基于系統(tǒng)觀的礦山地下水動態(tài)監(jiān)測探討

黃澎濤

(中國煤炭地質(zhì)總局地質(zhì)集團有限公司，北京 100073)

地下水動態(tài)監(jiān)測是觀測地下水動態(tài)的“火眼金星”，能夠?qū)崟r監(jiān)測地下水動力場、化學(xué)場、滲透場和溫度場等動態(tài)參數(shù)，為研究地下水運動規(guī)律、制定礦山防治水方案提供可靠信息來源，是防治水工作不可或缺的工程地質(zhì)技術(shù)方法[1-5]。但事實上在很多煤礦，地下水監(jiān)測在地下水害預(yù)測預(yù)報中功效甚微。因此如何有效發(fā)揮地下水動態(tài)監(jiān)測作用是礦山水文地質(zhì)工作亟待破解的難題。

1 礦山地下水監(jiān)測的現(xiàn)狀

現(xiàn)行《煤礦防治水規(guī)定》第二十四條規(guī)定，地下水動態(tài)觀測點應(yīng)當布置在“對礦井生產(chǎn)建設(shè)有影響的主要含水層……”?，F(xiàn)行《煤、泥炭地質(zhì)勘查規(guī)范》規(guī)定：水文地質(zhì)勘查要對各類充水礦床的復(fù)雜井田(礦區(qū))建立地下水動態(tài)長期觀測網(wǎng)，直接(間接)充水含水層的長觀鉆孔數(shù)為6～8個。這些規(guī)定集中體現(xiàn)了傳統(tǒng)水文地質(zhì)學(xué)的“含水層思維”[6]，即地下水的補徑排和貯存均在含水層地質(zhì)體中，把含水層作為基本的功能單元進行礦區(qū)地下水監(jiān)測。目前，地勘單位和礦山水文地質(zhì)工作都嚴格執(zhí)行這些規(guī)程規(guī)范[7-8]。

然而，含水層理論并不是預(yù)測預(yù)防礦山地下水災(zāi)害的寶匙，煤礦在礦井防治水方面雖投入巨資建立了地下水監(jiān)測井，進行了大量傳統(tǒng)意義上的水文補勘和探放水，但每年仍不時有地下水透入或突入礦井造成災(zāi)害事故，地下水監(jiān)測井的大量數(shù)據(jù)在防治水預(yù)測預(yù)報中發(fā)揮的作用不盡人意。出現(xiàn)這種狀況的原因主要是：監(jiān)測孔空間布局不盡合理，既整體存在冗余監(jiān)測井，局部重點地段密度又不夠，單井的觀測層位代表性差，地下水動態(tài)監(jiān)測頻率不配匹，井上井下眾多孔或點位的地下水監(jiān)測信息有著“數(shù)據(jù)豐富但信息貧乏”的綜合癥[9]；監(jiān)測井建設(shè)技術(shù)和監(jiān)測手段落后，封閉單孔多分層觀測技術(shù)未能突破，建設(shè)和維護費用高；不能同時監(jiān)測水質(zhì)和水位、水溫，使得地下水評價缺少完整性等。

2 基巖含水介質(zhì)的系統(tǒng)性與監(jiān)測孔思考

巖石學(xué)研究證明，在堅硬基巖中，一般不存在或存留少部分顆粒間的孔隙，可溶巖成巖后的孔隙度通常只有原來1%～3%，其孔隙主要由裂隙和溶隙組成。裂隙所占空間只有基巖巖體的千分之幾至千分十幾，且由于巖性變化和構(gòu)造應(yīng)力分布不均勻，裂隙通常很難在整個巖層中均勻分布，多數(shù)情況下由一條或幾條主干裂隙匯同周邊中小裂隙，在空間形成規(guī)模不一的帶狀或樹狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)；只有當薄脆性巖石夾于厚層塑性巖層中，變形應(yīng)力均勻，才能在整個巖層中形成密集均勻的張裂隙；在發(fā)生構(gòu)造變形時脆性巖層與塑性巖層界面的脆性巖層中易形成豐富的層面裂隙[10]。胡海濤認為構(gòu)造體系是控制基巖地下水的埋藏、分布和賦存規(guī)律的主導(dǎo)因素，而且同一構(gòu)造型式中不同級次不同部位有著不同的富水性[11]，表現(xiàn)出明顯的各向異性和不均一性甚至突變性?；鶐r構(gòu)造水文地質(zhì)學(xué)表明，裂隙水流只發(fā)生在導(dǎo)水裂隙系統(tǒng)的各裂隙通道內(nèi)，聯(lián)通性好，通道外沒有水流[10,12-13]，與圍巖形成極大的透水性差異；一個含水系統(tǒng)往往由若干個傳統(tǒng)含水層和相對隔水層組成，同一傳統(tǒng)含水層又可能包含著若干個規(guī)模不等互不聯(lián)系的含水系統(tǒng)[14]。事實上，傳統(tǒng)水文地質(zhì)學(xué)也是把基巖地下水定義為裂隙水或巖溶裂隙水。

依據(jù)上述基巖裂隙含水系統(tǒng)的特征，若在基巖裂隙巖層中打兩個相距很近的鉆孔，如在同一含水系統(tǒng)中，位于主干裂隙上的鉆孔水量大，次一級裂隙上的鉆孔水量較小，而在細微裂隙或完整巖層位置則基本無水；如分別屬于互不聯(lián)系的兩個含水系統(tǒng)，則水位、水質(zhì)、水溫均可能不同。這也就是傳統(tǒng)水文地質(zhì)學(xué)一直未能解釋了的問題，即為什么兩個相鄰鉆孔對同一基巖含水層采用相同的抽水方法但其涌水量和計算的含水層參數(shù)卻不同。如圖1中[3]，F(xiàn)1F2F3斷層(Ⅰ)、F4F5F9F11和F10F12部分斷層(Ⅱ)、F6F7F8斷層(Ⅲ)、F13F14和F10F12部分斷層(Ⅳ)分別組成四個裂隙含水系統(tǒng)，因而出現(xiàn)四個一定范圍內(nèi)基本相近的地下水位線。孔1、孔3+孔6、孔5、孔8分屬這4個含水系統(tǒng)，并處于含水系統(tǒng)不同級次裂隙上；而孔2、孔4位于完整基巖層或不含水裂隙帶中，孔7從含水系統(tǒng)的水位線之上的裂隙處通過，則這3個孔都基本無水。如果按照含水層理論，這8個水井在同一礦區(qū)的同一含水組中，則可依據(jù)鉆孔中的水位繪制出礦區(qū)該含水組水勢場圖，確定地下水的水力梯度、流向，甚至流速，從而將四個含水系統(tǒng)混為一談；而孔2、孔4、孔7無水更無可解釋。這可能正是現(xiàn)行礦山基巖水文長觀監(jiān)測井數(shù)據(jù)分析困難和功能無法發(fā)揮的原因。

圖1 裂隙含水系統(tǒng)Figure 1 Fissure water-bearing system

3 礦山地下水監(jiān)測系統(tǒng)觀

基于上述分析，筆者認為開展基巖地下水(以下簡稱地下水)的監(jiān)測與研究，需要引入契合基巖地下水特征的地下水系統(tǒng)理論為指導(dǎo)，利用現(xiàn)代科技構(gòu)建地下水監(jiān)測系統(tǒng)，形成礦山地下水監(jiān)測系統(tǒng)觀。

礦山地下水監(jiān)測系統(tǒng)觀，就是以地下水系統(tǒng)理論為指導(dǎo)，從地下水各含水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和開采對圍巖的動態(tài)破壞出發(fā)，通過研究開采中各含水系統(tǒng)的地下水運動、導(dǎo)升規(guī)律，開展時間維度的智能監(jiān)測和數(shù)學(xué)模擬，為預(yù)測預(yù)報礦井突或透水提供及時準確的信息。

該監(jiān)測系統(tǒng)觀認為，地下水含水系統(tǒng)是地下水系統(tǒng)功能展現(xiàn)的內(nèi)在依據(jù)[15-16]，只有在深入研究含水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，才能真正掌握地下水運動的規(guī)律，才能合理建設(shè)地下水監(jiān)測井；地下水系統(tǒng)理論反應(yīng)的是巖體靜態(tài)下的含水系統(tǒng)和流動系統(tǒng)[17-18]，但煤礦開采形成了圍巖不斷被破壞的動態(tài)環(huán)境，使含水系統(tǒng)再擴展，可能使數(shù)個含水系統(tǒng)相連通，地下水流動系統(tǒng)發(fā)生變化，滲流場不斷擴圍。當其量變發(fā)展到質(zhì)變時，便造成礦井下透或突水災(zāi)害。因此，礦區(qū)地下水監(jiān)測必須“動”“靜”結(jié)合，研究礦區(qū)疏排與采掘的關(guān)系，才能將地下水的四維變化特征得以充分展現(xiàn)。

4 礦山地下水監(jiān)測系統(tǒng)的內(nèi)容、工作程序及方法研究

在地下水監(jiān)測研究中, 地質(zhì)構(gòu)造及其改造是分析含水系統(tǒng)的基礎(chǔ)；水文鉆探和以高分辨率三維地震為代表的物探，能夠定量或定性地掌握一定范圍含水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征，并監(jiān)控地下水運動變化；對礦井開采中原巖應(yīng)力場和礦壓、地下水壓聯(lián)合作用的研究，可以推演礦山開采圍巖破壞的演變趨勢，進一步完善地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)；對各流動系統(tǒng)中地下水補徑排、水勢場、滲流場、水化學(xué)場、水溫度場的研究，有利于掌握各系統(tǒng)地下水及時的時空分布、運動變化趨勢，各系統(tǒng)之間的水力聯(lián)系，準確地預(yù)測預(yù)報預(yù)防；現(xiàn)代智能科技及云計算、模型等應(yīng)用，助力地下水監(jiān)測“千里眼”。礦山地下水系統(tǒng)的監(jiān)測工作程序如圖2所示。

圖2 礦山地下水系統(tǒng)監(jiān)測工作程序Figure 2 Mine groundwater system monitoring procedures

礦山地下水監(jiān)測系統(tǒng)的基本思想、研究內(nèi)容與方法關(guān)注于以下四個方面。

1)系統(tǒng)的整體性。地下水含水系統(tǒng)和流動系統(tǒng)是一個不可分割的整體。只有通過含水系統(tǒng)的深入研究，特別是地質(zhì)構(gòu)造(包括新構(gòu)造)的基礎(chǔ)研究，才能真正把握流動系統(tǒng)的特征。若煤層底板有高承壓地下水時，勘探階段要把查明底板下(至少支承壓力對底板作用的深度內(nèi))和頂板冒落裂隙帶內(nèi)各含水系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)、地下水條件做為主要任務(wù)之一，并開展各主要地下水系統(tǒng)的長觀監(jiān)測。

2)動態(tài)與時空性。礦井水文地質(zhì)工作需要及時掌握礦井開采過程中，地下水環(huán)境發(fā)生變化時對礦井的動態(tài)威脅，包括圍巖中原地應(yīng)力、地下水壓和礦壓對圍巖的破壞，含水系統(tǒng)向采掘區(qū)的時空擴展，地下水在系統(tǒng)中的補徑排條件、水流場、化學(xué)場、溫度場向采掘區(qū)的時空變化。因此，當煤層底板有高承壓地下水時，礦井生產(chǎn)補充水文勘探要提前詳細查清楚采掘區(qū)頂、底板內(nèi)的各地下水系統(tǒng)，對各系統(tǒng)和系統(tǒng)間可能產(chǎn)生水力聯(lián)系進行嚴密監(jiān)測。

3)分層(多含水系統(tǒng))性。強調(diào)了基巖含水系統(tǒng)縱向和橫向上的多級多系統(tǒng)特征，以及含水系統(tǒng)間強弱不等的水力聯(lián)系，因此礦層開采必須有充足的水文觀測孔進行分系統(tǒng)監(jiān)測，同時分層(含水系統(tǒng))水文長觀數(shù)據(jù)又能很好地幫助我們認識和修正層含水系統(tǒng)。一般說，一個裂隙含水系統(tǒng)在一個采區(qū)內(nèi)其水位基本相同，不同裂隙含水系統(tǒng)其水位不盡相同，尤在水文地質(zhì)試驗時主孔和觀測孔位于同一裂隙含水系統(tǒng)和不同系統(tǒng)中的水位降深是否近于同步下降、降深大小的反映都有著明顯的區(qū)別。因此，長觀監(jiān)測孔再與采區(qū)或工作面動態(tài)的位移場、動力場等相結(jié)合，輔以四維建模，智能動態(tài)修正，就能使隱伏導(dǎo)水構(gòu)造現(xiàn)形，實現(xiàn)礦山開采中的地下水透明化和水文地質(zhì)保障。目前防治水區(qū)域治理技術(shù)盛行，但由于不少礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造查明程度不高，隱伏導(dǎo)水構(gòu)造如同炸彈；區(qū)域治理水平注漿分支鉆孔間距和分支鉆孔方向的確定以經(jīng)驗為主，理論欠缺；基巖中水泥漿等滲透主要通過巖溶、裂隙，完整基巖滲透性極弱，位于兩個定向孔間的含水系統(tǒng)是無法注入漿液的，如邢東礦便出現(xiàn)區(qū)域治理后依舊多次突水淹井事故，因此礦區(qū)足夠的分層(含水系統(tǒng))水文長觀監(jiān)測鉆孔還是必須的，現(xiàn)行混合含水層的水位長觀是十分有害的。

4)智能化和經(jīng)濟性。我們要充分利用現(xiàn)代科技，如北京慧坤科技有限公司的創(chuàng)新成果地質(zhì)孔經(jīng)濟又智能的多分層抽水和(含水系統(tǒng))水文長觀技術(shù)(圖3)，建設(shè)智能又經(jīng)濟化的多含水分層(含水系統(tǒng))監(jiān)測長觀井，并運用計算機、云計算和數(shù)學(xué)模型等現(xiàn)代科技，對監(jiān)測井獲取的各含水系統(tǒng)及地下水各種參數(shù)和信息進行數(shù)學(xué)模擬與時間維度的不斷修正，定性或定量地評估地下水系統(tǒng)的狀態(tài)和水平，及時做出科學(xué)判斷，為采掘防治水決策提供可靠的信息。

圖3 地質(zhì)深孔多含水層分層長觀示意圖Figure 3 Schematic diagram of geologic deep,multi-aquifer layered long-term observation borehole

5 結(jié)語

總之，礦山地下水監(jiān)測系統(tǒng)觀的提出，目的是試圖將地下水流動系統(tǒng)理論引進到礦井水文地質(zhì)中來，強調(diào)了基巖地下水監(jiān)測的系統(tǒng)性和動態(tài)性、分區(qū)分帶(含水系統(tǒng))性、時空性、科技性、經(jīng)濟性原則。當然，我國煤礦水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜，礦山地下水監(jiān)測系統(tǒng)觀只是做為一種新的思想和技術(shù)方法提出，還有待我國廣大礦山水文地質(zhì)工作者不斷完善與發(fā)展，為新時代現(xiàn)代化智能礦山開采地質(zhì)保障做出貢獻。