地下水水位自動監測系統在礦區防治水中的應用探討

張文慧，陳植華，王 濤，王曼麗

(1.湖北省地質調查院，湖北 武漢 430034；2.中國地質大學(武漢)，湖北 武漢 430074)

地下水動態是指地下水的數量和質量(包括地下水水位、水量、水化學成分與水溫等水文要素)隨時間的變化過程，是自然背景和人為因素相互作用的結果[1]。地下水水位動態的觀測是礦區地下水動態長期觀測工作的基本內容之一，對查明礦區水文地質條件、指導采掘工程安全進行等具有重要意義[2-3]。

長期以來，不僅在礦區，我國其他單位地下水水位動態觀測基本為人工方法(多采用測盅、電接觸懸錘式水尺或其他更簡單的代用措施)，費時費力，數據密度、準確性常難以保證，即使少數站點使用自動監測，也因當時儀器技術水平的限制未能很好的應用推廣[4-6]。進入21世紀，地下水自動監測技術迅猛發展[7]，在自動采集、存儲、傳輸、數據處理等方面可操作性和穩定性均有了很大提高，足以滿足實際工作需要。2001年，河南演馬莊礦建立了井下水壓自動觀測系統[8]，2005年，山東南屯煤礦建立了地面水位自動觀測系統[9]。然而由于國內地下水自動監測工作起步較晚，推廣應用程度不高，礦區地下水水位自動監測系統實際使用案例和相關經驗總結較少。

筆者通過地下水水位自動監測系統在福建馬坑鐵礦的應用實踐，對地下水水位自動監測系統在礦區防治水工作中的作用和優勢舉例說明，并進一步分析總結了其應用于礦區防治水工作中的適用條件和一些注意事項，以期為該手段在其他礦區的推廣應用提供參考。

1 馬坑鐵礦應用案例

1.1 馬坑鐵礦水位自動監測系統介紹[10]

福建馬坑鐵礦是我國著名的特大型磁鐵礦床之一，總儲量4.34億 t, 屬于頂板直接充水的巖溶充水礦床，主礦體埋藏深度大, 礦區水文地質條件較復雜，二十世紀80年代初完成詳勘后，1999年才正式建礦。隨著開采范圍的逐步深入擴展，地下水對井巷采掘的影響逐步凸顯，亟待建立完善的地下水監測網為礦床疏干、指導井巷施工防治水、監控開采條件下水文地質條件的變化等提供依據。因此2006-2008年馬坑鐵礦和中國地質大學(武漢)合作建立了一套較為完善的礦區地下水自動監測網(包括水位、水溫、泉流量等)。由于礦區地形起伏大, 地下水埋深大, 監測孔分散, 人工測量難度較大, 因此決定采取自動監測方式來獲取地下水水位數據，共建成14個地下水水位自動監測點。

其中，數據采集設備采用國外壓力水位監測探頭，并可同時獲得水溫數據。監測儀本身具備大容量、自動存貯功能，水位量程為100 m，監測精度可達0.05%量程，分辨率達0.000 6%量程，水溫測量范圍在-20℃～80℃，精度達0.05℃，測量頻率為0.5s～99 h，內置電池可支持8～10 a。數據傳輸設備采用無線GPRS方式，供電使用太陽能板和蓄電池結合自動供電，設備支持在離線狀態下進行數據采集及存貯，當到達數據上傳時間后，自動上線并將存貯數據上傳至服務器，通過服務器轉發數據到中控室，可通過客戶端軟件在室內監測現場設備(見圖1)。

圖1 地下水位自動監測系統工作原理示意圖

1.2 馬坑鐵礦水文地質概況[11]

馬坑礦區為侵蝕構造中低山地貌，氣候條件屬亞熱帶海洋性季風氣候區，多年平均降雨量1 681.9 mm。常年性河流溪馬河為礦區內最大的一條溪流，由南往北流經礦區西側，此外礦區還發育I、Ⅱ、Ⅲ號三條小溪溝，依地勢自東向西匯入溪馬河。

礦區范圍內除第四系少量分布外，基巖地層自南東向北西依次為下石炭統林地組(C1l)、中石炭統經畬組(C2j)、上石炭統船山組(C3c)和下二疊統的棲霞組(P1q)、文筆山組(P1w)和加福組(P1j)，整體傾向北西，多屬富水性較弱或相對隔水巖層, 唯C3c～P1q為一套可溶性的碳酸鹽沉積地層, 含水量豐富, 為礦體直接頂板，是礦坑主要充水巖層，巖溶發育較強烈、充填程度高(據統計平均巖溶率達6.08%，充填率92%)。區內斷裂構造十分發育，主要有F1、F2、F3、溪馬河斷層、天山凹斷層、F14、F20和F10斷層。

由于可溶巖在東、西、南三個方向的延伸受到限制，北西方向又受到F3及其北無名斷層錯斷，四周與富水性微弱或隔水巖層對接，天然條件下以大氣降水為主要補給來源，側向補給較弱。主要徑流方向自北東向南西, 在中部和西部以泉水、溪溝排泄為主, 最終流入礦區西部溪馬河(見圖2)。

圖2 馬坑礦區水文地質簡圖

隨著礦山的開采，礦區巖溶地下水位將逐漸降低，巖溶泉水點逐漸消失, 小溪溝變為季節性溪流，天然排泄將逐漸由井巷排水取代，天然條件下排泄礦區巖溶水的部分溪溝段此時極易成為地表水補給地下水的滲漏段。詳勘時通過數值法預測+300 m、+100 m水平正常涌水量分別為11 301 m3/d、19 362 m3/d(大部分礦體埋藏于+100 m標高以下，即埋深一般在+400 m以上)，礦區水文地質條件較為復雜。

1.3 水位自動監測系統在礦區防治水中的應用

自2008年馬坑鐵礦地下水水位自動監測系統建成，至今已運行近5年，所獲得的自動監測水位數據在礦區防治水工作中起到了重要作用。水位自動監測系統不僅密切監控了礦區疏干降水過程，獲得了求取開采條件下礦區水文地質參數所需要的水位動態數據，且在進一步深化認識馬坑鐵礦水文地質條件和指導井巷探放水工作方面，起到了難以替代的作用。以下將通過后者的應用實例來說明水位自動監測系統在礦區防治水工作中的優勢。

1.3.1 在查明礦區水文地質條件中的應用

(1)溪溝反向滲漏補給方面

溪馬河在馬坑礦區西側穿越多條斷層，天然條件下礦區地下水高于溪馬河水位，詳勘期間已發現溪馬河部分地段明顯存在地下水補給河水的情況，開采條件下當地下水位低于河水位，河水存在反向補給地下水的可能。馬坑鐵礦和中國地質大學(武漢)合作為查明溪馬河滲漏段和滲漏量開展了大量工作，包括地表堰壩自動測流動水法監測滲漏、水化學分析等，但由于客觀原因限制，一直沒有具體滲漏段的較為直接證據。2011年1月和4月，礦區西南側溪馬河與F1斷層交匯段因施工2次開挖河床，位于附近的ZK557孔水位均出現異常上升(圖3)。根據該孔長期監測水位動態特征，排除了降雨等其他因素影響，認為主要為F1斷層與溪馬河交匯段存在滲漏，開挖河床導致滲漏量增加所致，并結合具體施工過程，分析了主要滲漏段位置(表1)。

圖3 河床施工對zk557孔水位的影響

表1 溪馬河與F1交匯段河床開挖施工記錄及滲漏分析

分布于礦區西礦段的Ⅲ號溝，由西礦段泉水匯集而成，匯水面積0.71 km2。詳勘階段水5旱雨季放水試驗均造成其流量迅速枯竭，隨水位恢復而自流，證明以排泄巖溶水為主。開采條件下巖溶地下水位大幅下降，地表匯水會通過原有排泄通道反向滲漏補給巖溶水，且由于近年溝谷被礦渣堆堵塞，部分地表匯水滯留此處，勢必增大補給量。位于Ⅲ號溝旁的ZK614孔水位(見圖4，部分時段數據缺失，根據前期監測，旱季時該孔水位一般僅略高于水5孔 15m左右)對降雨的快速響應和雨季達70 m的升幅表明該處存在雨季集中補給、旱季緩慢排泄的情況，是地表水防治需要關注的地段。

圖4 zk614孔水位與降雨的關系

(2)井巷主要涌(突)水水源和途徑分析方面

地下水自動監測網因其監測頻率高、實時的特點，可以很好的區分井巷各工作面施工中遇到的涌(突)水情況和其他影響因素，為水文地質工作者準確判斷各出水點與各含水區之間的關系提供依據，結合已有勘探資料和現場調查，對礦區水文地質條件的認識將不斷深化，防治水工作更能做到有的放矢。

馬坑鐵礦在2009年2月21日，位于礦區東側副井-70 m措施巷曾出現一次規模較大突水，瞬時涌水量達1 500 m3/h，曾造成該水平巷道被淹。

該處由于前期無勘探資料，且位于深部較為完整的石英砂巖地層中，井巷施工時并未引起足夠重視。突水后，通過對礦區地下水自動監測系統水位動態的分析，發現突水前后水位并沒有明顯變化(圖5)，結合此后水化學、水溫場、示蹤試驗的分析，判斷該處水源應與礦區巖溶水主徑流場不同，為深循環的低溫熱水，并基本確定了該股低溫熱水對井巷施工的影響范圍。

圖5 副井-70 m措施巷突水前后觀測孔水位

2009年10月18日，馬坑鐵礦措施豎井+ 242 m南巖脈65 m處突水，瞬時水量達上萬方。從地下水自動監測情況來看，該次突水位置在ZK76孔附近，該孔水位在突水發生后急降，2 d內降幅達40 m，而突水前日降幅僅0.3 m左右, 2 d后降幅已較小且漸趨穩定，其他觀測孔水位在突水發生前后均無明顯變化(圖6)。結合已有勘探資料和現場調查，分析該次突水來源應主要是溶洞積水, 且與周圍水力聯系較弱。

圖6 措施豎井10.18突水前后觀測孔水位

1.3.2 在井巷探放水工作中的應用

目前礦區已建地下水自動監測網基本能監控各主要含水區的水位動態變化，對井巷大小涌(突)水事件能作出不同程度的反應。由于自動監測數據頻率高(馬坑鐵礦設置采集間隔為半小時)，相較人工實測，不僅省時省力，而且大大提高了數據的密度和準確性，并能在室內通過網絡實時獲得監測數據。正因如此，比起以往每月或每周人工測量水位來說，可以更加密切地與井巷生產活動結合。礦區地下水自動監測數據雖不能準確預報涌(突)水事件發生的時間，但由于較大出水事故都有一個從醞釀到發生的過程，并有其特定的地質條件，開始往往都有一定的征兆或小規模出水等，利用地下水自動水位監測數據撲捉到的這些小規模事件的響應信息，在井巷水患防治過程中能起到十分及時且關鍵的作用。

此外，若前方水量、水源不明的情況下，進行試放水結合地下水自動監測系統的水位反應，可以幫助我們判斷前方條件，采取適當的防治水措施。

如2011年10月5日東風井+200 m階段檢修巷長探出水后，根據控制該區域觀測孔觀9的水位陡降響應(圖7)，結合勘探資料和現場調查等，判斷該區域放水后可在短時間內有效降低水位，因此建議暫停施工進行放水。10月21日打開放水后，東風井一帶水位得到了明顯下降，半年內從+300 m標高上下降至+260 m標高上下，下降近40 m。

2012年8、9月間副井+100 m階段102穿脈、104穿脈、東風井南門繞道工作面分別探水出水，出水時間較為集中，根據地下水自動監測水位數據對出水時間和放水過程的響應(圖8)，排除其他干擾因素,判斷3處水源應都來自東風井富水區，并結合已有勘探資料和現場調查對充水通道進行了分析，為后續防治水措施提供了寶貴依據。

圖8 觀9水位在2012年8、9月動態變化

2 在其他礦區推廣應用探討

2.1 應用優勢

通過以上對地下水水位自動監測系統在馬坑鐵礦防治水工作中的應用實例可以看出，地下水水位自動監測系統因其監測頻率高、準確性好、數據實時的特點，不僅省時省力，而且更加精細地監控了地下水水位動態變化過程，對各輸入信息對地下水水位的影響時間和影響程度能較細致、準確地識別判斷，如對降雨[12]、地表水對地下水補給、涌(突)水、關放水等的響應，這些信息對于深化認識礦區水文地質條件、指導井巷探放水等是十分有用的。

事實上，馬坑鐵礦已建水文自動監測網不僅包括地面鉆孔水位(水溫)，還包括泉流量、井下涌水量、地表水、降雨量等，基本上擁有一套較為完善的礦區地表、地下水自動監測系統。本文主要就較為成熟、筆者較為熟悉的水位自動監測系統的應用情況予以說明和討論，其他應用情況也已有一些總結文章[13-14]。建議礦區盡可能根據自身特點選用穩定、適用的地表、地下水自動監測設備。

2.2 適用條件

2.2.1 適合水文地質條件較為復雜或更復雜礦區

這類礦區受采掘破壞或影響的主要是巖溶含水層、厚層砂礫石含水層、老空水、地表水，補給水源充沛，礦井時有突水，防治水工程量較大，難度較高，地下水自動監測系統能為深化認識礦區水文地質條件和綜合防治水工作提供及時且更多的信息。若不考慮觀測孔本身(可利用原有地表勘探孔或井下探放水孔等)費用，目前單個點監測設備平均費用在1～3萬之間，在經濟條件允許的情況下，條件相對簡單的其他礦區地下水監測工作也建議采用自動方式，監測點個數可根據自身特點少量布置。

2.2.2 尤其適合非均質強防治水難度較高礦區

馬坑礦區構造、巖漿活動強烈，主要充水巖層非均質性強，隨著水位的下降受斷層性質、巖溶發育程度和火成巖等影響逐漸形成幾個相對獨立的含水子系統，相互之間水力聯系程度微弱。已建地下水水位自動監測系統各觀測點基本能控制到各子系統。自動監測系統能為判斷各子系統的影響范圍、相互水力聯系情況、補給情況等提供更多的信息，根據各子系統的不同特點，使防治水工作能做到有的放矢、分區治理。對同樣充水巖層非均質性強烈、水文地質條件較為復雜的礦區，在井巷開拓前建立一套完善的地下水自動監測系統，隨著井巷采掘的不斷深入擴展，主要充水巖層地下水的內部賦存條件將逐漸明朗，防治水工作將更易于進行。

2.3 注意事項

2.3.1 站點布置和監測頻率

關于監測站點的布置，單就地表觀測孔來說(井下觀測同理)，規范和文獻當中均有較全面的要求。筆者在此建議在站點選擇時，仔細分析已有勘探資料，對未來在疏干排水和采礦推進下，水文地質條件的變化有足夠的認識，基于這種認識盡量選擇生產區域外側可控制主要充水巖層各含水區的鉆孔。盡可能在監測控制目標能夠達到的條件下使監測點可用時間延長。

關于監測頻率的設置，考慮到井巷施工工作面較多，為較好地區分各工作面的響應情況，一般情況下建議設置半小時或一小時(放水或抽水試驗時根據需要增大監測頻率)基本能滿足需要，對降雨、地表水對地下水的補給甚至井潮半日潮的影響也能很好的識別，工作人員需要處理的數據量也不會太多。

2.3.2 堅持儀器日常維護

任何一個監測網的正常運行都離不開良好的日常維護，國內其他礦區也有建立自動水文監測網的先例，但也常常因維護不利導致自動監測基本癱瘓。馬坑鐵礦地下水自動監測網在工作人員的努力下，克服了重重困難，幾年來基本保證了運行的連續、穩定，達到了監測目標要求。

2.3.3 堅持數據日常分析

礦區水文地質人員應堅持監測數據的日常分析工作，遇到疑點盡快查明原因，時間太久有可能無法獲得準確的現場資料，錯過一個條件查明的機會或延誤最佳采取措施的時機。因此，數據分析人員和施工、監理、技術人員等應加強交流，及時獲得井下工作面水文相關情況(包括出水、出泥征兆，探放水情況，關放水情況等)和其他相關現場情況。

3 結語

(1)地下水水位自動監測系統具有自動采集、存儲、傳輸的功能，相較人工監測方式，不僅省時省力，且監測頻率高、準確性好、數據實時，更加精細地監控了地下水動態變化過程，對各輸入信息對地下水水位的影響時間和影響程度能較細致、準確地識別判斷，這些信息對于深化認識礦區水文地質條件、指導井巷探放水等是十分有用的。

(2)馬坑鐵礦地下水水位自動監測系統在礦區防治水工作中起到了重要作用。不僅密切監控了礦區疏干降水過程，獲得了求取開采條件下礦區水文地質參數所必須的水位動態數據，尤其在進一步深化認識礦區水文地質條件和指導井巷探放水工作方面起到了難以替代的作用。

(3)基于馬坑鐵礦應用實踐，筆者進一步討論了地下水水位自動監測系統在其他礦區應用的適用性和一些建議。認為地下水水位自動監測系統更適用于水文地質條件較為復雜或更復雜的礦區，對此類條件且充水巖層非均質性強烈的礦區尤為適合。并總結提出了地下水水位自動監測系統在其他礦區應用時站點布置和監測頻率、儀器維護、日常數據分析方面需要注意的事項。