礦層上段隔水性能及水文地質結構特征分析

郭 晉

（安徽省煤田地質局第三勘探隊，安徽 宿州 234000）

礦山礦層上段突水是礦山開采水工環地質災害的主要形式之一，其嚴重威脅著礦山開采安全，在礦山開采過程中由于受到開采活動的影響，礦山礦層上段巖石應力性能和隔水性能發生變化，在外力作用下很容易發生礦山礦層上段突水事故，一旦發生礦層上段突水事故，不僅會對礦區水資源和地質環境造成嚴重的污染和破壞，還會嚴重威脅到開采人員的生命安全[1]。據有關統計數據顯示，2017年礦層上段突水事故發生的數量占全國礦山開采總事故數量的五分之一，造成的經濟損失高達2642萬元。目前礦層上段突水事故已經成為礦山開采安全主要問題之一，該事故的發生與礦層上段隔水性能和水文地質結構特征有直接關系，為此提出礦層上段隔水性能及水文地質結構特征分析，此次研究為礦山水工環地質災害預防及治理通過理論依據。

1 礦層上段隔水性能分析

礦層上段隔水性能的好與壞與礦層上段巖體特征有直接關系，并且隔水性能可以通過巖體滲透系數的大小直接表示出來，因此此次為了更好的分析出礦層上段隔水性能，采用測試的方法對其進行分析，通過對礦層上段巖體滲透系數的求取，了解到礦層上段隔水性能，以下將對該過程進行詳細描述。

1.1 礦層上段巖石選取

礦層上段無論何種巖石，其巖石粒徑的大小是不同的，此次分別選取粒徑范圍在0.01mm~0.10mm的巖石作為礦層上段隔水性能測試樣本，每種規格的巖石各選取1kg，平均分為10小份礦層上段礦體樣本，巖石種類涉及砂巖、頁巖、石灰巖、碳酸鹽、花崗巖等多種。

1.2 礦層上段隔水性能測試

此次對礦層上段隔水性能測試裝置主要采用柱浸裝置，該裝置是由一個直徑為105mm的圓柱形PVG管、底板、濾紙以及供水管所組成，PVG管的底部用螺紋連接一個開口蓋子，用于安裝底板，底板選用金屬材質，在地板上鉆一個直徑為1.55mm的小孔，并且在底板與PVG管連接處以及PVG管頂端各方一層濾紙，為了避免硫酸銨溶液腐蝕PVG管及底板，下圖為礦層上段隔水性能測試示意圖。

圖1 礦層上段隔水性能測試示意圖

礦層上段隔水性能測試分為室內和室外兩種，就可靠度來說，室內測試更加方便，測試結果不會受到外界因素影響，可靠性更高，因此此次采用室內測試。首先將不同粒徑的礦層上段礦體分別填裝到各自的測試裝置中，采用分層填裝的方式，每次填裝完后需要進行壓實，直到PVG管中填滿礦體為止，填裝完后要對表面進行查看，壓實的礦體不得出現表面抓毛現象，避免礦體樣本出現的土層分界現象。當填裝完礦體樣本之后，向水管中注入清水，清水經過水管進入到礦體中，開始穩定滲流，向礦體中注水的時間為24小時[2]。然后向礦體中注入硫酸銨溶液，硫酸銨溶液注入時間為12小時，硫酸銨溶液注入的目的是為了破壞礦體的內部結構，實現瞬時置換，這樣可以更好地測試礦層上段隔水性能。硫酸銨在注入之前需要對其進行配置，在實際浸礦過程中注入的硫酸銨溶液濃度為4.5%，因礦層上段隔水性能測試過程中注入的硫酸銨溶液濃度也為4.5%，在100蒸餾水中加入4.5克硫酸銨結晶，將溶液進行均勻攪拌，靜置15min后將其注入到礦體中。

在清水注入階段，礦體的滲流量和水頭高度可以反映出礦體在水的作用下礦層上段隔水性能的變化，而注入硫酸銨溶液階段，礦體的滲流量則直接反映出礦層上段巖體內部結構發生變化是滲透性的變化，因此在礦層上段隔水性能測試過程中需要記錄不同粒徑范圍的礦層上段礦體滲流量、水頭高度等參數。在試驗裝置底部開始出水的前30min~45min內，礦層上段礦體隔水性能是處于不穩定階段，該時間段不進行數值記錄；在之后的60min~180min時間段，礦層上段礦體隔水性能逐漸趨于穩定，此時每2.5min進行一次數值記錄，每15min測一次礦層上段巖體滲流量。根據記錄的數據計算出礦層上段礦體在滲流過程中水力梯度，其計算公式如下：

公式（1）中，i表示礦層上段礦體的水利梯度；Δh表示水頭高度，即礦層上段礦體頂部水面與礦體底部水頭的差值；L為礦層上段礦體滲流路徑長度[3]。礦層上段礦體底部水頭計算公式如下：

公式（2）中，dh表示礦層上段礦體底部水頭；u為礦層上段水流速度；g為水體的重力加速度；p為水管的水壓；r為水體的重度；q為基準面的高程。礦層上段礦體滲流量的計算公式為：

公式（3）中，f為礦層上段礦體的滲流量；w為流入到礦層上段礦體的水的體積；t表示滲流時間。最后根據測量和記錄的滲流數據，計算出礦層上段礦體的滲透系數，其計算公式如下：

公式（4）中，為礦層上段礦體的滲流系數，滲流系數是反應礦層上段礦體隔水特性的數據，單位為cm/s；為PVG管的橫截面積。利用上述測試方法對不同粒徑大小的礦體滲透特性進行測試，計算出滲透系數，為后續礦層上段隔水性能分析提供依據。

1.3 礦層上段隔水性能分析

根據上述測試方法完成對礦層上段隔水性能測試，運用公式（4）計算出不同粒徑大小的礦層上段礦體的滲透系數，其結果如下表所示。

表1 礦層上段隔水性能測試數據

從表1中可以看出，礦層上段礦體的滲透系數大小與礦體的粒徑大小有直接關系，整體呈正比關系，礦層上段礦體粒徑越小，滲透系數也大，當礦層上段礦體粒徑達到一定數值時，礦體的滲透性能反而降低，即0.08mm粒徑的礦層上段礦體滲透性能最好。而滲透系數與隔水性能有直接關系，礦體滲透系數值越大，則說明礦體隔水性能越差，反之礦體滲透系數值越小，則礦體的隔水性能越好，這主要是因為小粒徑的礦體孔隙率較低，在滲流過程中不利于水體的流經，存水的空間比較小，不容易注水，所以水利梯度比較小，滲透性能比較差,隔水性能比較高；而大粒徑的礦體具有較大的孔隙率，在滲流過程中有充足的空間利于水體流過，所以粒徑比較大的礦體水利梯度比較大，滲透性能比較好，隔水性能比較差。而據有關地質資料顯示，礦層上段巖體粒徑主要在0.02mm~0.03mm區間，屬于小粒徑巖體，按照表1中數據礦層上段巖體滲透系數在1.365cm/s~1.412cm/s之間，該區域滲透系數值比較小，因此說明礦層上段巖體水利梯度比較小，巖體與巖體之間的孔隙率比較小，不利于含水層中水資源流通，因此礦層上段隔水性能比較好，以此完成礦層上段隔水性能分析。

2 礦層上段水文地質結構特征

根據以上對礦層上段隔水性能分析，以及礦層上段水工環地質資料，分析礦層上段含水巖組與地表水之間水力聯系如下：礦層上段切割砂質粘土層，含水巖組質為卵石，部分區域有亞粘土夾碎石層，厚度大約在2米左右，透水性較好，由此推測礦層上段含水巖組與地表水的水力聯系較密切。但又因地表水是多數為海拔至低地帶，因此礦層上段含水巖組與地表水之間的水力聯系主要是第四系含水巖組地下水補給礦層上段含水層。第四系松散巖類孔隙含水巖組主要分布在礦層上段四周，空間分布比較分散，巖性為第四系沖、洪積之砂礫石層和砂質亞粘土，接近河谷地帶常具二元結構，含水巖組上部分為砂質頁巖，厚度為0.5～2米，不含水；含水巖組下部為亞粘土，厚2～5米，富水性弱。另在中間區域分布有粘土層，持水性好，透水性好，但因其面積較小，分布不均，不具有區域上的隔水能力，故礦層上段滲透性能較好，與下伏地層水力聯系密切。

礦層上段的基巖裂隙含水巖組主要由淺部的基巖風化帶和深部的碎屑基巖組成。基巖風化帶巖性是砂質頁巖、英安玢巖的風化蝕變巖石組成，地表面裂隙率1.32%～1.75%，裂隙呈微張～張開狀，為泥質、鐵質充填堵塞。弱富水，透水性強。碎屑基巖由新鮮的砂質頁巖組成，承壓性弱。巖層順層裂隙較發育，裂隙率可達10條/米，由于巖層產狀較陡，故裂隙產狀同時較陡，中軸角平均在20°～30°之間。根據礦層上段裂隙發育情況判斷，礦層上段巖組的透水性較差，但由于礦層上段侵入巖較發育，致使礦層上段的基巖裂隙含水巖組的空間分布極不均勻、不連續，呈透鏡狀為主。侵入巖的透水性差，為相對隔水層。因此導致礦層上段含水巖組的總體透水性并不好。因此可見，礦層上段基巖裂隙含水巖組本身的透水性普遍較好，含水巖組之間的水力聯系密切，但受到侵入巖的影響，加之含水巖組的富水性弱、極弱，導致礦層上段的總體水力聯系并不十分暢通，以此完成礦層上段水文地質結構特征分析，進而完成了礦層上段隔水性能及水文地質結構特征分析。

3 結束語

本文對礦層上段隔水性能以及水文地質結構特征進行了分析，主要結論如下：礦層上段巖體顆粒較小，礦石整體孔隙率較低，導致礦層上段隔水性能較好；礦層上段含水巖組與地表水之間的聯系比較密切，此次研究對礦層上段地質結構研究具有一定的借鑒意義。