基于系统观的矿山地下水动态监测探讨

黄澎涛

(中国煤炭地质总局地质集团有限公司，北京 100073)

地下水动态监测是观测地下水动态的“火眼金星”，能够实时监测地下水动力场、化学场、渗透场和温度场等动态参数，为研究地下水运动规律、制定矿山防治水方案提供可靠信息来源，是防治水工作不可或缺的工程地质技术方法[1-5]。但事实上在很多煤矿，地下水监测在地下水害预测预报中功效甚微。因此如何有效发挥地下水动态监测作用是矿山水文地质工作亟待破解的难题。

1 矿山地下水监测的现状

现行《煤矿防治水规定》第二十四条规定，地下水动态观测点应当布置在“对矿井生产建设有影响的主要含水层……”。现行《煤、泥炭地质勘查规范》规定：水文地质勘查要对各类充水矿床的复杂井田(矿区)建立地下水动态长期观测网，直接(间接)充水含水层的长观钻孔数为6～8个。这些规定集中体现了传统水文地质学的“含水层思维”[6]，即地下水的补径排和贮存均在含水层地质体中，把含水层作为基本的功能单元进行矿区地下水监测。目前，地勘单位和矿山水文地质工作都严格执行这些规程规范[7-8]。

然而，含水层理论并不是预测预防矿山地下水灾害的宝匙，煤矿在矿井防治水方面虽投入巨资建立了地下水监测井，进行了大量传统意义上的水文补勘和探放水，但每年仍不时有地下水透入或突入矿井造成灾害事故，地下水监测井的大量数据在防治水预测预报中发挥的作用不尽人意。出现这种状况的原因主要是：监测孔空间布局不尽合理，既整体存在冗余监测井，局部重点地段密度又不够，单井的观测层位代表性差，地下水动态监测频率不配匹，井上井下众多孔或点位的地下水监测信息有着“数据丰富但信息贫乏”的综合症[9]；监测井建设技术和监测手段落后，封闭单孔多分层观测技术未能突破，建设和维护费用高；不能同时监测水质和水位、水温，使得地下水评价缺少完整性等。

2 基岩含水介质的系统性与监测孔思考

岩石学研究证明，在坚硬基岩中，一般不存在或存留少部分颗粒间的孔隙，可溶岩成岩后的孔隙度通常只有原来1%～3%，其孔隙主要由裂隙和溶隙组成。裂隙所占空间只有基岩岩体的千分之几至千分十几，且由于岩性变化和构造应力分布不均匀，裂隙通常很难在整个岩层中均匀分布，多数情况下由一条或几条主干裂隙汇同周边中小裂隙，在空间形成规模不一的带状或树状结构的网络；只有当薄脆性岩石夹于厚层塑性岩层中，变形应力均匀，才能在整个岩层中形成密集均匀的张裂隙；在发生构造变形时脆性岩层与塑性岩层界面的脆性岩层中易形成丰富的层面裂隙[10]。胡海涛认为构造体系是控制基岩地下水的埋藏、分布和赋存规律的主导因素，而且同一构造型式中不同级次不同部位有着不同的富水性[11]，表现出明显的各向异性和不均一性甚至突变性。基岩构造水文地质学表明，裂隙水流只发生在导水裂隙系统的各裂隙通道内，联通性好，通道外没有水流[10,12-13]，与围岩形成极大的透水性差异；一个含水系统往往由若干个传统含水层和相对隔水层组成，同一传统含水层又可能包含着若干个规模不等互不联系的含水系统[14]。事实上，传统水文地质学也是把基岩地下水定义为裂隙水或岩溶裂隙水。

依据上述基岩裂隙含水系统的特征，若在基岩裂隙岩层中打两个相距很近的钻孔，如在同一含水系统中，位于主干裂隙上的钻孔水量大，次一级裂隙上的钻孔水量较小，而在细微裂隙或完整岩层位置则基本无水；如分别属于互不联系的两个含水系统，则水位、水质、水温均可能不同。这也就是传统水文地质学一直未能解释了的问题，即为什么两个相邻钻孔对同一基岩含水层采用相同的抽水方法但其涌水量和计算的含水层参数却不同。如图1中[3]，F1F2F3断层(Ⅰ)、F4F5F9F11和F10F12部分断层(Ⅱ)、F6F7F8断层(Ⅲ)、F13F14和F10F12部分断层(Ⅳ)分别组成四个裂隙含水系统，因而出现四个一定范围内基本相近的地下水位线。孔1、孔3+孔6、孔5、孔8分属这4个含水系统，并处于含水系统不同级次裂隙上；而孔2、孔4位于完整基岩层或不含水裂隙带中，孔7从含水系统的水位线之上的裂隙处通过，则这3个孔都基本无水。如果按照含水层理论，这8个水井在同一矿区的同一含水组中，则可依据钻孔中的水位绘制出矿区该含水组水势场图，确定地下水的水力梯度、流向，甚至流速，从而将四个含水系统混为一谈；而孔2、孔4、孔7无水更无可解释。这可能正是现行矿山基岩水文长观监测井数据分析困难和功能无法发挥的原因。

图1 裂隙含水系统Figure 1 Fissure water-bearing system

3 矿山地下水监测系统观

基于上述分析，笔者认为开展基岩地下水(以下简称地下水)的监测与研究，需要引入契合基岩地下水特征的地下水系统理论为指导，利用现代科技构建地下水监测系统，形成矿山地下水监测系统观。

矿山地下水监测系统观，就是以地下水系统理论为指导，从地下水各含水系统结构和开采对围岩的动态破坏出发，通过研究开采中各含水系统的地下水运动、导升规律，开展时间维度的智能监测和数学模拟，为预测预报矿井突或透水提供及时准确的信息。

该监测系统观认为，地下水含水系统是地下水系统功能展现的内在依据[15-16]，只有在深入研究含水系统结构的基础上，才能真正掌握地下水运动的规律，才能合理建设地下水监测井；地下水系统理论反应的是岩体静态下的含水系统和流动系统[17-18]，但煤矿开采形成了围岩不断被破坏的动态环境，使含水系统再扩展，可能使数个含水系统相连通，地下水流动系统发生变化，渗流场不断扩围。当其量变发展到质变时，便造成矿井下透或突水灾害。因此，矿区地下水监测必须“动”“静”结合，研究矿区疏排与采掘的关系，才能将地下水的四维变化特征得以充分展现。

4 矿山地下水监测系统的内容、工作程序及方法研究

在地下水监测研究中, 地质构造及其改造是分析含水系统的基础；水文钻探和以高分辨率三维地震为代表的物探，能够定量或定性地掌握一定范围含水系统的结构特征，并监控地下水运动变化；对矿井开采中原岩应力场和矿压、地下水压联合作用的研究，可以推演矿山开采围岩破坏的演变趋势，进一步完善地下水监测网络；对各流动系统中地下水补径排、水势场、渗流场、水化学场、水温度场的研究，有利于掌握各系统地下水及时的时空分布、运动变化趋势，各系统之间的水力联系，准确地预测预报预防；现代智能科技及云计算、模型等应用，助力地下水监测“千里眼”。矿山地下水系统的监测工作程序如图2所示。

图2 矿山地下水系统监测工作程序Figure 2 Mine groundwater system monitoring procedures

矿山地下水监测系统的基本思想、研究内容与方法关注于以下四个方面。

1)系统的整体性。地下水含水系统和流动系统是一个不可分割的整体。只有通过含水系统的深入研究，特别是地质构造(包括新构造)的基础研究，才能真正把握流动系统的特征。若煤层底板有高承压地下水时，勘探阶段要把查明底板下(至少支承压力对底板作用的深度内)和顶板冒落裂隙带内各含水系统及其结构、地下水条件做为主要任务之一，并开展各主要地下水系统的长观监测。

2)动态与时空性。矿井水文地质工作需要及时掌握矿井开采过程中，地下水环境发生变化时对矿井的动态威胁，包括围岩中原地应力、地下水压和矿压对围岩的破坏，含水系统向采掘区的时空扩展，地下水在系统中的补径排条件、水流场、化学场、温度场向采掘区的时空变化。因此，当煤层底板有高承压地下水时，矿井生产补充水文勘探要提前详细查清楚采掘区顶、底板内的各地下水系统，对各系统和系统间可能产生水力联系进行严密监测。

3)分层(多含水系统)性。强调了基岩含水系统纵向和横向上的多级多系统特征，以及含水系统间强弱不等的水力联系，因此矿层开采必须有充足的水文观测孔进行分系统监测，同时分层(含水系统)水文长观数据又能很好地帮助我们认识和修正层含水系统。一般说，一个裂隙含水系统在一个采区内其水位基本相同，不同裂隙含水系统其水位不尽相同，尤在水文地质试验时主孔和观测孔位于同一裂隙含水系统和不同系统中的水位降深是否近于同步下降、降深大小的反映都有着明显的区别。因此，长观监测孔再与采区或工作面动态的位移场、动力场等相结合，辅以四维建模，智能动态修正，就能使隐伏导水构造现形，实现矿山开采中的地下水透明化和水文地质保障。目前防治水区域治理技术盛行，但由于不少矿区地质构造查明程度不高，隐伏导水构造如同炸弹；区域治理水平注浆分支钻孔间距和分支钻孔方向的确定以经验为主，理论欠缺；基岩中水泥浆等渗透主要通过岩溶、裂隙，完整基岩渗透性极弱，位于两个定向孔间的含水系统是无法注入浆液的，如邢东矿便出现区域治理后依旧多次突水淹井事故，因此矿区足够的分层(含水系统)水文长观监测钻孔还是必须的，现行混合含水层的水位长观是十分有害的。

4)智能化和经济性。我们要充分利用现代科技，如北京慧坤科技有限公司的创新成果地质孔经济又智能的多分层抽水和(含水系统)水文长观技术(图3)，建设智能又经济化的多含水分层(含水系统)监测长观井，并运用计算机、云计算和数学模型等现代科技，对监测井获取的各含水系统及地下水各种参数和信息进行数学模拟与时间维度的不断修正，定性或定量地评估地下水系统的状态和水平，及时做出科学判断，为采掘防治水决策提供可靠的信息。

图3 地质深孔多含水层分层长观示意图Figure 3 Schematic diagram of geologic deep,multi-aquifer layered long-term observation borehole

5 结语

总之，矿山地下水监测系统观的提出，目的是试图将地下水流动系统理论引进到矿井水文地质中来，强调了基岩地下水监测的系统性和动态性、分区分带(含水系统)性、时空性、科技性、经济性原则。当然，我国煤矿水文地质条件十分复杂，矿山地下水监测系统观只是做为一种新的思想和技术方法提出，还有待我国广大矿山水文地质工作者不断完善与发展，为新时代现代化智能矿山开采地质保障做出贡献。