地下巖溶及其構造與阻水相關的特征分析及阻水效果研究

陳七五 李建中

（1.中南大學地球科學與信息物理學院 長沙市 410083；2.中國有色金屬長沙勘察設計研究院有限公司 長沙市 410011）

地下工程安全問題至關重要，地下水往往是地下工程安全的重要隱患，如果處理不當就會引起透水或淹沒等災難事故，給國家和人民生命財產造成了巨大損失。因此，對場區工程地質、水文地質條件進行深入的研究顯得非常重要。

本文以江西某礦作為研究對象，工程區面積約5 km2。場區《詳細勘探地質報告》中首次提出了場區內存在“東阻水體”這一概念。隨著地下巷道深度的加大，安全問題越來越受到重視。近年來不少專家學者對“東阻水體”分別進行了研究，有關“東阻水體”的阻水性能各持有不同的觀點。為了徹底探明“東阻水體”的阻水性能，本次研究做了大量的物探工作以確定“東阻水體”的空間分布，并在“東阻水體”及其兩側布置了6個鉆孔進行抽水、壓水、注水等試驗，以此來驗證其“東阻水體”的阻水效果。

1 場區工程地質及水文地質條件

1.1 區域地質構造

工程區位于下揚子臺拗（Ⅱ級構造單元）中部，瑞昌——彭澤陷褶束（Ⅲ級構造單元）之中東段，南北分別與江南臺隆和淮陽地盾毗鄰。區內地質構造復雜，形跡明顯，斷裂、褶皺、巖漿活動均很強烈，具有多期次構造活動的特點，其主要構造線方向為NEE、NW—NNW及NE—NNE。區內褶皺由北向南依次有界首——大橋背斜、橫立山——黃橋向斜、大沖——丁家灣背斜，褶皺軸線由西至東，由NEE逐漸轉至NE，略帶弧形；背、向斜平行排列，為緊閉型線狀褶皺；由北至南，褶皺軸面由南傾逐漸變為直立。

1.2 地層分布

根據區域地質調查及場區勘察資料，場區分布的地層自上而下有：

（1）第四系殘坡積成因的粉質粘土和碎石土，厚（3～30）m，平均厚 17m。

（2）三疊系嘉陵江組和大冶組上段（T1d2）灰巖夾頁巖，地層走向 65°～75°，傾向 155°～165°，傾角 60°～75°；三疊系大冶組下段（T1d1）黃綠色、綠色泥質鈣質頁巖，全風化后呈粘土狀、碎石土狀，層理尚清楚。

（3）二疊系長興組（P2c）上段為硅質頁巖，下段為中厚層層狀含燧石結核灰巖，傾向157°～167°，傾角58°～65°，在頁巖和灰巖之間局部夾炭質頁巖和煤層透鏡體；二疊系龍潭組頁巖、茅口組炭質頁巖及煤層，棲霞組灰巖。

（4）石炭系黃龍組灰巖。

（5）泥盆系五通組含礫石英砂巖、石英粗砂巖；

（6）志留系紗帽組石英細砂巖、砂質頁巖。其地質構造與地層分布如圖1所示。

圖1 場區地質及水文地質簡圖

1.3 地下水系統

工程區位于長江中下游低山丘陵區，基巖地層產狀較陡，沿南北方向地層變化大。全區主要接受大氣降水及少量地表水體的補給，巷道排水目前是地下水的主要排泄方式。由于有相對隔水巖層的存在，區內地下水又分為3個地下水子系統（圖1）：

（1）茅口組炭質灰巖相對隔水層，以北為北區地下水子系統，主要含水層為二疊—石炭系棲霞黃龍灰巖巖溶裂隙含水巖組，且含水層之間聯通性較好，平均厚度209m左右，為非均質巖溶裂隙含水組。

（2）大冶組頁巖與茅口組炭質灰巖之間為中部地下水子系統，主要含水層為二疊系長興茅口灰巖巖溶裂隙含水組，厚度達370m。

（3）大冶組頁巖以南為南區地下水子系統，主要含水層為三疊系嘉陵江大冶灰巖巖溶裂隙含水組，平均巖層厚度約507m，巖溶發育具有近礦體強遠離礦體弱，淺部強深部弱的變化規律。

場區主要構造為橫立山-黃橋向斜的次級向斜（黃橋向斜），核部為三疊系大冶嘉陵江組碳酸鹽巖地層，上部為第四系沖湖積層所覆蓋，翼部為大冶組頁巖隔水層。礦區地勢南北高，西邊較東部高，中間為大范圍的第四系覆蓋區地勢平坦，相對較低，形成了礦區北、南、西三面封閉、東部開口的向斜匯水構造。由于場區第四系覆蓋層厚度大且透水性差，降雨要經第四系覆蓋層后才能下滲至三疊系灰巖含水層，降雨入滲補給條件很差。同時由向斜構造形成的半封閉匯水區也阻隔了西部區域地下水往場區方向的運動，切斷了區域地下水與場區地下水的聯系，僅在場區南部檀山坳向斜狹長的條形灰巖含水層中有少量地下水往東部場區方向運動。上覆蓋層及西部隔水層的存在使得場區地下水的補給、徑流等水動力條件較差，因而造成場區范圍內的巖溶發育程度較區域巖溶（場區以西）發育相對較弱，主要以小型的隱伏巖溶洼地、溶蝕裂隙、溶穴為主；而高差不大的地形條件進一步影響了地下水循環深度，也限制了工程區巖溶的發育深度。

2 東阻水體的構造特征

2.1 東阻水體構造特征

工程區東阻水體東面是尾礦池和赤湖，西面是礦山，東阻水體是否具有阻隔東部地表水體和地下水進入西部場區的作用，對于地下巷道的開采施工至關重要，東阻水體的位置如圖2所示。東阻水體以F11為西邊界，以F12為東邊界，包括F12以東80m寬的破碎巖體。 東阻水體地段主要有 F11、F12、F1、F2斷裂，其構造特征如表1。

圖2 東阻水體分布及水文地質試驗孔布置

表1 東阻水體構造特征

2.2 東阻水體巖性特征

東阻水體所在的地段是隱伏巖溶區，巖溶形態有溶洞、溶孔、溶蝕裂隙，其中80%的巖溶溶洞被粘土、粉土、砂、碎石等混合物充填。東阻水體處巖溶特征為：

（1）溶洞的充填率較高，為阻水體提供了較好的條件。

（2）阻水體以東位置仍存在強巖溶發育區，說明東部仍存在有大量巖溶裂隙水進入坑道的可能。

（3）二迭系炭質灰巖連續性好，巖溶不發育，具有較好的隔水功能。

（4）棲霞、黃龍灰巖的巖溶發育，受構造和硫化礦床影響明顯，且隨深度增加逐漸減少趨勢。

3 東阻水體阻水效果試驗

3.1 抽水試驗布置

為了檢驗東阻水體的阻水性能，了解北部場區深部水動力條件及巷道抽水時場區內降落漏斗在東部方向上水頭降低情況，分別在東阻水體及其兩側布置了6個鉆孔，鉆孔編號分別為WK1、WK2、WK3、WK4、WK5、WK8。其鉆孔布置如圖2所示。鉆探過程中，上部巖溶發育部位采用膨潤土摻水泥泥漿鉆進，下部巖溶不發育區采用清水鉆進。鉆孔WK3、WK4、WK5均穿過了F11斷層進入東阻水體的下盤。各鉆孔位置、深度及揭露的地層見表2。

表2 水文地質試驗鉆孔

現場水文地質試驗包括抽水、壓水、注水和彌散試驗，本文重點以抽水試驗的結果進行研究。WK3為抽 水 孔 ，WK1、WK2、WK4、WK5 和WK8為觀測孔。主要抽水試段為茅口、棲霞灰巖。抽水試驗采用的水泵抽水能力為20 t/h，揚程248m，水泵下至井深195m處，并下有190.50m的測水管。

3.2 抽水試驗結果及分析

抽水試驗從2011年3月20日14：35開始，起始抽水流量為500m3/d，初始水位-71.10m，6 h后水位降至-78.68m，抽至22日13時，水變清；由于測水管被堵，至23日水位沒有變化，23日14點30分停泵重新安裝測水管，于24日15時重新開泵抽水，抽水量為480m3/d，抽水1h，水變清，水位標高-80.18m。25日2時，水變渾濁，經過幾次調小水量，以保證水位在190m以上，于27日1時水變清。30日7時孔內水再次發生渾濁，當天18時才抽清水。抽水期間水位一直下降，水量不斷調小，至31日14時停泵前，水位標高-91.95m，水量276.77m3/d。抽水試驗是3月31日14點停泵，停泵后即觀測孔內恢復水位，水位恢復較慢，直至4月9日22時才恢復到-71.10 m。整個抽水試驗總共歷時20天。抽水歷時曲線及水位標高如圖3所示。

3.3 試驗結果分析

從圖3可以看出，觀測孔WK2、WK5的初始水位均比抽水井WK3初始水位低，而WK1、WK4、WK8比抽水井WK3初始水位高。抽水試驗進行時，隨抽水井中水位降深的不斷增大，觀測孔WK2、WK4、WK5中水位具有隨之降低的特性，而觀測孔WK1、WK8中水位不降反而小幅上升。為了探討觀測孔水位隨抽水降深的變化規律，將各鉆孔降深變化繪制成圖4所示。

圖4清晰地反映出，抽水試驗劃分為二次進行，第一次抽水因測水管堵塞，抽水井WK3中的水位并不能真正反映抽水井的水位降深，雖然觀測孔WK4中的水位具有類似的變化趨勢，也不能反映觀測水位的真實值。特別是距離抽水井WK3比較近的觀測孔WK2和WK5，抽水井WK3抽水井中水位下降，而觀測孔WK2和WK5中的水位反而上升，最大上升幅度超過6m，這顯然不符合實際。分析其原因，主要是鉆孔鉆進過程中，上部使用了膨潤土加水泥制作的泥漿護壁造成堵塞，致使含水層中的地下水不能進入抽水井中。另外，水位變化幅度范圍內巖溶也比較發育，溶洞和溶孔被粘性土及粉質粘土充填，造成了觀測數據的失真。

圖3 抽水試驗歷時曲線及水位標高

圖4 抽水孔和觀測孔水位降深

停止抽水后等待水位恢復，再進行第二次抽水試驗，這一階段的前期仍然有渾水不斷進入抽水鉆孔，進一步證實泥漿護壁和巖溶充填物存在，觀測數據仍然存在很大誤差。到抽水試驗的后期，隨著洗井工作的結束，試驗數據才具有一定的可靠性。觀測孔WK2、WK3和WK5隨抽水試驗的進行具有比較類似的變化規律，說明了F11斷層具有較好的導水性。觀測孔WK1和WK8隨抽水試驗的進行水位反而小幅上升，分析其原因主要是由于這兩個觀測孔距離抽水井比較遠，抽水過程本身對并其沒有影響，而是隨臨近的赤湖等地表水體的水位變化而發生波動。由此可以判斷，鉆孔WK1和WK8中地下水與抽水孔WK3沒有明顯的水力聯系，也由此可以證明東阻水體具有較好的阻水性能。

抽水試驗停止后，WK2和WK4中的水位隨抽水井中的水位上升不斷上升，具有同步效應，而WK5的水位恢復并不明顯。WK2的水位恢復沒有達到第二次抽水試驗時的水位，進一步說明原來WK2中的水位并不是真實的初始水位。

比較圖3和圖4不難看出，WK2、WK5的初始水位比抽水井WK3初始水位分別低172.16m、136.20 m，這主要是WK2位于東阻水體以西場區一側，巷道疏干排水是該觀測鉆孔水位較低的重要原因。WK5雖然位于東阻水體，但鉆孔穿過了F11斷層，實際上鉆孔地下水反映的特征與WK2類似。WK2、WK5與WK3的間距分別為 54.17 m和 132.50 m，WK2與WK3水力坡度達到了3.18，在疏干量不大的情況下能產生如此大的水力坡度，說明下部巖溶裂隙并不發育，連通性較差，地下巷道涌水量并不大。

4 結論

通過上述分析，對東阻水體阻水性能的研究可以得出以下主要結論：

（1）東阻水體西邊界F11斷層具有一定的導水性，但F11斷層的下盤是礦山巖體，傾向NE，具有比較好的完整性，且賦水性比較差。

（2）東阻水體中地下水與東部地表水體及地下水聯系并不密切，抽水試驗證明東阻水體具有比較好的阻水效果。

（3）地下巷道施工在F11斷層西側進行，F11斷層下盤必須預留一定的距離以保證有足夠的抗剪強度防止東阻水體的向下滑移，同時要防止F11斷層遭到人為破壞。

1 周念清，錢家忠，朱學愚，等.我國北方巖溶區優勢面控水機理及優勢參數的確定與應用[J].地質論評，2001，47（2）：151-156.

2 李慧芳，折書群.河北礬山磷礦地下水防治與環境保護[J].地下水，2010，32（1）：108-110.

3 劉國洪.某工程北礦帶東阻水體的結構及穩定性分析[J].銅業工程，2007，（1）：6-8，55.