基于多孔抽水試驗的水文地質(zhì)條件分析
——以馬城鐵礦為例

胡雪峰，左文喆，康振興，楊 豹，田 碩

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063200；2.首鋼灤南馬城礦業(yè)有限責(zé)任公司，河北 唐山 063700)

非穩(wěn)定流抽水試驗的解析公式復(fù)雜，不同類型含水層的確定及求參過程繁瑣且受人為因素影響較大，Aquifer Test是一款加拿大研發(fā)的用于解譯分析以及可視化抽水實驗數(shù)據(jù)的一款軟件，可應(yīng)用于解譯分析抽水試驗數(shù)據(jù)，運用Aquifer Test，可通過s-lgt( 降深-時間) 和 ds/dt-lgt( 降深速率-時間)兩種曲線，與標(biāo)準(zhǔn)曲線的對比，首先確定含水層類型、邊界條件等含水層性質(zhì)，然后選定相應(yīng)的含水層類型公式，求取相關(guān)參數(shù)[1-2]。本文通過運用此方法對馬城礦區(qū)的抽水試驗數(shù)據(jù)進行分析研究，以確定馬城礦區(qū)不同位置的含水層類型和各斷層的導(dǎo)水性，確定礦床充水條件。

1 礦區(qū)概況

馬城鐵礦是我國發(fā)現(xiàn)的特大型沉積變質(zhì)鐵礦床[3-4]，礦區(qū)位于灤河沖洪積扇一級階地頂部(圖1)，地勢北高南低，西高東低，地形起伏不大，礦區(qū)的含礦巖系為斜長角閃巖-黑云變粒巖-細(xì)粒鎂鐵閃石(或陽起石)磁鐵石英巖建造，除斷裂帶或者裂隙附近有少量含赤鐵礦礦石之外，其它均為較為純凈的磁鐵礦礦石。第四系地層分布全區(qū)，北薄南厚，厚度50～180 m，從上到下分為四個部分(圖2)：上部主要為含水量豐富、透水性強的砂礫卵石強含水層；強含水層以下是一層覆蓋全區(qū)的黏土層，一般厚度5～8 m，最大厚度15 m，一定程度上降低了第四系上下兩含水層間的水力聯(lián)系，為相對隔水層；相對隔水層以下是粉質(zhì)黏土與含角礫砂土層，透水性相對較好，為中等含水層；第四系底部是以粘土、粉質(zhì)粘土等為主的相對隔水層，連續(xù)性比較差，局部缺失形成“天窗”[5，6]。

礦區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有F1、F2、F3三條斷層，各斷層均具多期次、重復(fù)性活動特點，斷層及其裂隙帶影響范圍達(dá)上百米[6]。斷層及其裂隙帶對礦體影響較大，不僅降低了圍巖的強度，也增強了基巖的導(dǎo)水性，富水性。因此要在這樣復(fù)雜的水文地質(zhì)條件下進行開采，了解礦區(qū)不同位置間的水力聯(lián)系、斷層性質(zhì)、含水層類型就十分重要。

圖1 礦區(qū)地形地貌

圖2 礦區(qū)第四系地層分布

2 抽水試驗

為進一步了解馬城礦區(qū)的水文地質(zhì)情況，明確含水層類型，利用勘探階段抽水試驗數(shù)據(jù)進行分析，用開拓階段涌水情況加以驗證。抽水試驗共有2個抽水大井，17個觀測孔。抽水試驗分為三個階段，依次為： DCK02孔抽水階段； DCK01、DCK02群孔抽水階段；停泵恢復(fù)階段。其中DCK02孔抽水階段歷時7 d21 h，主井出水量175.36 m3/h，降深13.06 m。抽水孔、觀測孔位置及形成的降落漏斗見圖3。通過觀測斷層附近觀測孔水位變化情況對斷層的導(dǎo)水性、阻水性進行分析。從圖3中可以看出抽水形成的降落漏斗的等水位線主要沿三個方向展布：北方向、南方向、北偏東方向，與三條斷層的走向大致相同，導(dǎo)水性強的方向，降深等值線相對稀疏，導(dǎo)水性差的方向，等值線密，說明DCK02多孔抽水試驗形成的基巖地下水漏斗的形態(tài)，主要受F1、F2、F3三條斷裂構(gòu)造控制。

為進一步分析抽水孔與觀測孔之間的關(guān)系，進而繪制各孔水位降深隨時間變化的曲線圖(圖4)，根據(jù)降深曲線的特征分為兩類，見圖4(a)和圖4(b)。

(a) 與抽水孔水力聯(lián)系相對較好的觀測孔

(b) 與抽水孔水力聯(lián)系相對較差的觀測孔圖4 各孔水位降深隨時間變化曲線圖

圖4(a)中觀測孔的降深-時間曲線與抽水孔DCK02走勢基本一致，聯(lián)動性較好，結(jié)合圖3發(fā)現(xiàn)與抽水孔水力聯(lián)系好的觀測孔為ZK0-4、SK19等7個孔，均位于斷層裂隙帶內(nèi)，這些觀測孔雖然在水位降深上有一定差距，但都體現(xiàn)出對抽水試驗反應(yīng)迅速、水位降深幅度大的特點，說明圖3中觀測孔所在位置斷層裂隙帶與抽水孔之間水力聯(lián)系較好，是良好的導(dǎo)水通道。

圖4(b)中觀測孔的降深-時間曲線受抽水孔DCK02的影響較小，反應(yīng)較慢，結(jié)合圖3中各井孔的位置進行分析，其中DK01、DK02雖然位于F1斷層上盤裂隙帶內(nèi)，但是水位下降依然很小，說明此處斷層裂隙帶導(dǎo)水能力差，斷層為阻水?dāng)鄬樱?jīng)過長時間的抽水過程，水位未出現(xiàn)突變現(xiàn)象，存在一定的滯后期，說明斷層有一定的阻水能力；SK15和ZK11-1處于基巖完整區(qū)，與抽水孔水力聯(lián)系差；SK16距離斷層帶較遠(yuǎn)，受抽水漏斗半徑影響水位降深??；SK07、SK10在斷層與礦體的共同影響下水位降深小，反應(yīng)時間滯后，說明礦體具有良好的阻水作用。

3 多孔抽水試驗解譯分析

3.1 Aquifer test 4.2軟件解譯含水層類型

Aquifer test在解譯承壓含水層類型方面有Confined、Leaky or recharge、Barrier boundary、Double porosity、Well effects五種解譯類型[1]。

Aquifer test解譯含水層類型的步驟如下：(1)把通過抽水試驗得到的數(shù)據(jù)在Excel中整理保存；(2)打開軟件，單擊主材單中的File，再點擊Open把所保存的抽水試驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入；(3)在創(chuàng)建的工程中標(biāo)明抽水井與觀測孔，在Discharge欄中導(dǎo)入抽水井相關(guān)數(shù)據(jù)；(4)在Water levels欄中導(dǎo)入各孔的抽水?dāng)?shù)據(jù)，生成時間-降深曲線；(5)在分析欄中選擇Diagnostic Graph把生成的曲線圖與標(biāo)準(zhǔn)曲線對比明確含水層類型。

3.2 含水層類型解譯

含水層類型解譯的意義在于通過確定含水層類型，明確構(gòu)造裂隙帶各部位的含水層結(jié)構(gòu)及邊界條件。礦區(qū)三條斷裂本身透水性弱，對水力傳導(dǎo)有一定的阻礙作用，但斷層兩側(cè)裂隙發(fā)育，同時三條斷層的復(fù)合作用帶裂隙發(fā)育，巖層破碎，形成富水性和導(dǎo)水性較強的構(gòu)造裂隙含水層。為明確礦區(qū)各部位的基巖含水層類型，對DCK02多孔抽水試驗各觀測孔進行了詳細(xì)的解譯分析，其中觀測孔ZK0-4、SK20、ZK12-3、ZK11-1的解譯曲線分別為四類含水層的典型代表，對它們的解譯分析如下：

圖5 觀測孔ZK0-4單對數(shù)解譯曲線(s-lgt、ds/dt-lgt)

圖5為觀測孔ZK0-4通過軟件Aquifer test解譯出的單對數(shù)解譯曲線，圖中顯示，降深(s-lgt)曲線的趨勢為“折平拐彎”，抽水的前期和后期為近似平行直線；降深速率(ds/dt-lgt)曲線為“雙拱形”；在雙對數(shù)坐標(biāo)下(圖6)，降深(s-lgt)曲線在抽水過程的前期與后期與Theis曲線的變化較為一致，中期偏離標(biāo)準(zhǔn)的Theis曲線，而降深速率(ds/dt-lgt)曲線也為“雙拱形”，這些曲線的特點與雙重空隙介質(zhì)含水層標(biāo)準(zhǔn)曲線吻合，因此ZK0-4所處位置含水層類型為雙重介質(zhì)含水層。

圖6 觀測孔ZK0-4雙對數(shù)解譯曲線(lgs-lgt、ds/dt-lgt)

ZK0-4孔處破碎帶較強，根據(jù)ZK0-4孔解譯結(jié)果，結(jié)合圖3中該孔與F2斷層之間的關(guān)系，可以推斷出F2斷層裂隙帶儲水、導(dǎo)水情況。ZK0-4位于F2斷層構(gòu)造裂隙帶，此處構(gòu)造裂隙和基巖風(fēng)化帶微小裂隙發(fā)育，構(gòu)成均勻的裂隙網(wǎng)絡(luò)，是富水性較好的含水層，頂部風(fēng)化層透水性較強，風(fēng)化層之上是第四系底部存在粘土“天窗”，抽水初期以小裂隙釋水為主，后期大的導(dǎo)水裂隙釋水及第四系補給，解譯曲線表現(xiàn)為雙重孔隙介質(zhì)類型。

圖7 觀測孔SK20單對數(shù)解譯曲線(s-lgt、ds/dt-lgt)

圖7是觀測孔SK20的單對數(shù)解譯曲線，從降深(s-lgt)曲線可以看出在抽水過程中，曲線一直處于上升階段未出現(xiàn)“折平”現(xiàn)象， 降深速率(ds/dt-lgt)曲線則在抽水中后期體現(xiàn)出“折平”的特征，這些特征與Theis無越流承壓含水層標(biāo)準(zhǔn)吻合，因此確定觀測孔SK20所在位置的含水層類型為Theis無越流承壓含水層。

根據(jù)SK20解譯結(jié)果結(jié)合圖3中SK20所在位置可以得出，雖然SK20位于F2斷層構(gòu)造裂隙帶內(nèi)，但相對較遠(yuǎn)，因此基巖受到斷層的影響要小，所以SK20所在含水層并未表現(xiàn)出雙重空隙介質(zhì)含水層的特征。第四系底部黏土層的存在阻隔了第四系與基巖的水力聯(lián)系，使得垂向上無越流補給，因此未表現(xiàn)出有越流補給的特征曲線。從抽水試驗形成的降落漏斗形態(tài)可以看出，SK20處水位等值線稀疏，可以確定在抽水試驗期內(nèi)沒有隔水邊界影響，說明F1、F2斷裂影響帶的分布范圍有一定的寬度，滲透性良好，水力聯(lián)系好，另SK20距抽水孔較遠(yuǎn)，且在F1斷層以北，說明F1斷層西段不隔水。

圖8是觀測孔ZK12-3單對數(shù)解譯曲線圖，降深(s-lgt)曲線在整個抽水試驗過程中出現(xiàn)“折平”的特征，降深速率(ds/dt-lgt)曲線表現(xiàn)為“單拱形”，在雙對數(shù)坐標(biāo)下(圖9)，降深(lgs-lgt)曲線在抽水試驗的前期與Theis曲線較為一致，在抽水后期的曲線與時間軸趨于平行；降深速率(ds/dt-lgt)曲線表現(xiàn)為“單拱形”的特點。解譯曲線的特點表明ZK12-3所在位置的含水層為有補給的承壓含水層。

圖8 觀測孔ZK12-3單對數(shù)解譯曲線(s-lgt、ds/dt-lgt)

圖9 觀測孔ZK12-3雙對數(shù)解譯曲線(lgs-lgt、ds/dt-lgt)

根據(jù)解譯結(jié)果可以得出，隨著試驗的進行觀測孔ZK12-3地下水水位趨于一個定值，表明補給量與抽水量達(dá)到動態(tài)平衡，因此可以確定在ZK12-3所在位置第四系水通過“天窗”補給基巖水，所以基巖含水層接受垂向和橫向兩個方向的水量補給。

圖10 觀測孔ZK11-1單對數(shù)解譯曲線(s-lgt、ds/dt-lgt)

圖10是觀測孔ZK11-1的單對數(shù)解譯曲線圖，ZK11-1所在位置由于受礦體的影響水位降深出現(xiàn)較晚，因此在抽水試驗時降深曲線與降深速率曲線仍處于上升階段，降深(s-lgt)曲線有明顯的“上揚”趨勢，這一曲線特點表明次數(shù)含水層類型為有隔水邊界的承壓含水層，隔水邊界為周圍礦體。

通過對DCK02多孔抽水試驗各觀測孔解譯分析，明確了礦區(qū)各孔所在位置的含水層類型，結(jié)果見表1。

通過對馬城鐵礦抽水試驗及抽水試驗形成的降落漏斗分析，明確了礦區(qū)基巖水在三個方向上水力聯(lián)系緊密(與F1、F2、F3三斷層走向一致)，三條斷層的構(gòu)造裂隙帶導(dǎo)水性好；根據(jù)水位降深等值線的疏密可以判斷出構(gòu)造裂隙分布范圍較大；鉆孔 ZK11-1的數(shù)據(jù)說明其周圍的礦體為阻水邊界，具有較好的阻水能力。

表1 各觀測孔所在位置的含水層類型

4 3#回風(fēng)井突水

2019年3月30日3#副井-480 m水平發(fā)生突水，涌水量404 m3/h；2019年4月3日3#回風(fēng)井-900 m水平發(fā)生突水，涌水量392 m3/h； 受3#副井突水影響，ZK0-4，SK19，DGK02三個觀測孔水位出現(xiàn)了下降，進一步說明了斷層構(gòu)造裂隙帶的導(dǎo)水性，ZK15-4距離3#副井較遠(yuǎn)，未受其影響；3天后，3#回風(fēng)井發(fā)生突水時，ZK0-4，SK19，DGK02，ZK15-4反應(yīng)迅速(圖11)，且水位降深較大，說明F2斷層南段及其破碎帶導(dǎo)水性較好，驗證了抽水試驗的結(jié)論。

圖11 2019年3月30日0時起觀測孔時間-水位降深曲線

5 結(jié)語

通過對馬城礦區(qū)的群孔抽水試驗數(shù)據(jù)及施工過程中突水時水位數(shù)據(jù)進行分析，明確了礦區(qū)內(nèi)三條斷層的導(dǎo)水性，三條斷層間因有構(gòu)造裂隙帶存在導(dǎo)水性較好，其中F2斷層南段導(dǎo)水性好，北段因有輝綠巖脈填充且輝綠巖脈較完整，導(dǎo)水性較差，F(xiàn)1斷層?xùn)|北段由于有斷層泥充填導(dǎo)水性很差，西南端導(dǎo)水性較好，F(xiàn)3斷層同樣有斷層泥充填導(dǎo)水性很差。三條斷層本身均具一定的阻水作用，導(dǎo)水性較差，但其構(gòu)造裂隙帶導(dǎo)水性良好，是礦區(qū)內(nèi)主要導(dǎo)水通道，在第四系底部黏土層缺失的“天窗”區(qū)，因缺失相對隔水層，基巖與第四系水力聯(lián)系緊密，表現(xiàn)為越流補給的承壓含水層和雙重孔隙介質(zhì)含水層。