示蹤試驗在凡口礦區帷幕截流工程中的應用

趙 駿，張 衛，周玉新，張茹星

(1.中國地質大學(武漢)教育部長江三峽庫區地質災害研究中心，湖北 武漢 430074;2.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

我國大量金屬礦山分布在碳酸鹽巖裸露、降雨豐沛、地表地下巖溶發育、地形復雜的南方區域，礦區巖溶水的防治難度及成本極高，常出現因水文地質條件不清導致的突水、巖溶塌陷等問題[1-3]。隨著科學技術的發展，為了在合理開采礦產資源的同時，不對當地環境和地下水資源造成影響，多數礦山將最初用于喀斯特地區大壩壩址加固的帷幕注漿技術[4]用于加固、封堵礦區薄弱地帶[5-7]。是否能準確地找到集中徑流帶直接決定了帷幕注漿成果的好壞[7]，而示蹤試驗是探測巖溶地下水徑流的有效方法，其在探尋地下水補給源、刻畫地下水空間分布、防治堤壩滲漏等方面有著重要的意義[8-13]。

凡口鉛鋅礦是我國著名的超大型鉛鋅礦床，也是一個水文地質條件極為復雜的巖溶大水礦山。在礦山早期建設過程中，曾多次出現突水、涌泥、地表塌陷、河水倒灌等災害，一度使礦山基礎建設停滯。該礦區在1965—1984年間基于群孔抽水試驗和坑道放水試驗結果修建，并完善了淺部截流疏干系統工程，取得了良好的治水效果，保證了礦山開采的安全。然而，因疏干排水導致礦區地質環境惡化，地面塌陷嚴重，地下水資源浪費，且疏干排水的成本也在逐年增加[14]。為了治理礦區生態環境，提高礦山經濟與社會效益，凡口鉛鋅礦于2005年開始以礦區北部和西部隔水層為邊界，在東部和南部建造堵水帷幕，試圖從根本上解決地面塌陷等地質環境問題。目前設計的帷幕已基本完工，但其帷幕質量以及是否還存在集中徑流通達方面需要進一步研究。為此，本文采用人工化學示蹤方法，在凡口礦區開展了多組地下水示蹤試驗，以探明該礦區注漿帷幕的堵水效果以及是否還存在集中徑流帶，為后續帷幕建設提供科學依據。

1 研究區概況

1.1 區域自然地理及地質條件概況

凡口鉛鋅礦位于廣東省韶關市仁化縣董塘鎮凡口村，礦區距離韶關市約48 km，有公路、鐵路相通，交通便利，地理坐標位置為113°37′31″～113°38′24″E、25°05′59″～25°07′14″N。該地區屬中亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為19.7℃。據凡口礦1993—2011年實際觀測資料，礦區年平均降雨量為1 605.8 mm。

礦區內地層由老至新依次為：寒武系八村群變質砂巖(∈2b)；泥盆系中下統桂頭群砂頁巖(D1-2gt)、中統東崗嶺組灰泥巖(D2d)、上統天子嶺組灰巖(D3t)和帽子峰組砂頁巖(D3m)；石炭系下統孟公坳組泥質灰巖(C1m)和測水組砂頁巖(C1c)、中上統壺天群白云巖及白云質灰巖(C2+3ht)；二疊系粉砂巖及黑色泥巖(P)，各地層出露情況見圖1。

礦區地質構造在宏觀上為一復式向斜，軸向北西，向南東傾伏(凡口傾伏向斜)。復式向斜內發育有近南北和東西向的次一級褶曲(如金星嶺背斜、獅嶺背斜)，以及一系列走向北東或北北東的壓扭性斷層。礦體賦存于當地侵蝕基準面以下的泥盆系中統至石炭系下統的碳酸鹽巖中，主要集中在金星嶺背斜南北兩翼及獅嶺背斜東翼[15]。

1.2 區域水文地質條件概況

凡口礦區的含水層由位于含礦地層頂板的石炭系中上統壺天群(C2+3ht)巖溶含水層以及下部含礦地層中的泥盆系中統東崗嶺組上段(D2db)和泥盆系上統天子嶺組下段(D3ta)灰巖裂隙含水層組成。其中，石炭系中上統壺天群巖溶含水層巖性為白云巖、白云質灰巖，在礦區內普遍分布，覆蓋在含礦地層以上，其淺部巖溶裂隙發育，巖溶發育程度、富水性隨深度逐漸減弱，為礦區主要的含水層。上述兩個含水層之間由裂隙不發育的泥盆系上統天子嶺組中上段雜質灰巖(D3tbc)構成的相對隔水層隔開，兩者之間不存在水力聯系(見圖2)。其中，泥盆系上統天子嶺組中上段雜質灰巖(D3tbc)隔水層和泥盆系上統帽子峰組砂頁巖(D3m)隔水層分別構成了礦區的西部與北部隔水邊界;研究區內出露較少的二疊系粉砂巖及黑色泥巖(P)隔水層構成了礦區東南角的隔水邊界(見圖1)；而石炭系下統的泥質灰巖及砂頁巖(C1)相對隔水層遇水膨脹崩解，穩固性差，井巷工程揭露后極易冒落，通過溶洞、裂隙與石炭系中上統壺天群巖溶含水層相連，隔水性不可靠；泥盆系中統東崗嶺組下段灰泥巖(D2da)和泥盆系中下統桂頭群砂頁巖(D1-2gt)共同構成了礦區的底板隔水層。而礦區普遍覆蓋的第四系松散堆積層(亞黏土或黏土、亞砂土夾砂礫石組成)含水性弱，對石炭系中上統壺天群巖溶含水層而言，可視為相對隔水層。但因人為開挖以及礦床疏干，地表大量出現的裂縫和塌陷已成為大氣降水和地表水滲漏補給壺天群巖溶含水層的良好通道，研究區內第四系的隔水作用已遭到破壞[16]。

圖1 凡口礦區水文地質簡圖Fig.1 Hydrogeological map of Fankou mining area

圖2 凡口礦區206勘探線水文地質剖面圖Fig.2 Hydrogeological section of 206 exploration line in Fankou mining area

研究區的地質構造中F3、F4、F5斷層對凡口礦區水文地質條件的影響較大，但由于 F3斷層位于采區西部，緊鄰西部隔水邊界，因此本次不做研究。F4斷層將其上盤石炭系和泥盆系的相對隔水地層(C1、D3m、D3tbc)大幅度抬升，使F4斷層的東側出現了一條相對連續的地下隱伏隔水墻。該隔水墻頂部標高在+0 m 以上，北接金星嶺背斜隔水層，南端向西彎曲與曲塘隱伏背斜構成的隔水邊界相連，從而在獅嶺采區頂部構成一個四周被隔水層封閉的半月形隱伏“含水盆地”，外圍地下水則只能翻過該隱伏隔水墻向獅嶺采區補給(見圖1和圖2)。而F5斷層，前人根據該斷層及旁側壺天群灰巖完整、裂隙不發育、巖層導水性差以及斷層兩側水位相差懸殊，認為其構成了局部隔水帶[14,16]，但因巖溶發育的非均質性較強，F5斷層的隔水性還需要進一步研究。

在未開始大規模疏干前，凡口礦區地下水水位平緩，地下水水位為97～110 m，地下水順勢從西部及北部向東部徑流。從1965年凡口礦區開始修建截流疏干工程(獅嶺、新南及北截流巷)，至1989年工程完畢(見圖1)，隨著疏干降水的進行，礦區形成了一個半徑為2 900 m、深達110 m、疏干范圍為7.75 km2的疏干漏斗，地下水流場發生了較大變化，從以前的自西北往東南徑流變為由南、東、北三個方向向降落漏斗中心徑流。

從上述凡口礦區水文地質條件可知，以曲塘背斜和金星嶺背斜的軸為隔水邊界，礦區可分為兩個相對獨立的水文地質單元：其中金星嶺以北區域的水文地質單元巖溶發育相對較弱，因疏干排水造成的環境地質問題較少，且礦體將開采完畢，其涌水暫無進一步治理的必要；而金星嶺以南區域的水文地質單元的礦坑涌水量占全礦區礦坑總涌水量的85%，且周邊因疏干排水造成的地面塌陷嚴重，是后期涌水治理的主要對象。故凡口礦區于2008年開始實施帷幕注漿工程(見圖1，EFGHI段)，目前除帷幕EF段還未完工外，其他段均已完成。實施帷幕注漿工程后，礦坑涌水量由原來的17 000～37 000 m3/d減少至13 800～25 600 m3/d，減幅達30%以上，地表巖溶塌陷數量明顯減少，而帷幕外部地下水水位持續上升，說明礦坑疏干排水對帷幕外地下水的影響減小。

2 示蹤試驗目的與方法

2.1 示蹤試驗目的

根據凡口礦區的巖溶水文地質條件與工程勘探，凡口礦對金星嶺以南區域的水文地質單元采取了帷幕注漿的防治水措施，其北部以曲塘背斜和金星嶺背斜為隔水邊界，東部以F5斷層為隔水邊界，西部為穩定的隔水層，在南部設置帷幕并向東延伸至隔水邊界(見圖1，EFJHI段)，注漿深度均至天子嶺組中上段(D3tbc)穩定隔水層。本次示蹤試驗的目的是：①檢驗已完工帷幕工程的堵水效果；②研究區是否還存在未發現的集中徑流帶；③獲取研究區相關水文地質參數。

2.2 示蹤試驗方案與過程

結合本次示蹤試驗目的、研究區地下水等水位線圖和已有鉆孔情況(鉆孔孔徑、孔深、是否淤堵)，確定了本次示蹤試驗方案，見表1。

表1 示蹤試驗方案Table 1 Tracer protocol

由凡口礦區地下水等水位線(見圖1)可知，研究區東北部地下水水位明顯低于東部，即第一組試驗投放點地下水不會向第二組示蹤方向流動，兩組試驗可采用相同示蹤劑，不會產生干擾；而第三、四組試驗為了防止干擾，示蹤劑分別采用了熒光素鈉和熒光增白劑，且為了避免不同組試驗公用的檢測點不出現污染，下一組試驗均在上一組試驗公用檢測點檢測不出示蹤劑后才開始，各組試驗示蹤劑實際投放時間見表1。

示蹤劑監測采用GGUN-FL30型野外自動熒光儀，其具有自動化程度高、在線連續監測精度高、不易受到污染以及攜帶方便、操作簡單等特點，由于其探頭吸收光強與熒光素的濃度成反比，所以可根據標準函數計算出熒光素的濃度[17]。

因第一、二組試驗均為間隔較短時間相繼投放熒光增白劑和羅丹明兩種示蹤劑，且兩種示蹤劑為同時檢測，為了明確兩種示蹤劑之間是否存在干擾，本次通過在室內依次改變兩種示蹤劑濃度(即質量濃度)并讀取儀器讀數，來探究兩者是否會產生相互干擾現象，即是否會對檢測值產生影響。

室內試驗步驟如下：

(1) 在水桶中加入適量清水，并向水桶中加入0.05 mL熒光增白劑作為初始示蹤劑，加水至每個水桶水量達到10 L，攪拌均勻后放入示蹤儀，待儀器穩定2 min后，記錄相關操作時間。

(2) 向桶中加入0.05 mL羅丹明，攪拌均勻，待儀器穩定2 min，并記錄相關操作時間。

(3) 重復步驟2，直至6次后一共滴入0.3 mL羅丹明溶液。本輪試驗結束后，讀取示蹤儀記錄的相關數據，并清洗地下水示蹤儀和水桶。

(4) 將初始示蹤劑改為羅丹明，改變熒光增白劑的量，重復步驟1至步驟3。

(5) 拆洗儀器。

試驗結果見圖3。

圖3 室內示蹤劑干擾試驗對比曲線Fig.3 Comparison curves of indoor tracer interference experiment

由圖3可以看出，無論是改變羅丹明還是熒光增白劑的濃度，另一種示蹤劑的檢測值均不會發生改變，即羅丹明與熒光增白劑之間不存在相互干擾的現象。

每組野外示蹤試驗的具體過程如下：

(1) 測量檢測點背景值。

(2) 投放示蹤劑時，先將示蹤劑在水中溶解，為了防止示蹤劑污染，通過漏斗將示蹤劑溶液注入鉆孔或塌陷點，然后持續注水約2 h，以沖洗投放點的示蹤劑，使示蹤劑盡量多地參加地下水徑流。

(3) 試驗過程中考慮地層巖性在垂向上強烈的非均質性，在地下水中檢測出示蹤劑之前，根據各檢測點的地層巖性及鉆孔結構，人工每隔2 m(或5 m)進行分段檢測，以查明地下水在垂向的主要徑流段，待在某一深度檢測到示蹤劑后，將探頭固定于該深度進行檢測，檢測時間間隔為5 min。

研究區示蹤劑投放點分布見圖4。

圖4 研究區示蹤劑投放點分布及地下水流向圖Fig.4 Distribution of tracer points and groundwater flow in the study area

3 示蹤試驗結果與分析

示蹤試驗結果分析可分為定性分析和定量分析，定性分析即通過檢測點是否檢測到示蹤劑來判斷示蹤劑投放點與檢測點的聯通關系；而定量分析是根據示蹤試驗得到的示蹤劑質量濃度隨時間的變化曲線(即示蹤劑穿透曲線，BTC曲線)獲得溶質運移時間、溶質運移速度和彌散系數等，也可通過BTC曲線的形態特征來判斷地下管道的發育特征。本文利用QTRACER2軟件對符合巖溶管道紊流的示蹤劑監測數據進行了定量分析與計算。該軟件可較為合理地評價巖溶地下水系統的水動力學特性和溶質運移特性[18]，但因鉆孔流量難以測定，故無法估算本次試驗徑流通道的幾何參數。

對于巖溶管道中的紊流，示蹤劑在巖溶地下水中的運移主要以機械彌散作用為主，管道中地下水的溶質運移可用一維對流彌散方程來刻畫，在不考慮滯后和衰減的情況下，其解析解為[19]

式中：C為示蹤劑濃度(kg/m3)；x為縱向距離(m)；t為示蹤劑投放后歷時(h)；m為示蹤劑質量(kg)；DL為縱向彌散系數(m2/s)；VL為縱向流速(m/s);A為橫截面積(m2)。

3.1 第一組試驗(CK35、CK48)鉆孔結果與分析

2012年7月7日上午8∶40在CK35鉆孔投放熒光增白劑1 kg,11∶00在CK48鉆孔投放羅丹明1 kg，其中所有檢測點均未檢測出熒光增白劑，只有203/FK1鉆孔檢測點檢測出羅丹明，第一組試驗各檢測點示蹤劑穿透曲線見圖5。

由圖5可見，檢測出的示蹤劑濃度較低，且在迅速到達峰值后衰退曲線有較長的平臺期，說明該區域管道流與溶蝕裂隙流共同組成的網狀地下水系使示蹤劑被充分稀釋[20]。根據研究區6月份地下水等水位線(見圖1)分析，203/FK1鉆孔檢測點處巖溶水應向新南截流巷L3裂隙等出水點徑流，但試驗過程中新南截流巷各個出水點均未檢測出羅丹明，說明203/FK1鉆孔附近地下水未穿過F5斷層向新南截流巷流動，且附近鉆孔顯示該段F5斷層(203/FK1鉆孔至金星嶺背斜隱伏隔水層)左右兩側巖溶不發育，故結合地下水等水位線分析可知，研究區東北部巖溶水應向北部，即向北截流向流動。

圖5 第一、二組試驗各檢測點示蹤劑穿透曲線(BTC曲線)Fig.5 Tracer penetration curves at each test point in the first and second sets of tests

3.2 第二組試驗(東部塌陷點、CK55)鉆孔結果與分析

2012年7月9日18∶40在CK55孔投放羅丹明2.0 kg，20∶00在東部塌陷點投放熒光增白劑2 kg，其中41/38硐室、新南出水口檢測點檢測出高濃度熒光增白劑，212/FK2鉆孔、214/SK15鉆孔、41硐室檢測點檢測出低濃度羅丹明，第二組試驗各檢測點示蹤劑穿透曲線和各示蹤段相關水力擬合參數見圖5和表2。

由圖5和表2可以看出：

表2 各示蹤段相關水力擬合參數Table 2 Related hydraulic fitting parameters of each tracer

(1) 東部塌陷點到各檢測點的示蹤劑BTC曲線主峰峰型尖銳，示蹤劑濃度高，持續時間較短，平均流速快(120.43～127.93 m/h)、峰值流速很大(283.36m/h)，參數擬合較好，符合巖溶管道中的紊流特征；東部塌陷點到新南出水口、41硐室檢測點的示蹤劑BTC曲線[見圖5(d)、(f)]形態相似，擬合參數接近，示蹤劑濃度呈現“先高后低”的多峰曲線，推測東部塌陷點至兩出水點為同一徑流通道，示蹤劑濃度高峰值是主流通道的峰值，低峰值為支流通道的峰值，因為受到主流通道的稀釋導致示蹤劑峰值濃度降低。以上研究結果說明東部塌陷點至研究區應存在一東西向且由多條溶蝕管道組成的地下水集中徑流通道，該通道中的地下水徑流迅速，水量巨大。根據現場調查，41硐室、38硐室及L4裂隙均揭露出近東西向的斷層破碎帶或裂隙，礦區東部的塌陷點也大都沿東西向延伸；從凡口礦區1963—2012年的地下水等水位圖中發現，無論是在天然條件下還是在礦區地下水疏干過程中，在礦區東部均存在一東西向地下水主要徑流通道；此外，注漿孔實際揭露資料由圖4可知，研究區有小面積天子嶺組地層因斷層錯斷抬升。綜上所述，該區應存在一東西向斷層破碎帶，且沿斷層破碎帶東西向巖溶發育，為目前礦區地下水的主要徑流通道，是后期帷幕注漿的主要目標段。

(2) CK55鉆孔投放點的示蹤劑濃度消散較快，但到212/FK2、214/SK15鉆孔檢測點檢測出的羅丹明濃度較低，示蹤劑滯留時間較長[見圖5(b)、(c)]、擴散作用明顯(Pe數較大)，曲線擬合較差或無法擬合，說明CK55鉆孔連通性良好，附近巖溶發育，示蹤劑很快進入地下水流中，而IH段帷幕有較好的阻水效果，地下水流速變緩，示蹤劑被充分稀釋，但仍殘留少量由裂隙組成的滲流通道。通過查閱IH段帷幕注漿段資料發現，該段帷幕注漿孔施工深度較小，雖到達穩定隔水層，但未穿越F5、F6斷層；另外根據注漿孔實際揭露資料，該段F5、F6斷層均被錯斷，且天子嶺組(D3t)泥質灰巖因斷層錯動上升，附近鉆孔揭露的巖性破碎，推測IH注漿段殘留的滲流通道應沿深處斷層破碎帶分布。而CK55鉆孔—41硐室的示蹤劑BTC曲線顯現多峰曲線，羅丹明初現時間明顯早于另外兩個檢測點，推測CK55鉆孔處部分巖溶水通過多條裂隙向西南方向流動，匯入東部塌陷點至研究區的徑流通道，從而示蹤劑較快到達41硐室。

3.3 第三組試驗(220/SK9)鉆孔結果與分析

2012年7月13日上午10∶20，在220/SK9鉆孔投放熒光素鈉1.75 kg，隨后僅在216/FK1鉆孔檢測點檢測出較高濃度的熒光素鈉，214/FK3鉆孔和帷幕內部各檢測點均未檢測出示蹤劑，第三組試驗216/FK1鉆孔檢測點示蹤劑BTC曲線及其擬合參數見圖6(a)和表2。

由圖6(a)和表2可見，說明FH注漿段堵水效果良好，南部巖溶水沿帷幕外側向東部繞流，原南部F4斷層至F5斷層間的地下水主要徑流通道已不存在。

3.4 第四組試驗(西部塌陷點)結果與分析

2012年7月11日晚上22∶00在西部塌陷點投放熒光增白劑2 kg，僅在獅嶺南和41硐室檢測點檢測出高濃度的熒光增白劑，其他檢測點均未檢出，檢測點兩個檢測點示蹤劑BTC曲線及其擬合參數見圖6(b)、(c)和表2。

圖6 第三、四組試驗各檢測點示蹤劑穿透曲線 (BTC曲線)Fig.6 Tracer penetration curves at each test point in the third and fourth sets of tests

由圖6(b)和表2可見，獅嶺南出水口檢測點檢測到的示蹤劑滯留時間長(10 h)、擴散作用明顯、峰值濃度較高，說明西部塌陷點到獅嶺南出水口徑流集中，但流速較緩，水力梯度不大，應是FG段帷幕良好的隔水性導致附近地下水水位抬升，地下水翻越隱伏隔水層，通過表層強巖溶帶流入；41硐室檢測點檢測出較低濃度的熒光增白劑，說明示蹤劑流入含水槽內被稀釋后翻越F4斷層附近隱伏隔水層向41硐室徑流，徑流管道相對集中，流速較低，示蹤劑BTC曲線[圖6(c)]由于橫向彌散作用而形成了一個很長的“拖尾”現象[21]。

綜上所述，隱伏隔水層因地下水水位抬升失去了隔水效果，EF段帷幕尚未完工，其堵水效果暫不理想。

4 結論與建議

根據示蹤試驗結果和研究區鉆孔、水文地質資料，本研究得到以下結論：

(1) 研究區203/FK1鉆孔至金星嶺背斜隱伏隔水層附近F5斷層的左右兩側巖溶不發育，可視為穩定隔水層，無需施工帷幕，巖溶水會向北截流向繞流。

(2) 研究區東部(IH段帷幕北部)存在沿斷層破碎帶發育的近東西向集中徑流帶，該段F5斷層無隔水效果，示蹤劑穿透曲線特征及其擬合參數說明該徑流帶由多條巖溶管道組成，且地下水流速快、水量巨大，是后續帷幕注漿的主要目標段。

(3) 已建帷幕中，FH段堵水效果良好；IH段因注漿深度較淺，深部斷層破碎帶殘留有滲流通道，有待所有帷幕完工后根據礦坑涌水量情況決定是否增加注漿孔；而EF段帷幕尚未完工，堵水效果不佳，但根據示蹤試驗分析發現因FH段帷幕堵水良好導致該區域地下水水位抬升，可翻越隱伏隔水層從表層強巖溶帶流入獅嶺南截流巷，建議將EF段延伸至研究區西部出露的穩定隔水層。

本研究由于缺乏準確的鉆孔流量數據，無法估算示蹤期間徑流通道儲水量、徑流通道橫斷面積、徑流通道直徑等幾何參數，還需要后續進一步研究。從本次示蹤試驗的示蹤劑穿透曲線可以看出，巖溶地區地下水溶質運移過程較為復雜，單純的一維對流-彌散模型或擴散模型均難以準確地描述巖溶地區地下水溶質運移過程，還需要深入研究，以提出更加符合實際情況的概化模型。

示蹤試驗在檢測巖溶地區帷幕滲流及查找集中徑流通道方面具有直接性、準確性和經濟性等優點，可有效地避免帷幕截流工程因防滲失當而減效(或無效)，也可避免過度建設帷幕而浪費資源，是巖溶地區礦山開采中突水、地面塌陷等災害防治的有效檢測手段。