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。

1 場區(qū)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

1.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

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>

1.2 地層分布

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

1.3 地下水系統(tǒng)

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。

2 東阻水體的構(gòu)造特征

2.1 東阻水體構(gòu)造特征

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

2.2 東阻水體巖性特征

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。

3 東阻水體阻水效果試驗

3.1 抽水試驗布置

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。

3.2 抽水試驗結(jié)果及分析

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。

3.3 試驗結(jié)果分析

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。

4 結(jié)論

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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2 李慧芳，折書群.河北礬山磷礦地下水防治與環(huán)境保護[J].地下水，2010，32（1）：108-110.

3 劉國洪.某工程北礦帶東阻水體的結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性分析[J].銅業(yè)工程，2007，（1）：6-8，55.