基于放水试验和示踪试验的岩溶通道研究

杨 闪

（1.华北有色工程勘察院有限公司；2.自然资源部金属矿山地下水灾害防治工程技术创新中心）

在南方岩溶地区，岩溶发育具有较强的不均一性，查明岩溶通道的发育情况对于矿山防治水和预防地质灾害起着至关重要的作用。矿山放水试验可以直接反映出矿山排水与含水层和过水通道的联系［1-3］，示踪试验作为有效的技术方法在岩溶勘探中也发挥着重要作用［4-5］。在放水试验同时实施示踪试验，可以有效查明岩溶通道。

1 研究区概况

研究区位于南方岩溶发育地区，属于亚热带季风气候，年均气温19.9℃，年均蒸发量1 514.9 mm，年均降雨量1 392.3 mm，降水集中在4—8月，9月至次年4月为区内相对枯水期，降水稀少。

研究区地势中间高两侧低，西部为呈北北东向展布的中泥盆统裸露灰岩，东部主要出露下石炭统及上泥盆统非可溶岩地层，受岩性控制，西部为峰丛、谷地，东部为低山丘陵。

2 研究区含水层（带）

研究区含水层为碳酸盐岩、生物碎屑岩岩类裂隙岩溶含水岩组，该岩组本身透水性及富水性不强，但受区域构造及成矿作用影响，断裂构造极其发育，平面上形成纵横交错的网格状，垂向上浅表岩溶十分发育。整体上除构造断裂带及其两翼影响带的富水性及透水性中等外，其余含水岩组富水性均比较弱。

2.1 第四系松散岩类孔隙水含水层

第四系坡残积层多分布于地表分水岭两侧山地斜坡地段；岩性以粉质黏土、角砾、碎石等为主，粉质黏土多呈硬塑状态，角砾、碎石多呈稍密状态；厚度一般在0.2～10 m，一般山麓地带厚度略大，为透水不含水地层，局部仅在雨季形成短暂泉流。

第四系冲洪积主要分布于村庄塌陷区一带，沿河流及分水岭两侧沟谷分布，为冲积物或洪积物，岩性为粉黏土夹碎石，局部呈流塑状，钻孔揭穿厚度5.5～14.0 m，塌陷区段厚度最大分布于村庄东南及西南一带。含水层透水性、富水性弱，水量贫乏。水位埋深为3.0～15.0 m。

2.2 碎屑岩类基岩裂隙水含水层

碎屑岩类基岩裂隙水含水层分布于矿区东部，由泥灰岩、泥质灰岩，泥岩、泥质粉砂岩、石英细砂岩。此层透水性、富水性差，厚度大于300 m。岩层中构造裂隙、层间裂隙、风化裂隙较发育，密集细小，透水性、富水性较差，尤其是深部富水性极弱。丰水期在地势低洼、沟谷等处，地下水多以泉水形式出露，泉水流量一般小于1 L/s，雨季有水，枯季干涸。在该岩组地段，由于岩层渗透性差，丰水期往往易于形成表流。单位涌水量小于0.052 L/（s·m），富水性弱。

2.3 碳酸盐岩类裂隙、岩溶水含水层

碳酸盐岩类裂隙、岩溶水含水层在空间上位于矿床顶板，岩性主要为条带状灰岩、扁豆状灰岩、泥灰岩、硅质灰岩、同生砾状灰岩，除断层破碎带附近有岩溶发育、透水性较强外，整体岩溶不发育，村庄东南侧冲沟有2处该地层泉点，工作期间泉水流量小于0.5 L/s，且随季节变化大，枯水期甚至干涸。井下揭露该地层，巷道基本为干燥，仅在裂隙发育段见少量滴水现象。

2.4 碳酸盐岩类、生物碎屑岩裂隙、岩溶水含水层

碳酸盐岩类、生物碎屑岩裂隙、岩溶水含水层为矿区段主要富水地层，分布于矿山以西村庄一带。岩性主要为灰色—深灰色、薄—巨厚层状灰岩，夹泥灰岩、泥质灰岩、白云质灰岩，局部夹白云岩团块。

该层浅表及沿着主要断裂带岩溶发育，常形成较大溶洞，远离断层带岩溶发育较差，岩溶则以小溶孔为主，钻孔揭露其中最大溶洞高7.15 m，溶洞内充填物为碎石土及砾石，地质钻孔中见有最大溶洞高8.55 m，溶洞内充填物为碎石土及砾石。井下探水孔在靠近断层时发现多个溶洞，最大溶洞高0.5 m，断层两翼构造裂隙富含地下水，空间分布极不均一，放水试验期时断层附近水位变化幅度很大，反应特别灵敏，而远离断层的钻孔水位降幅较小。钻孔单位涌水量0.01～1.10 L/（s·m），岩层渗透系数0.01～8.74 m/d，富水性、透水性弱—强。

2.5 F01断裂含水带

F01断裂含水带沟通矿床与塌陷区的主要导水断裂，该断裂在矿山发生突（涌）水和井下持续排水过程中，受地下水径流冲刷沿断层形成一条较强的导水通道，将村庄一带岩溶地下水导入矿坑。断层破碎带由角砾岩、碎裂岩组成，钙质胶结良好，但沿断层破碎带两侧岩溶发育，往往易于形成较大的溶洞。矿山以往在恢复抽水时，抽水量60～100 m3/h，造成了村庄一带地下水位下降，诱发了岩溶塌陷，说明该断层发育宽度和长度不大，但导水性较强。

2.6 F02断裂

F02断裂为物探推测断层，由角砾岩、碎裂岩组成且钙质胶结良好，透水性不强，但断层破碎带两翼影响带岩溶发育，往往形成比较大的岩溶，发育串珠状大溶洞。钻孔单位涌水量q为1.10 L/（s·m），渗透系数k为1.46 m/d。沿断层岩溶发育带形成较强的岩溶导水通道，放水试验钻孔水位下降迅速，沿断裂两侧地下水均向断裂汇集，为良好的导水通道。

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3 地下水动态特征

矿山为生产多年矿山，随着生产量增加，排水量也逐年增加，地下水漏斗逐渐扩展，矿区一带矿山排水成为地下水动态变化的主要影响因素，同时地下水动态依然收到降雨影响，二者叠加形成了降水-开采型动态特征。

3.1 地下水多年动态变化

2000年之前，矿区周边为多个小矿点同时开采，由于开采标高较高，地下水漏斗下降和扩展有限，开采过程中均以揭露上部风化裂隙含水层为主，未揭露大型导水构造，所有开采点排水总量较小，一般小于445 m3/d，兼之矿区周边局部存在隔水断层，而矿区周边年降雨量约1 500 mm，如此小的排水量不足以对地下水流场形成大的扰动，所以矿山开采初期岩溶地下水动态主要受降雨影响。矿山在2012年初至2013年6月进行了地下水与河水的动态监测工作，枯水期水位标高260～290 m，地下水年变幅5.0～6.0 m，矿区地下水位随降雨的季节性变化而呈周期性变化。

随着矿山进一步开采，矿区地下水位降幅逐渐增大，相比2012年降幅约24 m，受矿山排水影响逐渐增加，而距离矿区较远的钻孔则依然以受降雨影响为主。

综合以上，矿区一带人工开采已经成为地下水动态变化的主要影响因素，基岩岩溶地下水水位呈现多年波动、总体下降的趋势。

3.2 地下水年内动态变化

矿区一带岩溶地下水动态同时受降雨和人工开采影响，区域上降雨主要集中在4—8月，地下水水位在雨季水位上升，雨季之后水位开始缓慢下降，至次年3月份，塌陷区一带地下水水位降至最低。

4 放水试验

4.1 放水试验过程

放水试验目的是在矿山原有排水量的基础上，新增加一定的水量，采用定流量、一次大降深放水，形成大的地下水干扰流场，通过地下水流场的演变和地下水的动态变化规律，分析矿井排水与村庄地面塌陷之间的关系，研究连通矿井与村庄地下塌陷区主要导水通道的空间位置，并评价其导水性、富水性。

放水试验选择在枯水期，地下水位天然状态下呈持续下降状态，既有矿山排水状态下（平均排水量约2 600 m3/d），矿区范围已形成较大规模的地下水降落漏斗，在+80 m中段安置的压力表读数为1.38 MPa（水位标高208 m），在+110 m中段为1.17 MPa（水位标高217 m），在130 m中段为0.98 MPa（水位标高235 m），矿山排水已引起村庄一带地下水位持续下降。另外，根据矿山抽水（60 m3/h）及恢复生产时抽水情况（100 m3/h），2次抽水均引发了村庄一带地面塌陷。因此，本次放水试验水量在现有排水基础上，不宜过大。

放水利用井下巷道以往探水孔，平均新增放水量44 m3/h（1 056 m3/d），根据井下水泵观测资料，试验期间矿山常规日均排水量3 565 m3。观测系统地表11个：6个基岩观测孔、3个深部基岩观测孔、民井1个、河水位1处；井下+130 m、+110 m、+80 m水平分别在探水孔安置压力表观测地下水水压；巷道在+80 m进水仓口观测+80 m中段及斜坡道总涌水量。在放水期间，对村庄一带的塌陷及地裂缝密集监测，防止因水位降幅过大引起新的塌陷。

除密集观测期，各观测点按每天1次频率进行观测，河流断面及矿坑排水监测点在降水或水位异常时，对各点进行适当加密观测。

放水试验观测孔水位变化见图1，水位降幅统计见表1。

4.2 试验分析

根据放水试验，结合矿山排水和长期动态观测资料，认识如下：

（1）放水试验选择在地下水枯水期，放水期间无降水。根据地下水流场，矿区已形成了一定降深的降落漏斗。在矿区增加1 056 m3/d的排水量基础上，塌陷区所有观测孔，变化明显，但降幅不均一。放水点中心地下水位（压）降低61 m，塌陷区降低最大的是CG05钻孔，降深3.07 m。由于矿床上覆主要地层为砂岩及泥灰岩等弱含水层，本身富水性极差，因此，可判断矿床主要水源为矿区西侧村庄一带岩溶地下水，且矿床与村庄一带存在良好的导水通道。

（2）放水试验的观测系统控制了地下水的流场边界，加之放水试验的密集观测，所取数据真实地反映了矿区地下水的边界条件、揭示了矿床地下水源的主要来水方向和通道。矿床主要通过导水断层沟通村庄岩溶地下水，平面上形成一个类似“勺子”的地下水流场（图2），随着矿山排水，地下水漏斗不断沿着构造带向西北村庄一带扩展，尤其是枯水期村庄一带灰岩水位下降至第四系底部时，极易诱发岩溶塌陷、地裂、井泉枯竭等地质灾害。

（3）放水试验期间，对地面变形、池塘渗漏、塌陷等进行了巡查，放水试验因水量不大、历时较短，未发生地质灾害发生，但枯水期村庄一带地下水位受矿山排水影响下降幅度远大于区域地下水自然变幅，且枯水期河流水量较小，因此枯水季节为研究区岩溶塌陷高发期。

5 示踪试验

5.1 示踪试验过程

结合矿山坑道放水试验，开展示踪试验，目的是进一步确定矿井与村庄地下塌陷区之间的水力联系，为评价矿山排水对周围村庄地面塌陷的影响提供依据。

本次调查示踪试验选择对环境无污染的食盐（NaCl）作为示踪剂，选择在井下放水时水位动态变幅较大的CG05号钻孔进行，共投放食盐1 000 kg，将食盐用水完全融化后，NaCl与水比例为1∶6.5，基本呈饱和状态，然后通过潜水泵输送至CG05钻孔孔底。分别在+137和+70 m中段出水点取水样，监测点距离示踪剂投放点直线距离分别为389和718 m，同时在主提升井斜坡道和CG03钻孔不定时取水样进行监测。

试验采用电导率仪测试地下水电导率的变化情况，精度1.0 μs/cm，试验前对监测点地下水电导率的本底值连续3 d进行监测，试验开始时间为2011年12月8日15:44，结束观测时间为2011年12月20日8:30。其中12月8日18:00—11日22:00，每小时监测1次；12月13日2:00—14日14:00每4小时监测1次，12月15—20日每天监测1次。示踪试验各监测点电导率曲线见图3。

5.2 试验分析

（1）矿床地下水与村庄塌陷区有联通，电导率表现为单峰，推测矿区与塌陷区之间有一条主要导水通道，+80 m中段监测点先于+130 m中段出现峰值，说明+80 m中段出水点主要位于导水通道附近。

（2）监测点地下水电导率整体呈缓慢上升趋势，这与本次试验投放点有关，由于前期塌陷坑全部充填，无合适示踪剂投放地点，本次投放的CG05钻孔底部岩溶不发育，根据抽水试验渗透性较差，试剂经过比较缓慢的运移，方能达到井下出水点。

（3）尽管研究区属于南方岩溶，但区内灰岩除断层破碎带及其附近透水性较强外，其余地段透水性大部分为弱—中等，致使示踪剂在非主要导水通道地段运移缓慢。

（4）通过示踪试验，验证了矿区与塌陷区存在导水通道的存在，也间接说明了研究区灰岩含水层的不均一且整体透水性不强的特征。

6 结语

通过放水试验和示踪试验，揭示了矿区岩溶通道的位置，矿山防治水应当以东侧变细窄的岩溶通道为针对对象，并且考虑矿山排水对地表水疏干作用，地质灾害防范应当以西部漏斗宽展区为重点范围。