某金礦供水水源地水文地質勘察方案探討

朱興旺,王曉偉,孫娜科(河北建設勘察研究院有限公司,河北 石家莊050000)

1 前言

在金礦礦區初步設計階段,水文地質調查的主要目的是為礦井的開采提供可靠的水文地質資料,重點評價開采期間井下涌水量、巖土層的豐水度、釋水能力等,以便在開采過程中采取相應的工程防護措施,保障開采的安全進行[1-2]。而專門針對礦區的生產、生活用水的水源地勘察工作相對滯后,與供水有關的基礎試驗研究資料較少,盲目采用前者的地質勘察成果進行水源地的水文地質評價,無法確定礦區的水源開采方案,無法滿足供水水源設計要求[3-5]。

為滿足未來礦區生產和建設需要,在充分收集、研究和利用前期礦區地質勘察資料的基礎上,以供水水文地質勘察為重點,對礦區含水層、隔水層組進行對比和重新劃分,確定礦區供水水源規劃,比較并選擇擬建水源地靶區,再重點進行水文地質鉆探和抽、放水試驗,分析供水水文地質條件,評價礦區地下水資源量,提出合理的開采方案,為礦區供水設計提供必要的水文地質依據。

2 礦區基本概況

某金礦礦區位于河北省平泉縣,距離縣城約32 km。礦區屬于燕山山脈中段中-低山區,海拔為508 ～825 m。研究區處于華北地臺北部燕山沉降帶興隆-寬城坳陷、承德-平泉復向斜南部,龍須門中生代斷陷盆地東北部邊緣,對燕山期巖漿活動與成礦過程起控制作用的構造是燕山弧形構造帶,該帶由一系列的短軸背、向斜褶皺構造組成。

區內的新生界松散層較厚,覆蓋在中生界巖層之上,地層由上而下分別為新生界第四系、中生界侏羅系、元古界長城系、薊縣系和太古界變質巖系,其主要含水層為第四系洪積松散層孔隙含水層、長城系和薊縣系巖溶裂隙含水層及斷層構造裂隙含水帶。

大氣降水是礦區地下水的主要補給來源。地下水運動主要受地形地貌、地層巖性、地質構造等因素控制,地下水流向與地形坡度基本一致。地下水排泄以地下水徑流為主。

3 水文地質鉆探施工技術

根據該金礦礦區的物探資料、水文地質條件和開采條件,本次確定了3 個井位,施工水文地質鉆孔3 個,孔徑350 mm,井深均為210 m,完成鉆探工程量360 m,取水層位為第四系孔隙含水層和基巖裂隙含水層,對淺層的潛水含水層進行封閉止水處理。

進行水文地質鉆探時,為最大限度地保證抽水試驗數據的準確性,所有鉆孔嚴格控制施工工藝,采用清水自然造漿鉆進,嚴禁向孔內倒土,嚴格控制泥漿黏度,盡量少堵塞或不堵塞含水層。上部較松散、易坍塌的不取水地層,使用跟管鉆進。

在水文地質鉆孔過程中,按照每個鉆進回次進行一次水文地質簡易試驗,主要觀測每回次的孔內水頭變化、沖洗液消耗量、泥漿含泥量等,并作詳細的全過程記錄。每鉆進100 m、終孔時均丈量鉆具;在遇到地層變化、鉆進異常時,核實鉆孔深度和鉆桿長度,以定位出現水文地質現象的孔深位置,比如溶洞、富水帶、滲漏層等。在進行丈量的過程中,每50 m 測量一次孔斜,合理的控制孔斜的程度。

下管后,采用動水填礫法填礫。首先用清水稀釋孔內泥漿,使孔內返漿黏度下降到小于16 s,將已按要求攙和六偏磷酸鈉的礫料均勻連續的填入井管與孔壁之間的環隙中,直至超過過濾段5 m,礫料下沉密實后進行止水封井。

封井后及時進行洗井作業,以保證土層孔隙不被孔內沖洗液堵塞,洗井的主要方法是拉活塞洗井和空壓機洗井反復交替進行,拉活塞洗井采用送水拉活塞和強力拉活塞相結合,共計進行了2 個循環,經測試井內水的含泥量和含沙量逐漸減少,直至滿足設計要求;然后,采用空壓機震蕩洗井和清理孔底沉渣;最后,再用大型潛水泵進行大降深強抽洗井,抽、停交替多次,直至抽水瞬間沒有混水,均徹底澄清為止。

經過對整個施工鉆井工序過程最終的綜合評價,全部達到優質級別,在此基礎上開展抽水試驗,從而真實地反映金礦的水文地質情況。

4 水文地質試驗

4.1 抽水試驗

鑒于本區有供水意義的含水層主要有第四系孔隙含水層和基巖裂隙含水層,本次對3 個水文地質井(分別為QSDZ1、QSDZ2、QSDZ3)進行了一次降深穩定流分層抽水試驗,觀測頻率按非穩定流觀測,其中QSDZ1 為抽水井,QSDZ2 和QSDZ3 為觀測井。

抽水試驗過程中,水量和水位的觀測是數據來源的重要途徑,因此,抽水井和觀測井均安裝了自動水位計,確保抽水井、觀測井水位同時觀測的準確性,抽水量采用超聲波流量計和堰箱兩種方法相互效驗,觀測精度均滿足設計要求,有效保持了數據的真實性和有效性。

4.2 放水試驗

為了證明含水層的富水性,3 個井均進行了持續時間大于24 h 的一次性全降深放水試驗,將降深降低至最小。在進行放水實驗時,特別注重觀測時間以及相關數據的記錄。試驗中,放水孔流量觀測、頻率,按照預估最大放水量的持續時間計算時間間隔,起始階段為每30 min 計量一次,達到3 h 后,按每60 min 計量一次進行,直至放水結束。通過試驗,使得對含水層的富水性有了進一步的進行了解和研究。

4.3 水文地質試驗成果分析

含水層滲透系數是礦區水文地質勘察中的重要參數之一,它反映了含水層在自然狀態下的透水能力,正確評價巖土層的滲透系數是計算含水層供水能力的重要前提。

根據本次水文地質勘探結果,各個含水層在水平方向與垂直方向上與區域水文地質條件基本一致,具有一定的承壓性。不考慮各含水層之間的水力聯系,采用穩定流完整井公式進行計算,具體的公式為

式中:K——含水層的滲透系數,m/d;

Q——水文地質孔涌水量,m3/d;

R——抽水井的影響半徑,m,由公式R=10SK0.5確定;

r——鉆孔半徑,m;

M——含水層厚度,m;

S——水位降深,m。

根據本次抽水試驗相關數據及公式計算水文地質參數見表1。

表1 水文地質參數計算成果

5 水量評價

本工程采用均衡法計算和評估地下水資源量,以此確定水資源的豐富程度是否滿足礦區開采時的日常生活和生產用水需求。由于礦區供水水源地位于山間溝谷下游,山勢陡峻,溝谷發育,三面環山,地下水分水嶺的位置與地表水分水嶺基本一致;含水層的性質主要為潛水和下部具有承壓性質的孔隙水和裂隙水,地下水補給、徑流、排泄條件好,主要接受大氣降水補給,然后以潛流形式補給下游地下水,人工開采量較少,可以忽略不計。

由于地處山區,含水層厚度、滲透系數、地下水流向、水力坡度等較復雜,采用達西公式計算山區側向補給量存在實際困難。綜合考慮,本次山區側向補給量采用基流模數法,即山丘區各分區基流模數乘以各自的匯水面積,求得的基流量作為山區側向補給量。山區匯水面積在1 ∶5 萬地形圖上直接量取,為146.76 km2;基流模數采用經驗值,取4.1 ×104m3/km2,經計算,山區側向補給量為601.72 ×104m3/a,也即為地下水資源量,地下水的開發利用率按照65%控制,依此計算地下水開采控制指標為391.12 ×104m3/a,遠遠滿足礦區供水要求。

6 結論

通過對某金礦供水水源地的水文地質勘察項目,采用嚴謹的鉆探及成井工藝,查明地下水的埋藏條件、水量及其隨時間的變化規律,并采用抽水試驗和放水試驗兩種方法有機的結合,獲得了基本的水文地質參數,在此基礎上對地下水水資源進行評價,為礦區新水源井的建設提供依據,也為礦區節約水資源、減少能源消耗、降低礦區生產成本提供經濟可行、安全可靠的供水方案。