陳七五 李建中
(1.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院 長沙市 410083;2.中國有色金屬長沙勘察設(shè)計研究院有限公司 長沙市 410011)
地下工程安全問題至關(guān)重要,地下水往往是地下工程安全的重要隱患,如果處理不當(dāng)就會引起透水或淹沒等災(zāi)難事故,給國家和人民生命財產(chǎn)造成了巨大損失。因此,對場區(qū)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件進行深入的研究顯得非常重要。
本文以江西某礦作為研究對象,工程區(qū)面積約5 km2。場區(qū)《詳細勘探地質(zhì)報告》中首次提出了場區(qū)內(nèi)存在“東阻水體”這一概念。隨著地下巷道深度的加大,安全問題越來越受到重視。近年來不少專家學(xué)者對“東阻水體”分別進行了研究,有關(guān)“東阻水體”的阻水性能各持有不同的觀點。為了徹底探明“東阻水體”的阻水性能,本次研究做了大量的物探工作以確定“東阻水體”的空間分布,并在“東阻水體”及其兩側(cè)布置了6個鉆孔進行抽水、壓水、注水等試驗,以此來驗證其“東阻水體”的阻水效果。
工程區(qū)位于下?lián)P子臺拗(Ⅱ級構(gòu)造單元)中部,瑞昌——彭澤陷褶束(Ⅲ級構(gòu)造單元)之中東段,南北分別與江南臺隆和淮陽地盾毗鄰。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,形跡明顯,斷裂、褶皺、巖漿活動均很強烈,具有多期次構(gòu)造活動的特點,其主要構(gòu)造線方向為NEE、NW—NNW及NE—NNE。區(qū)內(nèi)褶皺由北向南依次有界首——大橋背斜、橫立山——黃橋向斜、大沖——丁家灣背斜,褶皺軸線由西至東,由NEE逐漸轉(zhuǎn)至NE,略帶弧形;背、向斜平行排列,為緊閉型線狀褶皺;由北至南,褶皺軸面由南傾逐漸變?yōu)橹绷ⅰ?/p>
根據(jù)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查及場區(qū)勘察資料,場區(qū)分布的地層自上而下有:
(1)第四系殘坡積成因的粉質(zhì)粘土和碎石土,厚(3~30)m,平均厚 17m。
(2)三疊系嘉陵江組和大冶組上段(T1d2)灰?guī)r夾頁巖,地層走向 65°~75°,傾向 155°~165°,傾角 60°~75°;三疊系大冶組下段(T1d1)黃綠色、綠色泥質(zhì)鈣質(zhì)頁巖,全風(fēng)化后呈粘土狀、碎石土狀,層理尚清楚。
(3)二疊系長興組(P2c)上段為硅質(zhì)頁巖,下段為中厚層層狀含燧石結(jié)核灰?guī)r,傾向157°~167°,傾角58°~65°,在頁巖和灰?guī)r之間局部夾炭質(zhì)頁巖和煤層透鏡體;二疊系龍?zhí)督M頁巖、茅口組炭質(zhì)頁巖及煤層,棲霞組灰?guī)r。
(4)石炭系黃龍組灰?guī)r。
(5)泥盆系五通組含礫石英砂巖、石英粗砂巖;
(6)志留系紗帽組石英細砂巖、砂質(zhì)頁巖。其地質(zhì)構(gòu)造與地層分布如圖1所示。
圖1 場區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)簡圖
工程區(qū)位于長江中下游低山丘陵區(qū),基巖地層產(chǎn)狀較陡,沿南北方向地層變化大。全區(qū)主要接受大氣降水及少量地表水體的補給,巷道排水目前是地下水的主要排泄方式。由于有相對隔水巖層的存在,區(qū)內(nèi)地下水又分為3個地下水子系統(tǒng)(圖1):
(1)茅口組炭質(zhì)灰?guī)r相對隔水層,以北為北區(qū)地下水子系統(tǒng),主要含水層為二疊—石炭系棲霞黃龍灰?guī)r巖溶裂隙含水巖組,且含水層之間聯(lián)通性較好,平均厚度209m左右,為非均質(zhì)巖溶裂隙含水組。
(2)大冶組頁巖與茅口組炭質(zhì)灰?guī)r之間為中部地下水子系統(tǒng),主要含水層為二疊系長興茅口灰?guī)r巖溶裂隙含水組,厚度達370m。
(3)大冶組頁巖以南為南區(qū)地下水子系統(tǒng),主要含水層為三疊系嘉陵江大冶灰?guī)r巖溶裂隙含水組,平均巖層厚度約507m,巖溶發(fā)育具有近礦體強遠離礦體弱,淺部強深部弱的變化規(guī)律。
場區(qū)主要構(gòu)造為橫立山-黃橋向斜的次級向斜(黃橋向斜),核部為三疊系大冶嘉陵江組碳酸鹽巖地層,上部為第四系沖湖積層所覆蓋,翼部為大冶組頁巖隔水層。礦區(qū)地勢南北高,西邊較東部高,中間為大范圍的第四系覆蓋區(qū)地勢平坦,相對較低,形成了礦區(qū)北、南、西三面封閉、東部開口的向斜匯水構(gòu)造。由于場區(qū)第四系覆蓋層厚度大且透水性差,降雨要經(jīng)第四系覆蓋層后才能下滲至三疊系灰?guī)r含水層,降雨入滲補給條件很差。同時由向斜構(gòu)造形成的半封閉匯水區(qū)也阻隔了西部區(qū)域地下水往場區(qū)方向的運動,切斷了區(qū)域地下水與場區(qū)地下水的聯(lián)系,僅在場區(qū)南部檀山坳向斜狹長的條形灰?guī)r含水層中有少量地下水往東部場區(qū)方向運動。上覆蓋層及西部隔水層的存在使得場區(qū)地下水的補給、徑流等水動力條件較差,因而造成場區(qū)范圍內(nèi)的巖溶發(fā)育程度較區(qū)域巖溶(場區(qū)以西)發(fā)育相對較弱,主要以小型的隱伏巖溶洼地、溶蝕裂隙、溶穴為主;而高差不大的地形條件進一步影響了地下水循環(huán)深度,也限制了工程區(qū)巖溶的發(fā)育深度。
工程區(qū)東阻水體東面是尾礦池和赤湖,西面是礦山,東阻水體是否具有阻隔東部地表水體和地下水進入西部場區(qū)的作用,對于地下巷道的開采施工至關(guān)重要,東阻水體的位置如圖2所示。東阻水體以F11為西邊界,以F12為東邊界,包括F12以東80m寬的破碎巖體。 東阻水體地段主要有 F11、F12、F1、F2斷裂,其構(gòu)造特征如表1。
圖2 東阻水體分布及水文地質(zhì)試驗孔布置
表1 東阻水體構(gòu)造特征
東阻水體所在的地段是隱伏巖溶區(qū),巖溶形態(tài)有溶洞、溶孔、溶蝕裂隙,其中80%的巖溶溶洞被粘土、粉土、砂、碎石等混合物充填。東阻水體處巖溶特征為:
(1)溶洞的充填率較高,為阻水體提供了較好的條件。
(2)阻水體以東位置仍存在強巖溶發(fā)育區(qū),說明東部仍存在有大量巖溶裂隙水進入坑道的可能。
(3)二迭系炭質(zhì)灰?guī)r連續(xù)性好,巖溶不發(fā)育,具有較好的隔水功能。
(4)棲霞、黃龍灰?guī)r的巖溶發(fā)育,受構(gòu)造和硫化礦床影響明顯,且隨深度增加逐漸減少趨勢。
為了檢驗東阻水體的阻水性能,了解北部場區(qū)深部水動力條件及巷道抽水時場區(qū)內(nèi)降落漏斗在東部方向上水頭降低情況,分別在東阻水體及其兩側(cè)布置了6個鉆孔,鉆孔編號分別為WK1、WK2、WK3、WK4、WK5、WK8。其鉆孔布置如圖2所示。鉆探過程中,上部巖溶發(fā)育部位采用膨潤土摻水泥泥漿鉆進,下部巖溶不發(fā)育區(qū)采用清水鉆進。鉆孔WK3、WK4、WK5均穿過了F11斷層進入東阻水體的下盤。各鉆孔位置、深度及揭露的地層見表2。
表2 水文地質(zhì)試驗鉆孔
現(xiàn)場水文地質(zhì)試驗包括抽水、壓水、注水和彌散試驗,本文重點以抽水試驗的結(jié)果進行研究。WK3為抽 水 孔 ,WK1、WK2、WK4、WK5 和WK8為觀測孔。主要抽水試段為茅口、棲霞灰?guī)r。抽水試驗采用的水泵抽水能力為20 t/h,揚程248m,水泵下至井深195m處,并下有190.50m的測水管。
抽水試驗從2011年3月20日14:35開始,起始抽水流量為500m3/d,初始水位-71.10m,6 h后水位降至-78.68m,抽至22日13時,水變清;由于測水管被堵,至23日水位沒有變化,23日14點30分停泵重新安裝測水管,于24日15時重新開泵抽水,抽水量為480m3/d,抽水1h,水變清,水位標(biāo)高-80.18m。25日2時,水變渾濁,經(jīng)過幾次調(diào)小水量,以保證水位在190m以上,于27日1時水變清。30日7時孔內(nèi)水再次發(fā)生渾濁,當(dāng)天18時才抽清水。抽水期間水位一直下降,水量不斷調(diào)小,至31日14時停泵前,水位標(biāo)高-91.95m,水量276.77m3/d。抽水試驗是3月31日14點停泵,停泵后即觀測孔內(nèi)恢復(fù)水位,水位恢復(fù)較慢,直至4月9日22時才恢復(fù)到-71.10 m。整個抽水試驗總共歷時20天。抽水歷時曲線及水位標(biāo)高如圖3所示。
從圖3可以看出,觀測孔WK2、WK5的初始水位均比抽水井WK3初始水位低,而WK1、WK4、WK8比抽水井WK3初始水位高。抽水試驗進行時,隨抽水井中水位降深的不斷增大,觀測孔WK2、WK4、WK5中水位具有隨之降低的特性,而觀測孔WK1、WK8中水位不降反而小幅上升。為了探討觀測孔水位隨抽水降深的變化規(guī)律,將各鉆孔降深變化繪制成圖4所示。
圖4清晰地反映出,抽水試驗劃分為二次進行,第一次抽水因測水管堵塞,抽水井WK3中的水位并不能真正反映抽水井的水位降深,雖然觀測孔WK4中的水位具有類似的變化趨勢,也不能反映觀測水位的真實值。特別是距離抽水井WK3比較近的觀測孔WK2和WK5,抽水井WK3抽水井中水位下降,而觀測孔WK2和WK5中的水位反而上升,最大上升幅度超過6m,這顯然不符合實際。分析其原因,主要是鉆孔鉆進過程中,上部使用了膨潤土加水泥制作的泥漿護壁造成堵塞,致使含水層中的地下水不能進入抽水井中。另外,水位變化幅度范圍內(nèi)巖溶也比較發(fā)育,溶洞和溶孔被粘性土及粉質(zhì)粘土充填,造成了觀測數(shù)據(jù)的失真。
圖3 抽水試驗歷時曲線及水位標(biāo)高
圖4 抽水孔和觀測孔水位降深
停止抽水后等待水位恢復(fù),再進行第二次抽水試驗,這一階段的前期仍然有渾水不斷進入抽水鉆孔,進一步證實泥漿護壁和巖溶充填物存在,觀測數(shù)據(jù)仍然存在很大誤差。到抽水試驗的后期,隨著洗井工作的結(jié)束,試驗數(shù)據(jù)才具有一定的可靠性。觀測孔WK2、WK3和WK5隨抽水試驗的進行具有比較類似的變化規(guī)律,說明了F11斷層具有較好的導(dǎo)水性。觀測孔WK1和WK8隨抽水試驗的進行水位反而小幅上升,分析其原因主要是由于這兩個觀測孔距離抽水井比較遠,抽水過程本身對并其沒有影響,而是隨臨近的赤湖等地表水體的水位變化而發(fā)生波動。由此可以判斷,鉆孔WK1和WK8中地下水與抽水孔WK3沒有明顯的水力聯(lián)系,也由此可以證明東阻水體具有較好的阻水性能。
抽水試驗停止后,WK2和WK4中的水位隨抽水井中的水位上升不斷上升,具有同步效應(yīng),而WK5的水位恢復(fù)并不明顯。WK2的水位恢復(fù)沒有達到第二次抽水試驗時的水位,進一步說明原來WK2中的水位并不是真實的初始水位。
比較圖3和圖4不難看出,WK2、WK5的初始水位比抽水井WK3初始水位分別低172.16m、136.20 m,這主要是WK2位于東阻水體以西場區(qū)一側(cè),巷道疏干排水是該觀測鉆孔水位較低的重要原因。WK5雖然位于東阻水體,但鉆孔穿過了F11斷層,實際上鉆孔地下水反映的特征與WK2類似。WK2、WK5與WK3的間距分別為 54.17 m和 132.50 m,WK2與WK3水力坡度達到了3.18,在疏干量不大的情況下能產(chǎn)生如此大的水力坡度,說明下部巖溶裂隙并不發(fā)育,連通性較差,地下巷道涌水量并不大。
通過上述分析,對東阻水體阻水性能的研究可以得出以下主要結(jié)論:
(1)東阻水體西邊界F11斷層具有一定的導(dǎo)水性,但F11斷層的下盤是礦山巖體,傾向NE,具有比較好的完整性,且賦水性比較差。
(2)東阻水體中地下水與東部地表水體及地下水聯(lián)系并不密切,抽水試驗證明東阻水體具有比較好的阻水效果。
(3)地下巷道施工在F11斷層西側(cè)進行,F(xiàn)11斷層下盤必須預(yù)留一定的距離以保證有足夠的抗剪強度防止東阻水體的向下滑移,同時要防止F11斷層遭到人為破壞。
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