矿坑涌水封堵治理过程中岩溶导水通道连通性研究

高学通，王 云

(1.华北有色工程勘察院有限公司，河北 石家庄 050021；2.河北省矿山地下水安全技术创新中心，河北 石家庄 050021)

1 研究背景

强岩溶地区大水矿山矿坑涌水治理工程中常常通过地面帷幕注浆技术对导水通道进行封堵，主要导水通道的探查是帷幕工程设计与施工的基础，而连通试验是探究地下水运移方向和速率等参量行之有效的探测手段之一。关于连通试验的研究及工程应用已有很多实例，涉及示踪剂选型、投放和接收孔布置、地下水流向和流速计算、示踪剂回收率计算等诸多方面。实践表明在水源地探查、隧道及矿坑涌水探测、地下岩溶暗河探究等领域应用效果良好。聂艳华等[1]、栾崧等[2]、陈相彪[3]通过连通试验研究了上下游溶洞及地下水流动情况，探讨了连通试验在岩溶导水通道探查中的应用；陈亚峰等[4]、郝玉培等[5]以荧光素和胭脂红为示踪剂，揭示了水库坝体内外联系及渗漏通道；龚甲桂等[6]、庾乐等[7]、尹尚先等[8]采用食盐、食品红、碘化钾等示踪剂，有效探测了矿井涌水路径及水流参数；左伟等[9]利用瞬变电磁、连通试验和抽水试验查明了煤矿开采过程中，上部第四纪含水层与巷道之间的导水通道；此外，连通试验在隧道涌水探查中也取得了良好的效果[10]。综上可知，连通试验在岩溶通道及矿山防治水方面已有一些研究并取得了丰硕成果，但对于通道和矿坑间的水力联系多限于定性分析，却很少给出补给量的定量分析，在通道参数精准确定及治理方案合理制定方面仍存在一定的不足。

鉴于以上讨论，以强岩溶地区某大水矿井涌水治理帷幕注浆工程为依托，在勘察孔揭露孔内岩溶通道的基础上，通过孔内渗漏点与井下涌水点间的连通试验，探究了岩溶导水通道与涌水点间的连通性，经计算分析，充分论证其为主导水通道后，采取了“投料+注浆”综合防治措施，使矿井涌水量大为降低，取得了良好的治理效果。

2 工程概况

2.1 地层及构造

研究区内出露地层由老到新为寒武系、奥陶系和第四系。其中西部出露张夏组、崮山组、炒米店组，总体走向北西，倾向北东，倾角15°～33°，岩性主要为灰岩、泥质灰岩夹页岩，厚度651.0 m，与下伏泰山岩群山草峪组呈角度不整合接触；中部出露三山子组分三个岩性段，走向北西，倾向北东，倾角15°～20°，岩性主要为厚层白云岩，厚度约99.5 m，与下伏炒米店组呈整合接触；东部出露马家沟组东黄山段、北庵庄段、土峪段，走向北西，倾向北东，倾角15°～25°，岩性主要为灰岩，厚度301.9 m，与下伏三山子组呈整合接触；第四系主要由黏土、亚黏土、亚砂土等组成，厚度为0～13.6 m。

区内主要有北西向、近东西向和北东向三组断裂构造(图1)。而与矿坑充水相关的主要导水构造为矿坑东部的F1和F4两条断层，其中，F1断层属于近东西向断裂，总体走向85°，倾向南，倾角45°～68°，东段水平断距50 m，垂直断距85～120 m，破碎带宽0.60～29.30 m，沿走向和倾向均呈舒缓波状延展，具膨胀狭缩、分枝复合等特征；F4断层属于北东向断裂，走向为40°～50°，倾向南东，倾角60°～80°，为正断层，破碎带宽3～10 m，多被碎裂状二长斑岩脉充填。

图1 研究区构造分布简图Fig.1 Study area structure distribution map

2.2 水文地质条件概况

根据地下水的赋存介质，矿区含水岩可分为第四系孔隙含水层和碳酸盐岩裂隙岩溶含水层。其中，第四系孔隙含水层分布于矿区中部及西南冲沟地带，由黏土、亚黏土夹砾石组成。 厚度一般为3.0～6.0 m，富水性差，涌水量小于0.025 L/s；碳酸盐岩裂隙岩溶含水层在矿区内以寒武系及奥陶系地层为主，自南西向北东依次出露，为矿区主要含水岩组，岩溶率可达10%左右，溶洞高度介于0.2～5.0 m之间，渗透系数可达1.47 m/d。寒武系崮山组、长山组与张夏组二段页岩和岩浆岩顺层侵入体裂隙不发育，透水性差，为相对隔水岩层。

经对矿区地层、构造、岩浆岩分布及岩溶发育规律等的综合研究发现，矿区石灰岩含水层透水性呈现平面东强西弱、垂向上强下弱的特点。岩溶较为发育的地层主要为寒武系凤山组厚层白云岩、灰岩和奥陶系厚层石灰岩、白云质灰岩，基本上分布于矿区的中东部。经勘察，各组段钻孔溶洞见洞率见表1。

表1 各层位钻孔见洞率统计表Table 1 Statistics of karst rate of drill in each segment

矿区含水层接受大气降雨的直接补给，而矿区东部地层岩溶发育，加之F4断层、F1断层的连通作用，故推测矿区东北部可能存在河道水体与矿坑之间的排泄岩溶通道，成为矿床充水的主要因素。

3 试验目的及方案

3.1 试验目的

在对前期水文地质及勘察资料研究的基础上，充分分析矿坑涌水补给来源及导水通道位置，提出对矿坑东北部潜在导水通道进行注浆帷幕封堵的治理方案。帷幕线上断层附近Z52勘察注浆孔(孔口标高137.46 m)在钻进至208.50 m孔深时，于-67.39～-70.64 m标高位置发生掉钻，经井下电视及超声测井探测，岩溶裂隙较大，经压水试验单位透水率达到267.21 Lu，透水性极强，推断为F4断层带下盘形成的大型岩溶导水通道。 为探究Z52孔揭露岩溶通道与矿坑F4断层下盘-30 m和-70 m水平涌水点间的水力联系，拟采用连通试验查明此岩溶通道是否为矿坑涌水的主要通道，为帷幕方案设计提供参考依据。

3.2 试验方案及过程

1) 示踪剂选取与标定。考虑水质安全等环保因素，连通试验选取食盐作为示踪剂，通过电导率仪对井下涌水点水样进行电导率测定，根据所取水样电导率变化特征分析判断投放点与回收点之间的水力连通性，试验前采取涌水点水样留作含盐率-电导率关系标定使用。

2) 溶液制备与投放。试验过程中，首先将1 900 kg食盐溶于水中配置了4.8 m3水溶液，采用高速涡流搅拌机使食盐完全溶解，然后采用注浆泵将溶液注入Z52注浆孔内，注入流量维持在240 L/min，示踪剂整个投放过程持续20 min。

3) 涌水点水样监测。在示踪剂开始投放的同时，于井下-30 m和-70 m水平涌水点取水样进行现场电导率检测，检测频率为5 min/次，试验结束依据以电导率恢复或接近背景值为准。Z52孔揭露岩溶通道位置与-30 m水平涌水点水平和垂直距离分别为165 m和170 m，与-70 m水平涌水点基本处在同一标高，水平距离约为347 m。

4 试验结果分析

4.1 电导率历时曲线分析

图2为-30 m和-70 m水平涌水点水样电导率变化历时曲线。 由图2可知，-30 m水平涌水点地下水电导率背景值在690 μs/cm左右，试验20 min后水体电导率开始增大，于55 min时达到峰值3 620 μs/cm，增长速率较快。 之后转入下降阶段，速率相对较低，于2 h 30 min时电阻率降为920 μs/cm左右，随之进入缓慢下降阶段，并于4 h时趋于相对稳定值700 μs/cm左右，基本回到试验前的背景值。-70 m水平涌水点水样电导率背景值约为625 μs/cm，试验开始50 min后水体电导率开始上升，并于1 h 10 min时达到峰值1 306 μs/cm，之后缓慢下降，2 h 30 min时水体电导率趋于稳定值627 μs/cm，与背景值基本一致。

对比连通试验过程中两个水平涌水点地下水电导率的变化特征可以发现，两处水体电导率背景值存在差异，说明水中溶解的物质有所区别，可初步判断两个涌水点地下水主要补给通道存在差异。 -30 m水平相对于-70 m水平水样电导率增大起始时间较早，峰值大，恢复至背景值用时长，说明Z52孔揭露的岩溶通道与-30 m水平涌水点连通性较好，通道规模大，溶于该通道水体中的示踪剂需要较长时间才能完全消散。该通道与-70 m涌水点也存在一定的联系，其中有少部分示踪剂运移至该处，同时由两个涌水点水样电导率背景值存在差异说明-70 m涌水点还有其他地下水补给通道，但规模较小，总量有限。经分析认为，Z52孔揭露的岩溶通道主要-30 m水平涌水点提供补给，而只有很小部分分流汇入-70 m水平涌水点。此外，由电导率变化历时曲线呈单峰型，可知两个涌水点含盐地下水来源路径单一，对导水通道的治理有利。

图2 涌水点地下水电导率历时曲线Fig.2 Diachronic curve of groundwater conductivity at outflow point

4.2 电导率-浓度关系标定

该矿区地下水含有较多黏土杂质，水质浑浊度较高，其中溶解的黏土和其他矿物成份对电导率有显著影响。因此，为更好地了解连通试验中食盐投放量与水样电导率之间的关系，并为回收率等参数计算提供依据，连通试验前取-30 m水平涌水点水样进行电导率—食盐浓度关系的室内标定试验。由图3可知，水样电导率随食盐浓度的增大而增加，二者存在良好的线性关系，拟合系数R2=0.997 4，标定效果良好。拟合公式见式(1)。

图3 电导率-食盐浓度关系标定曲线Fig.3 Calibration curve of conductivity-salt concentration relation

y=1 515x+693.93

(1)

式中：y为电导率，μs/cm；x为食盐浓度，kg/m3。

4.3 示踪剂回收率及流速计算

示踪剂回收率计算可有效查明投放点与回收点间地下水的水力联系，定量分析投放点过水通道水体汇入涌水点的比例，揭示岩溶通道分布结构及导水规律。 食盐回收率根据式(2)和式(3)进行计算[1]。

(2)

(3)

式中：P为示踪剂回收率，%；M为示踪剂投放质量，kg；M0为示踪剂回收质量，kg；Ci为i时刻涌水点示踪剂浓度，kg/m3；Qi为i时刻涌水点流量，m3/h；Co为示踪剂背景浓度值，kg/m3；Δt为监测时间间隔，h。

由图2初步判定，Z52孔所揭示的岩溶通道与-70 m水平涌水点联系不大，且-70 m水平出水量仅为600 m3/d，故只计算分析连通性较好的-30 m水平涌水点食盐的回收率。其中，示踪剂投放质量不考虑-70 m水平分流影响，取值为1 900 kg，监测时间间隔Δt为5 min，-30 m水平涌水点总出水量为2.4万m3/d，结合电导率-浓度拟合公式及电导率变化历时曲线，采用式(3)可得，-30 m水平涌水点食盐回收质量为1 680.61 kg，回收率为88.45%。若考虑-70 m水平涌水点分流作用，则-30 m水平涌水点食盐回收率将会更高。计算结果定量地说明Z52孔揭露的岩溶通道与-30 m水平涌水点具有很好的连通性，且来自Z52孔揭露通道的地下水绝大部分通过-30 m水平涌水点排泄进入矿坑。以历时曲线上的峰值时间作为地下水平均流动时间，采用投放点与各监测点的直线距离来计算，-30 m和-70 m水平涌水点平均流速分别为3.09 m/min和4.96 m/min。

通过计算回收率和地下水流速可以看出，与-30 m水平涌水点关联的补给通道水量大，但是流速相对较低，说明该通道发育规模大，过流断面面积较大，地下水补给来源充沛；而与-70 m水平涌水点关联的补给通道水量小但流速高，证明与其关联的导水通道规模较小，但水头压力相对较大。基于上述分析，对与-30 m水平涌水点关联的导水通道应在Z52附近加密钻孔，进一步揭露该通道的其他部位，提高治理效率和质量。

4.4 主要导水通道的治理

通过本次连通试验，证明了Z52注浆孔揭露的岩溶构造为矿坑-30 m水平最大涌水点的主要补给通道，该涌水点在丰水期涌水量可达8万m3/d，对井下生产造成严重安全隐患。针对该通道，在其周围进行了注浆孔的加密和帷幕线加排，使相邻孔距缩短至4 m，同时在上游一侧增加了一排注浆孔，其中有5个钻孔均揭露该岩溶通道。针对该通道先后投入石子骨料2 600 m3左右，间歇注入水泥浆和水泥-水玻璃双液浆达3 000 m3左右，实现了该集中导水通道的有效封堵。经2019年丰水期验证，治理后该涌水点水量不足500 m3/d，且经受住幕体内外高水头差的考验。本次连通试验有效指导了该通道的治理，降低了无效区域钻探工作量的投入，保证了丰水期矿山的安全开采，节约了排水费用，同时矿区周边地下水位抬升最大达80 m，附近村庄几近干涸的水井得以恢复供水，取得了显著的经济效益和社会效益。

5 结 论

1) 通过连通试验并进行示踪剂回收率计算，有效查明了矿坑涌水点的地下水补给通道，对于分析注浆孔揭露岩溶通道与井下涌水点的水力联系，计算补给水量具有较好的适用性。

2) 依据连通试验分析结论，对注浆孔揭露的集中通道采用了“投料+注浆”封堵模式，治理后涌水点水量大幅下降，证明了连通试验分析结论正确，上述岩溶通道探查方法为类似大水矿山的地下水治理提供了思路。