地下岩溶及其构造与阻水相关的特征分析及阻水效果研究

陈七五 李建中

（1.中南大学地球科学与信息物理学院 长沙市 410083；2.中国有色金属长沙勘察设计研究院有限公司 长沙市 410011）

地下工程安全问题至关重要，地下水往往是地下工程安全的重要隐患，如果处理不当就会引起透水或淹没等灾难事故，给国家和人民生命财产造成了巨大损失。因此，对场区工程地质、水文地质条件进行深入的研究显得非常重要。

本文以江西某矿作为研究对象，工程区面积约5 km2。场区《详细勘探地质报告》中首次提出了场区内存在“东阻水体”这一概念。随着地下巷道深度的加大，安全问题越来越受到重视。近年来不少专家学者对“东阻水体”分别进行了研究，有关“东阻水体”的阻水性能各持有不同的观点。为了彻底探明“东阻水体”的阻水性能，本次研究做了大量的物探工作以确定“东阻水体”的空间分布，并在“东阻水体”及其两侧布置了6个钻孔进行抽水、压水、注水等试验，以此来验证其“东阻水体”的阻水效果。

1 场区工程地质及水文地质条件

1.1 区域地质构造

工程区位于下扬子台拗（Ⅱ级构造单元）中部，瑞昌——彭泽陷褶束（Ⅲ级构造单元）之中东段，南北分别与江南台隆和淮阳地盾毗邻。区内地质构造复杂，形迹明显，断裂、褶皱、岩浆活动均很强烈，具有多期次构造活动的特点，其主要构造线方向为NEE、NW—NNW及NE—NNE。区内褶皱由北向南依次有界首——大桥背斜、横立山——黄桥向斜、大冲——丁家湾背斜，褶皱轴线由西至东，由NEE逐渐转至NE，略带弧形；背、向斜平行排列，为紧闭型线状褶皱；由北至南，褶皱轴面由南倾逐渐变为直立。

1.2 地层分布

根据区域地质调查及场区勘察资料，场区分布的地层自上而下有：

（1）第四系残坡积成因的粉质粘土和碎石土，厚（3～30）m，平均厚 17m。

（2）三叠系嘉陵江组和大冶组上段（T1d2）灰岩夹页岩，地层走向 65°～75°，倾向 155°～165°，倾角 60°～75°；三叠系大冶组下段（T1d1）黄绿色、绿色泥质钙质页岩，全风化后呈粘土状、碎石土状，层理尚清楚。

（3）二叠系长兴组（P2c）上段为硅质页岩，下段为中厚层层状含燧石结核灰岩，倾向157°～167°，倾角58°～65°，在页岩和灰岩之间局部夹炭质页岩和煤层透镜体；二叠系龙潭组页岩、茅口组炭质页岩及煤层，栖霞组灰岩。

（4）石炭系黄龙组灰岩。

（5）泥盆系五通组含砾石英砂岩、石英粗砂岩；

（6）志留系纱帽组石英细砂岩、砂质页岩。其地质构造与地层分布如图1所示。

图1 场区地质及水文地质简图

1.3 地下水系统

工程区位于长江中下游低山丘陵区，基岩地层产状较陡，沿南北方向地层变化大。全区主要接受大气降水及少量地表水体的补给，巷道排水目前是地下水的主要排泄方式。由于有相对隔水岩层的存在，区内地下水又分为3个地下水子系统（图1）：

（1）茅口组炭质灰岩相对隔水层，以北为北区地下水子系统，主要含水层为二叠—石炭系栖霞黄龙灰岩岩溶裂隙含水岩组，且含水层之间联通性较好，平均厚度209m左右，为非均质岩溶裂隙含水组。

（2）大冶组页岩与茅口组炭质灰岩之间为中部地下水子系统，主要含水层为二叠系长兴茅口灰岩岩溶裂隙含水组，厚度达370m。

（3）大冶组页岩以南为南区地下水子系统，主要含水层为三叠系嘉陵江大冶灰岩岩溶裂隙含水组，平均岩层厚度约507m，岩溶发育具有近矿体强远离矿体弱，浅部强深部弱的变化规律。

场区主要构造为横立山-黄桥向斜的次级向斜（黄桥向斜），核部为三叠系大冶嘉陵江组碳酸盐岩地层，上部为第四系冲湖积层所覆盖，翼部为大冶组页岩隔水层。矿区地势南北高，西边较东部高，中间为大范围的第四系覆盖区地势平坦，相对较低，形成了矿区北、南、西三面封闭、东部开口的向斜汇水构造。由于场区第四系覆盖层厚度大且透水性差，降雨要经第四系覆盖层后才能下渗至三叠系灰岩含水层，降雨入渗补给条件很差。同时由向斜构造形成的半封闭汇水区也阻隔了西部区域地下水往场区方向的运动，切断了区域地下水与场区地下水的联系，仅在场区南部檀山坳向斜狭长的条形灰岩含水层中有少量地下水往东部场区方向运动。上覆盖层及西部隔水层的存在使得场区地下水的补给、径流等水动力条件较差，因而造成场区范围内的岩溶发育程度较区域岩溶（场区以西）发育相对较弱，主要以小型的隐伏岩溶洼地、溶蚀裂隙、溶穴为主；而高差不大的地形条件进一步影响了地下水循环深度，也限制了工程区岩溶的发育深度。

2 东阻水体的构造特征

2.1 东阻水体构造特征

工程区东阻水体东面是尾矿池和赤湖，西面是矿山，东阻水体是否具有阻隔东部地表水体和地下水进入西部场区的作用，对于地下巷道的开采施工至关重要，东阻水体的位置如图2所示。东阻水体以F11为西边界，以F12为东边界，包括F12以东80m宽的破碎岩体。 东阻水体地段主要有 F11、F12、F1、F2断裂，其构造特征如表1。

图2 东阻水体分布及水文地质试验孔布置

表1 东阻水体构造特征

2.2 东阻水体岩性特征

东阻水体所在的地段是隐伏岩溶区，岩溶形态有溶洞、溶孔、溶蚀裂隙，其中80%的岩溶溶洞被粘土、粉土、砂、碎石等混合物充填。东阻水体处岩溶特征为：

（1）溶洞的充填率较高，为阻水体提供了较好的条件。

（2）阻水体以东位置仍存在强岩溶发育区，说明东部仍存在有大量岩溶裂隙水进入坑道的可能。

（3）二迭系炭质灰岩连续性好，岩溶不发育，具有较好的隔水功能。

（4）栖霞、黄龙灰岩的岩溶发育，受构造和硫化矿床影响明显，且随深度增加逐渐减少趋势。

3 东阻水体阻水效果试验

3.1 抽水试验布置

为了检验东阻水体的阻水性能，了解北部场区深部水动力条件及巷道抽水时场区内降落漏斗在东部方向上水头降低情况，分别在东阻水体及其两侧布置了6个钻孔，钻孔编号分别为WK1、WK2、WK3、WK4、WK5、WK8。其钻孔布置如图2所示。钻探过程中，上部岩溶发育部位采用膨润土掺水泥泥浆钻进，下部岩溶不发育区采用清水钻进。钻孔WK3、WK4、WK5均穿过了F11断层进入东阻水体的下盘。各钻孔位置、深度及揭露的地层见表2。

表2 水文地质试验钻孔

现场水文地质试验包括抽水、压水、注水和弥散试验，本文重点以抽水试验的结果进行研究。WK3为抽 水 孔 ，WK1、WK2、WK4、WK5 和WK8为观测孔。主要抽水试段为茅口、栖霞灰岩。抽水试验采用的水泵抽水能力为20 t/h，扬程248m，水泵下至井深195m处，并下有190.50m的测水管。

3.2 抽水试验结果及分析

抽水试验从2011年3月20日14：35开始，起始抽水流量为500m3/d，初始水位-71.10m，6 h后水位降至-78.68m，抽至22日13时，水变清；由于测水管被堵，至23日水位没有变化，23日14点30分停泵重新安装测水管，于24日15时重新开泵抽水，抽水量为480m3/d，抽水1h，水变清，水位标高-80.18m。25日2时，水变浑浊，经过几次调小水量，以保证水位在190m以上，于27日1时水变清。30日7时孔内水再次发生浑浊，当天18时才抽清水。抽水期间水位一直下降，水量不断调小，至31日14时停泵前，水位标高-91.95m，水量276.77m3/d。抽水试验是3月31日14点停泵，停泵后即观测孔内恢复水位，水位恢复较慢，直至4月9日22时才恢复到-71.10 m。整个抽水试验总共历时20天。抽水历时曲线及水位标高如图3所示。

3.3 试验结果分析

从图3可以看出，观测孔WK2、WK5的初始水位均比抽水井WK3初始水位低，而WK1、WK4、WK8比抽水井WK3初始水位高。抽水试验进行时，随抽水井中水位降深的不断增大，观测孔WK2、WK4、WK5中水位具有随之降低的特性，而观测孔WK1、WK8中水位不降反而小幅上升。为了探讨观测孔水位随抽水降深的变化规律，将各钻孔降深变化绘制成图4所示。

图4清晰地反映出，抽水试验划分为二次进行，第一次抽水因测水管堵塞，抽水井WK3中的水位并不能真正反映抽水井的水位降深，虽然观测孔WK4中的水位具有类似的变化趋势，也不能反映观测水位的真实值。特别是距离抽水井WK3比较近的观测孔WK2和WK5，抽水井WK3抽水井中水位下降，而观测孔WK2和WK5中的水位反而上升，最大上升幅度超过6m，这显然不符合实际。分析其原因，主要是钻孔钻进过程中，上部使用了膨润土加水泥制作的泥浆护壁造成堵塞，致使含水层中的地下水不能进入抽水井中。另外，水位变化幅度范围内岩溶也比较发育，溶洞和溶孔被粘性土及粉质粘土充填，造成了观测数据的失真。

图3 抽水试验历时曲线及水位标高

图4 抽水孔和观测孔水位降深

停止抽水后等待水位恢复，再进行第二次抽水试验，这一阶段的前期仍然有浑水不断进入抽水钻孔，进一步证实泥浆护壁和岩溶充填物存在，观测数据仍然存在很大误差。到抽水试验的后期，随着洗井工作的结束，试验数据才具有一定的可靠性。观测孔WK2、WK3和WK5随抽水试验的进行具有比较类似的变化规律，说明了F11断层具有较好的导水性。观测孔WK1和WK8随抽水试验的进行水位反而小幅上升，分析其原因主要是由于这两个观测孔距离抽水井比较远，抽水过程本身对并其没有影响，而是随临近的赤湖等地表水体的水位变化而发生波动。由此可以判断，钻孔WK1和WK8中地下水与抽水孔WK3没有明显的水力联系，也由此可以证明东阻水体具有较好的阻水性能。

抽水试验停止后，WK2和WK4中的水位随抽水井中的水位上升不断上升，具有同步效应，而WK5的水位恢复并不明显。WK2的水位恢复没有达到第二次抽水试验时的水位，进一步说明原来WK2中的水位并不是真实的初始水位。

比较图3和图4不难看出，WK2、WK5的初始水位比抽水井WK3初始水位分别低172.16m、136.20 m，这主要是WK2位于东阻水体以西场区一侧，巷道疏干排水是该观测钻孔水位较低的重要原因。WK5虽然位于东阻水体，但钻孔穿过了F11断层，实际上钻孔地下水反映的特征与WK2类似。WK2、WK5与WK3的间距分别为 54.17 m和 132.50 m，WK2与WK3水力坡度达到了3.18，在疏干量不大的情况下能产生如此大的水力坡度，说明下部岩溶裂隙并不发育，连通性较差，地下巷道涌水量并不大。

4 结论

通过上述分析，对东阻水体阻水性能的研究可以得出以下主要结论：

（1）东阻水体西边界F11断层具有一定的导水性，但F11断层的下盘是矿山岩体，倾向NE，具有比较好的完整性，且赋水性比较差。

（2）东阻水体中地下水与东部地表水体及地下水联系并不密切，抽水试验证明东阻水体具有比较好的阻水效果。

（3）地下巷道施工在F11断层西侧进行，F11断层下盘必须预留一定的距离以保证有足够的抗剪强度防止东阻水体的向下滑移，同时要防止F11断层遭到人为破坏。

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