灰巖地區礦坑水回灌技術研究

趙曉明

(華北有色工程勘察院有限公司，　河北 石家莊　050000)

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灰巖地區礦坑水回灌技術研究

趙曉明

(華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊050000)

摘要：為減少大水礦山開采過程中由于疏干對地下水資源的破壞，研究采用回灌的形式保護地下水資源。某礦區灰巖地層的回灌能力影響著回灌工程的順利進行，通過回灌試驗對深部灰巖的回灌能力進行了研究。采用單井回灌和群井回灌的方式評價灰巖地層的回灌能力。通過試驗分析，單井預計回灌量可達496.8 m3/h，群井回灌量為936.0 m3/h，試驗結果表明灰巖地層具有很強的回灌能力，可做為礦山礦坑水回灌的主要回灌地層。

關鍵詞：灰巖；回灌能力；地下水；單井灌水；群井灌水

人工地下水回灌也稱為有計劃的回灌[1]，是指將地表水、洪水或再生水通過地表滲濾或回灌井注水方式，補充地下水的過程。

國外地下水人工回灌工程及其研究開展較早，如20世紀60年代中期美國加利福尼亞州Orange County地區建造了再生水工程[1]。另外，加拿大、澳大利亞、印度、科威特及歐洲各國都在發展人工回灌技術。在我國，地下水人工回灌研究應追溯到20世紀60年代至70年代。上海市是我國最早開展地下水人工回灌的城市之一，特別是在管井回灌技術方面獲得了大量資料和積累了豐富經驗[2]。目前礦山礦坑水進行回灌的研究處于試驗性階段，礦山排水已成為地下水漏斗形成的重要因素，礦山礦坑水排除后進行回灌補充地下水資源，對于地下水資源的保護和可持續發展具有重要意義。

1回灌試驗區概況

中關鐵礦隸屬于河北鋼鐵集團礦業有限公司，位于河北省沙河市白塔鄉中關村，距邢臺市30.0 km，距邯鄲市37.0 km，距沙河市21.0 km。地理座標：東經114°01′，北緯36°55′[3]。

中關鐵礦處于邢臺百泉泉域地下水強徑流帶中，礦區中奧陶系石灰巖含水層裂隙巖溶發育，透水性強，富水性好，與區域含水層連通好，是礦區主要含水層。為保護區域地下水資源，合理開發礦產資源，中關鐵礦采用全封閉型帷幕注漿方法堵截礦山地下水。

回灌試驗區域位于中關注漿帷幕西250 m左右，該區域位于地下水排泄區，有助于回灌水的排泄。

2水文地質條件

在礦區范圍內，發育有由下古生代到新生代所形成的沉積巖、火成巖和松散堆積物。根據含水層性質的不同可以劃分為四個含水層巖組，即：第四系松散巖類孔隙含水巖組，石炭、二迭系薄層灰巖和砂頁巖裂隙含水巖組，寒武、奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組，燕山期巖漿巖風化裂隙弱含水巖組。

該回灌試驗區位于觀6、觀15、觀19以東，觀20、觀11以西，綦村巖體以南，南至南部斷層。該區受北北東向斷層構造帶控制，中關礦區位于白澗至中關的背斜軸部，區內斷層有F4、F5、F6及F1(礦)F2(礦)、F3(礦)，巖石破碎，巖溶裂隙頗為發育。裂隙有三組，一組平行于主構造線，另外兩組為斜交裂隙，一般為張扭和壓扭性裂隙。該區裂隙巖溶發育，屬強富水區。

3回灌試驗的工程布置

本次回灌試驗，回灌井利用正在施工的兩個供水井(G1、G2)(以下稱為回灌井)，觀測系統包括新施工的5個觀測孔和原供水井勘察孔(GS1)，共6個觀測孔。受試驗場區地形條件限制， 5個觀測孔孔位在設計進行了微調。試驗區鉆孔平面布置見圖1。

4回灌能力分析

本次試驗的主要層位為-179.0～-300.0 m的灰巖，利用單井回灌和群井回灌的方式進行試驗，對所取得的數據進行整理分析，利用吸水指數判斷不同位置的回灌能力。

4.1單井回灌能力分析

本次回灌試驗于7月26日開始，8月5日結束。回灌井為G1，觀測孔7個，分別為G2、GS1、HG1、HG2、HG3、HG4和HG5。本試驗段的地層的主要巖性為灰巖，裂隙發育，試驗結果見圖2和表1。

圖1　回灌試驗平面布置。

圖2　回灌井-179.0～-300.0 回灌試驗等水位線

項目距離/m水位差/m水力坡度/%G1→HG121.4016.3676.45G1→HG231.5516.9853.82HG1→HG210.390.625.96G1→HG314.6415.89108.54G1→HG49.6316.61172.48G1→HG553.5318.4634.49G1→GS16.9615.74226.15G1→G233.718.2354.00

G1回灌井(-179.0～-300 m)在回灌量為140.51 m3/h時，回灌井水位上升20.17 m(+40.11 m)，隨著回灌量的增大至170.58 m3/h，水位抬升值也隨之增大至24.53 m(+44.47 m)，由圖2看出：HG3-G1-G2沿線以南等水位線密集，說明地層透水性和連通性弱，不利于回灌水的擴散。沿線以北、以東方向平緩，HG1-HG2的水力坡度僅為5.96%，說明本區地層的透水性強，有利于回灌水的擴散，可作為回灌區域。

根據《水文地質手冊》(第二版)抽水試驗現場資料整理部分公式，結合圖解回歸分析計算回灌量：

(1)

當n=1時，為直線型，用圖解法確定Q；

當n=1～2時，為指數型，采用公式lgQ=lga+mlgs確定Q；

當n=2時，為拋物線型，采用公式S=aQ+bQ2確定Q。

當n>2時，為指數型，采用公式Q=a+blgs確定Q。

根據公式(1)，結合圖解回歸分析(見圖3)計算回灌量，得：n=1.015，根據回灌時取得的Q、S數據得到a=1.85，m=1.015；因此lgQ=lg1.85+1.015×lgs，預計回灌量為496.8 m3/h。

圖3　lgQ—lgS曲線(標高-179.0～-300.0 m)

4.2群井回灌能力分析

本次回灌試驗于8月9日開始，8月12日結束。回灌井為G1、G2兩井同時回灌，觀測孔6個，分別為GS1、HG1、HG2、HG3、HG4和HG5。本試驗段的地層的主要巖性為灰巖，裂隙發育。試驗結果見圖4和表2。

G1、G2回灌井下部回灌層位(-179.0～-300.0 m)在回灌量為200 m3/h時，兩回灌井中水位上升最高位19.55 m(+41.38 m)；由圖4看出：群井回灌時，HG3-G1-G2沿線以南等水位線密集，說明地層透水性和連通性弱，不利于回灌水的擴散。沿線以北水力坡度小，等水位線平緩，HG1-HG2水力坡度為3.85%，說明本段地層的透水性和連通性較強，有利于回灌水的擴散，可作為回灌區域。

圖4　回灌井-179.0～-300.0回灌試驗等水位線

項目距離/m水位差/m水力坡度/%G1→HG121.4014.4367.43G1→HG231.5514.8347.00HG1→HG210.390.403.85G1→HG314.6414.3898.22G1→HG49.6314.56151.19G1→GS16,9613.81198.42G2→HG519.8519.0295.82G2→G133.73.149.32

對G1回灌井進行單井回灌時，回灌量與G2回灌井的抬升關系根據公式(1)，結合圖解回歸分析(見圖5)計算回灌量，計算得n=1.32，根據回灌時取得的Q、S數據得到a=24.7，m=1.32；因此lgQ=lg24.7+1.32×lgSG2，當回灌量為496.8 m3/h時，預計水位上升為3.7 m。

假設回灌試驗范圍內地層與G1回灌井透水性相近。由lgQ=lg1.85+1.015×lgs、lgQ=lg24.7+1.32×lgSG2和S總=SG1+SG2關系，當等距為30 m布孔時，群井回灌的計算式為：

(2)

式中：n為回灌井數量，口。

計算得預計回灌井水位抬升至+90.0 m時，兩井同時回灌量為936.0 m3；

綜上所述，單井回灌情況下,標高-179.0～-300.0 m回灌能力預計為496.8 m3/h；群井同時回灌情況下，回灌能力預計為936.0 m3/h，深部灰巖回灌能力較強。

圖5　lgQ—lgS曲線(標高-179.0～-300.0 m)

5結論

通過本次回灌試驗，本回灌區域標高-179.0～-300.0 m段地層范圍內主要巖性為石灰巖，裂隙巖溶發育，透水性強(G1在標高-179～-300 m段單位涌水量為1.98 L/s·m)，具有很強的回灌能力(由于回灌試驗回灌量限制，預計回灌井水位達到+90 m標高時G1的該層回灌量為496.8 m3/h)。深部灰巖具有較強的回灌能力，可作為礦區長期回灌地層。

參考文獻：

[1]云桂春，成徐州,等.人工地下水回灌[M].北京：中國建筑工業出版社，2004：4-9.

[2]李云峰，鄭書彥，田春聲，等.引黃回灌研究[M].西安：陜西科技術出版社，1996：9-10.

[3]中關鐵礦礦山排水回灌工程方案規劃設計[R].石家莊:華北有色工程勘察院有限公司，2012.

[4]王麗娜.城市污水再生用于地下水回灌及健康風險評價[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2006.

[5]董艷慧.地下水保護理論及修復技術的研究-以西安市為例[D].西安：長安大學，2010.(收稿日期：2015-07-13)

作者簡介：趙曉明(1979-)，男，從事水文地質、工程地質方面工作，Email:google159753@126.com。