安徽蕪湖市礦山開采區(qū)水文地質(zhì)綜合勘查技術(shù)研究

宋慶昌

（五礦礦業(yè)（安徽）工程設(shè)計(jì)有限公司，安徽 合肥 230041）

安徽蕪湖市礦山含有豐富的礦產(chǎn)資源，其中主要包含鐵、金、銅、鉛、鋅等金屬資源，安徽蕪湖市礦山所采用的采礦方法主要為露天回填式開采方法，這種開采方法的使用對開采區(qū)的水文地質(zhì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞，并且安徽蕪湖市礦山周圍的流域上部礦層存在于開采區(qū)和開采老空區(qū)，使安徽蕪湖市礦山含水層、開采富水區(qū)一級采空積水區(qū)與周圍河流具有復(fù)雜的水力聯(lián)系，對開采區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生較大的影響[1]。由于安徽蕪湖市礦山地質(zhì)條件比較復(fù)雜，開采區(qū)分布不均勻，導(dǎo)致目前還沒有明確安徽蕪湖市礦山開采區(qū)水文地質(zhì)情況，為此提出安徽蕪湖市礦山開采區(qū)水文地質(zhì)綜合勘查技術(shù)研究。

1 安徽蕪湖市礦山開采區(qū)水文地質(zhì)綜合勘查技術(shù)

1.1 開采區(qū)鉆探設(shè)計(jì)與設(shè)備選擇

作為水文地質(zhì)綜合勘查基礎(chǔ)的鉆探設(shè)計(jì)與設(shè)備選擇，制約著勘查工作的作用與效率。為實(shí)現(xiàn)安徽蕪湖市礦山開采區(qū)水文地質(zhì)綜合勘查的科學(xué)、準(zhǔn)確、高效，結(jié)合現(xiàn)場勘查實(shí)際設(shè)計(jì)鉆孔、鉆具、鉆孔間距等技術(shù)參數(shù)。鉆孔位置直接關(guān)系到勘查工作的準(zhǔn)確性；鉆具的合理選擇能夠?qū)辈楣ぷ鞯男势鸬奖对龅男Ч汇@孔間距決定了是否能做到最勤儉節(jié)約同時(shí)又高效準(zhǔn)確的勘查。合理的鉆探設(shè)計(jì)與設(shè)備選擇對提高水文地質(zhì)綜合勘查效率、減少勘查施工事故率具有重要作用。

安徽蕪湖市礦山開采區(qū)的水文地質(zhì)影響因素如下圖所示。

圖1 安徽蕪湖市礦山開采區(qū)鉆孔設(shè)計(jì)地質(zhì)因素

圖中八項(xiàng)主要因素決定了勘查鉆探施工的質(zhì)量。礦山地層結(jié)構(gòu)是鉆探設(shè)計(jì)的主要考慮因素，地層結(jié)構(gòu)因素可以為鉆探施工設(shè)計(jì)提供待鉆進(jìn)區(qū)域的水文地質(zhì)巖性的構(gòu)造以及分布特征。地層的巖石種類、巖石硬度、軸向壓力等巖性特征影響著鉆探施工的取心率和鉆孔作業(yè)。巖石力學(xué)因素決定了產(chǎn)生人工應(yīng)力干預(yù)下的巖石力學(xué)特征，其巖石硬度和軸向應(yīng)力直接關(guān)系到鉆孔速度和質(zhì)量。地下水因素包括含水層、隔水層、頂板等，破碎性和溶解性的地下水構(gòu)造會影響到鉆孔穩(wěn)定性以及孔內(nèi)清潔度。礦物成分、地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)風(fēng)化情況制約了鉆具的選擇和鉆探方式設(shè)計(jì)。巖體構(gòu)造因素包括巖石紋理、巖石種類、顆粒大小以及巖石密度等，這些特征與鉆速設(shè)計(jì)緊密相關(guān)。安徽蕪湖市礦山開采區(qū)地質(zhì)復(fù)雜、水文條件多樣，需要綜合考慮以上每一項(xiàng)因素，保證綜合勘查的科學(xué)性和合理性。根據(jù)安徽蕪湖市礦山開采區(qū)實(shí)際情況，經(jīng)過地圖計(jì)算和實(shí)驗(yàn)室仿真，最終確定開采區(qū)鉆探鉆孔大小為12cm，鉆孔間距為50cm，鉆孔深度為1250m。

表1 繩索取心管規(guī)格及K值

鉆探設(shè)備選擇是否合理將直接關(guān)系到安徽蕪湖市礦山開采區(qū)水文地質(zhì)綜合勘查效率和質(zhì)量。對鉆探設(shè)備選擇需要重點(diǎn)考慮鉆孔設(shè)計(jì)深度、鉆孔傾角以及工程的巖石條件等因素，做到有規(guī)劃地分類實(shí)施。其中孔深設(shè)計(jì)深度是鉆機(jī)選擇的主要依據(jù)，通常情況下鉆機(jī)的鉆孔能力要大于原本設(shè)計(jì)的孔深，當(dāng)針對礦山水文地質(zhì)工程這種特殊鉆進(jìn)條件時(shí)，要根據(jù)選擇系數(shù)對鉆機(jī)合理選擇，選擇系數(shù)計(jì)算公式如下所示：

式（1）中，L為選擇系數(shù)；H為鉆探施工中的設(shè)計(jì)孔深；N為鉆機(jī)能力。安徽蕪湖市礦山開發(fā)區(qū)勘查項(xiàng)目中選擇系數(shù)取值0.5～1.2之間，在水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜區(qū)域，選擇系數(shù)需要盡量放大一些，取值應(yīng)接近1.2；在巖性結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定區(qū)域，選擇系數(shù)可以適當(dāng)降低。根據(jù)礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度來確定選擇系數(shù)，得出鉆機(jī)能力要求，作為合理選取鉆機(jī)的依據(jù)。結(jié)合安徽蕪湖市礦山開采區(qū)水文地質(zhì)綜合勘查需求以及實(shí)際情況，鉆探施工采用XY-44型1500m鉆機(jī)鉆進(jìn)。

1.2 預(yù)測地層壓力

設(shè)計(jì)完安徽蕪湖市礦山開采區(qū)鉆探參數(shù)，并選擇完鉆進(jìn)設(shè)備后，需要對安徽蕪湖市礦山開采區(qū)底層壓力進(jìn)行預(yù)測，開采區(qū)底層壓力的預(yù)測有助于水文地質(zhì)綜合勘查過程中保持鉆探孔內(nèi)壓力平衡，從而更加精準(zhǔn)的勘查到安徽蕪湖市礦山開采區(qū)水文地質(zhì)情況。地層壓力預(yù)測方法有很多，常見的如儀器探測法、密度調(diào)整法、超聲探測法等，具體適用哪一種預(yù)測方法需要根據(jù)勘查地的具體情況選擇。鑒于安徽蕪湖市礦山開采區(qū)環(huán)境復(fù)雜，但是地質(zhì)條件較為統(tǒng)一，綜合權(quán)衡操作性、預(yù)測準(zhǔn)確度要求等因素，采用密度調(diào)整法預(yù)測。操作具體流程為：以2L/s左右排量向鉆孔內(nèi)泵入泥漿，記錄不同時(shí)間的孔內(nèi)壓力以及泵量，計(jì)算出地層壓力，其計(jì)算公式如下所示：

式（2）中，ρm為泥漿密度，單位為g/cm3；H為預(yù)測層孔深，單位為m；Pt為孔內(nèi)遺失壓力，單位為kPa。通過公式（2）計(jì)算出安徽蕪湖市礦山開采區(qū)各個(gè)區(qū)域地層壓力，為鉆頭孔涌水量提供數(shù)據(jù)支撐。

1.3 計(jì)算開采區(qū)鉆探孔內(nèi)涌水量

通過鉆探和地層壓力數(shù)值的預(yù)測，對安徽蕪湖市礦山開采區(qū)各個(gè)區(qū)域地下水涌水量進(jìn)行計(jì)算。由于安徽蕪湖市礦山開采區(qū)內(nèi)含水層富水性極不均勻，結(jié)合此次鉆探成果對開采區(qū)東部、中部、北部以及南部四個(gè)區(qū)域涌水量進(jìn)行計(jì)算。由于此次研究篇幅有限，僅以安徽蕪湖市礦山開采區(qū)東部區(qū)域涌水量計(jì)算為例，安徽蕪湖市礦山開采區(qū)東部涌水量計(jì)算時(shí)主要涉及開采區(qū)頂板含水層，綜合此次鉆探結(jié)果選取參數(shù)，安徽蕪湖市礦山開采區(qū)東部上覆含水層涉及八個(gè)水文鉆孔，鉆孔號分別為SDS01、SDS02、SDS03、SDS04、SDS05、SDS06、SDS07、SDS08。此次采用繩索取心法進(jìn)行預(yù)測開采區(qū)鉆孔內(nèi)涌水量，其計(jì)算公式如下：

公式（3）中，Q為開采區(qū)鉆探孔內(nèi)涌水量值；K為開采區(qū)上覆含水層頂板滲透系數(shù)；S為開采區(qū)鉆探孔內(nèi)水柱高度；L為導(dǎo)水裂縫帶導(dǎo)通的含水層厚度；D為開采區(qū)鉆探繩索取心管K值；T為繩索取心影響半徑。利用上述公式計(jì)算出各個(gè)鉆孔的涌水量，其中開采區(qū)鉆探繩索取心管K值需要根據(jù)所使用的繩索取心管來確定，下表為繩索取心管規(guī)格及K值表。

利用公式（3）計(jì)算的安徽蕪湖市礦山開采區(qū)礦層涌水量，其中安徽蕪湖市礦山開采區(qū)東部涌水量平均值為23.45m3/h，最大值為36.45m3/h；安徽蕪湖市礦山開采區(qū)中部涌水量平均值為35.23m3/h，最大值為62.23m3/h；安徽蕪湖市礦山開采區(qū)北部涌水量平均值為15.26m3/h，最大值為30.15m3/h；安徽蕪湖市礦山開采區(qū)南部涌水量平均值為24.28m3/h，最大值為35.18m3/h。通過對開采區(qū)各個(gè)區(qū)域的涌水量計(jì)算，以此完成了安徽蕪湖市礦山開采區(qū)水文地質(zhì)綜合勘查。

2 結(jié)束語

本文結(jié)合相關(guān)資料，對安徽蕪湖市礦山開采區(qū)水文地質(zhì)綜合勘查技術(shù)進(jìn)行了研究，詳細(xì)分析了安徽蕪湖市礦山開采區(qū)水文地質(zhì)綜合勘查技術(shù)的應(yīng)用流程。此次研究對預(yù)防和治理安徽蕪湖市礦山開采區(qū)水文地質(zhì)災(zāi)害提供了重要的數(shù)據(jù)依據(jù)，同時(shí)為研究安徽蕪湖市礦山開采區(qū)水文地質(zhì)綜合勘查工作提供了有利的參考依據(jù)。