地下水連通試驗在防治水勘查中的應用

溫錦昌 劉楚晴

摘要：廣東省清遠市一地下開采的鉛鋅礦山因開拓巷道發生了突水事故，影響了正常生產。為了找出突水來源，解決礦坑突水問題，前期使用了可控源音頻大地電磁法（CSAMT）與水文地質鉆探等勘查手段，初步推測鉆探揭露的溶洞為巖溶管道，最后再應用地下水連通試驗，驗證礦坑排水是否有回灌與北西向斷裂帶是否為井下突水點的導水通道。試驗結果表明：礦坑排水僅有少部分回灌，+420m水平鉆及鉆探所揭露的溶洞與井下突水點的水力聯系密切，可判斷其為礦坑突水的導水通道。

關鍵詞：鉛鋅礦；礦坑突水；連通試驗；導水通道

1.引言

礦區位于一個巖溶構造臺地上，三位環山，北高南低。自2016年來，在+130m中段北部巷道揭露一條北西向巖溶管道，注漿封堵后在+100m中段開拓至此巖溶帶時，水壓擊穿巷道頂板，大量水傾泄而出，造成礦坑突水，停產一年有余。

由于該點位于地下540m，排水大幅增加了井下的用電負擔，不僅造成了資源浪費，還帶來了極大的安全隱患。為了解決實際生產問題，使用物探、鉆探與連通試驗等勘查手段，尋找井下突水點的主要導水通道，為下一步工作提出有效截水方案，避免因條件不清而造成的盲目施工，具有顯著的經濟效益和社會效益。地下水連通試驗就是本次防治水勘查工作的一項重要的技術方法。

2.地質環境背景

2.1礦區地質

2.1.1地層

礦區位于粵北山字型構造西翼的內側，區域構造線以北西為主，出露地層主要為全新統大灣組（Qhdw）、下石炭統石磴子組（C1ds）和長垑組（C1chl）、上泥盆統天子嶺組（D3t）。

（1）上泥盆統天子嶺組（D3t）

主要出露于礦區西部。巖性主要為白色、灰白色、淺紫紅色厚層狀灰巖，厚420m～805m。

（2）下石炭統長垑組（C1chl）

礦區大面積分布下石炭統長垑組。巖性為薄層、中厚層深灰色致密灰巖，間夾中厚層微晶灰巖。普遍含碳質、泥質條帶。在中上部，有一個大致厚20m～120m（中區20～60m，東區70m～120m）的韻律比較平均的薄互層，由含硅質、泥質、碳質較多的薄層灰巖（0.5m～5mm）與較純的薄層灰巖（2mm～10mm）組成。

（3）下石炭統石磴子組（C1ds）

主要出露于礦區東部。巖性為灰黒色、淺灰色、塊狀、厚層狀灰巖，上部含燧石結核，在底部局部分布厚5m～20m的泥質頁巖，層厚220m～330m。

（4）全新統大灣組（Qhdw）

主要出露于礦區北部尾礦庫一帶，巖性主要為粗砂、砂質粘土、粉質粘土。

2.1.2構造

礦區為一褶皺構造，褶皺中心位置位于礦區勘探線100與103之間，表現為礦區西部的地層傾向為北西西及南西西；南部由南西逐漸轉向南東；東部為南東東及北東東。巖層傾角平緩（10°～30°）。受穹隆構造作用，礦區小皺褶較多，這些小皺褶控制著礦體的形態、產狀。單條斷裂延長較短，一般300m～350m，呈側幕式排列，該組斷裂多被閃長巖脈充填。

井下北西、北東東向斷裂發育。北西向斷裂帶寬1～3m，局部閉合。由淺至深呈現出張開—閉合—張開的規律。走向310°～330°，傾向南西，傾角70°～85°。斷裂性質為張性，泥砂充填，為容水、導水斷裂。北東東向斷裂走向45°～70°，傾向南東，傾角20°～80°。巖脈或石英閃長巖脈或正長巖脈所充填。

2.2礦區巖溶

2.2.1巖溶地貌特征

礦區屬低山巖溶地貌單元，地面標高530m～720.3m。巖溶發育，組合形態按地形分：正地形地貌以峰叢為主，多見石芽、石林及溶溝、溶槽；負地形地貌以巖溶洼地為主，洼地中多發育一個或數個落水洞，局部可見地面塌陷。

2.2.2巖溶發育及分布特征

（1）落水洞

在43.61km2的調查范圍內，共發現了158個落水洞，分布密度3.62個/km2。

落水洞多呈不規則狀，總體以圓形、橢圓形、狹長形及漏斗狀為主，直徑1m～16m不等，最大深度21.2m，一般為3m～5m。洞口面積0.03m2～678.5m2，洞內體積0.1m3～8922.2m3。以巖質落水洞為主，少量為土洞（圖2-1）。22個洞內有水流動，流量0.2L/s～15L/s，見水率為13.9%。大多數溶洞有過水痕跡，雨季成為地表水徑流通道。洞底沉積碎石、泥砂等沉積物（圖2-2）。

根據落水洞走向編制玫瑰花圖（圖2-3）：落水洞總體走向北西向，280°～350°方向落水洞為65個，占比達到41%，其次北東40°～50°走向9個，占比6%。通過上圖分析：落水洞主要分布于礦區南部，以干洞為主；北部落水洞分布較少，但都有明顯過水痕跡，部分有水流動。特別是在礦區西北部豐水期見一地表水下滲點（LSD154），滲入量約15L/s，下滲點附近沿北西方向分布少量地面塌陷與落水洞，該走向大致北西向巖溶富水帶方向相同。

（2）地面塌陷

統計地面塌陷23個，主要位于礦坑疏干排水的影響范圍內，沿北西、北東向斷裂分布。其中北西向斷裂帶上分布16個，北東向斷裂帶上分布6個。類型多為土洞，坑口形狀以圓形、橢圓形為主，直徑0.5m～16.1m，深度0.8m～7.8m不等。坑內一般無水，局部現少量積水（圖2-4）。山坡上地面塌陷已經停止發育，尾礦庫上時有塌陷發生，局部復塌，成為尾礦庫滲濾水的下滲通道。

3.水文地質條件概況

3.1含水層特征

3.1.1松散巖類孔隙含水層

主要賦存于平緩山坡或溝谷交匯處的殘坡積層及低洼溝谷處的沖積層中，為第四系殘積層、沖積層，成分主要為含碎石粘性土，厚度隨地形而異，殘積層一般為0.5m～5.0m，沖積層最大厚度可達7m以上。以孔隙潛水為主，為季節性含水層。綜合區域水文地質資料分析，該含水層水位埋深較淺，單井涌水量小于50m3/d，富水性貧乏，礦化度0.10g/L～0.45g/L。

3.1.2碳酸鹽巖類巖溶含水層

含水層巖性為石炭系長垑組、泥盆系天子嶺組灰巖、大理巖化灰巖、大理巖。巖溶現象普遍，溶蝕漏斗、落水洞、溶溝、溶槽發育（圖3-1）。落水洞直徑1m～16m不等，最大深度21.2m，一般為3m～5m；從形狀上來看以錐狀為主，碟狀次之。溶蝕漏斗成帶狀分布，總體呈北北東向，主要分布在礦區北部及南部，西部及東部相對較少。據鉆孔揭露，見洞率50%，平均線巖溶率為1.27%。溶洞可分為上下兩層（表3-1）：上層溶洞分布標高560m～630m，最大溶洞高度達7.19m，最小0.2m，一般為2m～4m，溶洞無水，半充填，充填物多為泥砂；下層溶洞分布標高100m～350m，最大溶洞高度達2.01m，最小0.5m。溶洞接觸面水蝕痕跡明顯（圖3-2）。洞內含水，局部已被充填，充填物多為粘土、砂、和礫石。

含水層原始潛水面埋深為10m～60m，經多年開采疏干，礦區范圍巖溶含水層潛水面大部分處于+330m標高以下。上層溶洞含水層基本已疏干，主要接受大氣降水、尾礦庫水的下滲補給，入滲量0.1L/s～1.0L/s，水化學類型以HCO3·SO4-Ca、HCO3-Ca型為主，pH值7.20～7.52，礦化度0.26g/L～0.69g/L。下層溶洞裂隙含水層富水強，水沿巖溶裂隙帶涌出，靜水壓力超過0.9MPa，流量1.0L/s～3.0L/s，最大可達39.7L/s。水化學類型以HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg為主，局部受尾礦水下滲影響，呈HCO3·SO4-Ca型。pH值7.20～8.07，礦化度0.17g/L～0.26g/L。

該含水層為礦床充水的主要含水層，主要接受大氣降水的入滲補給。

3.2地下水補徑排條件

礦區位于區域水文地質單元的補給區，巖溶發育。一次明顯地降水可使礦坑涌水量激增3倍，可見大氣降水是區內地下水的主要補給來源。

總體上，礦區地下水主要向西南方向徑流排泄，但受礦坑排水影響，區內地下水先主要向礦坑徑流排泄，再通過落水洞向西南徑流出礦區。降落漏斗影響范圍內地下水先沿巖溶裂隙匯集至北西向巖溶帶，再向深部徑流，集中從+ 130m中段突水點涌出。

由于巖溶發育的不均一性，礦區周邊地下水出現二元結構。淺層地下水通過短小徑流在地形低洼處以泉的形式排泄；中、深層地下水則通過巖溶裂隙向北西向巖溶帶、礦坑徑流排泄。

3.3斷裂帶的導（阻）水性

礦區范圍內主要分布一條北西向的斷裂帶，通過地面、井下聯合調查，確定斷裂總體走向320°，傾向西南，傾角75°。

斷裂帶南起黃竹園，向西北延伸經陽山窿、珠海窿至群峰村，總長3.5km。斷裂帶寬1m～3m，局部閉合。由淺至深呈現出張開—閉合—張開的規律。斷裂性質為張性，泥砂充填，為容水、導水斷裂。

斷裂帶在淺部表現為巖溶、溶洞發育，地下水活動強烈，地面塌陷成串狀分布；深部則表現為地下水主要沿北西向裂隙帶涌出，涌水量約占全坑涌水量的96%。斷裂中心帶水量、水壓大，黃色，含泥砂，斷裂影響帶水量、水壓較小，水清。

4.連通試驗

4.1試驗目的

本次工作共進行了三組連通試驗，試驗目的如下：

（1）第一組試驗：驗證區域地下水的流向及礦坑排水是否回灌；

（2）第二組試驗：驗證+420m中段水平鉆與+130m突水點是否有水力聯系；

（3）第二組試驗：驗證鉆孔SK01揭露的溶洞與+130m突水點是否有水力聯系；

4.2投放點的選取

（1）礦坑排水經沉淀池過濾，再進行處理后達到排放標準，絕大部分礦坑水都排放于礦區西南側的落水洞中（編號：LSD03），因此選取此點為第一組試驗的投放點；

（2）+420m中段水平鉆揭露的巖溶帶無論從位置、深度，還是水量、水壓、水質、水溫上，都與+130m中段突水點有著極大的相似性，因此選取此點為第二組試驗的投放點；

（3）鉆孔SK01位于北西向巖溶帶的西南側，井下突水點的北西面200m，其所揭露的溶洞正好位于物探解譯的北西向低阻帶上。溶洞富水，且有承壓性，水頭高出溶洞底部56m，推測其與井下突水點有水力聯系，故選取此點為第三組試驗的投放點。

4.3示蹤劑及檢測設備的選擇

食鹽是一種安全無毒、經濟有效的示蹤劑，考慮水質安全等環保因素，本次勘查所應用的三組連通試驗均選取食鹽作為示蹤劑。

食鹽的主要成分是NaCl，是一種強電解質，在水中極易溶解，地下水中增加了NaCl成分，其電阻率降低，而電導率增高。因此，選取可以現場測定且靈敏度和精度滿足要求的HANNA HI98360防水型便攜式作為試驗的檢測設備。

4.4試驗過程及結果分析

在連通試驗開始前，為了確保試驗數據真實可靠，連續多次對擬接收點進行電導率背景值測定。

第一組試驗：將1000kg食鹽充分溶解于攪拌桶中，在落水洞上方瞬時投入溶解液，井下+130m、+470m中段各設置一個長期觀測點，3#窿、+500m中段、+470m中段、+420m中段設4個流動觀測點，礦區下游在利九坑、磅腳、羊徑坪設置3個流動觀測點，觀測點布置見圖4-1。長期觀測點每h監測一次，流動觀測點每天監測兩次，累計監測時間81h。

各觀測點中，利九坑巖溶泉電導率變化最為明顯，異常持續時間也最久；磅腳山間水系中電導率也有輕微的變化（圖4-2），可見礦坑排水主要向南徑流。根據電導率曲線及流量計算回收量為162kg[1]；利用水平距離及時間計算地下水平均流速853m/h[2]。

井下+130m中段在投鹽后10.5～12.5h后電導率明顯變化，而后迅速恢復常態，累計回收鹽9.72kg；+470m中段在24.5h也觀測到明顯的電導率變化，而后迅速恢復常態（圖4-3）。分析原因：受礦坑連續排水影響，鹽水僅在某一特定時間段下滲進入井下，大部分隨水流向礦區下游流動。根據垂距及時間計算，地下水垂向下平均流速37m/h。

綜合分析，礦坑排水主要向南部徑流出礦區，少量回滲。

第二組試驗：將500kg食鹽充分溶解于攪拌桶中，在+ 420m中段水平鉆連續壓入溶解液，在+130m中段突水點設置一個長期觀測點，監測頻率30min一次，有異常時加密至10min一次，試驗持續監測時間75h。投鹽2.5h后，+130m中段監測點即出現反應，4h出現峰值：501μs，異常維持時間約19.5h。次日6：30受降水影響，電導率持續下降，水變渾濁且含泥砂，直至第二日9：30才恢復到正常值：465μs（圖4-4）。根據電導率曲線及流量計算回收量為92kg，投放點與接收點水平距離285m，垂向高差290m，計算地下水平均流速101.7m/h。

可見+420m中段水平鉆與+130m中段突水點有水力聯系，可以從+420m中段截取巖溶帶東南方向來水。

第三組試驗：將750kg食鹽充分溶解于攪拌桶中，再輸送溶解液至鉆孔SK01揭露的溶洞中間，在+130m中段突水點設置長期觀測點，監測頻率30min一次，有異常時加密至10min一次，持續監測時間71.5h。投鹽150min后，+130m中段監測點即出現反應，250min出現峰值：3460μs，后逐漸恢復到正常值：452μs（圖4-5）。連通試驗穿透曲線呈正態分布，左右對稱，說明徑流通道為單一的管道型[4]。鉆孔與突水點水平距離200m，垂向高差205m，計算地下水平均流速68.7m/ h，再根據溶洞高2.01m，寬約1m，估算該點流量138.16m3/h。

證實鉆孔SK01揭露的溶洞與+130m中段突水點水力聯系密切，可以從SK01鉆孔溶洞處截取巖溶帶北西向來水。

5.結論

通過本次連通試驗，得出以下幾點結論：

（1）礦坑排水通過落水洞主要向南徑流出礦區，少量回滲；

（2）+130m中段突水點來水主要來源于北西向巖溶斷裂帶；

（3）連通試驗證實+420m中段水平鉆、鉆孔SK01內溶洞與+130中段突水點有明顯的水力聯系，可從這兩點截取流向+ 130m中段的水，以減少排水造成的資源浪費及安全隱患。

參考文獻：

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