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        巖溶區(qū)礦山水文地質(zhì)參數(shù)研究規(guī)律

        2021-02-22 07:41:34遲帥符嘉望
        關(guān)鍵詞:張量碳酸鹽巖滲透系數(shù)

        遲帥 符嘉望

        1. 廣東省地質(zhì)局第十地質(zhì)大隊(duì) 廣東 中山 528427 2. 廣東省地質(zhì)局第八地質(zhì)大隊(duì) 廣東 梅州 514089

        本次主要研究某礦區(qū)巖溶發(fā)育問題,針對該區(qū)域地下巖溶含水層富水性及相對隔水層組成的地下含水層系統(tǒng),本次通過地表空間三維方向巖溶發(fā)育情況的調(diào)查,對巖溶細(xì)化分層。同時,通過井下抽水試驗(yàn)確定不同含水層的滲透系數(shù),并結(jié)合巖體裂隙發(fā)育綜合分析,最終研究礦區(qū)地表巖溶與深部巖溶發(fā)育情況。

        1 區(qū)域地質(zhì)情況

        1.1 地層巖性

        研究區(qū)內(nèi)主要為中生代三疊系個舊組地層,及少量第四系地層零星出露[2]。

        中三疊統(tǒng)個舊組(T2g):主要是純碳酸鹽巖,下部泥質(zhì)灰?guī)r、花崗巖。該層是礦區(qū)的巖溶含水層的主要研究地層,同時也是礦區(qū)主要礦床分布的主要地層。

        第三系:主要巖性是灰色、淺灰色、灰黑色泥巖。在本次研究礦區(qū)山間盆地零星分布。

        第四系:主要是研究礦區(qū)山間沖洪積物,位于山間盆地、溝谷等地。

        1.2 地質(zhì)構(gòu)造

        礦區(qū)主要以近東西向構(gòu)造體系為主,常見出露地層為中三疊統(tǒng)個舊組碳酸鹽巖。該構(gòu)造體系中以壓扭性斷裂為主,東西向斷裂個舊斷裂帶、馬吃水山斷裂帶是其代表性斷裂[3]。主要斷裂帶分布特征及展布如下,詳見表1、圖1。

        圖1 野外調(diào)查斷裂帶

        表1 礦區(qū)主要斷裂產(chǎn)狀規(guī)模表

        2 含水層(組)特征

        研究區(qū)主要含水層地層是中三疊系個舊組碳酸鹽巖。結(jié)合本次施工鉆孔資料,將研究區(qū)按碳酸鹽巖含量劃分。均勻純碳酸鹽巖(碳酸巖鹽含量>70%),為碳酸鹽巖裂隙巖溶含水層(地下水類型位Ⅰ);間互碳酸鹽巖(碳酸鹽巖含量30-70%),為碳酸巖鹽夾碎屑巖裂隙巖溶含水層(地下水類型位Ⅱ);各個含水層(組)按劃分如表2所示。

        表2 碳酸鹽巖組合特征列表

        研究區(qū)灰?guī)r主要出露地層是中三疊同個舊組,其中個舊組可細(xì)化分為卡房段(T2g1)、馬拉格段(T2g2)??ǚ慷畏譃閮蓚€亞段,其中卡房段T2g11以灰?guī)r為主,部分含泥灰?guī)r,T2g12以白云巖、灰?guī)r為主;馬拉格段T2g21主要為白云巖,具有藻層紋、礫屑等結(jié)構(gòu)構(gòu)造,以數(shù)毫米灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖互層。

        3 巖溶發(fā)育特征

        研究區(qū)主要出露地層是三疊系中統(tǒng)個舊組(T2g)碳酸鹽巖,在研究區(qū)碳酸鹽巖含量超過80%,因此該區(qū)域巖溶發(fā)育條件具有較好的地質(zhì)條件。加上研究區(qū)常年多發(fā)持續(xù)性強(qiáng)降雨,區(qū)域內(nèi)降水充足,這為碳酸鹽巖地區(qū)巖溶發(fā)育提供了良好的水文地質(zhì)條件,本次研究多以巖溶的空間三維發(fā)育情況為主[4]。

        3.1 巖溶發(fā)育平面特征

        在研究區(qū)野外調(diào)查階段,可見巖溶洼地、落水洞廣泛分布,部分區(qū)域可見峰林、溶蝕沖溝、溶芽等。本次野外調(diào)查共發(fā)現(xiàn)巖溶洼地及落水洞185個,溶洞發(fā)育方向以45°、145°、320°為主。落水洞的長軸與短軸比多數(shù)在1-1.2,長軸-深度比主要集中在0.05-4.00,其他范圍數(shù)量較少。經(jīng)野外調(diào)查及相關(guān)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)部分溶洞直接連通地下巖溶暗河,詳見圖2。

        圖2 區(qū)域溶洞發(fā)育方向-洼地長軸方向玫瑰花圖

        3.2 巖溶發(fā)育垂向特征

        經(jīng)研究區(qū)鉆探資料,發(fā)現(xiàn)地下溶洞47處。表明在地下500 m深度內(nèi)仍存在碳酸鹽巖溶蝕,地下巖溶發(fā)育良好。主要位于海拔1050-1080 m、1150-1250 m、1280-1350 m、1400-1500 m這四個主要巖溶含水層中,對應(yīng)巖溶裂隙含水層。因此在礦山施工過程中,應(yīng)注意巖溶含水層突水災(zāi)害,保障井下安全開采,詳見圖3。

        圖3 地表巖溶分層發(fā)育概化圖

        4 水文地質(zhì)參數(shù)

        4.1 滲透系數(shù)

        本次研究以單孔抽水試驗(yàn)為驗(yàn)證該區(qū)水文地質(zhì)參數(shù),選用《水文地質(zhì)手冊》上的潛水完整井流公式及承壓井完整井流公式計(jì)算含水層滲透系數(shù)滲透系數(shù)。由計(jì)算結(jié)果,礦區(qū)滲透系數(shù)取值區(qū)間為0.019~0.542m/d[5]。

        式中:

        K——滲透系數(shù)(m/d) Q——抽水流量(m3/d)

        Sw——抽水井水位降深(m) H0——含水層厚度

        R——影響半徑(m) rw——抽水井井半徑(m)

        4.2 滲透張量

        4.2.1 巖溶洼地確定滲透張量

        針對研究區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)的研究,以往各個含水層水文地質(zhì)參數(shù)僅靠抽(放)水試驗(yàn)確定,其中單點(diǎn)或者單孔試驗(yàn)不具備區(qū)域代表性。然而天然地下水滲流場的水文地質(zhì)參數(shù)具有各向異性,加之巖溶區(qū)地層滲透系數(shù)存在各向異性,在抽水試驗(yàn)過程中,抽水所形成的降落漏斗在水平方向近似一個橢圓形。根據(jù)穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)計(jì)算得出的滲透系數(shù),并不能代表碳酸鹽巖地區(qū)的滲透差異性。

        而實(shí)際天然地下水滲流場在一個含水層中具有各項(xiàng)異性的滲透系數(shù),單一一個點(diǎn)的水文地質(zhì)參數(shù)并不能反映全區(qū)。以往通過數(shù)值法調(diào)參,導(dǎo)致數(shù)值模擬與真實(shí)地質(zhì)情況存在很大的差異性。因此,通過地表巖溶洼地、落水洞發(fā)育規(guī)律,地下溶洞、井巷裂隙發(fā)育展布確定地下含水層三維滲透系數(shù)能更真實(shí)的反映地下三維含水層的滲透性能。

        4.2.2 巖體裂隙確定滲透張量

        通過對井下巷道巖溶裂隙調(diào)查,根據(jù)空間上裂隙的展布情況確定滲透張量數(shù)值,根據(jù)單個節(jié)理裂隙中水流的三維空間方程,計(jì)算公式如下:

        式中:

        g—重力加速度(m/s2)r—運(yùn)動粘滯系數(shù)(N.s/m2)

        b—裂縫的隙寬(m) J—平行于隙面的水力梯度

        Q—裂縫中水的流量(m3/s)

        以及拓廣了的達(dá)西定律,

        聯(lián)立可得裂隙介質(zhì)中的滲透張量:

        式中主對角線上三元素即為所對應(yīng)的Kx、Ky、Kz值,其中滲透系數(shù):

        裂隙滲透張量的擬合與區(qū)域巖溶洼地(落水洞)結(jié)果相近,但是有待進(jìn)一步分層驗(yàn)證,三維裂隙滲透張量關(guān)系式如下:Ky=0.4975Kx Kz=0.2583Kx

        圖4 野外實(shí)測裂隙

        對研究區(qū)節(jié)理裂隙擬合情況得出,裂隙的空間三維滲透張量呈現(xiàn)線性擬合關(guān)系。滲透張量Ky=0.4975Kx,Kz=0.2583Kx,線性回歸擬合效果良好,詳見圖5、圖6。

        圖5 裂隙計(jì)算Kx-Ky關(guān)系圖

        圖6 裂隙計(jì)算Kx-Kz關(guān)系圖

        4.2.3 抽水試驗(yàn)降落漏斗確定滲透張量

        本次選取灰?guī)r發(fā)育區(qū)域,通過抽水試驗(yàn)形成降落漏斗對比野外調(diào)查巖溶洼地發(fā)育形態(tài)、井下節(jié)理裂隙發(fā)育情況。分析如下:降落漏斗與巖溶洼地、節(jié)理裂隙的滲透張量近似于橢球形態(tài),在空間上基本一致,且主軸發(fā)向基本相同。因此,對于巖溶廣泛分區(qū)區(qū)域,地下含水層滲透系數(shù)、滲透張量的確定可結(jié)合野外綜合調(diào)查。當(dāng)場地施工條件比較復(fù)雜時,可通過對比分析巖體裂隙、地表巖溶發(fā)育情況獲取巖體的滲透系數(shù)。詳見圖6。

        圖7 個舊組滲透張量計(jì)算結(jié)果對比圖

        綜上所述,通過對野外、井下巷道節(jié)理裂隙的調(diào)查,可近似得出巖溶地區(qū)滲透張量,該方法具有一定的實(shí)用性。

        5 結(jié)束語

        本次研究基于野外調(diào)查、抽水試驗(yàn)的基礎(chǔ)計(jì)算巖溶區(qū)域地下含水層水文地質(zhì)參數(shù),現(xiàn)取得以下認(rèn)知:

        研究區(qū)地表及地下巖溶較為發(fā)育,受區(qū)域構(gòu)造影響,節(jié)理裂隙對研究區(qū)巖溶發(fā)育具有較大的影響。

        對于研究區(qū)地下巖溶發(fā)育情況,可進(jìn)一步細(xì)化含水層,對于水文地質(zhì)條件的了解十分重要。

        通過巖體節(jié)理裂隙及巖溶洼地、落水洞的調(diào)查測量工作發(fā)現(xiàn),節(jié)理裂隙及巖溶洼地發(fā)育情況與地層滲透張量擬合,且滲透張量在空間上表現(xiàn)類似一定的橢球,充分證明巖體裂隙及巖溶發(fā)育情況測量滲透張量方法可行。

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