分段壓水試驗(yàn)在東平大牛礦區(qū)水文地質(zhì)勘查中的應(yīng)用

汪云，蘭天，蔣會(huì)生

( 中國(guó)冶金地質(zhì)總局山東正元地質(zhì)勘查院，山東泰安 271100)

0 引言

鉆孔壓水試驗(yàn)是將水壓入用栓塞隔離的一定長(zhǎng)度的孔段內(nèi)，觀測(cè)其壓力與流量，以了解巖體透水性的一種野外滲透試驗(yàn)方法。測(cè)定巖體透水性的方法很多，由于壓水試驗(yàn)簡(jiǎn)單易行，適應(yīng)性強(qiáng)，在地下水位以上和以下都可進(jìn)行，可應(yīng)用于較深的孔段。通過(guò)分段試驗(yàn)?zāi)芰私鈳r體透水性在空間的分布變化，因此在工程勘察中被廣泛應(yīng)用，是測(cè)定和評(píng)價(jià)巖體透水性的主要方法，壓水試驗(yàn)方法以往主要用于水利水電、壩基、隧道等工程地質(zhì)勘查中，在礦區(qū)水文地質(zhì)勘查工作中應(yīng)用較少，該次利用分段壓水試驗(yàn)原理，大膽應(yīng)用于礦區(qū)水文地質(zhì)勘查，特別是針對(duì)透水性不是很大的(q ＜10 Lu)礦區(qū)，選擇單管栓塞壓水試驗(yàn)方法［1］，在同一鉆孔中進(jìn)行分段壓水試驗(yàn)，取10 m 左右為一個(gè)壓水試驗(yàn)段，測(cè)得巖層隨深度變化的透水率和滲透系數(shù)，從而進(jìn)行礦區(qū)含水層、段的劃分，對(duì)查明礦區(qū)開(kāi)采技術(shù)條件具有重要的意義。

東平大牛礦區(qū)位于山東省東平縣，地處魯中山地西南邊緣，華北平原東端，為汶河沖積平原，區(qū)內(nèi)地勢(shì)平緩，北東高、南西低，地面標(biāo)高一般在38.00～46.00 m。東平湖位于礦區(qū)的西北，大清河自東向西從礦區(qū)通過(guò)，礦區(qū)主要含水層有水量豐富且透水性好的第四紀(jì)松散巖類(lèi)砂礫石孔隙水含水層和寒武紀(jì)灰?guī)r巖溶裂隙水含水層［2］，還有透水性較差的泰山巖群黑云變粒巖裂隙水含水層。其中泰山巖群黑云變粒巖的裂隙發(fā)育帶是礦體開(kāi)采的直接充水含水層，而寒武紀(jì)灰?guī)r巖溶裂隙水通過(guò)斷層和次生構(gòu)造破碎帶溝通礦體成為礦體開(kāi)采的主要充水含水層，第四紀(jì)砂礫石孔隙水通過(guò)局部“天窗”補(bǔ)給泰山巖群黑云變粒巖裂隙水含水層和寒武紀(jì)灰?guī)r巖溶裂隙水含水層。斷層及次生構(gòu)造破碎帶是礦區(qū)充水的主要通道。礦區(qū)主要隔水層為第四紀(jì)的粘土、粉質(zhì)粘土，寒武紀(jì)的頁(yè)巖和做為礦體頂?shù)装宓奶┥綆r群黑云變粒巖。

為了確定礦體的直接充水含水層黑云變粒巖裂隙水的賦存情況，采用了分段壓水試驗(yàn)，實(shí)踐結(jié)果證明分段壓水試驗(yàn)在該區(qū)的應(yīng)用是非常有效的。

1 分段壓水試驗(yàn)原理

1.1 分段壓水試驗(yàn)的原理

壓水試驗(yàn)是根據(jù)巖體吸水量計(jì)算了解巖體裂隙發(fā)育情況和透水性的一種原位試驗(yàn)。分段壓水試驗(yàn)是用專(zhuān)門(mén)的止水設(shè)備把一定長(zhǎng)度的鉆孔試驗(yàn)段隔離出來(lái)，然后用固定的水頭向這一段鉆孔壓水，水通過(guò)孔壁周?chē)牧严断驇r體內(nèi)滲透，最終滲透的水量會(huì)趨于一個(gè)穩(wěn)定值。根據(jù)壓水水頭、試段長(zhǎng)度和穩(wěn)定滲入水量，可以判定巖體透水性的強(qiáng)弱。壓水試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。

圖1 壓水試驗(yàn)裝置圖

壓水試驗(yàn)時(shí)，水從進(jìn)水管進(jìn)入壓水段，并讀取流量(Q)，水的壓力則從孔口的壓力表讀取(P)?？變?nèi)栓塞靠機(jī)械施加壓力，使橡膠栓塞膨脹壓緊孔壁，在栓塞與孔底之間形成一個(gè)封閉的壓水區(qū)域。采用多級(jí)壓力，多階段循環(huán)的試驗(yàn)方法，試驗(yàn)最大壓力通常為1 MPa，每個(gè)階段的試驗(yàn)時(shí)間較短，一般為10 min 左右，用呂榮(Lu)作為巖體透水率的單位，呂榮試驗(yàn)方法優(yōu)點(diǎn)是能了解在不同壓力下及最大壓力前、后同一壓力下巖體透水性的變化情況，所得資料更豐富，更全面。能取得多組數(shù)據(jù)，可以相互校核，所得資料更為可靠，試驗(yàn)時(shí)間較短。

1.2 壓水試驗(yàn)中數(shù)據(jù)的來(lái)源及各參數(shù)的確定

1.2.1 試驗(yàn)段壓力的確定

式中:P 為試驗(yàn)段壓力(MPa);Pp為壓力表指示壓力(MPa);Pz為壓力表中心至壓力計(jì)算零線(xiàn)的水柱壓力(MPa);P0為管路壓力損失(MPa)。

式中:λ 為摩阻系數(shù)，λ =2 ×10-4～4 ×10-4;LP為工作管長(zhǎng)度(m);d 為工作管內(nèi)徑(m);V 為管內(nèi)流速(m/s);g 為重力加速度，g=9.8m/s2。

1.2.2 巖體滲透系數(shù)及透水率的確定

每段壓水試驗(yàn)分別取0.3 MPa，0.6 MPa，1.0 MPa，0.6 MPa，0.3 MPa 共5 個(gè)壓力值，分別讀取對(duì)應(yīng)的流量數(shù)并記錄。首先作出P-Q 曲線(xiàn)，根據(jù)5 個(gè)點(diǎn)的分布情況確定P-Q 曲線(xiàn)類(lèi)型，選擇相應(yīng)的透水率和滲透系數(shù)計(jì)算［3］(計(jì)算公式參照DZ/T0132-94《鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程》)。

單孔壓水試驗(yàn)測(cè)得的滲透系數(shù)為壓水段的平均滲透系數(shù)，而不是各向異性巖層的滲透系數(shù)。大多數(shù)情況下，有了含水層各段的平均滲透性，基本可以滿(mǎn)足對(duì)開(kāi)采技術(shù)條件判別和礦坑水量計(jì)算的要求［4，5］。因此，在礦區(qū)水文地質(zhì)勘探初期，采取單孔壓水試驗(yàn)方法，在礦床范圍內(nèi)根據(jù)勘探階段的不同，選取一定比例的地質(zhì)鉆孔進(jìn)行單孔分層壓水試驗(yàn)，并據(jù)此作出鉆孔滲透性柱狀及剖面圖是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法。

2 分段壓水試驗(yàn)的資料整理及應(yīng)用

2.1 分段壓水試驗(yàn)資料的整理

(1)計(jì)算鉆孔各段的透水率和滲透系數(shù)(表1)。

表1 sh40-1 鉆孔01 段透水率及滲透系數(shù)計(jì)算

(2)根據(jù)鉆孔每一段的透水率和滲透系數(shù)繪制鉆孔滲透性柱狀圖(圖2)，根據(jù)其變化特征來(lái)確定不同的含水層、段(其巖性為黑云變粒巖)。

圖2 sh40-1 鉆孔滲透系數(shù)、透水率隨深度變化曲線(xiàn)圖

從圖2 中可以明顯看出透水率和滲透系數(shù)上強(qiáng)下弱和在構(gòu)造角礫巖上部突然增強(qiáng)的變化特點(diǎn)。這也符合含水層滲透性的基本規(guī)律隨深度的增加而呈逐漸減少的趨勢(shì)，即含水層的透水性上部大下部小是普遍規(guī)律，這為含水層位的劃分提供了有利的理論依據(jù)。

(3)含水層位的劃分。根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487-2008)關(guān)于巖土體滲透性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［6］，對(duì)分段壓水試驗(yàn)取得的滲透系數(shù)和透水率進(jìn)行對(duì)比研究，在剖面上將不同鉆孔滲透性變化相同的位置連接起來(lái)，進(jìn)行含水層位劃分，用以確定相應(yīng)的礦區(qū)水文地質(zhì)條件(圖3)。

2.2 分段壓水試驗(yàn)資料的分析研究及應(yīng)用

分段壓水試驗(yàn)在水文地質(zhì)勘查應(yīng)用中主要是結(jié)合礦床充水特點(diǎn)，把研究重點(diǎn)放在礦體周?chē)捻?、底板和隔水層上，重點(diǎn)是搞清隔水層的分布范圍、厚度、隔水性能以及礦體的關(guān)系等。每一個(gè)含水系統(tǒng)的介質(zhì)都是由一些具有各自特征的多層含水體和隔水體相間組成，它們都有自己的含水特征和層位。

圖3 43 線(xiàn)雙層水位剖面示意圖

大牛礦區(qū)礦體賦存在泰山巖群山草峪組黑云變粒巖中，黑云變粒巖層的滲透系數(shù)總體都比較小，據(jù)12 個(gè)分層壓水鉆孔282 段壓水試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)(表2)，黑云變粒巖裂隙巖層滲透系數(shù)的平均值K =0.025 5m/d，滲透系數(shù)最大值為0.45 m/d，黑云變粒巖裂隙含水層基本為微、弱透水層，極個(gè)別裂隙發(fā)育地段為中等透水層，而且黑云變粒巖裂隙含水層透水性上強(qiáng)下弱表現(xiàn)明顯，礦體頂板40 m 以上滲透系數(shù)K 平均值為0. 035 m/d，下部K 平均值為0.008 m/d，上部滲透系數(shù)為下部的4.38 倍。依據(jù)資料對(duì)含水層進(jìn)行分類(lèi)，發(fā)現(xiàn)-250 m 以上和礦體頂板40 m 以外為上部層弱透水帶，而-250 m 以下和礦體頂板40 m 以?xún)?nèi)為微透水帶，這個(gè)分層位置至關(guān)重要，按照這個(gè)位置分層下入長(zhǎng)期觀測(cè)管，明確了泰山巖群變質(zhì)巖類(lèi)裂隙含水層中存在兩層水位現(xiàn)象，兩層水的存在又成為采礦極為有利的水文地質(zhì)條件。為下一步礦山開(kāi)采治水提供有利的設(shè)計(jì)依據(jù)。

表2 鉆孔壓水試驗(yàn)滲透系數(shù)和透水率統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)語(yǔ)

壓水試驗(yàn)法是國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)期用來(lái)測(cè)量和評(píng)價(jià)巖層滲透性的有效方法，在同一鉆孔中進(jìn)行分段壓水可以測(cè)得巖層滲透性柱狀剖面圖，對(duì)查清礦床水文地質(zhì)條件，確定含水層的劃分有重要意義，尤其是對(duì)具有雙層水位的礦床更有實(shí)用價(jià)值。

(1)采用分段壓水試驗(yàn)以及上、下水位分層觀測(cè)水位的方法，根據(jù)分段壓水獲得的巖層滲透系數(shù)的大小，可以把含水層與隔水層的界限基本劃分開(kāi)。

(2)分段壓水試驗(yàn)?zāi)軌蚍直娴V體的直接頂、底板巖層是否屬隔水層，礦床是否為雙層水位礦床。兩層水的存在又成為采礦極為有利的水文地質(zhì)條件，由于兩層水的存在，礦床宜于采取深層局部疏干淺部封堵治水方案，大幅度減少礦坑涌水量，大幅降低礦山治理地下水投資。

［1］ 叢山.雙層水位礦床地下水深層局部疏干方法的理論與實(shí)踐［M］.北京:地質(zhì)出版社，2008.

［2］ 劉濤，李明建，曹保國(guó).武所屯煤礦12 煤老空積水區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)研究［J］.山東國(guó)土資源，2010，26(5):23-26.

［3］ DZ/T0132-94.鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程［S］.1994.

［4］ 邢業(yè)江，聶佩孝.山東張寶莊鐵礦水文地質(zhì)特征研究［J］.山東國(guó)土資源，2012，28(4):31-33.

［5］ 王仕昌，宋印勝，李培遠(yuǎn).山東省濟(jì)寧鐵礦區(qū)濟(jì)寧巖群變質(zhì)巖水文地質(zhì)特征［J］.山東國(guó)土資源，2011，27(9):38-43.

［6］ GB50487-2008.水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.2008.