基于放水試驗和示蹤試驗的巖溶通道研究

楊 閃

（1.華北有色工程勘察院有限公司；2.自然資源部金屬礦山地下水災害防治工程技術創新中心）

在南方巖溶地區，巖溶發育具有較強的不均一性，查明巖溶通道的發育情況對于礦山防治水和預防地質災害起著至關重要的作用。礦山放水試驗可以直接反映出礦山排水與含水層和過水通道的聯系［1-3］，示蹤試驗作為有效的技術方法在巖溶勘探中也發揮著重要作用［4-5］。在放水試驗同時實施示蹤試驗，可以有效查明巖溶通道。

1 研究區概況

研究區位于南方巖溶發育地區，屬于亞熱帶季風氣候，年均氣溫19.9℃，年均蒸發量1 514.9 mm，年均降雨量1 392.3 mm，降水集中在4—8月，9月至次年4月為區內相對枯水期，降水稀少。

研究區地勢中間高兩側低，西部為呈北北東向展布的中泥盆統裸露灰巖，東部主要出露下石炭統及上泥盆統非可溶巖地層，受巖性控制，西部為峰叢、谷地，東部為低山丘陵。

2 研究區含水層（帶）

研究區含水層為碳酸鹽巖、生物碎屑巖巖類裂隙巖溶含水巖組，該巖組本身透水性及富水性不強，但受區域構造及成礦作用影響，斷裂構造極其發育，平面上形成縱橫交錯的網格狀，垂向上淺表巖溶十分發育。整體上除構造斷裂帶及其兩翼影響帶的富水性及透水性中等外，其余含水巖組富水性均比較弱。

2.1 第四系松散巖類孔隙水含水層

第四系坡殘積層多分布于地表分水嶺兩側山地斜坡地段；巖性以粉質黏土、角礫、碎石等為主，粉質黏土多呈硬塑狀態，角礫、碎石多呈稍密狀態；厚度一般在0.2～10 m，一般山麓地帶厚度略大，為透水不含水地層，局部僅在雨季形成短暫泉流。

第四系沖洪積主要分布于村莊塌陷區一帶，沿河流及分水嶺兩側溝谷分布，為沖積物或洪積物，巖性為粉黏土夾碎石，局部呈流塑狀，鉆孔揭穿厚度5.5～14.0 m，塌陷區段厚度最大分布于村莊東南及西南一帶。含水層透水性、富水性弱，水量貧乏。水位埋深為3.0～15.0 m。

2.2 碎屑巖類基巖裂隙水含水層

碎屑巖類基巖裂隙水含水層分布于礦區東部，由泥灰巖、泥質灰巖，泥巖、泥質粉砂巖、石英細砂巖。此層透水性、富水性差，厚度大于300 m。巖層中構造裂隙、層間裂隙、風化裂隙較發育，密集細小，透水性、富水性較差，尤其是深部富水性極弱。豐水期在地勢低洼、溝谷等處，地下水多以泉水形式出露，泉水流量一般小于1 L/s，雨季有水，枯季干涸。在該巖組地段，由于巖層滲透性差，豐水期往往易于形成表流。單位涌水量小于0.052 L/（s·m），富水性弱。

2.3 碳酸鹽巖類裂隙、巖溶水含水層

碳酸鹽巖類裂隙、巖溶水含水層在空間上位于礦床頂板，巖性主要為條帶狀灰巖、扁豆狀灰巖、泥灰巖、硅質灰巖、同生礫狀灰巖，除斷層破碎帶附近有巖溶發育、透水性較強外，整體巖溶不發育，村莊東南側沖溝有2處該地層泉點，工作期間泉水流量小于0.5 L/s，且隨季節變化大，枯水期甚至干涸。井下揭露該地層，巷道基本為干燥，僅在裂隙發育段見少量滴水現象。

2.4 碳酸鹽巖類、生物碎屑巖裂隙、巖溶水含水層

碳酸鹽巖類、生物碎屑巖裂隙、巖溶水含水層為礦區段主要富水地層，分布于礦山以西村莊一帶。巖性主要為灰色—深灰色、薄—巨厚層狀灰巖，夾泥灰巖、泥質灰巖、白云質灰巖，局部夾白云巖團塊。

該層淺表及沿著主要斷裂帶巖溶發育，常形成較大溶洞，遠離斷層帶巖溶發育較差，巖溶則以小溶孔為主，鉆孔揭露其中最大溶洞高7.15 m，溶洞內充填物為碎石土及礫石，地質鉆孔中見有最大溶洞高8.55 m，溶洞內充填物為碎石土及礫石。井下探水孔在靠近斷層時發現多個溶洞，最大溶洞高0.5 m，斷層兩翼構造裂隙富含地下水，空間分布極不均一，放水試驗期時斷層附近水位變化幅度很大，反應特別靈敏，而遠離斷層的鉆孔水位降幅較小。鉆孔單位涌水量0.01～1.10 L/（s·m），巖層滲透系數0.01～8.74 m/d，富水性、透水性弱—強。

2.5 F01斷裂含水帶

F01斷裂含水帶溝通礦床與塌陷區的主要導水斷裂，該斷裂在礦山發生突（涌）水和井下持續排水過程中，受地下水徑流沖刷沿斷層形成一條較強的導水通道，將村莊一帶巖溶地下水導入礦坑。斷層破碎帶由角礫巖、碎裂巖組成，鈣質膠結良好，但沿斷層破碎帶兩側巖溶發育，往往易于形成較大的溶洞。礦山以往在恢復抽水時，抽水量60～100 m3/h，造成了村莊一帶地下水位下降，誘發了巖溶塌陷，說明該斷層發育寬度和長度不大，但導水性較強。

2.6 F02斷裂

F02斷裂為物探推測斷層，由角礫巖、碎裂巖組成且鈣質膠結良好，透水性不強，但斷層破碎帶兩翼影響帶巖溶發育，往往形成比較大的巖溶，發育串珠狀大溶洞。鉆孔單位涌水量q為1.10 L/（s·m），滲透系數k為1.46 m/d。沿斷層巖溶發育帶形成較強的巖溶導水通道，放水試驗鉆孔水位下降迅速，沿斷裂兩側地下水均向斷裂匯集，為良好的導水通道。

馬云：唯高考論是不行的，畢竟每個孩子都有不同的命運和能力，但是努力還是要強調的，如果我放棄復讀，就不可能有今天，如果我考不進大學，也不可能有今天。只要自己經過努力了，得到的東西哪怕很低，也還是自己的，如果你不努力，放棄了，就什么都沒有。

3 地下水動態特征

礦山為生產多年礦山，隨著生產量增加，排水量也逐年增加，地下水漏斗逐漸擴展，礦區一帶礦山排水成為地下水動態變化的主要影響因素，同時地下水動態依然收到降雨影響，二者疊加形成了降水-開采型動態特征。

3.1 地下水多年動態變化

2000年之前，礦區周邊為多個小礦點同時開采，由于開采標高較高，地下水漏斗下降和擴展有限，開采過程中均以揭露上部風化裂隙含水層為主，未揭露大型導水構造，所有開采點排水總量較小，一般小于445 m3/d，兼之礦區周邊局部存在隔水斷層，而礦區周邊年降雨量約1 500 mm，如此小的排水量不足以對地下水流場形成大的擾動，所以礦山開采初期巖溶地下水動態主要受降雨影響。礦山在2012年初至2013年6月進行了地下水與河水的動態監測工作，枯水期水位標高260～290 m，地下水年變幅5.0～6.0 m，礦區地下水位隨降雨的季節性變化而呈周期性變化。

隨著礦山進一步開采，礦區地下水位降幅逐漸增大，相比2012年降幅約24 m，受礦山排水影響逐漸增加，而距離礦區較遠的鉆孔則依然以受降雨影響為主。

綜合以上，礦區一帶人工開采已經成為地下水動態變化的主要影響因素，基巖巖溶地下水水位呈現多年波動、總體下降的趨勢。

3.2 地下水年內動態變化

礦區一帶巖溶地下水動態同時受降雨和人工開采影響，區域上降雨主要集中在4—8月，地下水水位在雨季水位上升，雨季之后水位開始緩慢下降，至次年3月份，塌陷區一帶地下水水位降至最低。

4 放水試驗

4.1 放水試驗過程

放水試驗目的是在礦山原有排水量的基礎上，新增加一定的水量，采用定流量、一次大降深放水，形成大的地下水干擾流場，通過地下水流場的演變和地下水的動態變化規律，分析礦井排水與村莊地面塌陷之間的關系，研究連通礦井與村莊地下塌陷區主要導水通道的空間位置，并評價其導水性、富水性。

放水試驗選擇在枯水期，地下水位天然狀態下呈持續下降狀態，既有礦山排水狀態下（平均排水量約2 600 m3/d），礦區范圍已形成較大規模的地下水降落漏斗，在+80 m中段安置的壓力表讀數為1.38 MPa（水位標高208 m），在+110 m中段為1.17 MPa（水位標高217 m），在130 m中段為0.98 MPa（水位標高235 m），礦山排水已引起村莊一帶地下水位持續下降。另外，根據礦山抽水（60 m3/h）及恢復生產時抽水情況（100 m3/h），2次抽水均引發了村莊一帶地面塌陷。因此，本次放水試驗水量在現有排水基礎上，不宜過大。

放水利用井下巷道以往探水孔，平均新增放水量44 m3/h（1 056 m3/d），根據井下水泵觀測資料，試驗期間礦山常規日均排水量3 565 m3。觀測系統地表11個：6個基巖觀測孔、3個深部基巖觀測孔、民井1個、河水位1處；井下+130 m、+110 m、+80 m水平分別在探水孔安置壓力表觀測地下水水壓；巷道在+80 m進水倉口觀測+80 m中段及斜坡道總涌水量。在放水期間，對村莊一帶的塌陷及地裂縫密集監測，防止因水位降幅過大引起新的塌陷。

除密集觀測期，各觀測點按每天1次頻率進行觀測，河流斷面及礦坑排水監測點在降水或水位異常時，對各點進行適當加密觀測。

放水試驗觀測孔水位變化見圖1，水位降幅統計見表1。

4.2 試驗分析

根據放水試驗，結合礦山排水和長期動態觀測資料，認識如下：

（1）放水試驗選擇在地下水枯水期，放水期間無降水。根據地下水流場，礦區已形成了一定降深的降落漏斗。在礦區增加1 056 m3/d的排水量基礎上，塌陷區所有觀測孔，變化明顯，但降幅不均一。放水點中心地下水位（壓）降低61 m，塌陷區降低最大的是CG05鉆孔，降深3.07 m。由于礦床上覆主要地層為砂巖及泥灰巖等弱含水層，本身富水性極差，因此，可判斷礦床主要水源為礦區西側村莊一帶巖溶地下水，且礦床與村莊一帶存在良好的導水通道。

（2）放水試驗的觀測系統控制了地下水的流場邊界，加之放水試驗的密集觀測，所取數據真實地反映了礦區地下水的邊界條件、揭示了礦床地下水源的主要來水方向和通道。礦床主要通過導水斷層溝通村莊巖溶地下水，平面上形成一個類似“勺子”的地下水流場（圖2），隨著礦山排水，地下水漏斗不斷沿著構造帶向西北村莊一帶擴展，尤其是枯水期村莊一帶灰巖水位下降至第四系底部時，極易誘發巖溶塌陷、地裂、井泉枯竭等地質災害。

（3）放水試驗期間，對地面變形、池塘滲漏、塌陷等進行了巡查，放水試驗因水量不大、歷時較短，未發生地質災害發生，但枯水期村莊一帶地下水位受礦山排水影響下降幅度遠大于區域地下水自然變幅，且枯水期河流水量較小，因此枯水季節為研究區巖溶塌陷高發期。

5 示蹤試驗

5.1 示蹤試驗過程

結合礦山坑道放水試驗，開展示蹤試驗，目的是進一步確定礦井與村莊地下塌陷區之間的水力聯系，為評價礦山排水對周圍村莊地面塌陷的影響提供依據。

本次調查示蹤試驗選擇對環境無污染的食鹽（NaCl）作為示蹤劑，選擇在井下放水時水位動態變幅較大的CG05號鉆孔進行，共投放食鹽1 000 kg，將食鹽用水完全融化后，NaCl與水比例為1∶6.5，基本呈飽和狀態，然后通過潛水泵輸送至CG05鉆孔孔底。分別在+137和+70 m中段出水點取水樣，監測點距離示蹤劑投放點直線距離分別為389和718 m，同時在主提升井斜坡道和CG03鉆孔不定時取水樣進行監測。

試驗采用電導率儀測試地下水電導率的變化情況，精度1.0 μs/cm，試驗前對監測點地下水電導率的本底值連續3 d進行監測，試驗開始時間為2011年12月8日15:44，結束觀測時間為2011年12月20日8:30。其中12月8日18:00—11日22:00，每小時監測1次；12月13日2:00—14日14:00每4小時監測1次，12月15—20日每天監測1次。示蹤試驗各監測點電導率曲線見圖3。

5.2 試驗分析

（1）礦床地下水與村莊塌陷區有聯通，電導率表現為單峰，推測礦區與塌陷區之間有一條主要導水通道，+80 m中段監測點先于+130 m中段出現峰值，說明+80 m中段出水點主要位于導水通道附近。

（2）監測點地下水電導率整體呈緩慢上升趨勢，這與本次試驗投放點有關，由于前期塌陷坑全部充填，無合適示蹤劑投放地點，本次投放的CG05鉆孔底部巖溶不發育，根據抽水試驗滲透性較差，試劑經過比較緩慢的運移，方能達到井下出水點。

（3）盡管研究區屬于南方巖溶，但區內灰巖除斷層破碎帶及其附近透水性較強外，其余地段透水性大部分為弱—中等，致使示蹤劑在非主要導水通道地段運移緩慢。

（4）通過示蹤試驗，驗證了礦區與塌陷區存在導水通道的存在，也間接說明了研究區灰巖含水層的不均一且整體透水性不強的特征。

6 結語

通過放水試驗和示蹤試驗，揭示了礦區巖溶通道的位置，礦山防治水應當以東側變細窄的巖溶通道為針對對象，并且考慮礦山排水對地表水疏干作用，地質災害防范應當以西部漏斗寬展區為重點范圍。