礦坑涌水封堵治理過程中巖溶導水通道連通性研究

高學通，王 云

(1.華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021；2.河北省礦山地下水安全技術創新中心，河北 石家莊 050021)

1 研究背景

強巖溶地區大水礦山礦坑涌水治理工程中常常通過地面帷幕注漿技術對導水通道進行封堵，主要導水通道的探查是帷幕工程設計與施工的基礎，而連通試驗是探究地下水運移方向和速率等參量行之有效的探測手段之一。關于連通試驗的研究及工程應用已有很多實例，涉及示蹤劑選型、投放和接收孔布置、地下水流向和流速計算、示蹤劑回收率計算等諸多方面。實踐表明在水源地探查、隧道及礦坑涌水探測、地下巖溶暗河探究等領域應用效果良好。聶艷華等[1]、欒崧等[2]、陳相彪[3]通過連通試驗研究了上下游溶洞及地下水流動情況，探討了連通試驗在巖溶導水通道探查中的應用；陳亞峰等[4]、郝玉培等[5]以熒光素和胭脂紅為示蹤劑，揭示了水庫壩體內外聯系及滲漏通道；龔甲桂等[6]、庾樂等[7]、尹尚先等[8]采用食鹽、食品紅、碘化鉀等示蹤劑，有效探測了礦井涌水路徑及水流參數；左偉等[9]利用瞬變電磁、連通試驗和抽水試驗查明了煤礦開采過程中，上部第四紀含水層與巷道之間的導水通道；此外，連通試驗在隧道涌水探查中也取得了良好的效果[10]。綜上可知，連通試驗在巖溶通道及礦山防治水方面已有一些研究并取得了豐碩成果，但對于通道和礦坑間的水力聯系多限于定性分析，卻很少給出補給量的定量分析，在通道參數精準確定及治理方案合理制定方面仍存在一定的不足。

鑒于以上討論，以強巖溶地區某大水礦井涌水治理帷幕注漿工程為依托，在勘察孔揭露孔內巖溶通道的基礎上，通過孔內滲漏點與井下涌水點間的連通試驗，探究了巖溶導水通道與涌水點間的連通性，經計算分析，充分論證其為主導水通道后，采取了“投料+注漿”綜合防治措施，使礦井涌水量大為降低，取得了良好的治理效果。

2 工程概況

2.1 地層及構造

研究區內出露地層由老到新為寒武系、奧陶系和第四系。其中西部出露張夏組、崮山組、炒米店組，總體走向北西，傾向北東，傾角15°～33°，巖性主要為灰巖、泥質灰巖夾頁巖，厚度651.0 m，與下伏泰山巖群山草峪組呈角度不整合接觸；中部出露三山子組分三個巖性段，走向北西，傾向北東，傾角15°～20°，巖性主要為厚層白云巖，厚度約99.5 m，與下伏炒米店組呈整合接觸；東部出露馬家溝組東黃山段、北庵莊段、土峪段，走向北西，傾向北東，傾角15°～25°，巖性主要為灰巖，厚度301.9 m，與下伏三山子組呈整合接觸；第四系主要由黏土、亞黏土、亞砂土等組成，厚度為0～13.6 m。

區內主要有北西向、近東西向和北東向三組斷裂構造(圖1)。而與礦坑充水相關的主要導水構造為礦坑東部的F1和F4兩條斷層，其中，F1斷層屬于近東西向斷裂，總體走向85°，傾向南，傾角45°～68°，東段水平斷距50 m，垂直斷距85～120 m，破碎帶寬0.60～29.30 m，沿走向和傾向均呈舒緩波狀延展，具膨脹狹縮、分枝復合等特征；F4斷層屬于北東向斷裂，走向為40°～50°，傾向南東，傾角60°～80°，為正斷層，破碎帶寬3～10 m，多被碎裂狀二長斑巖脈充填。

圖1 研究區構造分布簡圖Fig.1 Study area structure distribution map

2.2 水文地質條件概況

根據地下水的賦存介質，礦區含水巖可分為第四系孔隙含水層和碳酸鹽巖裂隙巖溶含水層。其中，第四系孔隙含水層分布于礦區中部及西南沖溝地帶，由黏土、亞黏土夾礫石組成。 厚度一般為3.0～6.0 m，富水性差，涌水量小于0.025 L/s；碳酸鹽巖裂隙巖溶含水層在礦區內以寒武系及奧陶系地層為主，自南西向北東依次出露，為礦區主要含水巖組，巖溶率可達10%左右，溶洞高度介于0.2～5.0 m之間，滲透系數可達1.47 m/d。寒武系崮山組、長山組與張夏組二段頁巖和巖漿巖順層侵入體裂隙不發育，透水性差，為相對隔水巖層。

經對礦區地層、構造、巖漿巖分布及巖溶發育規律等的綜合研究發現，礦區石灰巖含水層透水性呈現平面東強西弱、垂向上強下弱的特點。巖溶較為發育的地層主要為寒武系鳳山組厚層白云巖、灰巖和奧陶系厚層石灰巖、白云質灰巖，基本上分布于礦區的中東部。經勘察，各組段鉆孔溶洞見洞率見表1。

表1 各層位鉆孔見洞率統計表Table 1 Statistics of karst rate of drill in each segment

礦區含水層接受大氣降雨的直接補給，而礦區東部地層巖溶發育，加之F4斷層、F1斷層的連通作用，故推測礦區東北部可能存在河道水體與礦坑之間的排泄巖溶通道，成為礦床充水的主要因素。

3 試驗目的及方案

3.1 試驗目的

在對前期水文地質及勘察資料研究的基礎上，充分分析礦坑涌水補給來源及導水通道位置，提出對礦坑東北部潛在導水通道進行注漿帷幕封堵的治理方案。帷幕線上斷層附近Z52勘察注漿孔(孔口標高137.46 m)在鉆進至208.50 m孔深時，于-67.39～-70.64 m標高位置發生掉鉆，經井下電視及超聲測井探測，巖溶裂隙較大，經壓水試驗單位透水率達到267.21 Lu，透水性極強，推斷為F4斷層帶下盤形成的大型巖溶導水通道。 為探究Z52孔揭露巖溶通道與礦坑F4斷層下盤-30 m和-70 m水平涌水點間的水力聯系，擬采用連通試驗查明此巖溶通道是否為礦坑涌水的主要通道，為帷幕方案設計提供參考依據。

3.2 試驗方案及過程

1) 示蹤劑選取與標定。考慮水質安全等環保因素，連通試驗選取食鹽作為示蹤劑，通過電導率儀對井下涌水點水樣進行電導率測定，根據所取水樣電導率變化特征分析判斷投放點與回收點之間的水力連通性，試驗前采取涌水點水樣留作含鹽率-電導率關系標定使用。

2) 溶液制備與投放。試驗過程中，首先將1 900 kg食鹽溶于水中配置了4.8 m3水溶液，采用高速渦流攪拌機使食鹽完全溶解，然后采用注漿泵將溶液注入Z52注漿孔內，注入流量維持在240 L/min，示蹤劑整個投放過程持續20 min。

3) 涌水點水樣監測。在示蹤劑開始投放的同時，于井下-30 m和-70 m水平涌水點取水樣進行現場電導率檢測，檢測頻率為5 min/次，試驗結束依據以電導率恢復或接近背景值為準。Z52孔揭露巖溶通道位置與-30 m水平涌水點水平和垂直距離分別為165 m和170 m，與-70 m水平涌水點基本處在同一標高，水平距離約為347 m。

4 試驗結果分析

4.1 電導率歷時曲線分析

圖2為-30 m和-70 m水平涌水點水樣電導率變化歷時曲線。 由圖2可知，-30 m水平涌水點地下水電導率背景值在690 μs/cm左右，試驗20 min后水體電導率開始增大，于55 min時達到峰值3 620 μs/cm，增長速率較快。 之后轉入下降階段，速率相對較低，于2 h 30 min時電阻率降為920 μs/cm左右，隨之進入緩慢下降階段，并于4 h時趨于相對穩定值700 μs/cm左右，基本回到試驗前的背景值。-70 m水平涌水點水樣電導率背景值約為625 μs/cm，試驗開始50 min后水體電導率開始上升，并于1 h 10 min時達到峰值1 306 μs/cm，之后緩慢下降，2 h 30 min時水體電導率趨于穩定值627 μs/cm，與背景值基本一致。

對比連通試驗過程中兩個水平涌水點地下水電導率的變化特征可以發現，兩處水體電導率背景值存在差異，說明水中溶解的物質有所區別，可初步判斷兩個涌水點地下水主要補給通道存在差異。 -30 m水平相對于-70 m水平水樣電導率增大起始時間較早，峰值大，恢復至背景值用時長，說明Z52孔揭露的巖溶通道與-30 m水平涌水點連通性較好，通道規模大，溶于該通道水體中的示蹤劑需要較長時間才能完全消散。該通道與-70 m涌水點也存在一定的聯系，其中有少部分示蹤劑運移至該處，同時由兩個涌水點水樣電導率背景值存在差異說明-70 m涌水點還有其他地下水補給通道，但規模較小，總量有限。經分析認為，Z52孔揭露的巖溶通道主要-30 m水平涌水點提供補給，而只有很小部分分流匯入-70 m水平涌水點。此外，由電導率變化歷時曲線呈單峰型，可知兩個涌水點含鹽地下水來源路徑單一，對導水通道的治理有利。

圖2 涌水點地下水電導率歷時曲線Fig.2 Diachronic curve of groundwater conductivity at outflow point

4.2 電導率-濃度關系標定

該礦區地下水含有較多黏土雜質，水質渾濁度較高，其中溶解的黏土和其他礦物成份對電導率有顯著影響。因此，為更好地了解連通試驗中食鹽投放量與水樣電導率之間的關系，并為回收率等參數計算提供依據，連通試驗前取-30 m水平涌水點水樣進行電導率—食鹽濃度關系的室內標定試驗。由圖3可知，水樣電導率隨食鹽濃度的增大而增加，二者存在良好的線性關系，擬合系數R2=0.997 4，標定效果良好。擬合公式見式(1)。

圖3 電導率-食鹽濃度關系標定曲線Fig.3 Calibration curve of conductivity-salt concentration relation

y=1 515x+693.93

(1)

式中：y為電導率，μs/cm；x為食鹽濃度，kg/m3。

4.3 示蹤劑回收率及流速計算

示蹤劑回收率計算可有效查明投放點與回收點間地下水的水力聯系，定量分析投放點過水通道水體匯入涌水點的比例，揭示巖溶通道分布結構及導水規律。 食鹽回收率根據式(2)和式(3)進行計算[1]。

(2)

(3)

式中：P為示蹤劑回收率，%；M為示蹤劑投放質量，kg；M0為示蹤劑回收質量，kg；Ci為i時刻涌水點示蹤劑濃度，kg/m3；Qi為i時刻涌水點流量，m3/h；Co為示蹤劑背景濃度值，kg/m3；Δt為監測時間間隔，h。

由圖2初步判定，Z52孔所揭示的巖溶通道與-70 m水平涌水點聯系不大，且-70 m水平出水量僅為600 m3/d，故只計算分析連通性較好的-30 m水平涌水點食鹽的回收率。其中，示蹤劑投放質量不考慮-70 m水平分流影響，取值為1 900 kg，監測時間間隔Δt為5 min，-30 m水平涌水點總出水量為2.4萬m3/d，結合電導率-濃度擬合公式及電導率變化歷時曲線，采用式(3)可得，-30 m水平涌水點食鹽回收質量為1 680.61 kg，回收率為88.45%。若考慮-70 m水平涌水點分流作用，則-30 m水平涌水點食鹽回收率將會更高。計算結果定量地說明Z52孔揭露的巖溶通道與-30 m水平涌水點具有很好的連通性，且來自Z52孔揭露通道的地下水絕大部分通過-30 m水平涌水點排泄進入礦坑。以歷時曲線上的峰值時間作為地下水平均流動時間，采用投放點與各監測點的直線距離來計算，-30 m和-70 m水平涌水點平均流速分別為3.09 m/min和4.96 m/min。

通過計算回收率和地下水流速可以看出，與-30 m水平涌水點關聯的補給通道水量大，但是流速相對較低，說明該通道發育規模大，過流斷面面積較大，地下水補給來源充沛；而與-70 m水平涌水點關聯的補給通道水量小但流速高，證明與其關聯的導水通道規模較小，但水頭壓力相對較大。基于上述分析，對與-30 m水平涌水點關聯的導水通道應在Z52附近加密鉆孔，進一步揭露該通道的其他部位，提高治理效率和質量。

4.4 主要導水通道的治理

通過本次連通試驗，證明了Z52注漿孔揭露的巖溶構造為礦坑-30 m水平最大涌水點的主要補給通道，該涌水點在豐水期涌水量可達8萬m3/d，對井下生產造成嚴重安全隱患。針對該通道，在其周圍進行了注漿孔的加密和帷幕線加排，使相鄰孔距縮短至4 m，同時在上游一側增加了一排注漿孔，其中有5個鉆孔均揭露該巖溶通道。針對該通道先后投入石子骨料2 600 m3左右，間歇注入水泥漿和水泥-水玻璃雙液漿達3 000 m3左右，實現了該集中導水通道的有效封堵。經2019年豐水期驗證，治理后該涌水點水量不足500 m3/d，且經受住幕體內外高水頭差的考驗。本次連通試驗有效指導了該通道的治理，降低了無效區域鉆探工作量的投入，保證了豐水期礦山的安全開采，節約了排水費用，同時礦區周邊地下水位抬升最大達80 m，附近村莊幾近干涸的水井得以恢復供水，取得了顯著的經濟效益和社會效益。

5 結 論

1) 通過連通試驗并進行示蹤劑回收率計算，有效查明了礦坑涌水點的地下水補給通道，對于分析注漿孔揭露巖溶通道與井下涌水點的水力聯系，計算補給水量具有較好的適用性。

2) 依據連通試驗分析結論，對注漿孔揭露的集中通道采用了“投料+注漿”封堵模式，治理后涌水點水量大幅下降，證明了連通試驗分析結論正確，上述巖溶通道探查方法為類似大水礦山的地下水治理提供了思路。