溶洞充水類礦床水文地質勘探方法

黃海軍

(湖南省核工業地質局三〇一大隊，湖南 長沙 410011)

1 前言

溶洞充水類礦床是以溶洞充水為主的巖溶充水類礦床[1,2]，多分布在我國南方地區[3]，如南嶺一帶的大多數金屬礦床，以及長江中下游地區如湖南、江西、湖北和廣東等地的二疊紀煤田等，其充水巖層主要為泥盆、石炭、二疊、三疊等各時代的可溶性碳酸鹽類地層。湖南湘東鐵礦及湘中煤田亦屬于該類。

本文根據溶洞充水類礦床的水文地質特征，結合礦區勘探與開采實踐資料，在對礦床水文地質分類和礦坑水防治進行探討的基礎上，提出該類溶洞充水類礦床的主要勘探方法。

2 溶洞充水類礦床水文地質特征

這類礦床的水文地質特征是:礦床大部分位于山間盆地(向斜)；巖溶含水層頂(底)板為非可溶巖所隔；可溶巖大量裸露于礦區周圍，并傾伏于地下；巖溶形態以溶洞裂隙為主；控制巖溶發育的主要因素為巖性和構造，強大靜水壓力沿構造帶向深部循環；礦區內有統一含水層，抽水試驗能形成沿巖層走向發育的橢圓形降落漏斗；巖溶水主要靠大氣降水通過區域含水層補給，以構造泉形式排泄；地下水以水平運動為主，季節性變化小；礦區補給水源充沛，儲存量很大，補給量常穩定在每天幾萬至幾十萬立方米；淺部溶洞常被充填；當礦井地下水位大幅度下降后，在含水層露頭區，第四紀地層與基巖“天窗”接觸部位常引起地面塌陷。溶洞充水類礦床特征見表1。

表1 溶洞充水類礦床特征表

3 溶洞充水類礦床勘探方法

根據礦區勘探經驗，正確圈定區域含水層分布面積，查明礦層底板巖層富水性，評價礦坑水高壓補給量及其與儲存量的轉化關系，是此類礦床水文地質工作的主要內容。

該類型礦區的主要勘探方法是:以大降深、大水量及較長時間的抽放水試驗為主，輔以區域水文地質測繪、綜合研究及動態觀測等工作。

3.1 查明巖溶分布及發育規律是前提與基礎

通過水文地質勘查工作，查明礦區巖溶分布及發育規律，是評估礦床開采時的巖溶塌陷風險、礦坑涌水量的前提與基礎。主要是查明礦區巖溶在平面上、垂向上發育分布的特點、巖溶發育程度、溶洞充填物的性質、充填程度及其分布特點。在勘查工作中，對本類礦床應通過加強鉆孔的簡易水文地質工作，進行鉆孔巖溶率、鉆孔見洞率的測定和統計，配合以地面電磁法、地面瑞雷面波法、物探測井等進行巖溶發育程度的分區及縱向上巖溶發育分帶。結合抽水資料和水文地質條件的分析對巖層的富水性、礦床的充水條件進行評價，查明地下水的補給、徑流、排泄條件，對礦坑涌水量進行預測。

3.2 區域水文地質測繪

區域水文地質測繪是從宏觀上認識溶洞充水類礦床巖溶發育規律的主要手段。其工作范圍應包括一個完整的水文地質單元[2]，從空間上查明巖溶含水層的通道、補給源和邊界。溶洞充水類礦床在進入勘探之前，應按規范要求開展區域水文地質測繪。

以往水文地質工作往往存在兩個問題:一是工作范圍局限于礦區，二是水文地質測繪質量不符合勘探規范要求。湖南煤炭壩礦區自建礦以來，一直采用地面滲漏點堵漏和井下強排疏干的綜合防治方案對地下水進行治理。多年來的強排疏干使得區域地下水位不斷下降，其疏降漏斗范圍目前已經超過350 km2，整個礦區的總涌水量高達12 500 m3/h，其中五畝沖礦3 000 m3/h，西峰侖礦3 000 m3/h，竹山塘礦6 500 m3/h，年排水費用突破1.2億元，2009年的平均噸煤排水成本即高達150元，嚴重制約了礦區的發展，井下多次發生突泥事故。該礦的水文地質問題之所以越來越復雜，即因過去礦區勘探以至礦區生產階段的水文地質工作都只局限于礦區(煤層分布區)范圍內，而對區域含水層和隔水層的分布、邊界條件、地下水補給、徑流條件及含水層間互補關系等均不甚清楚。雖然掌握了大量的礦區水文地質資料，但要提出一個比較切合實際的治水方案，目前仍有難度。

3.3 地面巖溶塌陷

地面巖溶塌陷是這類溶洞充水類礦床水文地質和工程地質問題中的嚴重和要害問題[3]，因此，在水文地質勘探中必須放在首要位置。在勘探中對可能產生塌陷的地區，必須預測和評價其塌陷程度、影響范圍，預測和評價由此可能產生的礦區水文地質、工程地質條件的變化及其對礦山建設的危害。當礦區附近有地表水體時，要查明巖溶塌陷引起地表水體灌入礦區的可能性。

為此，應從研究第四系松散覆蓋層的巖性、厚度及分布情況入手，查明巖溶分布規律和充填情況，特別是淺部(尤其是古溶蝕面)溶洞的分布和充填程度；根據巖溶塌陷形成的一般規律和地下水位、水壓力等條件，初步劃分出可能產生地面塌陷的區域；布置一定數量的觀測孔，通過一定強度的抽水試驗進一步暴露巖溶地面塌陷的形成條件，并進行巖溶塌陷的預測評價。

3.4 抽水試驗強度

鉆孔抽水試驗是研究巖溶塌陷問題的重要手段，也是進行礦床富水性評價的重要方法，是獲取含水層滲透張量參數的主要方法[4]。賦存于這類礦床中的地下水，一般水量較大。20世紀50年代主要采用小口徑鉆孔(開孔Φ150 mm)做抽水試驗，60年代以來南方個別礦區進行大型井下放水試驗(如湖南斗笠山煤礦)，也有采用大口徑鉆孔進行抽水試驗的(如廣東凡口礦區)。此后，全國各大礦床多采用上述抽、放水試驗。抽放水量從幾十到幾千 m3/h不等，有的甚至形成半工業性生產試驗，抽水量達5 400 m3/h，抽水強度愈來愈大。

如湖南清水鐵礦，1970年前采用單孔小孔徑抽水試驗，最大抽水量為21.32 L/s，最大降深為3.86 m，鉆孔單位涌水量為26.29 L/(s·m)。抽出的總水量只占主要排泄點——絲瓜塘泉水流量的14.6%。1971年9月，因礦山供水需要，在礦區北部打供水井一口，排水量為208 m3/h，為泉水總流量的3/5。經4年抽水，地下水位也無明顯下降。1975年，又另增加兩個大口徑鉆孔，進行孔群抽水試驗，排水最大達到133.73 m3/s(略超過當時泉水總排泄量)，抽水34 h后泉水被疏干，且水位連續下降，降落漏斗迅速擴展至邊界，觀測孔水位出現等幅同步下降。停泵后，水位恢復緩慢，平均每天上升0.68 m，證明礦區地下水以儲存量為主。又如河北武安楊二莊鐵礦，第一期抽水工程有主孔1個，觀測孔11個，抽水量為3 200 m3/h，水位下降1.3～1.5 m。根據抽水試驗資料預測，-100 m中段礦坑涌水量為160 000 m3/d，經詳細研究邊界條件后，又進行第二期抽水工程，設主孔11個，觀測孔 1 4個，抽水量為2.8～3.9萬 m3/d，累計降深為38.5～40.5 m。停泵后，水位仍以0.3 m/d的速度下降，未能穩定。9天后，恢復區內水位尚比抽水前低5.1～5.3 m。這說明礦區地下水系以儲存量為主，側向補給不足。基于這一認識，說明當時預測的礦坑涌水量為50 000 m3/d有些偏大。

綜上所述:(1)大降深、大水量及長時間的群孔抽水(坑下放水)試驗，是該類型溶洞充水類礦床水文地質勘探的重要手段；(2)巖溶充水礦區，含水層往往厚度大，分布面積廣，儲存量大。在勘察工作中，必須加強巖溶地下水的補、徑、排、儲四個方面的綜合研究，只有當抽水量超過補給量時，方能查明礦區地下水是以儲存量為主還是以補給量為主的實質。

3.5 抽水試驗應盡可能達到暴露巖溶塌陷的要求

勘探時期抽水試驗工作要充分考慮塌陷這個因素。降深盡量大一些，抽水時間長一些。一般說來，當含水層為承壓水時盡量能抽成潛水，以暴露巖溶塌陷情況。由于過去對巖溶塌陷問題認識不足，在抽水試驗時對這方面注意不夠，如陽春石錄銅礦，勘探時抽水降深3.23 m，未引起巖溶地面塌陷，因而也未能進行這方面的預測工作，其后礦床排水疏干時礦坑中心水位降深5.25 m，即開始出現地面開裂、沉降、塌陷，當水位降深21.97 m時共產生近千個塌陷，大大改變了礦區的水文地質條件，從而也影響了礦坑涌水量的正確預測評價。抽水孔組應布置在強巖溶發育帶以造成影響范圍更大、水力坡度更陡的人工流場，使之更接近開采條件，以獲得更準確的計算參數或暴露邊界巖溶塌陷資料。

3.6 水文地質鉆孔底板控制深度

溶洞充水類礦床的主要含水層常位于礦層底板(如湘東鐵礦、湘中煤田、華北煤田等)。勘探時應向礦層以下繼續鉆進若干米，以便了解巖溶發育情況。加深的深度可根據巖溶含水層成楔形分布的規律，淺部至少加深50 m，深部可少于30 m，并要求有2～3條系統剖面控制巖溶發育帶，結合物探測井資料，劃分強弱含水帶。

3.7 地下水動態觀測

地下水動態是地下水運動規律的一個綜合反映，如該項工作在平面控制上合理，觀測時間連續性好，觀測年份較長，則可說明以下問題:

(1)根據地下水周期性變化幅度，可以提供礦山防洪依據；

(2)依據多年動態觀測，結合礦山排水資料，可初步揭示補給量和儲存量之間的相互關系；

(3)根據區域降落漏斗形態變化，可提示地下水流流向、水源邊界和地下水通道等信息；

(4)結合分析礦山排水資料，可為礦山供水提供依據。

眾多經驗證實，地下水動態觀測工作，只能加強，不可削弱。例如清水鐵礦區，經3年的地下水長期觀測資料證實，地下水動態變化受降水制約，形成“雨季集中補給和旱季消耗儲存量”的特征，年變化呈現不對稱波狀，為礦山排、供水提供了重要依據。又如武安西石門鐵礦，多年觀測資料說明，地下水位變化與當地氣象周期一致，故地下水長期處于非穩定運動狀態，年洪、枯水位差最大可達百米，這就決定了礦區地下水調節量是很大的。

4 結語

溶洞充水類礦床水文地質勘探工作，是一項綜合性很強的工作，關系到地質工作的成敗與效益。應重視總結和進一步完善不同類型溶洞充水類礦床水文地質特征及其勘探方法的研究，為充實與健全礦區水文地質工作規范提供依據，確保安全生產和資源的高效利用。