灰岩地区矿坑水回灌技术研究

赵晓明

(华北有色工程勘察院有限公司，　河北 石家庄　050000)



灰岩地区矿坑水回灌技术研究

赵晓明

(华北有色工程勘察院有限公司，河北 石家庄050000)

摘要：为减少大水矿山开采过程中由于疏干对地下水资源的破坏，研究采用回灌的形式保护地下水资源。某矿区灰岩地层的回灌能力影响着回灌工程的顺利进行，通过回灌试验对深部灰岩的回灌能力进行了研究。采用单井回灌和群井回灌的方式评价灰岩地层的回灌能力。通过试验分析，单井预计回灌量可达496.8 m3/h，群井回灌量为936.0 m3/h，试验结果表明灰岩地层具有很强的回灌能力，可做为矿山矿坑水回灌的主要回灌地层。

关键词：灰岩；回灌能力；地下水；单井灌水；群井灌水

人工地下水回灌也称为有计划的回灌[1]，是指将地表水、洪水或再生水通过地表渗滤或回灌井注水方式，补充地下水的过程。

国外地下水人工回灌工程及其研究开展较早，如20世纪60年代中期美国加利福尼亚州Orange County地区建造了再生水工程[1]。另外，加拿大、澳大利亚、印度、科威特及欧洲各国都在发展人工回灌技术。在我国，地下水人工回灌研究应追溯到20世纪60年代至70年代。上海市是我国最早开展地下水人工回灌的城市之一，特别是在管井回灌技术方面获得了大量资料和积累了丰富经验[2]。目前矿山矿坑水进行回灌的研究处于试验性阶段，矿山排水已成为地下水漏斗形成的重要因素，矿山矿坑水排除后进行回灌补充地下水资源，对于地下水资源的保护和可持续发展具有重要意义。

1回灌试验区概况

中关铁矿隶属于河北钢铁集团矿业有限公司，位于河北省沙河市白塔乡中关村，距邢台市30.0 km，距邯郸市37.0 km，距沙河市21.0 km。地理座标：东经114°01′，北纬36°55′[3]。

中关铁矿处于邢台百泉泉域地下水强径流带中，矿区中奥陶系石灰岩含水层裂隙岩溶发育，透水性强，富水性好，与区域含水层连通好，是矿区主要含水层。为保护区域地下水资源，合理开发矿产资源，中关铁矿采用全封闭型帷幕注浆方法堵截矿山地下水。

回灌试验区域位于中关注浆帷幕西250 m左右，该区域位于地下水排泄区，有助于回灌水的排泄。

2水文地质条件

在矿区范围内，发育有由下古生代到新生代所形成的沉积岩、火成岩和松散堆积物。根据含水层性质的不同可以划分为四个含水层岩组，即：第四系松散岩类孔隙含水岩组，石炭、二迭系薄层灰岩和砂页岩裂隙含水岩组，寒武、奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组，燕山期岩浆岩风化裂隙弱含水岩组。

该回灌试验区位于观6、观15、观19以东，观20、观11以西，綦村岩体以南，南至南部断层。该区受北北东向断层构造带控制，中关矿区位于白涧至中关的背斜轴部，区内断层有F4、F5、F6及F1(矿)F2(矿)、F3(矿)，岩石破碎，岩溶裂隙颇为发育。裂隙有三组，一组平行于主构造线，另外两组为斜交裂隙，一般为张扭和压扭性裂隙。该区裂隙岩溶发育，属强富水区。

3回灌试验的工程布置

本次回灌试验，回灌井利用正在施工的两个供水井(G1、G2)(以下称为回灌井)，观测系统包括新施工的5个观测孔和原供水井勘察孔(GS1)，共6个观测孔。受试验场区地形条件限制， 5个观测孔孔位在设计进行了微调。试验区钻孔平面布置见图1。

4回灌能力分析

本次试验的主要层位为-179.0～-300.0 m的灰岩，利用单井回灌和群井回灌的方式进行试验，对所取得的数据进行整理分析，利用吸水指数判断不同位置的回灌能力。

4.1单井回灌能力分析

本次回灌试验于7月26日开始，8月5日结束。回灌井为G1，观测孔7个，分别为G2、GS1、HG1、HG2、HG3、HG4和HG5。本试验段的地层的主要岩性为灰岩，裂隙发育，试验结果见图2和表1。

图1　回灌试验平面布置。

图2　回灌井-179.0～-300.0 回灌试验等水位线

项目距离/m水位差/m水力坡度/%G1→HG121.4016.3676.45G1→HG231.5516.9853.82HG1→HG210.390.625.96G1→HG314.6415.89108.54G1→HG49.6316.61172.48G1→HG553.5318.4634.49G1→GS16.9615.74226.15G1→G233.718.2354.00

G1回灌井(-179.0～-300 m)在回灌量为140.51 m3/h时，回灌井水位上升20.17 m(+40.11 m)，随着回灌量的增大至170.58 m3/h，水位抬升值也随之增大至24.53 m(+44.47 m)，由图2看出：HG3-G1-G2沿线以南等水位线密集，说明地层透水性和连通性弱，不利于回灌水的扩散。沿线以北、以东方向平缓，HG1-HG2的水力坡度仅为5.96%，说明本区地层的透水性强，有利于回灌水的扩散，可作为回灌区域。

根据《水文地质手册》(第二版)抽水试验现场资料整理部分公式，结合图解回归分析计算回灌量：

(1)

当n=1时，为直线型，用图解法确定Q；

当n=1～2时，为指数型，采用公式lgQ=lga+mlgs确定Q；

当n=2时，为抛物线型，采用公式S=aQ+bQ2确定Q。

当n>2时，为指数型，采用公式Q=a+blgs确定Q。

根据公式(1)，结合图解回归分析(见图3)计算回灌量，得：n=1.015，根据回灌时取得的Q、S数据得到a=1.85，m=1.015；因此lgQ=lg1.85+1.015×lgs，预计回灌量为496.8 m3/h。

图3　lgQ—lgS曲线(标高-179.0～-300.0 m)

4.2群井回灌能力分析

本次回灌试验于8月9日开始，8月12日结束。回灌井为G1、G2两井同时回灌，观测孔6个，分别为GS1、HG1、HG2、HG3、HG4和HG5。本试验段的地层的主要岩性为灰岩，裂隙发育。试验结果见图4和表2。

G1、G2回灌井下部回灌层位(-179.0～-300.0 m)在回灌量为200 m3/h时，两回灌井中水位上升最高位19.55 m(+41.38 m)；由图4看出：群井回灌时，HG3-G1-G2沿线以南等水位线密集，说明地层透水性和连通性弱，不利于回灌水的扩散。沿线以北水力坡度小，等水位线平缓，HG1-HG2水力坡度为3.85%，说明本段地层的透水性和连通性较强，有利于回灌水的扩散，可作为回灌区域。

图4　回灌井-179.0～-300.0回灌试验等水位线

项目距离/m水位差/m水力坡度/%G1→HG121.4014.4367.43G1→HG231.5514.8347.00HG1→HG210.390.403.85G1→HG314.6414.3898.22G1→HG49.6314.56151.19G1→GS16,9613.81198.42G2→HG519.8519.0295.82G2→G133.73.149.32

对G1回灌井进行单井回灌时，回灌量与G2回灌井的抬升关系根据公式(1)，结合图解回归分析(见图5)计算回灌量，计算得n=1.32，根据回灌时取得的Q、S数据得到a=24.7，m=1.32；因此lgQ=lg24.7+1.32×lgSG2，当回灌量为496.8 m3/h时，预计水位上升为3.7 m。

假设回灌试验范围内地层与G1回灌井透水性相近。由lgQ=lg1.85+1.015×lgs、lgQ=lg24.7+1.32×lgSG2和S总=SG1+SG2关系，当等距为30 m布孔时，群井回灌的计算式为：

(2)

式中：n为回灌井数量，口。

计算得预计回灌井水位抬升至+90.0 m时，两井同时回灌量为936.0 m3；

综上所述，单井回灌情况下,标高-179.0～-300.0 m回灌能力预计为496.8 m3/h；群井同时回灌情况下，回灌能力预计为936.0 m3/h，深部灰岩回灌能力较强。

图5　lgQ—lgS曲线(标高-179.0～-300.0 m)

5结论

通过本次回灌试验，本回灌区域标高-179.0～-300.0 m段地层范围内主要岩性为石灰岩，裂隙岩溶发育，透水性强(G1在标高-179～-300 m段单位涌水量为1.98 L/s·m)，具有很强的回灌能力(由于回灌试验回灌量限制，预计回灌井水位达到+90 m标高时G1的该层回灌量为496.8 m3/h)。深部灰岩具有较强的回灌能力，可作为矿区长期回灌地层。

参考文献：

[1]云桂春，成徐州,等.人工地下水回灌[M].北京：中国建筑工业出版社，2004：4-9.

[2]李云峰，郑书彦，田春声，等.引黄回灌研究[M].西安：陕西科技术出版社，1996：9-10.

[3]中关铁矿矿山排水回灌工程方案规划设计[R].石家庄:华北有色工程勘察院有限公司，2012.

[4]王丽娜.城市污水再生用于地下水回灌及健康风险评价[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006.

[5]董艳慧.地下水保护理论及修复技术的研究-以西安市为例[D].西安：长安大学，2010.(收稿日期：2015-07-13)

作者简介：赵晓明(1979-)，男，从事水文地质、工程地质方面工作，Email:google159753@126.com。