鄭志忠

(福建省121地質(zhì)大隊(duì)，福建 龍巖364021)

東中石灰石開(kāi)發(fā)利用是福建永定縣招商引資項(xiàng)目，06年開(kāi)始詳查勘探，07年進(jìn)行補(bǔ)充勘探，獲得全區(qū)+400 m水平以上水泥用石灰?guī)r礦石(332+333)資源量8 462.04萬(wàn)t;B、C 礦段浮土各 524.35 萬(wàn) m3、807.56 萬(wàn) m3;施工 6＇0 號(hào)水文孔進(jìn)行抽水試驗(yàn)，取得P1q灰?guī)r直接充水含水層水文地質(zhì)參數(shù)，獲得未來(lái)+400 m水平預(yù)測(cè)礦坑涌水量。

1 礦區(qū)地質(zhì)－水文地質(zhì)概況

礦區(qū)處永定縣城55°方向直距約34.50 km，面積2.05 km2，閩西博平嶺山脈南端中低山、丘陵地帶，中部主山脊南北走向，南高北低，南部斜背棟海拔最高(+869 m)，西南石山角海拔最低(+430 m)，相對(duì)高差439 mm，地形切割強(qiáng)烈。

區(qū)域上礦區(qū)處華南板塊東南部南華活動(dòng)帶二級(jí)構(gòu)造單元閩西南拗陷閩西永梅上古凹陷帶撫市向斜東北翼，沉積地層出露全，從老到新有下石炭林地組(C1l)、上石炭船山組(C3c);下二疊棲霞組(P1q)、文筆山組(P1w)和童子巖組一段(P1t1)，受礦區(qū)東南部政和—大埔深大斷裂影響，區(qū)內(nèi)次級(jí)斷裂、褶曲較發(fā)育，斷裂走向及褶曲軸向以NNW向?yàn)橹?，總體構(gòu)造為復(fù)式向斜，礦區(qū)火成巖主要為出露于礦區(qū)北側(cè)樟坑一帶的呈北西走向巖脈侵入斷裂帶的燕山晚期灰黑－深灰色輝長(zhǎng)巖(δ)。

礦區(qū)屬亞熱帶海洋季風(fēng)氣候，雨量充沛，年平均降水量1 770.60 mm，最大年降水量 2 630.50 mm，年平均蒸發(fā)量1 536.70 mm，多年平均相對(duì)濕度80%，礦區(qū)水系主要為礦區(qū)北界外流向西、流量20.00～31.15 l/s的樟坑季節(jié)性溝谷水和發(fā)源于礦區(qū)東部流向西、流量10.67～16.88 l/s的盧坑季節(jié)性溝谷水。

礦區(qū)P1q石灰?guī)r賦存豐富，為勘探開(kāi)采對(duì)象，出露礦區(qū)北中東南部，深部60個(gè)鉆孔揭露，為灰黑色中厚層狀含燧石灰?guī)r及塊狀灰?guī)r夾薄層狀砂質(zhì)泥巖，地表及鉆孔中溶溝槽、溶洞隙巖溶現(xiàn)象發(fā)育，含裂隙～巖溶水，含水性不均勻，溶洞多有含碎石亞粘土、亞砂土及砂充填，充填率65.01%。鉆進(jìn)常見(jiàn)掉鉆坍塌、漏水現(xiàn)象，泥漿消耗量最大11.38 m3/h，經(jīng)統(tǒng)計(jì)溶洞遇見(jiàn)率 69%，溶洞巖溶率 12.52%，溶洞高度 77.47 m～0.10 m，單孔巖溶率最高91.66%。據(jù)6'0孔抽水試驗(yàn)，q=5.517 l/sm，K=8.127 m/d，富水性中等 ～強(qiáng)。

2 礦區(qū)6＇0號(hào)水文孔抽水試驗(yàn)

礦區(qū)6＇0孔抽水試驗(yàn)為單孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，前后歷時(shí)8天，抽水質(zhì)量合格。利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算相應(yīng)含水層水文地質(zhì)參數(shù)，是評(píng)價(jià)含水層水文地質(zhì)條件的重要方法。

2.1 求解水文地質(zhì)參數(shù)

利用裘布依公式和經(jīng)驗(yàn)公式:K=0.366 Q· ;R=10S，應(yīng)用三次水位降深(S)及相應(yīng)流量(Q)，求得含水層滲透系數(shù)(K)和影響半徑(R)(見(jiàn)表1)。

設(shè)第一次抽水穩(wěn)定狀態(tài)下滲透系數(shù)為K＇，利用穩(wěn)定降深2.81 m 和流量 12.727 L/s、含水層厚度 63.91 m、鉆孔半徑0.055 m代入上式，則有:

從(1)式看出 K值越大，K＇值將越大，反之，K＇值將越小，應(yīng)用“逼近法”求解K值，用K的不同取值來(lái)反求K＇值，如果K≈K＇，則該K取值即為本次抽水穩(wěn)定狀態(tài)下K＇值，并用裘布依及經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)一步檢驗(yàn)，確定本次降深滲透系數(shù)為7.0176 m/d。

各次抽水滲透系數(shù)求解方法同第一次抽水，分別求出K和R均值，作為該孔抽水試驗(yàn)所得相應(yīng)含水層相關(guān)參數(shù)之一(表1)。

表1 6＇0孔抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)及成果表

2.2 利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)資料作出流量降深關(guān)系曲線圖

利用抽水試驗(yàn)所獲數(shù)據(jù)可作出礦區(qū)6＇0號(hào)水文孔抽水試驗(yàn)流量降深Q—S關(guān)系曲線圖(見(jiàn)圖1)。

2.3 曲線類(lèi)型判別

根據(jù)抽水實(shí)踐和數(shù)學(xué)歸納統(tǒng)計(jì)，通過(guò)抽水試驗(yàn)所獲得Q—S關(guān)系曲線類(lèi)型有直線、拋物線、指數(shù)、對(duì)數(shù)型曲線及資料有誤五種情況，曲線類(lèi)型判別方法有以下幾種。

2.3.1 流量－降深圖解法

利用表2可判定抽水試驗(yàn)流量與降深對(duì)應(yīng)曲線方程。

圖1 Q－S關(guān)系曲線圖

表2 流量－降深曲線與方程型式對(duì)應(yīng)表

從圖1中Q－S曲線看出，圖像呈向下折線，判斷本次抽水試驗(yàn)流量－降深對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系方程為指數(shù)型方程:Q=a×S(1/b)，其中 a、b為待定系數(shù)。

2.3.2 數(shù)學(xué)演化伸直法

將穩(wěn)定降深和流量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)演算，使其形成降深－流量對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)，在對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系顯示形成直線的數(shù)據(jù)對(duì)，其降深流量曲線對(duì)應(yīng)相應(yīng)方程型式(見(jiàn)表3)。

表3 數(shù)學(xué)伸直法降深流量曲線對(duì)應(yīng)方程型式

表4 東中石灰石礦區(qū)抽水試驗(yàn)流量(Q)和降深(S)對(duì)應(yīng)數(shù)學(xué)演算數(shù)據(jù)表

依據(jù)上述表4所列數(shù)據(jù)可分別作出Q－lgS、lgQ－lgS、Q－S0圖象(見(jiàn)圖2、3、4)，可以判斷圖4最接近于直線分布，依據(jù)上述表3知本次抽水試驗(yàn)流量－降深關(guān)系為指數(shù)型方程函數(shù)關(guān)系:Q=a×S(1/b)，其中a、b為待定系數(shù)。

圖2

圖3

2.3.3 對(duì)數(shù)線段斜率法

計(jì)算lgQ－lgS坐標(biāo)系中每?jī)蓚€(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)所形成不同線段斜率平均值，利用斜率平均值判斷流量降深之間對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系形式(見(jiàn)表5)，簡(jiǎn)稱(chēng)對(duì)數(shù)線段斜率法。計(jì)算公式如下。

K3=(lgS3－lgS2)/(lgQ3－lgQ2);K2=(lgS2－lgS1)/(lgQ2－lgQ1);

K1=(lgS1－lgS3)/(lgQ1－lgQ3);Kcp=(K3+K2+K1)/3。

圖4

表5 抽水試驗(yàn)對(duì)數(shù)線段斜率法流量降深函數(shù)關(guān)系對(duì)應(yīng)表

根據(jù)本次抽水試驗(yàn)對(duì)數(shù)線段斜率統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表6)，可知本次礦區(qū)抽水試驗(yàn)流量降深函數(shù)關(guān)系為指數(shù)型方程:Q=a×S(1/b)，其中 a、b為待定系數(shù)。

表6 礦區(qū)抽水試驗(yàn)對(duì)數(shù)線段斜率統(tǒng)計(jì)表

2.4 求解方程

上述三種曲線類(lèi)型判別方法顯示本次抽水試驗(yàn)流量降深函數(shù)關(guān)系方程為指數(shù)型方程:Q=a×S(1/b)，即lgQ=lga+(1/b)lgS。利用三次降深形成三個(gè)流量降深數(shù)據(jù)對(duì)，組成三組二元一次方程組，計(jì)算三組〔(1/b)，lga〕參數(shù)值，利用平均值形成最終方程式。

表7 礦區(qū)抽水試驗(yàn)流量降深指數(shù)型方程參數(shù)計(jì)算表

上述方程式除了直線型方程Q=q×S中q為方程系數(shù)常數(shù)外，其余對(duì)數(shù)型、指數(shù)型、拋物線型方程均需求解待定系數(shù)a、b，求解方法除上述方法具便捷特點(diǎn)外，還有圖解法、均衡誤差法和最小二乘法，其中最小二乘法計(jì)算最精確，均衡誤差法次之，圖解法最差。

2.5 檢驗(yàn)方程

2.5.1 下推法

選擇二、三次兩個(gè)相對(duì)小降深抽水資料，運(yùn)用上述方法建立新方程:lgQ=0.8 631+0.5 554 lgS，應(yīng)用第一次抽水降深值，計(jì)算流量 Q＇=12.951 L/s。

流量誤差 CQ=(Q＇－ Q1)/Q1=(12.951 －12.727)/12.727=1.76% 。

2.5.2 差分法

利用lgQ－lgS曲線計(jì)算每?jī)蓚€(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)所形成線段斜率倒數(shù)△3、△2、△1差分值，若△1≠△2≠△3，表明所確立方程不完全適合由抽水實(shí)驗(yàn)流量降深數(shù)據(jù)所形成曲線，此時(shí)需算差分誤差進(jìn)一步判別，即曲線擬合誤差C，一階差分誤差為相鄰差分差值絕對(duì)值與相鄰差分平均值比值。本次礦區(qū)流量降深指數(shù)方程差分誤差計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 礦區(qū)抽水試驗(yàn)流量降深指數(shù)型方程差分誤差結(jié)果表

上述結(jié)果表明流量誤差CQ較小，一階差分誤差C△較小，說(shuō)明所確定方程可用于礦區(qū)預(yù)測(cè)相應(yīng)水平礦坑涌水量。

3 礦區(qū)6＇0號(hào)水文孔抽水試驗(yàn)資料應(yīng)用

利用試驗(yàn)記錄資料可分析礦區(qū)含水層水文地質(zhì)特征，加深礦區(qū)水文地質(zhì)條件分析研究，為未來(lái)礦坑涌水量預(yù)測(cè)提供有效手段。在獲得一個(gè)以S為自變量、以Q為應(yīng)變量的Q=f(S)函數(shù)關(guān)系式后，可以通過(guò)方程計(jì)算不同降深S下相應(yīng)流量Q，Q=f(S)函數(shù)關(guān)系方程式為預(yù)測(cè)相應(yīng)水平礦坑涌水量提供了一個(gè)對(duì)應(yīng)平臺(tái)。通過(guò)計(jì)算對(duì)比表明這種預(yù)測(cè)方法結(jié)果常常偏小，應(yīng)與其它方法應(yīng)用對(duì)比，能為預(yù)測(cè)工作提供參照和選擇，提高預(yù)測(cè)工作有效性和準(zhǔn)確度，不失其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3.1 含水層富水性分析

通過(guò)礦區(qū)6＇0孔抽水試驗(yàn)分析計(jì)算，獲得棲霞組石灰?guī)r含水層平均滲透系數(shù) K=8.127 m/d，平均單位涌水量 q=5.517 l/sm，說(shuō)明含水層富水性強(qiáng)，抽水后水位(+494.15 m)恢復(fù)快，與靜止水位(+494.17 m)十分接近，說(shuō)明含水層巖溶水補(bǔ)給來(lái)源好，水力聯(lián)系強(qiáng)，補(bǔ)給強(qiáng)度大，含水層水量豐富，礦區(qū)生產(chǎn)建設(shè)應(yīng)注意趨利避害。

3.2 預(yù)測(cè)未來(lái)開(kāi)采水平礦坑涌水量

3.2.1 參數(shù)選擇

S=94.17 m(降深:靜止水位標(biāo)高 +494.17 m與礦坑開(kāi)采水平+400 m之差);

K=8.127 m/d(抽水試驗(yàn)平均滲透系數(shù));r孔=0.055 m(水文孔半徑)。

3.2.2 水文孔最大涌水量計(jì)算及其修正

利用降深與所確立方程，求得鉆孔最大涌水量83.2 218 l/s，修正后為 81.7 571 l/s。

3.2.3 “大井法”井徑換算

3.2.4 礦井設(shè)計(jì)涌水量預(yù)算

取1 193 m3/h 為未來(lái)+400水平預(yù)測(cè)礦坑涌水量。

在統(tǒng)計(jì)含水層有效透水厚度后還可利用裘布依公式計(jì)算相應(yīng)水平礦坑涌水量，與上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。上述推算在地下水呈層流條件下進(jìn)行，當(dāng)?shù)叵滤饰闪鲿r(shí)用公式:Q井=Q孔·(r井/r孔)(1/2)。承壓含水層抽水試驗(yàn)降深對(duì)曲線存在影響，故應(yīng)盡設(shè)備能力達(dá)最大降深，提高水文地質(zhì)參數(shù)準(zhǔn)確性，以正確評(píng)價(jià)礦床開(kāi)采條件。

［1］福建省121煤田地質(zhì)勘探隊(duì).福建省永定東中—田地石灰石礦區(qū)6＇0水文孔抽水試驗(yàn)觀測(cè)記錄.龍巖:2007

［2］福建省121煤田地質(zhì)勘探隊(duì).福建省永定東中—田地石灰石礦區(qū)詳查地質(zhì)報(bào)告.龍巖:2007

［3］鄭志忠.東中石灰石礦區(qū)水質(zhì)資料分析.科學(xué)技術(shù)與工程2009年14期

［4］北京地質(zhì)學(xué)院地質(zhì)教研室.水文地質(zhì)學(xué).北京:地質(zhì)出版社，1978

［5］地質(zhì)礦產(chǎn)部水文地質(zhì)工程地質(zhì)技術(shù)方法研究隊(duì)主編.水文地質(zhì)手冊(cè).北京:地質(zhì)出版社，1983

［6］薛禹群主編.地下水動(dòng)力學(xué)原理 北京:地質(zhì)出版社，1989