礦層上段隔水性能及水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征分析

郭 晉

（安徽省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)，安徽 宿州 234000）

礦山礦層上段突水是礦山開采水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害的主要形式之一，其嚴(yán)重威脅著礦山開采安全，在礦山開采過程中由于受到開采活動(dòng)的影響，礦山礦層上段巖石應(yīng)力性能和隔水性能發(fā)生變化，在外力作用下很容易發(fā)生礦山礦層上段突水事故，一旦發(fā)生礦層上段突水事故，不僅會對礦區(qū)水資源和地質(zhì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染和破壞，還會嚴(yán)重威脅到開采人員的生命安全[1]。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2017年礦層上段突水事故發(fā)生的數(shù)量占全國礦山開采總事故數(shù)量的五分之一，造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)2642萬元。目前礦層上段突水事故已經(jīng)成為礦山開采安全主要問題之一，該事故的發(fā)生與礦層上段隔水性能和水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征有直接關(guān)系，為此提出礦層上段隔水性能及水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征分析，此次研究為礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防及治理通過理論依據(jù)。

1 礦層上段隔水性能分析

礦層上段隔水性能的好與壞與礦層上段巖體特征有直接關(guān)系，并且隔水性能可以通過巖體滲透系數(shù)的大小直接表示出來，因此此次為了更好的分析出礦層上段隔水性能，采用測試的方法對其進(jìn)行分析，通過對礦層上段巖體滲透系數(shù)的求取，了解到礦層上段隔水性能，以下將對該過程進(jìn)行詳細(xì)描述。

1.1 礦層上段巖石選取

礦層上段無論何種巖石，其巖石粒徑的大小是不同的，此次分別選取粒徑范圍在0.01mm~0.10mm的巖石作為礦層上段隔水性能測試樣本，每種規(guī)格的巖石各選取1kg，平均分為10小份礦層上段礦體樣本，巖石種類涉及砂巖、頁巖、石灰?guī)r、碳酸鹽、花崗巖等多種。

1.2 礦層上段隔水性能測試

此次對礦層上段隔水性能測試裝置主要采用柱浸裝置，該裝置是由一個(gè)直徑為105mm的圓柱形PVG管、底板、濾紙以及供水管所組成，PVG管的底部用螺紋連接一個(gè)開口蓋子，用于安裝底板，底板選用金屬材質(zhì)，在地板上鉆一個(gè)直徑為1.55mm的小孔，并且在底板與PVG管連接處以及PVG管頂端各方一層濾紙，為了避免硫酸銨溶液腐蝕PVG管及底板，下圖為礦層上段隔水性能測試示意圖。

圖1 礦層上段隔水性能測試示意圖

礦層上段隔水性能測試分為室內(nèi)和室外兩種，就可靠度來說，室內(nèi)測試更加方便，測試結(jié)果不會受到外界因素影響，可靠性更高，因此此次采用室內(nèi)測試。首先將不同粒徑的礦層上段礦體分別填裝到各自的測試裝置中，采用分層填裝的方式，每次填裝完后需要進(jìn)行壓實(shí)，直到PVG管中填滿礦體為止，填裝完后要對表面進(jìn)行查看，壓實(shí)的礦體不得出現(xiàn)表面抓毛現(xiàn)象，避免礦體樣本出現(xiàn)的土層分界現(xiàn)象。當(dāng)填裝完礦體樣本之后，向水管中注入清水，清水經(jīng)過水管進(jìn)入到礦體中，開始穩(wěn)定滲流，向礦體中注水的時(shí)間為24小時(shí)[2]。然后向礦體中注入硫酸銨溶液，硫酸銨溶液注入時(shí)間為12小時(shí)，硫酸銨溶液注入的目的是為了破壞礦體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)置換，這樣可以更好地測試礦層上段隔水性能。硫酸銨在注入之前需要對其進(jìn)行配置，在實(shí)際浸礦過程中注入的硫酸銨溶液濃度為4.5%，因礦層上段隔水性能測試過程中注入的硫酸銨溶液濃度也為4.5%，在100蒸餾水中加入4.5克硫酸銨結(jié)晶，將溶液進(jìn)行均勻攪拌，靜置15min后將其注入到礦體中。

在清水注入階段，礦體的滲流量和水頭高度可以反映出礦體在水的作用下礦層上段隔水性能的變化，而注入硫酸銨溶液階段，礦體的滲流量則直接反映出礦層上段巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化是滲透性的變化，因此在礦層上段隔水性能測試過程中需要記錄不同粒徑范圍的礦層上段礦體滲流量、水頭高度等參數(shù)。在試驗(yàn)裝置底部開始出水的前30min~45min內(nèi)，礦層上段礦體隔水性能是處于不穩(wěn)定階段，該時(shí)間段不進(jìn)行數(shù)值記錄；在之后的60min~180min時(shí)間段，礦層上段礦體隔水性能逐漸趨于穩(wěn)定，此時(shí)每2.5min進(jìn)行一次數(shù)值記錄，每15min測一次礦層上段巖體滲流量。根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)計(jì)算出礦層上段礦體在滲流過程中水力梯度，其計(jì)算公式如下：

公式（1）中，i表示礦層上段礦體的水利梯度；Δh表示水頭高度，即礦層上段礦體頂部水面與礦體底部水頭的差值；L為礦層上段礦體滲流路徑長度[3]。礦層上段礦體底部水頭計(jì)算公式如下：

公式（2）中，dh表示礦層上段礦體底部水頭；u為礦層上段水流速度；g為水體的重力加速度；p為水管的水壓；r為水體的重度；q為基準(zhǔn)面的高程。礦層上段礦體滲流量的計(jì)算公式為：

公式（3）中，f為礦層上段礦體的滲流量；w為流入到礦層上段礦體的水的體積；t表示滲流時(shí)間。最后根據(jù)測量和記錄的滲流數(shù)據(jù)，計(jì)算出礦層上段礦體的滲透系數(shù)，其計(jì)算公式如下：

公式（4）中，為礦層上段礦體的滲流系數(shù)，滲流系數(shù)是反應(yīng)礦層上段礦體隔水特性的數(shù)據(jù)，單位為cm/s；為PVG管的橫截面積。利用上述測試方法對不同粒徑大小的礦體滲透特性進(jìn)行測試，計(jì)算出滲透系數(shù)，為后續(xù)礦層上段隔水性能分析提供依據(jù)。

1.3 礦層上段隔水性能分析

根據(jù)上述測試方法完成對礦層上段隔水性能測試，運(yùn)用公式（4）計(jì)算出不同粒徑大小的礦層上段礦體的滲透系數(shù)，其結(jié)果如下表所示。

表1 礦層上段隔水性能測試數(shù)據(jù)

從表1中可以看出，礦層上段礦體的滲透系數(shù)大小與礦體的粒徑大小有直接關(guān)系，整體呈正比關(guān)系，礦層上段礦體粒徑越小，滲透系數(shù)也大，當(dāng)?shù)V層上段礦體粒徑達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，礦體的滲透性能反而降低，即0.08mm粒徑的礦層上段礦體滲透性能最好。而滲透系數(shù)與隔水性能有直接關(guān)系，礦體滲透系數(shù)值越大，則說明礦體隔水性能越差，反之礦體滲透系數(shù)值越小，則礦體的隔水性能越好，這主要是因?yàn)樾×降牡V體孔隙率較低，在滲流過程中不利于水體的流經(jīng)，存水的空間比較小，不容易注水，所以水利梯度比較小，滲透性能比較差,隔水性能比較高；而大粒徑的礦體具有較大的孔隙率，在滲流過程中有充足的空間利于水體流過，所以粒徑比較大的礦體水利梯度比較大，滲透性能比較好，隔水性能比較差。而據(jù)有關(guān)地質(zhì)資料顯示，礦層上段巖體粒徑主要在0.02mm~0.03mm區(qū)間，屬于小粒徑巖體，按照表1中數(shù)據(jù)礦層上段巖體滲透系數(shù)在1.365cm/s~1.412cm/s之間，該區(qū)域滲透系數(shù)值比較小，因此說明礦層上段巖體水利梯度比較小，巖體與巖體之間的孔隙率比較小，不利于含水層中水資源流通，因此礦層上段隔水性能比較好，以此完成礦層上段隔水性能分析。

2 礦層上段水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)以上對礦層上段隔水性能分析，以及礦層上段水工環(huán)地質(zhì)資料，分析礦層上段含水巖組與地表水之間水力聯(lián)系如下：礦層上段切割砂質(zhì)粘土層，含水巖組質(zhì)為卵石，部分區(qū)域有亞粘土夾碎石層，厚度大約在2米左右，透水性較好，由此推測礦層上段含水巖組與地表水的水力聯(lián)系較密切。但又因地表水是多數(shù)為海拔至低地帶，因此礦層上段含水巖組與地表水之間的水力聯(lián)系主要是第四系含水巖組地下水補(bǔ)給礦層上段含水層。第四系松散巖類孔隙含水巖組主要分布在礦層上段四周，空間分布比較分散，巖性為第四系沖、洪積之砂礫石層和砂質(zhì)亞粘土，接近河谷地帶常具二元結(jié)構(gòu)，含水巖組上部分為砂質(zhì)頁巖，厚度為0.5～2米，不含水；含水巖組下部為亞粘土，厚2～5米，富水性弱。另在中間區(qū)域分布有粘土層，持水性好，透水性好，但因其面積較小，分布不均，不具有區(qū)域上的隔水能力，故礦層上段滲透性能較好，與下伏地層水力聯(lián)系密切。

礦層上段的基巖裂隙含水巖組主要由淺部的基巖風(fēng)化帶和深部的碎屑基巖組成?；鶐r風(fēng)化帶巖性是砂質(zhì)頁巖、英安玢巖的風(fēng)化蝕變巖石組成，地表面裂隙率1.32%～1.75%，裂隙呈微張～張開狀，為泥質(zhì)、鐵質(zhì)充填堵塞。弱富水，透水性強(qiáng)。碎屑基巖由新鮮的砂質(zhì)頁巖組成，承壓性弱。巖層順層裂隙較發(fā)育，裂隙率可達(dá)10條/米，由于巖層產(chǎn)狀較陡，故裂隙產(chǎn)狀同時(shí)較陡，中軸角平均在20°～30°之間。根據(jù)礦層上段裂隙發(fā)育情況判斷，礦層上段巖組的透水性較差，但由于礦層上段侵入巖較發(fā)育，致使礦層上段的基巖裂隙含水巖組的空間分布極不均勻、不連續(xù)，呈透鏡狀為主。侵入巖的透水性差，為相對隔水層。因此導(dǎo)致礦層上段含水巖組的總體透水性并不好。因此可見，礦層上段基巖裂隙含水巖組本身的透水性普遍較好，含水巖組之間的水力聯(lián)系密切，但受到侵入巖的影響，加之含水巖組的富水性弱、極弱，導(dǎo)致礦層上段的總體水力聯(lián)系并不十分暢通，以此完成礦層上段水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征分析，進(jìn)而完成了礦層上段隔水性能及水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征分析。

3 結(jié)束語

本文對礦層上段隔水性能以及水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：礦層上段巖體顆粒較小，礦石整體孔隙率較低，導(dǎo)致礦層上段隔水性能較好；礦層上段含水巖組與地表水之間的聯(lián)系比較密切，此次研究對礦層上段地質(zhì)結(jié)構(gòu)研究具有一定的借鑒意義。