黃海軍

(湖南省核工業(yè)地質(zhì)局三〇一大隊，湖南 長沙 410011)

1 前言

溶洞充水類礦床是以溶洞充水為主的巖溶充水類礦床[1,2]，多分布在我國南方地區(qū)[3]，如南嶺一帶的大多數(shù)金屬礦床，以及長江中下游地區(qū)如湖南、江西、湖北和廣東等地的二疊紀(jì)煤田等，其充水巖層主要為泥盆、石炭、二疊、三疊等各時代的可溶性碳酸鹽類地層。湖南湘東鐵礦及湘中煤田亦屬于該類。

本文根據(jù)溶洞充水類礦床的水文地質(zhì)特征，結(jié)合礦區(qū)勘探與開采實踐資料，在對礦床水文地質(zhì)分類和礦坑水防治進(jìn)行探討的基礎(chǔ)上，提出該類溶洞充水類礦床的主要勘探方法。

2 溶洞充水類礦床水文地質(zhì)特征

這類礦床的水文地質(zhì)特征是:礦床大部分位于山間盆地(向斜)；巖溶含水層頂(底)板為非可溶巖所隔；可溶巖大量裸露于礦區(qū)周圍，并傾伏于地下；巖溶形態(tài)以溶洞裂隙為主；控制巖溶發(fā)育的主要因素為巖性和構(gòu)造，強(qiáng)大靜水壓力沿構(gòu)造帶向深部循環(huán)；礦區(qū)內(nèi)有統(tǒng)一含水層，抽水試驗?zāi)苄纬裳貛r層走向發(fā)育的橢圓形降落漏斗；巖溶水主要靠大氣降水通過區(qū)域含水層補給，以構(gòu)造泉形式排泄；地下水以水平運動為主，季節(jié)性變化小；礦區(qū)補給水源充沛，儲存量很大，補給量常穩(wěn)定在每天幾萬至幾十萬立方米；淺部溶洞常被充填；當(dāng)?shù)V井地下水位大幅度下降后，在含水層露頭區(qū)，第四紀(jì)地層與基巖“天窗”接觸部位常引起地面塌陷。溶洞充水類礦床特征見表1。

表1 溶洞充水類礦床特征表

3 溶洞充水類礦床勘探方法

根據(jù)礦區(qū)勘探經(jīng)驗，正確圈定區(qū)域含水層分布面積，查明礦層底板巖層富水性，評價礦坑水高壓補給量及其與儲存量的轉(zhuǎn)化關(guān)系，是此類礦床水文地質(zhì)工作的主要內(nèi)容。

該類型礦區(qū)的主要勘探方法是:以大降深、大水量及較長時間的抽放水試驗為主，輔以區(qū)域水文地質(zhì)測繪、綜合研究及動態(tài)觀測等工作。

3.1 查明巖溶分布及發(fā)育規(guī)律是前提與基礎(chǔ)

通過水文地質(zhì)勘查工作，查明礦區(qū)巖溶分布及發(fā)育規(guī)律，是評估礦床開采時的巖溶塌陷風(fēng)險、礦坑涌水量的前提與基礎(chǔ)。主要是查明礦區(qū)巖溶在平面上、垂向上發(fā)育分布的特點、巖溶發(fā)育程度、溶洞充填物的性質(zhì)、充填程度及其分布特點。在勘查工作中，對本類礦床應(yīng)通過加強(qiáng)鉆孔的簡易水文地質(zhì)工作，進(jìn)行鉆孔巖溶率、鉆孔見洞率的測定和統(tǒng)計，配合以地面電磁法、地面瑞雷面波法、物探測井等進(jìn)行巖溶發(fā)育程度的分區(qū)及縱向上巖溶發(fā)育分帶。結(jié)合抽水資料和水文地質(zhì)條件的分析對巖層的富水性、礦床的充水條件進(jìn)行評價，查明地下水的補給、徑流、排泄條件，對礦坑涌水量進(jìn)行預(yù)測。

3.2 區(qū)域水文地質(zhì)測繪

區(qū)域水文地質(zhì)測繪是從宏觀上認(rèn)識溶洞充水類礦床巖溶發(fā)育規(guī)律的主要手段。其工作范圍應(yīng)包括一個完整的水文地質(zhì)單元[2]，從空間上查明巖溶含水層的通道、補給源和邊界。溶洞充水類礦床在進(jìn)入勘探之前，應(yīng)按規(guī)范要求開展區(qū)域水文地質(zhì)測繪。

以往水文地質(zhì)工作往往存在兩個問題:一是工作范圍局限于礦區(qū)，二是水文地質(zhì)測繪質(zhì)量不符合勘探規(guī)范要求。湖南煤炭壩礦區(qū)自建礦以來，一直采用地面滲漏點堵漏和井下強(qiáng)排疏干的綜合防治方案對地下水進(jìn)行治理。多年來的強(qiáng)排疏干使得區(qū)域地下水位不斷下降，其疏降漏斗范圍目前已經(jīng)超過350 km2，整個礦區(qū)的總涌水量高達(dá)12 500 m3/h，其中五畝沖礦3 000 m3/h，西峰侖礦3 000 m3/h，竹山塘礦6 500 m3/h，年排水費用突破1.2億元，2009年的平均噸煤排水成本即高達(dá)150元，嚴(yán)重制約了礦區(qū)的發(fā)展，井下多次發(fā)生突泥事故。該礦的水文地質(zhì)問題之所以越來越復(fù)雜，即因過去礦區(qū)勘探以至礦區(qū)生產(chǎn)階段的水文地質(zhì)工作都只局限于礦區(qū)(煤層分布區(qū))范圍內(nèi)，而對區(qū)域含水層和隔水層的分布、邊界條件、地下水補給、徑流條件及含水層間互補關(guān)系等均不甚清楚。雖然掌握了大量的礦區(qū)水文地質(zhì)資料，但要提出一個比較切合實際的治水方案，目前仍有難度。

3.3 地面巖溶塌陷

地面巖溶塌陷是這類溶洞充水類礦床水文地質(zhì)和工程地質(zhì)問題中的嚴(yán)重和要害問題[3]，因此，在水文地質(zhì)勘探中必須放在首要位置。在勘探中對可能產(chǎn)生塌陷的地區(qū)，必須預(yù)測和評價其塌陷程度、影響范圍，預(yù)測和評價由此可能產(chǎn)生的礦區(qū)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件的變化及其對礦山建設(shè)的危害。當(dāng)?shù)V區(qū)附近有地表水體時，要查明巖溶塌陷引起地表水體灌入礦區(qū)的可能性。

為此，應(yīng)從研究第四系松散覆蓋層的巖性、厚度及分布情況入手，查明巖溶分布規(guī)律和充填情況，特別是淺部(尤其是古溶蝕面)溶洞的分布和充填程度；根據(jù)巖溶塌陷形成的一般規(guī)律和地下水位、水壓力等條件，初步劃分出可能產(chǎn)生地面塌陷的區(qū)域；布置一定數(shù)量的觀測孔，通過一定強(qiáng)度的抽水試驗進(jìn)一步暴露巖溶地面塌陷的形成條件，并進(jìn)行巖溶塌陷的預(yù)測評價。

3.4 抽水試驗強(qiáng)度

鉆孔抽水試驗是研究巖溶塌陷問題的重要手段，也是進(jìn)行礦床富水性評價的重要方法，是獲取含水層滲透張量參數(shù)的主要方法[4]。賦存于這類礦床中的地下水，一般水量較大。20世紀(jì)50年代主要采用小口徑鉆孔(開孔Φ150 mm)做抽水試驗，60年代以來南方個別礦區(qū)進(jìn)行大型井下放水試驗(如湖南斗笠山煤礦)，也有采用大口徑鉆孔進(jìn)行抽水試驗的(如廣東凡口礦區(qū))。此后，全國各大礦床多采用上述抽、放水試驗。抽放水量從幾十到幾千 m3/h不等，有的甚至形成半工業(yè)性生產(chǎn)試驗，抽水量達(dá)5 400 m3/h，抽水強(qiáng)度愈來愈大。

如湖南清水鐵礦，1970年前采用單孔小孔徑抽水試驗，最大抽水量為21.32 L/s，最大降深為3.86 m，鉆孔單位涌水量為26.29 L/(s·m)。抽出的總水量只占主要排泄點——絲瓜塘泉水流量的14.6%。1971年9月，因礦山供水需要，在礦區(qū)北部打供水井一口，排水量為208 m3/h，為泉水總流量的3/5。經(jīng)4年抽水，地下水位也無明顯下降。1975年，又另增加兩個大口徑鉆孔，進(jìn)行孔群抽水試驗，排水最大達(dá)到133.73 m3/s(略超過當(dāng)時泉水總排泄量)，抽水34 h后泉水被疏干，且水位連續(xù)下降，降落漏斗迅速擴(kuò)展至邊界，觀測孔水位出現(xiàn)等幅同步下降。停泵后，水位恢復(fù)緩慢，平均每天上升0.68 m，證明礦區(qū)地下水以儲存量為主。又如河北武安楊二莊鐵礦，第一期抽水工程有主孔1個，觀測孔11個，抽水量為3 200 m3/h，水位下降1.3～1.5 m。根據(jù)抽水試驗資料預(yù)測，-100 m中段礦坑涌水量為160 000 m3/d，經(jīng)詳細(xì)研究邊界條件后，又進(jìn)行第二期抽水工程，設(shè)主孔11個，觀測孔 1 4個，抽水量為2.8～3.9萬 m3/d，累計降深為38.5～40.5 m。停泵后，水位仍以0.3 m/d的速度下降，未能穩(wěn)定。9天后，恢復(fù)區(qū)內(nèi)水位尚比抽水前低5.1～5.3 m。這說明礦區(qū)地下水系以儲存量為主，側(cè)向補給不足。基于這一認(rèn)識，說明當(dāng)時預(yù)測的礦坑涌水量為50 000 m3/d有些偏大。

綜上所述:(1)大降深、大水量及長時間的群孔抽水(坑下放水)試驗，是該類型溶洞充水類礦床水文地質(zhì)勘探的重要手段；(2)巖溶充水礦區(qū)，含水層往往厚度大，分布面積廣，儲存量大。在勘察工作中，必須加強(qiáng)巖溶地下水的補、徑、排、儲四個方面的綜合研究，只有當(dāng)抽水量超過補給量時，方能查明礦區(qū)地下水是以儲存量為主還是以補給量為主的實質(zhì)。

3.5 抽水試驗應(yīng)盡可能達(dá)到暴露巖溶塌陷的要求

勘探時期抽水試驗工作要充分考慮塌陷這個因素。降深盡量大一些，抽水時間長一些。一般說來，當(dāng)含水層為承壓水時盡量能抽成潛水，以暴露巖溶塌陷情況。由于過去對巖溶塌陷問題認(rèn)識不足，在抽水試驗時對這方面注意不夠，如陽春石錄銅礦，勘探時抽水降深3.23 m，未引起巖溶地面塌陷，因而也未能進(jìn)行這方面的預(yù)測工作，其后礦床排水疏干時礦坑中心水位降深5.25 m，即開始出現(xiàn)地面開裂、沉降、塌陷，當(dāng)水位降深21.97 m時共產(chǎn)生近千個塌陷，大大改變了礦區(qū)的水文地質(zhì)條件，從而也影響了礦坑涌水量的正確預(yù)測評價。抽水孔組應(yīng)布置在強(qiáng)巖溶發(fā)育帶以造成影響范圍更大、水力坡度更陡的人工流場，使之更接近開采條件，以獲得更準(zhǔn)確的計算參數(shù)或暴露邊界巖溶塌陷資料。

3.6 水文地質(zhì)鉆孔底板控制深度

溶洞充水類礦床的主要含水層常位于礦層底板(如湘東鐵礦、湘中煤田、華北煤田等)?？碧綍r應(yīng)向礦層以下繼續(xù)鉆進(jìn)若干米，以便了解巖溶發(fā)育情況。加深的深度可根據(jù)巖溶含水層成楔形分布的規(guī)律，淺部至少加深50 m，深部可少于30 m，并要求有2～3條系統(tǒng)剖面控制巖溶發(fā)育帶，結(jié)合物探測井資料，劃分強(qiáng)弱含水帶。

3.7 地下水動態(tài)觀測

地下水動態(tài)是地下水運動規(guī)律的一個綜合反映，如該項工作在平面控制上合理，觀測時間連續(xù)性好，觀測年份較長，則可說明以下問題:

(1)根據(jù)地下水周期性變化幅度，可以提供礦山防洪依據(jù)；

(2)依據(jù)多年動態(tài)觀測，結(jié)合礦山排水資料，可初步揭示補給量和儲存量之間的相互關(guān)系；

(3)根據(jù)區(qū)域降落漏斗形態(tài)變化，可提示地下水流流向、水源邊界和地下水通道等信息；

(4)結(jié)合分析礦山排水資料，可為礦山供水提供依據(jù)。

眾多經(jīng)驗證實，地下水動態(tài)觀測工作，只能加強(qiáng)，不可削弱。例如清水鐵礦區(qū)，經(jīng)3年的地下水長期觀測資料證實，地下水動態(tài)變化受降水制約，形成“雨季集中補給和旱季消耗儲存量”的特征，年變化呈現(xiàn)不對稱波狀，為礦山排、供水提供了重要依據(jù)。又如武安西石門鐵礦，多年觀測資料說明，地下水位變化與當(dāng)?shù)貧庀笾芷谝恢?，故地下水長期處于非穩(wěn)定運動狀態(tài)，年洪、枯水位差最大可達(dá)百米，這就決定了礦區(qū)地下水調(diào)節(jié)量是很大的。

4 結(jié)語

溶洞充水類礦床水文地質(zhì)勘探工作，是一項綜合性很強(qiáng)的工作，關(guān)系到地質(zhì)工作的成敗與效益。應(yīng)重視總結(jié)和進(jìn)一步完善不同類型溶洞充水類礦床水文地質(zhì)特征及其勘探方法的研究，為充實與健全礦區(qū)水文地質(zhì)工作規(guī)范提供依據(jù)，確保安全生產(chǎn)和資源的高效利用。