分段壓水試驗在東平大牛礦區水文地質勘查中的應用

汪云，蘭天，蔣會生

( 中國冶金地質總局山東正元地質勘查院，山東泰安 271100)

0 引言

鉆孔壓水試驗是將水壓入用栓塞隔離的一定長度的孔段內，觀測其壓力與流量，以了解巖體透水性的一種野外滲透試驗方法。測定巖體透水性的方法很多，由于壓水試驗簡單易行，適應性強，在地下水位以上和以下都可進行，可應用于較深的孔段。通過分段試驗能了解巖體透水性在空間的分布變化，因此在工程勘察中被廣泛應用，是測定和評價巖體透水性的主要方法，壓水試驗方法以往主要用于水利水電、壩基、隧道等工程地質勘查中，在礦區水文地質勘查工作中應用較少，該次利用分段壓水試驗原理，大膽應用于礦區水文地質勘查，特別是針對透水性不是很大的(q ＜10 Lu)礦區，選擇單管栓塞壓水試驗方法［1］，在同一鉆孔中進行分段壓水試驗，取10 m 左右為一個壓水試驗段，測得巖層隨深度變化的透水率和滲透系數，從而進行礦區含水層、段的劃分，對查明礦區開采技術條件具有重要的意義。

東平大牛礦區位于山東省東平縣，地處魯中山地西南邊緣，華北平原東端，為汶河沖積平原，區內地勢平緩，北東高、南西低，地面標高一般在38.00～46.00 m。東平湖位于礦區的西北，大清河自東向西從礦區通過，礦區主要含水層有水量豐富且透水性好的第四紀松散巖類砂礫石孔隙水含水層和寒武紀灰巖巖溶裂隙水含水層［2］，還有透水性較差的泰山巖群黑云變粒巖裂隙水含水層。其中泰山巖群黑云變粒巖的裂隙發育帶是礦體開采的直接充水含水層，而寒武紀灰巖巖溶裂隙水通過斷層和次生構造破碎帶溝通礦體成為礦體開采的主要充水含水層，第四紀砂礫石孔隙水通過局部“天窗”補給泰山巖群黑云變粒巖裂隙水含水層和寒武紀灰巖巖溶裂隙水含水層。斷層及次生構造破碎帶是礦區充水的主要通道。礦區主要隔水層為第四紀的粘土、粉質粘土，寒武紀的頁巖和做為礦體頂底板的泰山巖群黑云變粒巖。

為了確定礦體的直接充水含水層黑云變粒巖裂隙水的賦存情況，采用了分段壓水試驗，實踐結果證明分段壓水試驗在該區的應用是非常有效的。

1 分段壓水試驗原理

1.1 分段壓水試驗的原理

壓水試驗是根據巖體吸水量計算了解巖體裂隙發育情況和透水性的一種原位試驗。分段壓水試驗是用專門的止水設備把一定長度的鉆孔試驗段隔離出來，然后用固定的水頭向這一段鉆孔壓水，水通過孔壁周圍的裂隙向巖體內滲透，最終滲透的水量會趨于一個穩定值。根據壓水水頭、試段長度和穩定滲入水量，可以判定巖體透水性的強弱。壓水試驗裝置見圖1。

圖1 壓水試驗裝置圖

壓水試驗時，水從進水管進入壓水段，并讀取流量(Q)，水的壓力則從孔口的壓力表讀取(P)。孔內栓塞靠機械施加壓力，使橡膠栓塞膨脹壓緊孔壁，在栓塞與孔底之間形成一個封閉的壓水區域。采用多級壓力，多階段循環的試驗方法，試驗最大壓力通常為1 MPa，每個階段的試驗時間較短，一般為10 min 左右，用呂榮(Lu)作為巖體透水率的單位，呂榮試驗方法優點是能了解在不同壓力下及最大壓力前、后同一壓力下巖體透水性的變化情況，所得資料更豐富，更全面。能取得多組數據，可以相互校核，所得資料更為可靠，試驗時間較短。

1.2 壓水試驗中數據的來源及各參數的確定

1.2.1 試驗段壓力的確定

式中:P 為試驗段壓力(MPa);Pp為壓力表指示壓力(MPa);Pz為壓力表中心至壓力計算零線的水柱壓力(MPa);P0為管路壓力損失(MPa)。

式中:λ 為摩阻系數，λ =2 ×10-4～4 ×10-4;LP為工作管長度(m);d 為工作管內徑(m);V 為管內流速(m/s);g 為重力加速度，g=9.8m/s2。

1.2.2 巖體滲透系數及透水率的確定

每段壓水試驗分別取0.3 MPa，0.6 MPa，1.0 MPa，0.6 MPa，0.3 MPa 共5 個壓力值，分別讀取對應的流量數并記錄。首先作出P-Q 曲線，根據5 個點的分布情況確定P-Q 曲線類型，選擇相應的透水率和滲透系數計算［3］(計算公式參照DZ/T0132-94《鉆孔壓水試驗規程》)。

單孔壓水試驗測得的滲透系數為壓水段的平均滲透系數，而不是各向異性巖層的滲透系數。大多數情況下，有了含水層各段的平均滲透性，基本可以滿足對開采技術條件判別和礦坑水量計算的要求［4，5］。因此，在礦區水文地質勘探初期，采取單孔壓水試驗方法，在礦床范圍內根據勘探階段的不同，選取一定比例的地質鉆孔進行單孔分層壓水試驗，并據此作出鉆孔滲透性柱狀及剖面圖是一種簡單實用的方法。

2 分段壓水試驗的資料整理及應用

2.1 分段壓水試驗資料的整理

(1)計算鉆孔各段的透水率和滲透系數(表1)。

表1 sh40-1 鉆孔01 段透水率及滲透系數計算

(2)根據鉆孔每一段的透水率和滲透系數繪制鉆孔滲透性柱狀圖(圖2)，根據其變化特征來確定不同的含水層、段(其巖性為黑云變粒巖)。

圖2 sh40-1 鉆孔滲透系數、透水率隨深度變化曲線圖

從圖2 中可以明顯看出透水率和滲透系數上強下弱和在構造角礫巖上部突然增強的變化特點。這也符合含水層滲透性的基本規律隨深度的增加而呈逐漸減少的趨勢，即含水層的透水性上部大下部小是普遍規律，這為含水層位的劃分提供了有利的理論依據。

(3)含水層位的劃分。根據《水利水電工程地質勘察規范》(GB50487-2008)關于巖土體滲透性分級標準［6］，對分段壓水試驗取得的滲透系數和透水率進行對比研究，在剖面上將不同鉆孔滲透性變化相同的位置連接起來，進行含水層位劃分，用以確定相應的礦區水文地質條件(圖3)。

2.2 分段壓水試驗資料的分析研究及應用

分段壓水試驗在水文地質勘查應用中主要是結合礦床充水特點，把研究重點放在礦體周圍的頂、底板和隔水層上，重點是搞清隔水層的分布范圍、厚度、隔水性能以及礦體的關系等。每一個含水系統的介質都是由一些具有各自特征的多層含水體和隔水體相間組成，它們都有自己的含水特征和層位。

圖3 43 線雙層水位剖面示意圖

大牛礦區礦體賦存在泰山巖群山草峪組黑云變粒巖中，黑云變粒巖層的滲透系數總體都比較小，據12 個分層壓水鉆孔282 段壓水試驗結果統計(表2)，黑云變粒巖裂隙巖層滲透系數的平均值K =0.025 5m/d，滲透系數最大值為0.45 m/d，黑云變粒巖裂隙含水層基本為微、弱透水層，極個別裂隙發育地段為中等透水層，而且黑云變粒巖裂隙含水層透水性上強下弱表現明顯，礦體頂板40 m 以上滲透系數K 平均值為0. 035 m/d，下部K 平均值為0.008 m/d，上部滲透系數為下部的4.38 倍。依據資料對含水層進行分類，發現-250 m 以上和礦體頂板40 m 以外為上部層弱透水帶，而-250 m 以下和礦體頂板40 m 以內為微透水帶，這個分層位置至關重要，按照這個位置分層下入長期觀測管，明確了泰山巖群變質巖類裂隙含水層中存在兩層水位現象，兩層水的存在又成為采礦極為有利的水文地質條件。為下一步礦山開采治水提供有利的設計依據。

表2 鉆孔壓水試驗滲透系數和透水率統計

3 結語

壓水試驗法是國內外長期用來測量和評價巖層滲透性的有效方法，在同一鉆孔中進行分段壓水可以測得巖層滲透性柱狀剖面圖，對查清礦床水文地質條件，確定含水層的劃分有重要意義，尤其是對具有雙層水位的礦床更有實用價值。

(1)采用分段壓水試驗以及上、下水位分層觀測水位的方法，根據分段壓水獲得的巖層滲透系數的大小，可以把含水層與隔水層的界限基本劃分開。

(2)分段壓水試驗能夠分辨礦體的直接頂、底板巖層是否屬隔水層，礦床是否為雙層水位礦床。兩層水的存在又成為采礦極為有利的水文地質條件，由于兩層水的存在，礦床宜于采取深層局部疏干淺部封堵治水方案，大幅度減少礦坑涌水量，大幅降低礦山治理地下水投資。

［1］ 叢山.雙層水位礦床地下水深層局部疏干方法的理論與實踐［M］.北京:地質出版社，2008.

［2］ 劉濤，李明建，曹保國.武所屯煤礦12 煤老空積水區水文地質參數研究［J］.山東國土資源，2010，26(5):23-26.

［3］ DZ/T0132-94.鉆孔壓水試驗規程［S］.1994.

［4］ 邢業江，聶佩孝.山東張寶莊鐵礦水文地質特征研究［J］.山東國土資源，2012，28(4):31-33.

［5］ 王仕昌，宋印勝，李培遠.山東省濟寧鐵礦區濟寧巖群變質巖水文地質特征［J］.山東國土資源，2011，27(9):38-43.

［6］ GB50487-2008.水利水電工程地質勘察規范［S］.2008.