礦坑涌水封堵治理過(guò)程中巖溶導(dǎo)水通道連通性研究

高學(xué)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(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050021)

1 研究背景

強(qiáng)巖溶地區(qū)大水礦山礦坑涌水治理工程中常常通過(guò)地面帷幕注漿技術(shù)對(duì)導(dǎo)水通道進(jìn)行封堵，主要導(dǎo)水通道的探查是帷幕工程設(shè)計(jì)與施工的基礎(chǔ)，而連通試驗(yàn)是探究地下水運(yùn)移方向和速率等參量行之有效的探測(cè)手段之一。關(guān)于連通試驗(yàn)的研究及工程應(yīng)用已有很多實(shí)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(jì)算、示蹤劑回收率計(jì)算等諸多方面。實(shí)踐表明在水源地探查、隧道及礦坑涌水探測(cè)、地下巖溶暗河探究等領(lǐng)域應(yīng)用效果良好。聶艷華等[1]、欒崧等[2]、陳相彪[3]通過(guò)連通試驗(yàn)研究了上下游溶洞及地下水流動(dòng)情況，探討了連通試驗(yàn)在巖溶導(dǎo)水通道探查中的應(yīng)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(kù)壩體內(nèi)外聯(lián)系及滲漏通道；龔甲桂等[6]、庾樂(lè)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(cè)了礦井涌水路徑及水流參數(shù)；左偉等[9]利用瞬變電磁、連通試驗(yàn)和抽水試驗(yàn)查明了煤礦開(kāi)采過(guò)程中，上部第四紀(jì)含水層與巷道之間的導(dǎo)水通道；此外，連通試驗(yàn)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(yàn)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(duì)于通道和礦坑間的水力聯(lián)系多限于定性分析，卻很少給出補(bǔ)給量的定量分析，在通道參數(shù)精準(zhǔn)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(qiáng)巖溶地區(qū)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(nèi)巖溶通道的基礎(chǔ)上，通過(guò)孔內(nèi)滲漏點(diǎn)與井下涌水點(diǎn)間的連通試驗(yàn)，探究了巖溶導(dǎo)水通道與涌水點(diǎn)間的連通性，經(jīng)計(jì)算分析，充分論證其為主導(dǎo)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(gòu)造

研究區(qū)內(nèi)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?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r夾頁(yè)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(gè)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?guī)r，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(qū)內(nèi)主要有北西向、近東西向和北東向三組斷裂構(gòu)造(圖1)。而與礦坑充水相關(guān)的主要導(dǎo)水構(gòu)造為礦坑?xùn)|部的F1和F4兩條斷層，其中，F(xiàn)1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(fù)合等特征；F4斷層屬于北東向斷裂，走向?yàn)?0°～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(zhǎng)斑巖脈充填。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造分布簡(jiǎn)圖Fig.1 Study area structure distribution map

2.2 水文地質(zhì)條件概況

根據(jù)地下水的賦存介質(zhì)，礦區(qū)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(qū)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(qū)內(nèi)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(qū)主要含水巖組，巖溶率可達(dá)10%左右，溶洞高度介于0.2～5.0 m之間，滲透系數(shù)可達(dá)1.47 m/d。寒武系崮山組、長(zhǎng)山組與張夏組二段頁(yè)巖和巖漿巖順層侵入體裂隙不發(fā)育，透水性差，為相對(duì)隔水巖層。

經(jīng)對(duì)礦區(qū)地層、構(gòu)造、巖漿巖分布及巖溶發(fā)育規(guī)律等的綜合研究發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)石灰?guī)r含水層透水性呈現(xiàn)平面東強(qiáng)西弱、垂向上強(qiáng)下弱的特點(diǎn)。巖溶較為發(fā)育的地層主要為寒武系鳳山組厚層白云巖、灰?guī)r和奧陶系厚層石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，基本上分布于礦區(qū)的中東部。經(jīng)勘察，各組段鉆孔溶洞見(jiàn)洞率見(jiàn)表1。

表1 各層位鉆孔見(jiàn)洞率統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of karst rate of drill in each segment

礦區(qū)含水層接受大氣降雨的直接補(bǔ)給，而礦區(qū)東部地層巖溶發(fā)育，加之F4斷層、F1斷層的連通作用，故推測(cè)礦區(qū)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(yàn)?zāi)康募胺桨?/h2>

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

在對(duì)前期水文地質(zhì)及勘察資料研究的基礎(chǔ)上，充分分析礦坑涌水補(bǔ)給來(lái)源及導(dǎo)水通道位置，提出對(duì)礦坑?xùn)|北部潛在導(dǎo)水通道進(jìn)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(biāo)高137.46 m)在鉆進(jìn)至208.50 m孔深時(shí)，于-67.39～-70.64 m標(biāo)高位置發(fā)生掉鉆，經(jīng)井下電視及超聲測(cè)井探測(cè)，巖溶裂隙較大，經(jīng)壓水試驗(yàn)單位透水率達(dá)到267.21 Lu，透水性極強(qiáng)，推斷為F4斷層帶下盤形成的大型巖溶導(dǎo)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(diǎn)間的水力聯(lián)系，擬采用連通試驗(yàn)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(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

3.2 試驗(yàn)方案及過(guò)程

1) 示蹤劑選取與標(biāo)定?？紤]水質(zhì)安全等環(huán)保因素，連通試驗(yàn)選取食鹽作為示蹤劑，通過(guò)電導(dǎo)率儀對(duì)井下涌水點(diǎn)水樣進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)定，根據(jù)所取水樣電導(dǎo)率變化特征分析判斷投放點(diǎn)與回收點(diǎn)之間的水力連通性，試驗(yàn)前采取涌水點(diǎn)水樣留作含鹽率-電導(dǎo)率關(guān)系標(biāo)定使用。

2) 溶液制備與投放。試驗(yàn)過(guò)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(jī)使食鹽完全溶解，然后采用注漿泵將溶液注入Z52注漿孔內(nèi)，注入流量維持在240 L/min，示蹤劑整個(gè)投放過(guò)程持續(xù)20 min。

3) 涌水點(diǎn)水樣監(jiān)測(cè)。在示蹤劑開(kāi)始投放的同時(shí)，于井下-30 m和-70 m水平涌水點(diǎn)取水樣進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)電導(dǎo)率檢測(cè)，檢測(cè)頻率為5 min/次，試驗(yàn)結(jié)束依據(jù)以電導(dǎo)率恢復(fù)或接近背景值為準(zhǔn)。Z52孔揭露巖溶通道位置與-30 m水平涌水點(diǎn)水平和垂直距離分別為165 m和170 m，與-70 m水平涌水點(diǎn)基本處在同一標(biāo)高，水平距離約為347 m。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 電導(dǎo)率歷時(shí)曲線分析

圖2為-30 m和-70 m水平涌水點(diǎn)水樣電導(dǎo)率變化歷時(shí)曲線。 由圖2可知，-30 m水平涌水點(diǎn)地下水電導(dǎo)率背景值在690 μs/cm左右，試驗(yàn)20 min后水體電導(dǎo)率開(kāi)始增大，于55 min時(shí)達(dá)到峰值3 620 μs/cm，增長(zhǎng)速率較快。 之后轉(zhuǎn)入下降階段，速率相對(duì)較低，于2 h 30 min時(shí)電阻率降為920 μs/cm左右，隨之進(jìn)入緩慢下降階段，并于4 h時(shí)趨于相對(duì)穩(wěn)定值700 μs/cm左右，基本回到試驗(yàn)前的背景值。-70 m水平涌水點(diǎn)水樣電導(dǎo)率背景值約為625 μs/cm，試驗(yàn)開(kāi)始50 min后水體電導(dǎo)率開(kāi)始上升，并于1 h 10 min時(shí)達(dá)到峰值1 306 μs/cm，之后緩慢下降，2 h 30 min時(shí)水體電導(dǎo)率趨于穩(wěn)定值627 μs/cm，與背景值基本一致。

對(duì)比連通試驗(yàn)過(guò)程中兩個(gè)水平涌水點(diǎn)地下水電導(dǎo)率的變化特征可以發(fā)現(xiàn)，兩處水體電導(dǎo)率背景值存在差異，說(shuō)明水中溶解的物質(zhì)有所區(qū)別，可初步判斷兩個(gè)涌水點(diǎn)地下水主要補(bǔ)給通道存在差異。 -30 m水平相對(duì)于-70 m水平水樣電導(dǎo)率增大起始時(shí)間較早，峰值大，恢復(fù)至背景值用時(shí)長(zhǎng)，說(shuō)明Z52孔揭露的巖溶通道與-30 m水平涌水點(diǎn)連通性較好，通道規(guī)模大，溶于該通道水體中的示蹤劑需要較長(zhǎng)時(shí)間才能完全消散。該通道與-70 m涌水點(diǎn)也存在一定的聯(lián)系，其中有少部分示蹤劑運(yùn)移至該處，同時(shí)由兩個(gè)涌水點(diǎn)水樣電導(dǎo)率背景值存在差異說(shuō)明-70 m涌水點(diǎn)還有其他地下水補(bǔ)給通道，但規(guī)模較小，總量有限。經(jīng)分析認(rèn)為，Z52孔揭露的巖溶通道主要-30 m水平涌水點(diǎn)提供補(bǔ)給，而只有很小部分分流匯入-70 m水平涌水點(diǎn)。此外，由電導(dǎo)率變化歷時(shí)曲線呈單峰型，可知兩個(gè)涌水點(diǎn)含鹽地下水來(lái)源路徑單一，對(duì)導(dǎo)水通道的治理有利。

圖2 涌水點(diǎn)地下水電導(dǎo)率歷時(shí)曲線Fig.2 Diachronic curve of groundwater conductivity at outflow point

4.2 電導(dǎo)率-濃度關(guān)系標(biāo)定

該礦區(qū)地下水含有較多黏土雜質(zhì)，水質(zhì)渾濁度較高，其中溶解的黏土和其他礦物成份對(duì)電導(dǎo)率有顯著影響。因此，為更好地了解連通試驗(yàn)中食鹽投放量與水樣電導(dǎo)率之間的關(guān)系，并為回收率等參數(shù)計(jì)算提供依據(jù)，連通試驗(yàn)前取-30 m水平涌水點(diǎn)水樣進(jìn)行電導(dǎo)率—食鹽濃度關(guān)系的室內(nèi)標(biāo)定試驗(yàn)。由圖3可知，水樣電導(dǎo)率隨食鹽濃度的增大而增加，二者存在良好的線性關(guān)系，擬合系數(shù)R2=0.997 4，標(biāo)定效果良好。擬合公式見(jiàn)式(1)。

圖3 電導(dǎo)率-食鹽濃度關(guān)系標(biāo)定曲線Fig.3 Calibration curve of conductivity-salt concentration relation

y=1 515x+693.93

(1)

式中：y為電導(dǎo)率，μs/cm；x為食鹽濃度，kg/m3。

4.3 示蹤劑回收率及流速計(jì)算

示蹤劑回收率計(jì)算可有效查明投放點(diǎn)與回收點(diǎn)間地下水的水力聯(lián)系，定量分析投放點(diǎn)過(guò)水通道水體匯入涌水點(diǎn)的比例，揭示巖溶通道分布結(jié)構(gòu)及導(dǎo)水規(guī)律。 食鹽回收率根據(jù)式(2)和式(3)進(jìn)行計(jì)算[1]。

(2)

(3)

式中：P為示蹤劑回收率，%；M為示蹤劑投放質(zhì)量，kg；M0為示蹤劑回收質(zhì)量，kg；Ci為i時(shí)刻涌水點(diǎn)示蹤劑濃度，kg/m3；Qi為i時(shí)刻涌水點(diǎn)流量，m3/h；Co為示蹤劑背景濃度值，kg/m3；Δt為監(jiān)測(cè)時(shí)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(diǎn)聯(lián)系不大，且-70 m水平出水量?jī)H為600 m3/d，故只計(jì)算分析連通性較好的-30 m水平涌水點(diǎn)食鹽的回收率。其中，示蹤劑投放質(zhì)量不考慮-70 m水平分流影響，取值為1 900 kg，監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔Δt為5 min，-30 m水平涌水點(diǎn)總出水量為2.4萬(wàn)m3/d，結(jié)合電導(dǎo)率-濃度擬合公式及電導(dǎo)率變化歷時(shí)曲線，采用式(3)可得，-30 m水平涌水點(diǎn)食鹽回收質(zhì)量為1 680.61 kg，回收率為88.45%。若考慮-70 m水平涌水點(diǎn)分流作用，則-30 m水平涌水點(diǎn)食鹽回收率將會(huì)更高。計(jì)算結(jié)果定量地說(shuō)明Z52孔揭露的巖溶通道與-30 m水平涌水點(diǎn)具有很好的連通性，且來(lái)自Z52孔揭露通道的地下水絕大部分通過(guò)-30 m水平涌水點(diǎn)排泄進(jìn)入礦坑。以歷時(shí)曲線上的峰值時(shí)間作為地下水平均流動(dòng)時(shí)間，采用投放點(diǎn)與各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的直線距離來(lái)計(jì)算，-30 m和-70 m水平涌水點(diǎn)平均流速分別為3.09 m/min和4.96 m/min。

通過(guò)計(jì)算回收率和地下水流速可以看出，與-30 m水平涌水點(diǎn)關(guān)聯(lián)的補(bǔ)給通道水量大，但是流速相對(duì)較低，說(shuō)明該通道發(fā)育規(guī)模大，過(guò)流斷面面積較大，地下水補(bǔ)給來(lái)源充沛；而與-70 m水平涌水點(diǎn)關(guān)聯(lián)的補(bǔ)給通道水量小但流速高，證明與其關(guān)聯(lián)的導(dǎo)水通道規(guī)模較小，但水頭壓力相對(duì)較大。基于上述分析，對(duì)與-30 m水平涌水點(diǎn)關(guān)聯(lián)的導(dǎo)水通道應(yīng)在Z52附近加密鉆孔，進(jìn)一步揭露該通道的其他部位，提高治理效率和質(zhì)量。

4.4 主要導(dǎo)水通道的治理

通過(guò)本次連通試驗(yàn)，證明了Z52注漿孔揭露的巖溶構(gòu)造為礦坑-30 m水平最大涌水點(diǎn)的主要補(bǔ)給通道，該涌水點(diǎn)在豐水期涌水量可達(dá)8萬(wàn)m3/d，對(duì)井下生產(chǎn)造成嚴(yán)重安全隱患。針對(duì)該通道，在其周圍進(jìn)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(shí)在上游一側(cè)增加了一排注漿孔，其中有5個(gè)鉆孔均揭露該巖溶通道。針對(duì)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(dá)3 000 m3左右，實(shí)現(xiàn)了該集中導(dǎo)水通道的有效封堵。經(jīng)2019年豐水期驗(yàn)證，治理后該涌水點(diǎn)水量不足500 m3/d，且經(jīng)受住幕體內(nèi)外高水頭差的考驗(yàn)。本次連通試驗(yàn)有效指導(dǎo)了該通道的治理，降低了無(wú)效區(qū)域鉆探工作量的投入，保證了豐水期礦山的安全開(kāi)采，節(jié)約了排水費(fèi)用，同時(shí)礦區(qū)周邊地下水位抬升最大達(dá)80 m，附近村莊幾近干涸的水井得以恢復(fù)供水，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

5 結(jié) 論

1) 通過(guò)連通試驗(yàn)并進(jìn)行示蹤劑回收率計(jì)算，有效查明了礦坑涌水點(diǎn)的地下水補(bǔ)給通道，對(duì)于分析注漿孔揭露巖溶通道與井下涌水點(diǎn)的水力聯(lián)系，計(jì)算補(bǔ)給水量具有較好的適用性。

2) 依據(jù)連通試驗(yàn)分析結(jié)論，對(duì)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(diǎn)水量大幅下降，證明了連通試驗(yàn)分析結(jié)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。