溶洞充水类矿床水文地质勘探方法

黄海军

(湖南省核工业地质局三〇一大队，湖南 长沙 410011)

1 前言

溶洞充水类矿床是以溶洞充水为主的岩溶充水类矿床[1,2]，多分布在我国南方地区[3]，如南岭一带的大多数金属矿床，以及长江中下游地区如湖南、江西、湖北和广东等地的二叠纪煤田等，其充水岩层主要为泥盆、石炭、二叠、三叠等各时代的可溶性碳酸盐类地层。湖南湘东铁矿及湘中煤田亦属于该类。

本文根据溶洞充水类矿床的水文地质特征，结合矿区勘探与开采实践资料，在对矿床水文地质分类和矿坑水防治进行探讨的基础上，提出该类溶洞充水类矿床的主要勘探方法。

2 溶洞充水类矿床水文地质特征

这类矿床的水文地质特征是:矿床大部分位于山间盆地(向斜)；岩溶含水层顶(底)板为非可溶岩所隔；可溶岩大量裸露于矿区周围，并倾伏于地下；岩溶形态以溶洞裂隙为主；控制岩溶发育的主要因素为岩性和构造，强大静水压力沿构造带向深部循环；矿区内有统一含水层，抽水试验能形成沿岩层走向发育的椭圆形降落漏斗；岩溶水主要靠大气降水通过区域含水层补给，以构造泉形式排泄；地下水以水平运动为主，季节性变化小；矿区补给水源充沛，储存量很大，补给量常稳定在每天几万至几十万立方米；浅部溶洞常被充填；当矿井地下水位大幅度下降后，在含水层露头区，第四纪地层与基岩“天窗”接触部位常引起地面塌陷。溶洞充水类矿床特征见表1。

表1 溶洞充水类矿床特征表

3 溶洞充水类矿床勘探方法

根据矿区勘探经验，正确圈定区域含水层分布面积，查明矿层底板岩层富水性，评价矿坑水高压补给量及其与储存量的转化关系，是此类矿床水文地质工作的主要内容。

该类型矿区的主要勘探方法是:以大降深、大水量及较长时间的抽放水试验为主，辅以区域水文地质测绘、综合研究及动态观测等工作。

3.1 查明岩溶分布及发育规律是前提与基础

通过水文地质勘查工作，查明矿区岩溶分布及发育规律，是评估矿床开采时的岩溶塌陷风险、矿坑涌水量的前提与基础。主要是查明矿区岩溶在平面上、垂向上发育分布的特点、岩溶发育程度、溶洞充填物的性质、充填程度及其分布特点。在勘查工作中，对本类矿床应通过加强钻孔的简易水文地质工作，进行钻孔岩溶率、钻孔见洞率的测定和统计，配合以地面电磁法、地面瑞雷面波法、物探测井等进行岩溶发育程度的分区及纵向上岩溶发育分带。结合抽水资料和水文地质条件的分析对岩层的富水性、矿床的充水条件进行评价，查明地下水的补给、径流、排泄条件，对矿坑涌水量进行预测。

3.2 区域水文地质测绘

区域水文地质测绘是从宏观上认识溶洞充水类矿床岩溶发育规律的主要手段。其工作范围应包括一个完整的水文地质单元[2]，从空间上查明岩溶含水层的通道、补给源和边界。溶洞充水类矿床在进入勘探之前，应按规范要求开展区域水文地质测绘。

以往水文地质工作往往存在两个问题:一是工作范围局限于矿区，二是水文地质测绘质量不符合勘探规范要求。湖南煤炭坝矿区自建矿以来，一直采用地面渗漏点堵漏和井下强排疏干的综合防治方案对地下水进行治理。多年来的强排疏干使得区域地下水位不断下降，其疏降漏斗范围目前已经超过350 km2，整个矿区的总涌水量高达12 500 m3/h，其中五亩冲矿3 000 m3/h，西峰仑矿3 000 m3/h，竹山塘矿6 500 m3/h，年排水费用突破1.2亿元，2009年的平均吨煤排水成本即高达150元，严重制约了矿区的发展，井下多次发生突泥事故。该矿的水文地质问题之所以越来越复杂，即因过去矿区勘探以至矿区生产阶段的水文地质工作都只局限于矿区(煤层分布区)范围内，而对区域含水层和隔水层的分布、边界条件、地下水补给、径流条件及含水层间互补关系等均不甚清楚。虽然掌握了大量的矿区水文地质资料，但要提出一个比较切合实际的治水方案，目前仍有难度。

3.3 地面岩溶塌陷

地面岩溶塌陷是这类溶洞充水类矿床水文地质和工程地质问题中的严重和要害问题[3]，因此，在水文地质勘探中必须放在首要位置。在勘探中对可能产生塌陷的地区，必须预测和评价其塌陷程度、影响范围，预测和评价由此可能产生的矿区水文地质、工程地质条件的变化及其对矿山建设的危害。当矿区附近有地表水体时，要查明岩溶塌陷引起地表水体灌入矿区的可能性。

为此，应从研究第四系松散覆盖层的岩性、厚度及分布情况入手，查明岩溶分布规律和充填情况，特别是浅部(尤其是古溶蚀面)溶洞的分布和充填程度；根据岩溶塌陷形成的一般规律和地下水位、水压力等条件，初步划分出可能产生地面塌陷的区域；布置一定数量的观测孔，通过一定强度的抽水试验进一步暴露岩溶地面塌陷的形成条件，并进行岩溶塌陷的预测评价。

3.4 抽水试验强度

钻孔抽水试验是研究岩溶塌陷问题的重要手段，也是进行矿床富水性评价的重要方法，是获取含水层渗透张量参数的主要方法[4]。赋存于这类矿床中的地下水，一般水量较大。20世纪50年代主要采用小口径钻孔(开孔Φ150 mm)做抽水试验，60年代以来南方个别矿区进行大型井下放水试验(如湖南斗笠山煤矿)，也有采用大口径钻孔进行抽水试验的(如广东凡口矿区)。此后，全国各大矿床多采用上述抽、放水试验。抽放水量从几十到几千 m3/h不等，有的甚至形成半工业性生产试验，抽水量达5 400 m3/h，抽水强度愈来愈大。

如湖南清水铁矿，1970年前采用单孔小孔径抽水试验，最大抽水量为21.32 L/s，最大降深为3.86 m，钻孔单位涌水量为26.29 L/(s·m)。抽出的总水量只占主要排泄点——丝瓜塘泉水流量的14.6%。1971年9月，因矿山供水需要，在矿区北部打供水井一口，排水量为208 m3/h，为泉水总流量的3/5。经4年抽水，地下水位也无明显下降。1975年，又另增加两个大口径钻孔，进行孔群抽水试验，排水最大达到133.73 m3/s(略超过当时泉水总排泄量)，抽水34 h后泉水被疏干，且水位连续下降，降落漏斗迅速扩展至边界，观测孔水位出现等幅同步下降。停泵后，水位恢复缓慢，平均每天上升0.68 m，证明矿区地下水以储存量为主。又如河北武安杨二庄铁矿，第一期抽水工程有主孔1个，观测孔11个，抽水量为3 200 m3/h，水位下降1.3～1.5 m。根据抽水试验资料预测，-100 m中段矿坑涌水量为160 000 m3/d，经详细研究边界条件后，又进行第二期抽水工程，设主孔11个，观测孔 1 4个，抽水量为2.8～3.9万 m3/d，累计降深为38.5～40.5 m。停泵后，水位仍以0.3 m/d的速度下降，未能稳定。9天后，恢复区内水位尚比抽水前低5.1～5.3 m。这说明矿区地下水系以储存量为主，侧向补给不足。基于这一认识，说明当时预测的矿坑涌水量为50 000 m3/d有些偏大。

综上所述:(1)大降深、大水量及长时间的群孔抽水(坑下放水)试验，是该类型溶洞充水类矿床水文地质勘探的重要手段；(2)岩溶充水矿区，含水层往往厚度大，分布面积广，储存量大。在勘察工作中，必须加强岩溶地下水的补、径、排、储四个方面的综合研究，只有当抽水量超过补给量时，方能查明矿区地下水是以储存量为主还是以补给量为主的实质。

3.5 抽水试验应尽可能达到暴露岩溶塌陷的要求

勘探时期抽水试验工作要充分考虑塌陷这个因素。降深尽量大一些，抽水时间长一些。一般说来，当含水层为承压水时尽量能抽成潜水，以暴露岩溶塌陷情况。由于过去对岩溶塌陷问题认识不足，在抽水试验时对这方面注意不够，如阳春石录铜矿，勘探时抽水降深3.23 m，未引起岩溶地面塌陷，因而也未能进行这方面的预测工作，其后矿床排水疏干时矿坑中心水位降深5.25 m，即开始出现地面开裂、沉降、塌陷，当水位降深21.97 m时共产生近千个塌陷，大大改变了矿区的水文地质条件，从而也影响了矿坑涌水量的正确预测评价。抽水孔组应布置在强岩溶发育带以造成影响范围更大、水力坡度更陡的人工流场，使之更接近开采条件，以获得更准确的计算参数或暴露边界岩溶塌陷资料。

3.6 水文地质钻孔底板控制深度

溶洞充水类矿床的主要含水层常位于矿层底板(如湘东铁矿、湘中煤田、华北煤田等)。勘探时应向矿层以下继续钻进若干米，以便了解岩溶发育情况。加深的深度可根据岩溶含水层成楔形分布的规律，浅部至少加深50 m，深部可少于30 m，并要求有2～3条系统剖面控制岩溶发育带，结合物探测井资料，划分强弱含水带。

3.7 地下水动态观测

地下水动态是地下水运动规律的一个综合反映，如该项工作在平面控制上合理，观测时间连续性好，观测年份较长，则可说明以下问题:

(1)根据地下水周期性变化幅度，可以提供矿山防洪依据；

(2)依据多年动态观测，结合矿山排水资料，可初步揭示补给量和储存量之间的相互关系；

(3)根据区域降落漏斗形态变化，可提示地下水流流向、水源边界和地下水通道等信息；

(4)结合分析矿山排水资料，可为矿山供水提供依据。

众多经验证实，地下水动态观测工作，只能加强，不可削弱。例如清水铁矿区，经3年的地下水长期观测资料证实，地下水动态变化受降水制约，形成“雨季集中补给和旱季消耗储存量”的特征，年变化呈现不对称波状，为矿山排、供水提供了重要依据。又如武安西石门铁矿，多年观测资料说明，地下水位变化与当地气象周期一致，故地下水长期处于非稳定运动状态，年洪、枯水位差最大可达百米，这就决定了矿区地下水调节量是很大的。

4 结语

溶洞充水类矿床水文地质勘探工作，是一项综合性很强的工作，关系到地质工作的成败与效益。应重视总结和进一步完善不同类型溶洞充水类矿床水文地质特征及其勘探方法的研究，为充实与健全矿区水文地质工作规范提供依据，确保安全生产和资源的高效利用。