其隔水底板为绝对隔水层时,比如为基岩,潜水水位下降对潜水含水层的影响与前述一致,由于绝对隔水层中孔隙水压力为0,因此在绝对隔水层中有效自重应力减小,减小量为Δhn(1-Sr)γw,其回弹量为:

式中:s回弹为绝对隔水层的回弹量;E回弹为绝对隔水层对应于有效应力变化压力段的回弹模量;H为绝对隔水层的厚度。

地面沉降量为潜水含水层的固结压缩量与下部绝对隔水层的回弹量之差。

(2)当隔水底板为弱透水层其下为不透水基岩时,如图4所示,潜水水位降低前后,达到稳定渗流时,相对隔水层中的孔隙水压力均呈静水压力分布。对比图2和图4可见,O、F、A点的总应力、孔隙水压力和有效应力变化情况一致,B点不同。同样经计算,各点自重状态下总应力、孔隙水压力和有效应力的变化量见表5。

此时,OF和FA段的固结压缩量计算见式(1)和式(2),AB段的固结压缩量为:

同时在绝对隔水层中,由于潜水水位变化前后孔隙水应力均为0,因此,其有效应力减小Δhn(1-Sr)γw,回弹量计算见式(12)。

同样地面沉降量为潜水含水层和相对隔水层的固结压缩量与下部绝对隔水层的回弹量之差。

3.2 承压水头降低到隔水顶板以下的情况

如果承压水头降低较大,已经低于隔水顶板,原来的承压水变为层间无压水,此时可以分两步考虑,承压水头由开始降低到隔水顶板按承压水头降低考虑,其后按潜水水位下降考虑。最后将两步算得的固结沉降量相加。

3.3 承压含水层隔水顶板或底板为绝对隔水层的情况

由于承压水头降低时土层中的总自重应力不变,而绝对隔水层中孔隙水压力为0,因此绝对隔水顶板或底板中的有效自重应力就是其总自重应力,其值将不会发生变化,故而在绝对隔水顶板或底板中不会产生固结沉降。

4 结论

(1)潜水水位下降不影响原潜水水位以上的土层中的应力分布;在原潜水水位以下的潜水含水层中引起有效自重应力减小,产生土层固结沉降;多含水层达到稳定渗流条件下,在其下的隔水层中,存在中性点C,在C点之上的土层中有效自重应力增加,土层固结压缩。在C点之下的土层中有效自重应力减小,土层卸荷回弹;在更深处的土层中有效自重应力减小,土层卸荷回弹;单一含水层条件下,在含水层和相对隔水层中,有效应力增加,土层固结压缩,绝对隔水层中有效应力减小,岩土层卸荷回弹。地面沉降量为土层固结压缩量与回弹量的差。

(2)潜水水位降低在部分土层中会产生土层有效应力的增加,同时在部分土层中会产生有效应力的减少,但由于一来有效应力的增加量比有效应力的减小量Δhn(1-Sr)γw大得多,亦即从饱和重度到有效重度的差别要比由饱和重度到天然重度的差值大得多;二来一般土层回弹模量比压缩模量大得多;再者有效应力减少的土层多为砂土层(含水层)或者下部土层,较为密实或者模量较大,因此潜水水位降低引起的是地面沉降,而不会是隆起。

(3)在达到稳定渗流条件下,承压水头降低只引起该承压水含水层及其隔水顶板和隔水底板土层中的有效自重应力增加,产生土层的固结压缩,对其它土层无影响。

(4)由于无论是潜水水位下降还是承压水水头降低其引起的土中自重应力变化均为线性分布,因此多层含水层水位均发生变化时,在达到稳定渗流条件下,土中自重应力的变化可以线性叠加,产生的固结沉降也可以线性叠加。

参考文献

[1]张在明.地下水与建筑基础工程[M].北京:中国建筑工业出版社,2001,118～121.

[2]李广信.浮力计算与粘性土中的有效应力原理[J].岩土工程技术,2003,(2):63～66.

[3]周载阳.多层地下水的水头分布[J].岩土工程技术,2003,(2):67～68.

弱含水层地下水开采技术 篇4

随着水资源短缺问题的突出和弱含水层采水技术的研发,过去被忽视的弱含水层在缺水地区将成为重要的人畜饮用水水源.传统地下水开采井的工作前提是地下水对抽水井形成相对稳定的.连续补给,并且水井的“采”与“补”在时间上同步.弱含水层对传统地下水开采井(管井)的补给速度缓慢,水井的“采”与“补”在时间上难以达到同步,因而不适合用管井开采.弱含水层的开采系统必须同时具备最大限度地汇集地下水和调节供水的功能,才能便于使用.因此对浅层弱含水层宜采用人工挖井开采、虹吸井群开采、群井联合供水开采;对夹层型陡倾层状含水层宜采用定向斜井开采或坑道辐射井开采.

作 者：骆银辉 周道银 徐世光 张翔杰 Luo Yinhui Zhou Daoyin Xu Shiguang Zhang Xiangjie 作者单位：骆银辉,Luo Yinhui(中国地质大学(北京)工程技术学院,北京市,100083;中国云南地质工程第二勘察院,昆明市,650051)

周道银,Zhou Daoyin(中国云南地质工程第二勘察院,昆明市,650051)

徐世光,张翔杰,Xu Shiguang,Zhang Xiangjie(中国云南地质矿产勘查开发局,昆明市,650051)

地下水的开采 篇5

1、概况

自20世纪80年代末、90年代初，我省“水泥热”的兴起，带动了灰岩矿山开采的蓬勃发展，特别是我省的尤溪、大田、安溪等地。大部分的灰岩矿山采用了地下开采方式，并且都没有进行开采设计。

矿山生产安全性较差，这给井下作业人员的安全构成极大的威胁。

目前我省灰岩矿山存在的主要问题：

(1)大多数矿山没有两个以上独立的能行人的直达地表的安全出口；

(2)没有采用规范的采矿方法；

(3)矿山没有采用机械通风的通风系统，无法保证井下作业场所有足够的新鲜风量，没有建立完善合理的排水系统；

(4)有的将整座矿山人为分成小矿点进行开采，不但矿产资源得不到有效开发和利用，而且使开拓、采矿、排水、通风、安全环节均产生相互干扰，增加了生产成本，人为地造成了不安全隐患，影响了开采作业的正常进行。

2、整改思路

做好矿山的安全工作必须结合整改工作进行总体开采规划，矿山应遵守地下开采的规律，首先进行开拓工作，在开拓工作结束后，布置矿房，进行采准、切割工作，形成矿房后才能进行采矿、出矿工作，从技术上保证矿山的安全生产。

省内灰岩矿山可根据矿体赋存条件及采空区分布的具体状况进行开拓工程布置。在开拓工程完成后，矿山形成新的独立的运输、通风、排水系统，并形成至少有两个独立的能行人的直达地表的安全出口，在原采空区内不布置任何采矿工程，井下开拓工程的布置或矿房的布置与原采空区之间应留有大于15m间距的保安矿柱，以保证今后井下开采生产安全。

矿山井下生产应严禁滥采乱挖。正确合理地选择采矿方法，能充分、合理地开采地下矿山资源；正确合理使用正规的采矿方法，可利于生产管理和实施强化集中开采，并能保证井下作业人员在开采过程中安全生产和良好的作业条件，同时保证矿山能安全持续进行生产。

个别矿山存在多处开采矿点，形成各自为政的状况，严重地影响了矿山生产安全，此类矿山应进行联合开采，进行统一规划、统一开采，使矿山开采一体化，既改善矿山开采条件保障安全，又充分开发利用矿山资源，延长矿山开采服务年限，这样才能达到标本兼治。

3、整改主要技术方案

(1)矿山开拓

矿床开拓是矿山建设的长远大计，开拓工程布置应符合基建量小、基建时间短、投资少、工艺简单、合理、管理方便、生产安全、可靠等条件，一旦建成就难以改变，并影响到矿山今后的经济效益。井下矿山必须遵守“采掘并举，掘进先行”的原则，这是矿山持续安全生产的保证。我省灰岩矿山大多数是在掘进中遇见矿石就进行开采，这种破坏性开采的短期行为，致使矿山掘进工程长期严欠帐”的现象十分的普遍存在，生产不安全隐患日益严重。因此现有灰岩矿山应首先重新布置开拓工程，结合省内灰岩矿山地下开采多使用农用车运输矿石，开拓工程的布置继续采用现有的平巷开拓方式或斜坡道开拓方式，同时根据省内灰岩矿山年产量多在10万吨以上，以及现有所使用的运输车辆的宽度和高度，平巷或斜坡道的断面取60x 35m(宽x高)，斜坡道坡度取10％。开拓工程结束后，使地表与矿床之间形成一条完整的运输、通风、排水、动力供应等系统，并形成至少有两个独立的能行人的直达地面的安全出口。开拓工程是矿山建设及今后生产的安全保障，既改善井下工作环境，同时又可消除矿山独头工作面不安全隐患。

(2)采矿方法

科学选用采矿方法也是井下生产的安全保障。省内灰岩矿山除南平后谷石灰石矿山和南靖下岭石灰石矿山采用浅眼留矿采矿法进行开采外，大部分矿山的采矿是在掘进好的巷道中进行扩帮、挑顶，随着开采工作面向前推进，原有的采空区变成井下通道，作业人员及运输车辆来往于高达20—30m采空区之下，不安全隐患随时存在，最终可能发生恶性伤亡事故。为了杜绝恶性伤亡事故的发生，必须禁止使用滥采乱挖不规范的采矿手段，采用正确合理的采矿方法。

省内灰岩矿床多为浅海相沉积类型，且多呈厚、巨厚层状产出，除岩溶及断裂溶蚀带外，石灰岩与围岩总体稳固性较好，根据灰岩矿床的赋存条件以及我省南平后谷灰岩矿山地下开采成功使用的浅眼留矿采矿方法的经验，灰岩矿山地下开采的采矿方法可采用施工简单，便于操作的浅眼留矿采矿法，有条件的灰岩矿山也可采用分段采矿法：正确合理地使用采矿方法，可以根本上杜绝作业人员长期处于采空区下工作的不安全隐患，保证作业人员的人身安全。

(3)通风系统的建立

矿山在凿岩、放炮矿山在凿岩、放炮以及农用车运输过程中会产生大量有毒、有害气体和粉尘，对井下作业人员的安全和健康造成极大威胁。现省内灰岩矿山井下的通风多采用自然通风形式，并且没有形成井下通风系统，无法解决井下空气污染状况，作业人员长期在空气严重污染的环境中工作，因此矿山必须建立采用机械通风的通风系统，使井下作业地点有足够数量的新鲜空气，稀释和排出各种有毒、有害气体和爆炸性气体、粉尘及运输车辆所产生的尾(废)气，确保作业地点良好的空气质量，营造一个安全、舒适的工作环境，保证井下作业人员的安全健康，提高劳动生产效率。

(4)排水系统的建立

我省灰岩矿山都不同程度地存在排水问题，采用平巷开拓的矿山没有布置排水沟，井下水直接从巷道中排泄出来；采用斜坡道开拓的矿山，井下没有设置水仓，只是在斜坡道底部附近挖个小坑，由水泵抽出至地面。矿山排水问题没有解决好，不仅生产成本增高，经济效益降低，还会引起设备人身事故，而且会危及矿山的生产寿命，因此矿山也需建立排水系统。

采用平巷开拓的矿山，应在巷道边设置水沟，井下水由水沟直接排出。

采用斜坡道开拓的矿山，应先进行水仓、水泵房的施工并按井下排水的有关安全规范，排水设备“至少应有同类型的三台泵组成，其中任一台的排水能力必须能在20小时内排出一昼夜的正常涌水量；两台同时工作时能在20小时内排出一昼夜的最大涌水量。井筒内应装设两条相同的排水管，其中一条工作，一条备用”的要求进行设置。矿山解决好排水问题，不仅能促进生产，确保安全。有的矿山还可以将排出的水综合利用，变害为利，将能收到较好的经济效益。

4、结束语

地下水的开采 篇6

地面沉降作为环境地质问题中比较常见的一种, 不容忽视。我国的地面沉降问题十分突出, 危害严重, 并造成了极其巨大的经济损失及其他损失, 因此, 深入开展地面沉降问题的研究具有重要的现实意义和理论意义。

1 我国地面沉降现状

据初步统计, 20世纪90年代初, 上海、天津、北京、江苏、浙江、河北等16省 (区、市) 地面沉降面积约为48, 700平方千米, 到2003年已达到93, 855平方千米, 形成了长江三角洲、华北平原及汾渭断陷盆地等地面沉降灾害严重区, 主要有下列6个区 (带) 。

(1) 下辽河平原的沈阳-营口地面沉降区。

(2) 北部黄淮海平原的天津-沧州-衡水-德州-滨州-东瀛-潍坊地面沉降区, 为我国沉降范围最广, 沉降幅度最大的地区。

(3) 南部黄淮海平原的徐州-滨州-东瀛-潍坊地面沉降区。

(4) 长江三角洲的上海-苏州-无锡-常州-镇江-南通地面沉降区。

(5) 汾渭河谷平原的太原-侯马-运城-西安地面沉降带。

(6) 台湾山地边缘的宜兰-台北-台中-云林-嘉义-屏东地面沉降带[1]。

2 地面沉降的影响因素

地面沉降的影响因素主要有两种:人为因素和自然因素, 其中人为因素的影响远远大于自然因素。自然因素主要包括:地壳构造运动、海平面上升、土层的自然固结等等。人为因素有:抽取地下流体、开采地下固体矿藏、各种地下工程以及地表施加荷载等等。由于自然因素所引起的地面沉降量较为微小、地面沉降速率小、沉降过程缓慢, 所以目前对地面沉降的研究工作主要是围绕人类过量开采地下水展开的。

3 地面沉降的危害

地面沉降是一种累进性的缓变地质灾害, 其发展过程是不可逆的, 一旦形成便难以恢复。地面沉降区大多属于湖沼低洼和沿海低标高平原, 高程资源极其有限。这些地区多为社会经济相对发达区, 造成了严重的地质灾害。

3.1 破坏城市设施

地面沉降诱发地裂和塌陷。主要表现为:建筑物地基下沉, 房屋和桥梁开裂、倾斜或倒塌等。

3.2 妨碍城市建设

地面沉降使大范围内水准点高程产生不同程度的下沉, 导致以水准点为依据的水文资料严重失真, 使城市规划和建设失去依据, 需要重新校核, 给城市埋下不可预见的隐患。

3.3 积水滞洪, 水患和潮灾加剧

地面沉降造成城市防洪能力下降, 普遍存在着比较严重的滞积洪水问题, 不仅影响城市交通和环境, 而且常使地下室和低层建筑物在汛期被水淹没, 造成比较严重的经济损失。

3.4 加剧了农业渍害, 土质趋于恶化

地面沉降造成了局部农田低洼, 常年积水, 土壤的墒情改变, 原有渍害治理难度加大, 农作物产量下降, 对农业的潜在威胁十分严重。

4 地面沉降机理

地面沉降是粘性土层的压缩变形和含水砂层弹性变形共同作用的结果[1]。

在土体释水压密的过程中, 砂性土组成的含水层和粘性土组成的隔水层其差别是很大的, 但都可用太沙基的有效应力原理来解释, 含水层 (砂性土) 的渗透性好, 并且其土颗粒是不可压缩的, 因此压密主要是弹性的, 并且在较短的时间内完成, 是可逆的。粘性土的弱透水性, 释水是缓慢的, 所以压密也是与时间相关的。在土层的压密中, 粘性土的压缩量远大于砂性土的压缩量, 对地面的沉降量起决定性的作用。

5 地面沉降的预测

预测地面沉降的方法有很多种, 主要集中在建立预测模型上。

5.1 土力学计算方法

根据泰斯理论, 如果略去水体的膨胀, 则弹性储水系数主要反应土的压缩性[2]。即有

根据土力学理论单位土体的压缩量还可以写成式中

式中:ρ0—压缩前土的孔隙比;

ρ1—压缩后土的孔隙比。

根据曲线在前期固结压力以后, 相当长一段呈直线的一般规律有:

式中:P0, P1—分别为土体在压缩前后所承受的压力;

再计算中关于P0的确定应按含水层初始土压力, 即:

式中:rsi, rsj—分别为第I层, j层土的容重 (吨/m3) ;

M i, M j—分别为第I层, j层土的厚度 (m3) 。

N, L—分别为自开采层向上计算的地下水位以及地下水位埋藏深度以上土的总层数;

S1—为测定S时的水位下降值 (m) ;

S—为预计所计算层的水位下降值 (m) 。

5.2 预测模型法

以地下流体开采为主因的地面沉降过程包含了影响其变化的各种确定性因素和随机因素的信息, 因此, 可将模型分为确定性机理模型和随机统计模型两类。

5.2.1 确定性模型

(1) 地下水渗流模型

地下水渗流模型要求能再现地下水结构和流动特征的能力, 能真实地刻画实际地下水系统中发生的物理过程。地面沉降计算中采用的渗流模型常用的是主要有下列几种:

(1) 二维模型[3]。含水层中的地下水在水平面内作二维平面流动, 含水层之间的粘土、亚粘土层则视做不透水层。

(2) 改进的二维模型。含水层中的地下水作水平方向流动, 并将粘土、亚粘土层中的压密释水概化为水流模型的源汇项。如Rolando Bravo等采用的含水层水流模型。

(3) 准三维模型, 即含水层中的地下水作水平渗流, 粘土、亚粘土层中的水流作一维垂向渗流处理。如宫辉力等建立的郑州地下水数值模型[4]。

(4) 全三维模型, 即含水层和弱透水层中的地下水流均作三维渗流处理。如骆祖江等建立的盐城市地下水资源数值模型。三维地下水渗流模型能较好地刻画地下水系统内真实的水流状态, 特别是针对粘土、亚粘土等弱透水层因相邻含水层抽水而导致的压密释水状况

(2) 土体变形模型

土体是松散的多孔介质, 其组成特点和结构形式决定了他具有不同于一般固体材料的特性。因此, 土体变形特征不同, 即应力一应变关系不同, 对应的土体变形模型也就不同。根据土体的应力应变关系, 地面沉降计算中土体变形模型主要有线弹性模型、非线弹性模型和流变模型。

(1) 线弹性模型[5]。即认为土的应力应变关系符合虎克定律, 土层厚度的变化与有效应力的变化成正比。这一模型主要用于含水层的变形, 即将含水层的变形作为弹性的、可恢复的。

(2) 非线弹性模型。即考虑到土体变形的非弹性特性, 当地下水位恢复时, 土体要产生回弹, 但不可能完全恢复, 且恢复的程度与土质条件、土体所处的应力状态有关。另外土体的变形与土体经历的应力历史有关。因此在计算土体变形时按土体的前期固结应力的大小, 需要进行分段处理。如Rolando Bravo等考虑到土体变形与应力历史的关系, 提出预固结水位的概念。[6]

(3) 流变模型。即认为由于在土体骨架应力作用下土体表面所吸附的水的粘滞性, 土体颗粒的重新排列和骨架体的错动将具有明显的时间效应。吴林高等用高压渗透固结仪进行了抽水压密、回灌膨胀的室内模拟试验。试验结果表明抽灌水作用下土层的应力应变具粘弹性特征。D C.Helm假设饱和粘性土为理想的粘性材料得出了当上下相邻含水层孔隙水压力变化时粘土层一维固结方程解江苏沿江开发带地下水开采三维渗流场一地面沉降耦合数值模拟析解。顾小芸等提出了考虑流变的土体流固耦合计算模型[12]

(3) 沉降计算模型

目前, 根据渗流模型与土体变形模型不同的结合形式, 沉降模型大体可分为3类:即两步计算模型、部分耦合模型和完全耦合模型。

(1) 两步计算模型。两步计算模型首先由G.Gambolati和R.A Freeze[6]在研究威尼斯由地下水系统开采引起的地面沉降问题时提出。主要根据含水层和弱透水层的水位变化来计算有效应力的变化, 从而计算各土层的变形量, 即完全分成各自独立的两步完成, 进而求出地面沉降量。

(2) 部分耦合模型。近数十年来发现, 由抽水引起的地面沉降的同时常伴有地裂缝, 表明了地面沉降带有沉降不均匀性和引起土层水平运动的可能性, 因此有必要进行三维渗流和三维固结的耦合计算。此类模型也就是祸合的两步模型, 它一般的表现特征是水位和变形既分步计算又互相影响。

(3) 完全耦合模型[7]。1941年Biot所提出的固结理论可以弥补上述模型的不足, 它考虑了土体的变形和地下水运动的相互作用, 即孔隙水压力的变化对土体变形的影响以及土体变形对孔隙水压力的影响, 将土的变形模型和地下水流动模型统一于相同的物理空间。孔隙水压力和变形同时算出, 且地下水流和变形都是三维的。

5.2.2 随机统计模型

地面沉降受到一系列复杂的自然和人为因素影响, 这就决定了地面沉降的动态过程具有周期性、趋势性和随机性的特点。随机统计模型主要包括:

(1) 回归模型, 回归分析法也被称为解释性预测, 它假设一个系统的输入变量和输出变量之间存在着某种因果关系, 认为输入变量的变化会引起系统输出的变化。通过研究输入变量与输出变量的关系, 用拟合数学关系式表示模型。通常, 回归模型预测的准确度与样本的含量有关。多元回归和逐步回归方法常见于开采条件下的长期和中短期地下水系统预测, 能反映实际的地下水水位变化规律[8];

(2) 时间序列模型, 时间序列分析法是概率统计学的一个重要分支, 将某一现象所发生的数量变化依时间的先后顺序排列, 以揭示这一现象随时间变化的发展规律, 从而用以预测现象发展的方向和数量。它简便易行, 不必考虑影响因素对预测对象的影响, 单纯从被预测量的历史数据来推求其变化趋势, 基本上是一种历史数据引申的方法;

(3) 灰色模型, 灰色理论建模根据各类系统的行为特征数据, 找出因素之间或因素本身的数学关系。相对于其他数理统计方法, 灰色模型只需要较少样本量, 从一个时间序列自身出发, 采用依次累加的方法实现由非线性到线性的转化, 从而弱化序列的随机性, 揭示原始数据内在规律, 适合进行趋势预测[9]。

6 结语

大约从20世纪初, 世界工业迅速发展, 各国都出现了因大量开发利用地下水而陆续发现地面沉降现象, 中国也不例外, 至目前为止, 我国已经有数十个城市出现了地面沉降问题, 并已经严重威胁到地区经济和社会的发展。为了满足日益增加的人口和工业的发展的需要, 地下水资源的利用量将会迅速增加, 地面沉降也会扩散到许多别的地区。因此, 深化地面沉降机理和预测方法研究刻不容缓。另外, 预防预防地面沉降和把灾害损失最小化将会成为政府、地质工程师长期面临的一项挑战性任务。

摘要：文章针对我国因地下水过度开采而引起地面沉降的现状, 对我国地面沉降分布状况、成因以及危害都给予了简要说明, 分析了地面沉降的机理, 并总结了地面沉降的预测方法。

关键词：地面沉降,影响因素,机理,预测,防治

参考文献

[1]陈占成, 魏加华, 王金凯等.济宁市地面沉降初步分析.中国地质灾害与防治学报.1998, 9 (2) :167-172

[2]地质部水文地质技术方法研究队.水文地质手册.北京:地质出版社, 1980

[3]Rolando Bravo, ARivera等.地质矿产部地质环境管理司组织翻译.地面沉降—第四届地面沉降国际讨论会译文选集.北京:地震出版社, 1994

[4]宫辉力.郑州市地下水渗流场的数值模拟和优化管理.北京大学学报 (自然科学版) .1998, 34 (6) :827-835

[5]张廉钧.超采深层地下水引起地面沉降规律的探讨.海河水利.1999, 4:8-9

[6]G Gambolati, R Allan Frezze.Mathematical simulation of the subsidence of Venice.Theory Water Resource Research, 1973, 9 (3) :721-733

[7]R W Lewis, B.Schrefler.A fully coupled consolidation model of the subsidence of Venice.Water Resource Research, 1978, 14 (2)

[8]陈志宏.多元线性回归方法在地下水水位预测中的应用.北京地质.1999, (3) :20-26

浅谈地下水开采对生态环境的影响 篇7

关键词：地下水开采,生态环境,经济发展,生态平衡

1地下水开发利用现状

水是生命之源, 地球表面70.8%的面积被水覆盖, 然而, 随着人口的快速增长和工业化的发展, 加上地球上的水资源极易遭受污染, 适宜人类利用的陆地淡水资源已经越来越缺乏。地下水作为水资源的重要组成部分, 是干旱半干旱地区用水的重要来源, 在维持全球水系统循环过程中起着重要的调节作用。

根据《中国水资源及其开发利用调查评价》 (2007) 成果, 1980～2000年我国年平均地下水资源量为8219×108m3, 其中矿化度不超过1g/L的地下水资源量为7972×108m3;矿化度1～2g/L的地下水资源量为247×108m3。山丘区地下水资源量为6772×108m3, 相当于全国地下水资源量的82%;平原区地下水资源量为1765×108m3 (含与山丘区地下水资源量间的重复计算量318×108m3) , 相当于全国地下水资源量的21%。北方地区地下水资源量为2459×108m3, 占全国的30%, 南方地区地下水资源量为5760×108m3, 占全国的70%。[1]

多年来, 由于对地下水的生态环境效应的认识不足, 重视不够, 不合理开发利用地下水资源的问题长期积累, 已导致许多地方的生态环境问题日益突出, 甚至酿成难以弥补的严重后果。

2地下水开发利用引发的生态环境问题

2.1 水质恶化

中国水资源总量的1/3是地下水, 而全国90%的地下水遭受了不同程度的污染。随着经济的快速发展, 农药、化肥、生活污水及工业“三废”的排放量日益增多, 而这些污水大部分未经处理直接排入环境, 构成了地下水的主要污染源。

据报道, 有关部门对118个城市连续监测数据显示, 约有64%的城市地下水遭受严重污染, 33%的地下水受到轻度污染, 基本清洁的城市地下水只有3%。目前全国多数城市地下水受到一定程度的点状和面状污染, 且有逐年加重的趋势, 严重威胁到城市居民的饮水安全和人民群众的健康。[2]

2.2 地下水位持续下降

自70年代以来, 由于大量地下水, 开采量超过补给量, 很多孔隙承压含水系统的地下水位持续下降, 降落漏斗面积达数千平方公里, 漏斗中心水位深达80米, 并以每年1m到数米的速度下降。地下水位迅速下降, 造成了许多生态问题:1) 河流基流减少, 甚至断流;2) 使浅埋地下水所维持的沼泽湿地被疏干。作为水栖候鸟及某些野生动物栖息地的湿地的衰退, 将会导致有关生物群的灭绝;3) 干旱或半干旱地区地下水位的下降, 导致植被衰退、土地沙化, 最终依靠植物为生的野生动物也会随之衰减, 导致生态环境的全面退化。

2.3 地面沉降

地面沉降是一种可由多种因素引起的地面高程缓慢降低的环境地质现象, 严重时会成为一种地质灾害。2011年10月, 水利部水资源司副司长于琪洋称, 目前, 我国6万个城市中有4万个以地下水作为主要饮用水源。全国地下水超采区域达300多个, 面积19万平方公里。目前, 全国出现地面沉降的面积达6万多平方公里, 有40多个城市出现地面沉降。

人类活动和地质作用是造成地面沉降的主要原因, 其中过量抽取地下水是最主要的原因。我国和世界上主要的地面沉降区都是由过量开采地下水造成的。

2.4 地裂缝

地质构造运动 (比如地震) 是造成地裂缝的主要自然原因, 但近年来整个华北平原大面积出现地裂缝, 远非单一的地质构造因素所能解释。华北地裂缝势力扩张的现象引起关注, 据报道, 始自2006年夏季, 当时国土资源部门相继接到华北地区一些群众反映出现大量地裂缝的报告。截至2009年, 仅在河北省, 被发现的地裂缝已经达到573条。

地调局水文地质环境地质调查中心高级工程师杨旭东认为, 地质构造运动、地下岩溶的发育等都是地裂缝的成因, 人类活动尤其是地下水的过量开采, 则加速了地裂缝的发生及发展。陕西、山西、河北、河南、山东、江苏、安徽七省较发育, 广东、广西、海南、甘肃四省区零星分布, 据统计, 目前我国地裂缝发育总共有1000余处、6000余条[1]。

3地下水的合理开发建议

3.1 建立节水型社会

节约用水是缓解水资源短缺的最有效途径, 也是我国为解决水资源问题确立的基本国策。因此, 加强节水宣传教育工作, 提高全民的水环境保护意识是建立节水型社会的首要任务。相关部门应通过各种途径, 积极开展水环境问题的宣传、普及教育, 提高公众的环境保护意识, 调动全民的力量, 开展和做好保护地下水资源工作。

3.2 实行分质供水, 倡导水的循环使用

根据工农业对水质的要求开展分质供水, 是有效利用有限水资源的重要措施。例如, 对水质要求不高的冷却用水和市政用水可以利用回用水;有苦咸水分布的地段可适量开采部分苦咸水进行农田灌溉以补充农业用水不足。农业用水和城市用水要统筹兼顾, 发展废水重复使用的综合利用模式, 逐步推广一水多用。

3.3 防止污染, 开展污水资源化

地下水不易受到污染, 但一旦被污染就很难治理。因此, 要加强地下水源的保护, 地下水污染后必须尽快查明污染源并针对其特点进行有效的治理, 防止有害物质进入地下水。此外, 可以对工业废水中的污染物进行分类, 根据不同其性质采用不同方法处理, 实现污水的循环使用。

3.4 实行地下水限采和禁采

对于地下水超采区域实行限制性开采, 严重地区可以禁止开采。地下水资源是可再生资源, 具有可恢复性, 通过限采和禁采, 使超采区域的地下水位逐渐恢复, 改善生态环境地质条件, 最终使地下水生态系统逐渐恢复正常或趋于正常。

4结束语

综上所述, 全面认识地下水, 合理开发利用地下水, 积极保护地下水资源, 有效解决在地下水开发利用引起的生态环境问题, 已成为地下水资源可持续利用, 人口、资源、环境和经济社会全面、协调、可持续发展的迫切要求。

参考文献

[1]马韧.我国地下水资源开发利用现状及存在的问题[J], 农业与技术, 2012.

地下水的开采 篇8

煤炭开采之所以会影响地下水，是因为生产过程中破坏含水层、改变了水文地质条件并大量排空地下水，还伴随着地下水污染问题。破坏的程度主要受自然和人为因素两个方面控制，包括水文地质条件、地质构造特征、煤矿开采阶段、降水量、开采面积、开采深度等因素。煤炭开采活动对地下水影响的研究始于20世纪80年代，前人从不同角度开展过许多研究。石晓枫和杨国栋[1]通过分析煤炭开采对地下水资源破坏的表现形式，归纳了地下水资源破坏的环境影响评价的几条基本原则，根据水文地质条件、水位恢复情况、径流改变、水资源漏失、对当地水源地的影响等5个因素将破坏级别分为轻微、中等、严重三类。邵改群[2]在对山西煤矿开采现状进行全面调查研究的基础上，探讨了煤矿开采对水资源影响程度且进行了评价，根据山西煤矿实际及水资源现状将影响程度分为3类，即采煤对水资源影响轻微区、影响明显区和影响严重区，并对各类区典型煤矿进行了分析。郭润林和张卫新等[3]以山西太原市为例，分析了长期采煤对水资源造成的地面裂缝、塌陷，地表水、地下水水量减少，水质污染严重等影响。王洪亮等[4]和冯秀军[5]分别针对神木大柳塔和淄博市淄川区矿坑水等区域，分析了煤矿排水对水资源的影响。薛强和王惠芸等[6]通过对采煤矿区地下水脆弱性的研究，讨论了煤矿区地下水评价的指标。王亚飞[7]分析了煤矿开采对地下水、上覆含水层、下伏含水层以及地表水的影响，阐述了采煤破坏水资源量的计算方法。王启亮和程东[8]在对山西省煤矿进行调查并收集地质勘探资料的基础上，将煤炭开采对水资源的影响程度分为3类，即影响轻微、影响明显和影响严重，但仅作了相关的定性描述。杨俊军[9]从煤炭开采对地下水、地表水及水质三个方面的影响分别进行了分析。师幸生[10]在调查分析太原市煤矿开采对地下水的影响特点等的基础上，提出煤矿开采对地下水的保护措施。

前人所作研究大都是基于数据和资料的定性分析，采煤对地下水资源影响的定量、半定量研究几乎是空白。基于此，本文尝试用定量与定性相结合的方法对煤炭开采影响地下水资源进行分析评价，为典型煤炭盆地的合理开采、地下水的全面监测提供科学的决策依据。

1 研究区概况

太原市所处的太原断陷盆地位于山西省中部，太行山与吕梁山之间，盆地四周均为丘陵和山区环绕。东部山区属太行山系，西部山区属吕梁山系。盆地总体呈北东向展布，包括太原地区的阳曲县、太原市、清徐县，晋中地区榆次市、太谷县、祁县、平遥、介休，吕梁地区交城、文水、汾阳、孝义等13个县市，丘陵和平原区面积约为6195km2ㄢ

2 评价指标与方法

根据前人研究成果，并结合太原盆地调查和收集的地质勘探资料，基于“专家意见法”，确定本次评价采煤影响地下水的指标有:

(1)地形地貌

研究区煤矿几乎全部位于盆地四周，大部分地处低矮山区丘陵地带，平原区则极少见煤矿分布。根据前人相关调查可以得出一个基本认识:一般平原区采煤对地下水影响较小，尤其是第三系、第四系松散层覆盖的盆地，丘陵区受到的影响其次，山区最甚。

(2)水文地质条件及构造复杂程度

地质构造对地下水起着重要的控制(阻水或导水)作用，通常构造越复杂、导水性越强，则采煤流失地下水量越大，对地下水环境的影响越大，反之则轻。

(3)煤矿业发达程度

主要包括煤矿数量的多少和疏密程度。一般一个地区同等条件下煤矿数量越多越密集，对地下水的破坏越严重，煤矿数量少或者稀疏则影响小。

(4)地下水污染程度

煤矿区地下水受生产和生活等原因影响，水质较差，远离煤矿的地区地下水水质较好。

根据以上分析和太原盆地资料的实际情况，采用“专家意见法”选取最关键的8个指标，评价结果按影响程度分为4级(表1)，即采煤对地下水资源未影响类(I)、轻微影响类(II)、中等影响类(III)、严重影响类(IV)。同时，受客观条件的限制，有些资料不容易获取，以下标准(见表1)中有的可做定量描述，有的仅能做定性描述，故本次评价采取定性与定量相结合的方式进行。

根据不同级别给予相应的评分(表2)。

然后，对各评价指标给予权重。权重的确定方法有头脑风暴法和专家意见法，考虑到本次评价的8个指标还达不到完全定量计算的数据要求，故依据各因子对地下水资源影响程度的不同，采取专家意见法确定权重。其中，判别影响程度最直接的就是研究区的水位和水质变化，故给予较高的权重值;其次是煤矿的密集程度以及矿坑的排水量，它们体现了人为活动的强度，对地下水环境的影响同样重要;相对而言，地形、构造等在权重中取值较小，因为它们主要反映的是自然条件，而采煤说到底是一项人为活动，脱离了人这个主体，自然因素的影响也就无从说起，见下表3ㄢ

确定权重后，对各个指标的评分运用加权求和得到整个研究区的总评分，根据总评分来划分采煤活动对地下水资源的破坏程度。

对所得结果按照如下评分(表4)进行分级。

根据太原盆地所收集的资料分别得到指标体系中各指标的评级如下图1～图8。通过属性分析得到PI值和面积的统计情况(图9)。

3 结果与讨论

空间分析是GIS系统的重要模块，是GIS与其它制图系统相区别的主要标志。它包括对矢量数据的分析和对光栅数据的分析。从信息提取的角度来讲，GIS空间分析严格意义上只是一种属性的描述和说明，是特征的提取和参数的计算。

参与评价的8个指标在研究区的评级图，在GIS平台上利用空间分析技术对8张评级图进行了加权叠置，同时对8个指标按照各自的权重取其加权和，得到采煤对研究区地下水资源破坏的影响程度图(图10)。

由GIS空间分析叠加形成总数为379个的分区。经过统计，PI值为0的区个数为0，表示太原盆地未受破坏区的累积面积为0 km2;PI值为0～1的区个数为146，轻微破坏区的累积面积为2667.243 km2，占总面积的41.4%;PI值为1～2的区个数为189，中等破坏区的累积面积为3154.832 km2，占总面积的49.0%;PI值为2～3的区个数为44，严重破坏区的累积面积为619.052km2，占总面积的9.6%。

由图10可以看出，整个太原盆地地下水资源均受到采煤的影响，程度有所不同，以轻微破坏、中等破坏为主，严重破坏的地区较少。从破坏程度的分布来看，研究区南部较北部严重，西部较东部严重。轻微破坏的地区集中在太原市北部和城区、阳曲县郊区、榆次市大部、太古县-祁县-平遥县靠近盆地四周的丘陵一带、汾阳以北边界、文水东北部分等;中等破坏程度的地区主要包括太原市东西两山、清徐县-文水县-交城县一带、盆地中部大部分地区等;严重破坏程度的地区有太原市西山、清徐县以北、汾阳市、孝义市、介休市等。轻微破坏程度的地区一般远离采煤区，中等破坏程度的地区主要分布在采煤区周边，严重破坏程度的地区全部在采煤区以内。

以上结论符合采煤对研究区地下水破坏的基本认识，充分体现了矿区生产对地下水资源的影响规律。表5是研究区内各市县地下水具体的影响破坏程度统计。

4 主要结论

地下水的开采 篇9

关键词：露天开采,含水层,天桥泉域,影响

0 引言

长滩露天煤矿位于内蒙古准格尔煤田南部, 井田含煤地层为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组。矿田内可采煤层自上而下有4、5上、5、6上、6、9号煤层。矿田划分为四个采区, 分别为一采区 (首采区) 、二采区、三采区、四采区。煤层属中灰分、特低硫~低中硫、低磷、中高热值、较高软化温度灰煤~高软化温度灰煤, 牌号为长焰煤。

1 研究区水文地质条件

1.1 含水层特征

对露天开采煤层有影响的含水层为第四系松散孔隙含水层;煤系顶砂砾岩段孔隙、裂隙含水岩组;煤层间裂隙承压含水岩组;碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组。

a) 第四系 (Q) 松散孔隙含水层:第四系全新统风积沙 (Q4eol) , 在勘探区内仅零星分布, 一般在背风 (东南) 坡呈很小的新月形沙丘、沙梁, 透水而不含水;全新统冲、洪积层 (Q4al+pl) , 主要分布于十里长川沟、周家沟、魏家沟。分布范围小, 连续性差, 厚1 m~5 m。岩性以中、细砂为主, 夹砂砾石、卵石及淤泥。上更新统马兰组 (Q3m) 黄土层, 呈淡黄、褐黄色, 粒度较均匀, 垂直节理发育, 含钙质结核, 基本全区分布, 厚0 m~124 m, 平均15.33 m;

b) 二叠系石盒子组孔隙、裂隙含水层:上石盒子组 (P2s) 孔隙、裂隙含水层:中、上部以暗紫色、淡灰绿色泥岩、砂质泥岩为主, 夹灰白色砂岩透镜体;下部为灰绿、黄绿色中粗砂岩与暗紫色泥岩、砂质泥岩不等厚互层。下石盒子组 (P1x) 孔隙、裂隙含水层:全区分布, 出露于周家沟及魏家沟上游的沟坡上, 中、上部为紫红色砂质泥岩、泥岩夹透镜状砂岩;下部为黄褐、灰白色中、粗砂岩, 夹薄层紫红、杂色砂质泥岩;

c) 二叠系下统山西组 (P1s) 孔隙、裂隙含水层:全区分布, 岩性由灰白色中、粗砂岩, 浅灰及灰黑色砂质泥岩、泥岩、褐灰色粘土岩、煤层组成, 富水性弱;

d) 石炭系中统太原组 (C2t) 孔隙、裂隙含水层:全区分布, 含水层为间夹于泥质岩类间的粗中粒砂岩、巨砾岩、中砾岩、细砾岩;

e) 奥陶系、寒武系岩溶裂隙含水层:寒武、奥陶系从上至下可分为三个含水岩组:上下马家沟含水岩组;Ⅰ含水岩组 (O1L、O1y、Э3f) ;Ⅱ含水岩组 (Э3g、Э2z) 。寒武、奥陶系岩溶裂隙水单位涌水量0.003 6L/ (s·m) ~19.039 L/ (s·m) , 其富水性极不均匀。据区域资料, Ⅰ、Ⅱ含水岩组承压水头标高约为860 m~870 m。

1.2 地下水补给径流排泄条件

准格尔煤田的总体构造轮廓控制着地下水的储存、富集、运动。走向近南北、东部隆起、西部拗陷向西倾斜的单斜构造决定了地下水总的运动趋势为由东向西, 总体的单斜及其间发育的幅度较小的宽缓褶皱形不成良好储水构造, 不易形成地下水的富集带, 仅对地下水运动方向有所影响。

2 露天矿开采对区内含水层及地下水流场的影响

2.1 对煤系上伏含水层的影响

由于露天开采对上部土岩全部剥离, 将改变采掘场周围地下水水位线分布, 矿田开采范围内的水位线将断裂缺失, 以开采区为中心将形成降水漏斗, 地下水的流场也将重新整合分布, 从而对地下水资源造成影响。

根据经验公式计算露天矿开采地下水疏干半径, 计算公式[1]为:

式 (1) 中, R为影响半径, m;S为疏干水位降深, m;H为含水层厚度, m;K为渗透系数, m/d。各个参数取值见表1。

根据矿田内第四系的分布特征, 其主要含水层为全新统的冲、洪积层 (Q4al+pl) , 主要分布于十里长川沟, 其支沟周家沟、魏家沟也有少量分布。总体而言, 第四系分布范围小, 连续性差。露天矿开采后, 周家沟、魏家沟在露天剥离范围内, 其第四系含水层将被全部剥离, 剥离区含水层全部破坏。但第四系的主要分布区为十里长川沟, 位于露天开采剥离区外, 其第四系含水层未被剥离, 不会对含水层造成直接影响。

由上面计算石盒子组含水层影响半径分析可知, 采掘场露天开采, 二叠系石盒子组剥离将使开采区域边界外扩342 m范围内的二叠系石盒子组含水层地下水水位将受开采影响, 影响面积约为73.58 km2。由此可知, 随着井田内第四系、二叠系上下石盒子组地层的剥离, 将影响矿田及周边区域浅部含水层流场的重新分布, 地下水流向矿坑汇集。

2.2 对煤系含水层的影响

本勘探区的主要可采煤层为4、5上、5、6上、6、9号煤, 由于露天开采对煤层顶板土岩全部剥离, 因此9煤以上含水层将全部被破坏, 井田周边山西组、太原组含水层将形成以采场为中心的降落漏斗, 根据表2计算结果可知, 由于山西组、太原组含水层富水性差, 露天开采造成的影响半径较小, 山西组含水层最大影响半径为130.07 m、太原组含水层最大影响半径为45.5 m。

2.3 对下伏含水层的影响分析

由6上煤层突水系数看出, 带压面积为30.43 km2, 突水系数最大值为0.04 MPa/m。由6煤层突水系数看出, 带压面积为35.32 km2, 突水系数最大值为0.05 MPa/m。由9煤层突水系数看出, 带压面积为48.83 km2, 突水系数最大值为0.065 MPa/m。根据《煤矿防治水规定》[2], “受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06MPa/m, 正常块段不大于0.10 MPa/m。因此, 突水系数小于0.06 MPa/m的区域为带压开采安全区, 突水系数大于0.06 MPa/m且Ts≤0.10 MPa/m的区域为构造破坏块段带压开采危险区, 突水系数>0.10 MPa/m的区域为带压开采危险区域。”

可见, 6上、6、9煤层仅部分区域带压开采, 且6上、6、9煤层开采均不存在带压开采危险。但9号煤层开采时在左下角, 面积约3.14 km2范围内开采时应采取底板加固等防范措施 (注:为防止对天桥泉域产生影响, 不允许采区疏水降压措施) , 区内可能存在未探明的导水断层。因此, 在煤层开采时, 应严格执行“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原则, 防止在矿井生产过程中对奥灰水产生影响, 既保护水资源, 又可以保证煤矿安全生产。煤系地层与其下伏奥灰含水层之间有石炭系中统本溪组 (C2b) 隔水层阻隔, 该隔水层全区分布, 厚度大于13 m。岩性以深灰、灰色砂质泥岩、泥岩为主, 厚度稳定, 硬度大, 岩体完整性好, 裂隙不发育, 是本井田及全煤田稳定的良好隔水层。且断裂构造不发育, 可以满足本区带压开采对底板隔水性能的要求, 不会破坏奥灰水。

3 露天矿开采对天桥泉域的影响分析

长滩露天矿位于天桥泉域西部边界, 天桥泉域的西北滞水边界上, 距天桥泉域重点保护区的最近距离约45 km, 位于天桥泉域水文地质单元的隐伏岩溶区, 属于滞流区。

3.1 对天桥泉域岩溶水补给条件的影响

本矿田不属于天桥泉域的补给区, 天桥泉域岩溶地下水补给条件相对简单, 主要为碳酸盐岩裸露或覆盖区降水或地表水入渗补给, 少量为部分上覆含水层通过断裂构造等下渗补给岩溶水[3]。

天桥泉域总面积为13 974 km2, 矿田面积59.02km2, 占泉域的0.42%。由于井田内石炭系中统太原组 (C2t) 下段赋存有以泥岩类为主, 厚度稳定, 硬度大, 岩体完整性好的良好隔水层, 是阻隔奥灰岩溶水与上部含水层水力联系的重要隔水层。根据《地质报告》, 勘探区内构造简单, 总体走向NNW, 倾向SWW, 产状平缓, 大部分地段倾角小于5°, 因受沙沟背斜的影响, 局部地段倾角10°~15°。勘探区内未发现有断层、陷落柱、地面塌陷。长滩矿田上伏含水层对泉域的补给量很微弱。因此, 煤矿开采不会直接影响泉域岩溶水的补给。

3.2 对天桥泉域岩溶水径流条件的影响

长滩露天煤矿深部的岩溶地下水接受东部、北部岩溶水的补给, 向南部径流。正常条件下, 煤炭开采不会影响到奥灰含水层。但由于部分开采煤层带压, 9号煤层开采的左下角, 面积约3.14 km2范围内突水系数大于临界突水系数 (突水系数为0.065 MPa/m) , 煤矿开采对奥水含水层影响较小, 不会加强奥灰水的径流。为了不影响天桥泉域的径流条件, 要进一步查清奥灰含水层水文地质条件, 充分研究本矿区的地质构造, 在开采过程中要严格遵循《煤矿防治水》的要求, 确保矿田煤炭开采不会发生奥灰水突出的情况。

3.3 对天桥泉域岩溶水排泄条件的影响

奥灰含水层处于滞流状态, 奥陶系岩溶裂隙水单位涌水量0.003 6 L/ (s·m) ~19.039 L/ (s·m) , 其富水性极不均匀。且由于长滩矿田奥灰含水层位于天桥泉域滞流区, 地下水径流迟缓, 多年积存, 水岩相互作用, 岩溶水的矿化度高达4.17 g/L, 水质较差, 目前奥灰水没有利用价值, 没有被人工开采。根据分析, 正常的煤矿开采不会直接影响奥灰水, 不会影响天桥岩溶水系统的排泄条件。

综上分析, 露天矿在天桥泉域非重点保护区内, 本煤矿开采不会影响天桥泉域的补给、径流和排泄条件, 也基本不会对泉域补给和水量产生影响。

4 地下水资源的保护措施

奥灰含水层是天桥泉域岩溶水的含水介质层, 天桥泉域排泄的泉水绝大部分都是奥灰水。因此, 露天开采保护奥灰水显得尤为重要。应禁止对奥灰水采用疏水降压的方法进行采煤, 制定带压开采条件下防治奥灰水突水的应急预案;充分研究本矿区的地质构造, 找出构造应力较为集中的地段和突水危险较大的区域, 提前采取留设防水煤岩柱、加固底板等预防性措施, 同时可利用选煤厂浓缩池及事故池作为缓冲水池, 降低对环境的影响。

由于露天开采使得上覆含水层的水北疏干, 当地居民的水源受到一定程度的影响, 为了保证居民用水安全, 对煤炭开采可能导致的地下水水位下降及时预警, 要对开工建设前没有搬迁, 且以浅层地下水作为饮用水源的村庄居民水井为监测对象, 设置监测点, 并提出供水发生问题时居民水源的替代方案, 或采取提前搬迁措施。

5 结语

长滩露天煤矿开采将煤层顶板土岩全部剥离, 因此9煤以上含水层将全部被破坏, 形成以露天矿坑为中心的地下水降落漏斗。本露天煤矿位于天桥泉域的西北滞水边界上, 不会影响天桥泉域的补给、径流和排泄条件。

参考文献

[1]牛威.天桥泉域岩溶水水资源评价[J].山西水利科技, 2007 (02) :58-60.

[2]国家环境保护局.HJ 610—2011环境影响评价技术导则地下水环境[S].北京:中国环境科学出版社, 2011.

地下水的开采 篇10

近几年来,武汉市城区建设飞速发展,高层建筑日新月异。随着高层建筑的兴建,在深基坑开挖过程中,地下水成为施工中急需要解决的问题,目前多采用基坑降排水降低地下水位的办法来解决。

1.1 武汉水文气象

武汉市区位于江汉平原东部边缘隆起地带,处于长江、汉江、府河河谷所组成的洼地之中。由于地壳沧桑变迁,水流夹带大量泥沙落淤,江湖分离,水流归槽,形成了现在河流、湖泊的雏形。地表水系由长江的干支流及湖网体系组成。全市较大的河流有:长江、汉江、府河、巡司河等;区内散布的湖泊,相应的构成东西湖—后湖、后官湖—墨水湖、汤逊湖—南湖、东湖、严西湖等六个湖网体系。

1.2 地下水开发利用分区

武汉市分为2个地下水禁采区,面积25.85km2;5个地下水限采区,面积219.38km2;7个地下水开采区,面积576.23km2,地下水开采分布情况详表1。

1.3 地下水补给、径流、排泄及其特征

地下水含水层的成因类型、埋深情况、开采方式等因素是其补给、径流、排泄的主要影响因素。对于局部的某个场区来说,地下水的开采以浅层滞水为主,而开采量与地下水的补、径、排特征直接相关,尤其是主要影响浅层地下水的流场变化。

1.3.1 地下水补给特征

(1)浅层滞水:武汉市位于江汉平原东部边缘隆起地带,其直接补给来源主要由大气降水、地表水入渗、灌溉回归、上游侧向补给组成。同时人工对地下水的开采往往会改变地下水流场的变化,开采强度较大的区域可以得到附近区域地下水的增补。(2)深层承压水:对深层承压水的补给起主导作用的因素是上游的侧向径流和上覆含水层的越流。

1.3.2 地下水径流与排泄特征

(1)浅层滞水:在自然条件下,浅层滞水的径流受地貌地形和场区地质水文条件的影响,水往往从较高的区域向较低的区域慢慢流动。但随着社会发展步伐的日益加快,大气降水已经远远满足不了工程建设及农业生产的需求,在武汉市区,人工开采已经是地下水使用及排泄的常规方式。同时,在一些工程中应用的水源热泵技术往往不能实现100%的水量回灌,从而地下实际水流场比天然流场更加复杂。(2)深层承压水:武汉区域内深层承压水整体上是从西北向东南流动,径流速度相对缓慢。早在20世纪70年代主要表现为径流排泄,人工在局部地区的少量开采或向上部含水层的顶托排泄。而随着地下水的大量开采,区域内的排泄则由人工开采与地下水侧向径流的共同控制。并且人工开采是深层承压水的主要排泄方式。

2 地下水开采对工程结构的影响分析

地下水过度开采包含两方面:第一方面是浅层滞水的过度开采,即当地下水多年的平均补给量低于开采量时,浅层滞水的水位会逐年下降;第二方面是深层承压水的开采,承压水上有隔水层,补给非常困难,当大量开采过程中不能实现100%回灌时,即可视为过度开采。细数武汉城区的工程建设,地下水的开采引发的工程安全问题主要集中在三个方面:一是直接导致城区地下水的质量下降,局部区域甚至出现地下水的严重污染;二是导致城区地面的塌陷,如中南轧钢厂,陆家嘴的地面塌陷就是个醒目的例子;三是地下水位大幅度下降形成降落漏斗了容易导致城区地面的沉降。这些问题都将不同程度地破坏建筑物的结构。

2.1 地下水质量变化

地下水开采,增加了地表污染物入渗可能性,武汉制药厂一带的酚超标就是例证。另一方面过度的开采地下水往往会破坏地下水原有的化学组分,在地表水被污染之后,地方政府和农民们开始不断抽取地下水,水井越打越深,这样周而复始形成污染的恶性循环。

2.2 岩溶地面塌陷

岩溶地面塌陷产生的基本条件包括岩溶洞隙的存在、一定厚度的松散覆盖层(砂土层)和水动力条件易于改变的岩溶地下水。岩溶洞隙是指在灰岩分布区,已经发育有溶洞、溶隙,而且溶洞和溶隙相互联通。一定厚度的松散覆盖层(砂土层)是指灰岩上部覆盖层较薄且直接覆盖层为砂土层,或者粘性土层很薄(一般不足1~2m)。水动力条件易于改变的岩溶地下水是指由于灰岩中存在的溶洞和溶隙相互联通,岩溶地下水和上部砂层中孔隙承压水以及周边地下水均有水力联系,当地下水动力条件发生改变,岩溶地下水的动力条件也会随着发生改变。由于水动力条件发生改变,地下水不断带走上覆砂土层中的细颗粒,并逐渐形成空洞,随着地下水位的逐渐降低,早些形成的细小空洞会逐渐增大,进而导致岩溶地面塌陷。

2.3 地面沉降

地面沉降产生的基本条件包括自然和人为两个因素。自然因素包括地下水开采区的地质结构和地下水储量。地质结构一般为河流相或河湖相的二元结构,即上部为淤泥质软土,下部为含水砂层,且含水砂层埋深较浅(14~15m之内)。地下水储量是指地下水开采区的赋水程度,当取水量大于地下水静储量加动储量时才可能产生地面沉降。人为因素是指开采井群不科学,导致对地下水过度开采。

据有效应力原理的相关理论,对于现有的饱和土体,土体孔隙水压力各向相等,含水层的土体骨架及水体一起承担含水层上覆荷载而达到平衡。随着地下水的开采,土体由饱和状态转为非饱和状态,孔隙水压力逐渐减小,部分水层上覆荷载由含水层的土体骨架来承担,此时含水层呈压缩状态。土中水渗流时的总应力、孔隙水压力及有效应力分布如图1。

其中:σ———表示土中水渗流时总应力;μ———土中孔隙水压力值;σ'———有效应力值。

承压含水层的水位发生下降时,相邻的弱透水层中孔隙水压力跟着减小,增大的有效应力使得弱透水层压缩,地下含水层的压缩量与弱透水层的压缩量变化共同表现为地表面发生沉降。

3 地下水对建筑结构破坏的防治措施

武汉市城区的地下水过度开采已经是公认的事实,社会的进步和经济的发展都与水资源紧密相关。所以,尽可能不破坏地下水的原有平衡状态,是防止城区地下水资源质量下降、城区地面塌陷和沉降等工程问题的关键所在。下面具体从以下几方面提出相关应对措施:

3.1 政策和法规方面

目前环境污染问题极为严峻,地方环保部门缺少独立性,并且权力有限。创建规范标准的地下水资源管理机构,实行合理规划开采,规范监测,让地下水管理有科学的依据,形成水质监测、预警监控、应急预案和监管制度的完备体系。一旦发现对地下水的违法使用行为,就要采取严厉处罚。同时,对于新兴的节能技术予以资金支持,加大投入补偿力度,加快地下水资源的基础保障建设,多渠道筹集资金,大力推广节能示范工程。在法制的管理方面,赋予环保部门独立职权,使其不受地方政府的管制,硬性规定环评优先原则,对建设项目要求环评认可,未达标的一律不允许开工。

3.2 地下水开采管理方面

3.2.1 分区控制

根据地下水过度开采对工程结构的影响程度及区域内水资源的恢复、补给能力,将城区内地下水分为不同的开采区,例如限采区、禁采区等,根据分区进行不同程度的开采。对于不易补给的深层承压水和已经过度开采的浅层滞水区定为禁采区域,对于城市中心区以及存在农业灌溉需求的过度开采区、地质条件复杂或存在软弱土层易导致工程破坏和容易遭受污染的区域,并拥有适当补给及恢复的地区定为限制开采区。

3.2.2 加大信息监控投入

由于水的流动性,在开采利用方面上下游之间往往很难形成默契,加强地下水资源的动态检测和区域内地面沉降的监测,片区之间交流引用新监测技术,将实时的监测成果进行共享。这样不但提高监测的准确性,提高了工作效率,而且可以迅速了解地下水的开采与地面沉降的最新关系数据。进而针对最新的监测成果及时有效更改地下水的开采计划,这样就形成地下水资源的实时动态管理,相关的监测数据也会成为科研及结构设计工作的第一手资料。

3.2.3 研发地下水开采利用新技术,降低开采量

针对不同区域对地下水资源的具体需求采取对应的利用技术。如在有农业灌溉需求的城郊区域,可以最大限度利用自然雨水,增加人工降雨的方式满足生产。而在工业生产和民用中则可增加城市中水的利用。根据现有的统计资料,工业用水基本上最终转成了污水废水,而收集的工业废水经过技术处理后可以变成二次利用的中水,通过循环利用就可以降低地下水资源的开采量,这样相邻区域的地下水就可以得到及时补给而恢复,也降低了地下水资源污染和工程地质环境破坏的概率。同时,加强地下水资源和周边生态环境和的保护,建设湿地工程、拦蓄工程等,也可以增强地下水的自我降解能力。

3.3 过度开采引发的各种工程问题方面

3.3.1 加强地下水开采引发地质变化的理论研究

在科学监测的基础上,结合水文数据,加强地下水开采与地面沉降的关系研究,研究地下水水位下降导致各种土质的应力状态变化,总结地质变化的相关规律,为实际工程建设提供丰富的理论基础,进一步涌现工程建设及地下水治理的新应用。

3.3.2 合理回灌,实现地下水状态平衡

根据工程实际条件,对开采后的区域采用合理的人工回灌。通过人工回灌稳定地下水水位,使含水层土体尽可能保持原有平衡状态,这种简单的方法可以有效控制地面的沉降,并对局部区域的蓄水储能的非常有效,实现了地下水开采及回灌的循环利用。近年来随着我国国民经济的快速发展,地源热泵技术已得到了较好的应用。地下水的回灌技术已全面展开应用。

4 结语

地下水的开采对工程建设极为重要,预防地质灾害首先要理解地下水与地面沉降的对应关系,及时完善地下水的相关法律法规,加强施工过程监测,保持地下水开采与补给的平衡。这样才能有效避免工程事故的发生。

参考文献

[1]关文涛.浅谈地下水过量开采的危害及防治[N].晋中日报,2010-8-13(003).

[2]杨晓红.地下水开采与环境地质灾害研究[D].河海大学,2006.

[3]肖建华,廖建生,官善友.武汉市应用地源热泵技术相关问题的研究[J].城市勘测,2006(4):62-64.

[4]戴定贤.福建省安溪县剑斗镇湖丘角落地面塌陷分析[N].淮南职业技术学院学报,2007,7(22):53-56.

[5]史俊德,连冬香,杨士臣.论岩溶塌陷问题[J].华北地质矿产杂志,1998,13(3):264-267.

[6]马最良,姚杨,姜益强,倪龙.地下水源热泵若不能100%回灌地下水将是子孙后代的灾难[J].制冷技术,2007(4):5-8.

[7]姚瑶,段静,石小蒙.基于过度开采地下水造成地面沉降的探究[J].科技促进进步,2010(1).

[8]岳树堂,张登杰,乔光建.黑龙港平原区地面沉降机理分析及预防对策[J].南水北调与水利科技,2009,7(4):36-39.

[9]刘瑞华,唐光良,孙宁.广州城乡建设场地岩溶地面稳定性评价[J].热带地理,2010,30(4):353-356.