岩溶水分布（精选7篇）
岩溶水分布 篇1
引言
港西古潜山位于港西太平村一带, 多年来对港西古潜山岩溶裂隙水的分布规律及富水程度均没有进行过详细深入的了解。因此, 我们近一时期对这一地区进行了较为详细的水文地质调研, 对这个地区的水文地质条件及岩溶裂隙水的分布规律也有了较为深入的认识。
1 港西古潜山带的构造形态
港西古潜山带位于歧口、板桥两个凹陷之间, 为早期发育, 后期继承的背斜型古潜山带。主峰位于G13井～G59井一带。
构造形态为北翼缓与南翼徒的不对称长轴背斜, 鉴于石炭系地层与奥陶系地层为假整合接触, 因此, 奥陶系顶面的构造形态也应是不对称的长轴背斜。古潜山带轴向北东50度, 长25公里, 宽3～7公里, 面积1 5 0平方公里 (见港西古潜山形态图) 。
港西古潜山带的发育历史, 从现在所揭露的上古生界、中生界的地层厚度来判断港西古潜山为下古生界末期开始形成, 上古生界、中新生界继续发育的长期继承性隆起带。
古潜山带主要发育北东和近东西向两组断层, 近东西向断层为古生代发育的老断层, 断距一般300～400米, G2井断层最大, 断距达6 0 0米, 此组断层将古潜山带分割成三大块六个高点。中块最高, 下古生界埋藏深为2 5 0 0～3 0 0 0米, 东块下古生界2800米, 北东向断层主要发育于中新生代。
2 港西古潜山岩溶裂缝发育的基本特征
岩溶及裂缝为灰岩地层的主要储水空间, 区内石灰岩的缝洞均比较发育, 但由于后期方解石的充填作用比较强烈, 因而造成缝洞纵横间的连通性较差。
2.1 岩溶特征 (见下表)
从上表可见:
(1) 主要发育于奥陶系马家沟组。
(2) 岩溶发育带集中在灰岩顶面以下80米的范围内。
(3) 从平面上看, 岩溶主要集中在古潜山的高部位, 港西主断层与东西向断层交汇处, 反映了两组断裂的交叉部位岩石破碎, 在地层水作用下形成岩溶。
(4) 放空井段除G3井、G1井有大量漏失外, 其他各井均无明显漏失, 说明岩溶与周围的连通性较差。
2.2 裂缝特征
因岩心资料少, 主要是岩屑资料, 因而对裂缝的走向、延伸情况等难以确定, 所以对裂缝的研究主要根据岩石电性资料及少量岩心。
2.2.1 电测解释的裂缝带的分布特点
(1) 裂缝带在层位上以奥陶系为最发育, 次为震旦亚界, 寒武系最不发育。
(2) 在同一层系的地层中, 各个组的裂缝发育程度差别很大, 奥陶系地层中, 以马家沟组最发育, 寒武系地层中以张夏组最发育, 造成各组间裂缝不发育的主要是岩性因素, 以泥质含量重, 或为泥质岩类裂缝均不发育, 反之灰岩越纯, 含泥越少则裂缝越发育。
(3) 奥陶系马家沟组裂缝带主要分布在奥陶系顶面以下400米范围内。
2.2.2 岩心及岩石薄片的研究
本区钻井取心较少, 但从少量岩心看, 裂缝比较发育, 且以垂直层面的裂缝为主, 裂缝宽度较大。一般1～3毫米, 最宽可达6～7毫米。但裂缝均被方解石充填, 岩石薄片也充分说明了裂缝的充填程度较高。
3 港西古潜山岩溶裂隙水的分布特征
下古生界石灰岩上覆盖层的时代及性质, 反映了石灰岩暴露地表, 遭受风化剥蚀时间的长短及地层水对石灰岩溶蚀的强弱, 直接影响了缝洞的发育及连通程度的好坏, 岩溶裂隙水的分布及富水性也就有明显的差异。
(1) 以G59井为中心的北翼地区奥陶系灰岩之上覆盖有石炭二迭系及中生界地层, 表明石灰岩受风化淋滤的时间远比覆盖层为新生界的短, 因而缝洞发育差, 加之方解石充填, 连通性变差, 水动力条件弱, 径流较滞缓, 富水性差, 地层水性质与他区相比, 具有矿化度、钙离子和钠离子高的特点, 为C a C L2水型。
(2) 以G2井为中心, 包括H5、G87井、G23井、G45井、G1井、T6井、T2井在内, 从构造位置看, 本区地处主断裂的北西向张性断裂的交汇处, 由于各断裂交汇所形成的破碎带和开启通道, 促成水动力条件较为活跃, 但由于岩溶裂缝发育和连通的不均匀性, 即使同一区块的某一局部地段, 水动力条件有明显差异。例如:位于本区的G1井、G2井、奥陶系上覆盖层为新生界地层, 缺失中生界及石炭二迭系地层, 且水中出现其他各区所没有的碳酸根离子, 说明与新生界孔隙水有一定的水力联系, 缝洞发育, 地下水较活跃, 富水性相对较好, 地层水矿化度和氯离子含量低于其他各区。
(3) 以T4井为中心, 包括T5井以东地区从构造位置看, 本区位于主断裂线上, 地层水性质与水动力条件介于上述两者之间。
综上所述, 港西古潜山岩溶裂隙水的分布及富水性主要受裂缝的开启程度和连通程度的控制, 由于各地段和各层系裂缝的发育程度和填充程度不一, 裂缝的连通性也很局限。因此, 不但造成各层系有自己独立的水动力系统, 即使是同一层系的不同地段, 也各有其独立的水动力系统。
4 结束语
由于港西古潜山石灰岩地层在第三纪沉积前长期处于深埋状态, 水交替迟缓, 水温较高, 水化学成分复杂。从现有奥陶系水质化验资料分析, 总矿化度均在三万P P M以上, 反映由于缝洞的闭塞, 其水质仍保持了石炭系沉积早期的水性, 为埋藏型裂隙岩溶水。
摘要：本文通过对港西古潜山带的地层、构造的发育情况及岩溶裂缝发育特征论述了该地区岩溶水存在的基本条件, 通过水化学成分、地层的缺失、地下连通性的强与弱, 阐明了港西古潜山岩溶裂隙水的分布特征, 确定港西古潜山为埋藏型裂隙岩溶水。
关键词：古潜山,岩溶裂隙,储水空间,富水性,裂隙岩溶水
岩溶充水矿床防治水措施浅析 篇2
北京江南广德矿业投资有限公司拟开采湖南省道县后江桥铁锰矿区的铁锰矿床, 该矿床属岩溶充水矿床, 水文地质条件极为复杂, 开采前需详细查明矿区的水文地质条件, 在此基础上提出矿山防治水措施与建议。
1 基本情况
1.1 地理位置
矿区位于湖南省道县县城东南约20 km后江桥一带, 涉及该县的蚣坎镇、驷马桥镇横岭瑶族自治乡等, 其地理坐标为:东经111°42′18″～111°44′22″, 北纬25°20′17″～25°23′41″。开采标高:+375～-140 m;采矿区面积:4.558 km2。
1.2 交通
矿区交通方便, 道县至插花坪、驷马桥, 道县至横岭-洪塘营等公路纵横矿区, 县城有公路直通永州市, 直线距离110 km。
1.3 气候
该区域属亚热带大陆性气候, 严冬期短, 春寒阴湿, 春夏多雨, 夏秋多旱, 无霜期长, 气温高, 湿度大, 雨量充沛, 大气降水是区域地下水的主要补给来源。
2 矿区水文地质条件
2.1 矿区地层岩性
矿区出露地层有第四系、三叠系或侏罗系、石炭系、泥盆系等, 主要由泥盆系碳酸盐岩组成, 出露面积约占65 %。
2.2 矿区地质构造
矿区位于驷马桥复式向斜西翼北端, 为一平缓单斜构造, 岩层倾向东, 倾角15°～30°, 地层走向大致南北, 略有偏转, 略呈一反“S”形, 褶皱构造简单, 断裂构造比较复杂。
2.3 含 (隔) 水层
矿区范围内地层分布由西向东 (单斜倾向) 从棋子桥组、佘田桥组、锡矿山组依次分布。棋子桥组为一套隔水岩层;佘田桥组为一套可溶性的碳酸岩沉积地层, 厚度大, 岩溶化强烈, 含水丰富, 为矿坑主要充水岩层;锡矿山组富水性中等至弱, 夹相对隔水层。
2.4 可溶岩水文地质特征
矿区可溶岩层有泥盆系上统佘田桥组 (D3s) 灰岩、白云质灰岩、白云岩、隐晶质微粒灰岩;锡矿山组下段D3X1白云质灰岩、泥质灰岩、白云岩;石炭系下统大塘阶下段 (C1d) 灰岩和石炭系下统岩关阶下段 (C1y1) 灰岩、泥灰岩。总厚度在520.27～825.23 m。
(1) 佘田桥组 (D3s) 岩溶含水层岩组, 为矿区内的主要含水层, 矿体亦赋存于该层中。
(2) 锡矿山组下段2～4层 (D3X1-2～D3X1-4) 岩溶含水层, 呈带状分布于矿区东部D3X1-5～D3X1-1地层之间, 本层岩溶发育, 含富水性中等的裂隙溶洞水。
(3) 锡矿山组下段第6层 (D3X1-6) 岩溶含水层, 呈带状分布于矿区东部边缘, 本层岩溶发育, 含富水性中等的岩溶裂隙水。
(4) 岩溶发育规律。①水平方向:矿区南端一带, 为矿区岩溶地下水的补给、径流区。其特点是:出露地势高, 大片岩石裸露, 属于裸露型岩溶区。地表岩溶形态发育, 有溶洞、溶槽、漏斗、落水洞、溶浊洼地等。地下溶洞以标高100～200 m最为发育。地表岩溶往往与地下溶洞、暗河相通。矿区北端大部分地区属于覆盖型岩溶区, 地下岩溶极为发育, 主要为溶洞、暗河及溶蚀裂隙, 且发育下限深度很大。②垂直方向:除了高角度断层带之外, 正常地段内矿区的岩溶发育一般遵循由浅而深、由强至弱乃至消失的规律。据相关资料统计, 共探出274个溶洞, 发育垂深多在360 m以内, 以标高统计多在标高220～0 m之间, 往下逐渐减弱于标高-150 m以下, 溶洞发育稀少。③构造断裂关系:矿区内, 南北向、北西向、北北东向断裂及其影响带上岩溶最为发育。
2.5 矿坑充水因素及充水途径
大气降水、地表水体水、第四系松散岩类孔隙水、矿体顶底板及围岩岩溶水、矿体水、矿区周边地下水、地面塌陷使大气降水, 地表径流会通过塌陷洞直接灌入矿坑、废弃开采通道及老窿积水。除上述因素之外, 还有矿区西北部车子江河水倒灌、断层浅部导通矮坝河水回流等充水因素。
2.6 边界条件
(1) 北边界:
万岗寨—后江桥断层于螺丝岭以东NE段, 上盘出露岩层为D3X2泥灰岩、泥岩、砂质页岩, 底部为薄层砾岩, 由区内隔水岩层与断层隔水角砾岩共同组成了NE段隔水边界。而断层螺丝岭以西的SW段, 由于断层上盘出露地层为下石炭统灰岩岩溶含水层与断层角砾岩相接触, 且上部被第四系松散层含水层覆盖, 故该段自地面向下约50 m以内为透水边界, 50 m以下的隔水性好。
(2) 东边界:
在未来矿坑开采条件下, 由于矿区地下水大幅度下降, 上述边界上的锡矿山组下段第1层 (D3X1-1) 岩隔水层已起不到隔水作用, 边界东侧佘田桥组灰岩含水层中的地下水可以自东向西流入矿区。
(3) 西边界:
矿区西侧被车子江切割, 河水沿佘田桥组灰岩与棋子桥组砂岩接触带流动, 河水与地下水关系密切, 且河水水位长期保持稳定。矿区西边界为供水边界。
(4) 南边界:
矿区的佘田桥组灰岩含水岩组分布面积广, 北起万岗寨-后江桥断层, 南可沿至老屋地—李子坳一带分水岭, 汇水面积约30 km2。
2.7 矿坑涌水量预测
预测矿坑涌水量采用解析法、均衡法与数值法。解析法和均衡法主要用于对初勘阶段成果的复核, 数值法采用有限差入数值方法, 运用“Visual Modflow 4.2”软件对道县后江桥铁锰矿区的地下水渗流场进行模型识别, 并预测不同条件下的矿坑涌水量。根据矿坑涌水量计算要求, 分别预测了平水期、丰水期和特丰水期的矿坑涌水量, 矿坑涌水量预测结果为5 000～7 000 m3/h。
3 防治水措施与建议
3.1 矿坑充水水源途径
根据矿区水文地质条件, 矿坑充水水源途径主要有:①车子江河侧向补给;②地下水系统内静储量, 矿区岩溶、裂隙发育, 同时矿体呈松散状, 为地下水提供了良好的储存空间;③大气降水入渗;④稻田渗漏;⑤矿区地表池塘、溪沟渗漏;⑥在疏干排水条件下, 矿区四周均会发生侧向径流补给矿区;⑦老窑水;⑧岩溶塌陷引发新的入渗等。
3.2 矿坑充水防治措施
根据矿坑充水水源、充水途径, 矿坑充水防治的原则是截源堵途, 即减少矿坑充水水源的补给量, 切断地下水流入矿区的途径, 同时对进入矿区的地下水进行疏干。根据矿区的实际情况, 矿坑充水采用以下方法防治。
(1) 地下水侧向补给包括车子江河在疏干排水条件下反补矿区, 以堵为主, 即阻断地下水渗透途径, 具体方法有帷幕注浆、河流改道等。
(2) 地下水系统静储量以疏干排水方式处理, 设置疏干排水井或采用坑道进行排水, 也可以联合运用。
(3) 大气降水入渗防治。为减少降水入渗, 应对地表进行处理, 如在地表设置排水系统, 设截水沟、排水沟, 大气降水在地表形成径流后, 利用截水沟截住水流并引入排水沟, 迅速排出矿区, 防止降水长时间入渗地下, 以减少大气降水的入渗量。在矿区南部, 还可以在降水入渗途径中设平硐截流引水, 以减少降水的入渗。对洼地、漏斗、落水洞可采取防渗措施, 对新出现的塌坑、塌洞及时回填防渗等。
(4) 稻田渗漏的防治。目前, 矿区内普遍种植水稻, 而且水稻生长季节属地下水丰水期。减少稻田入渗的办法只能是在矿区范围内减少水稻的种植面积, 改种耐旱农作物。
(5) 对矿区内的沟渠进行修整并保持顺畅, 对沟渠底进行防渗处理, 如采取硬化、设置防渗薄膜等措施。
3.3 防治水方案
(1) 完全疏干方案。
利用坑道系统疏干地下水, 将地下水水位降至坑道面以下。完全利用坑道排水可能会给施工带来不便, 特别是在初期, 应在工作面附近设置降水井, 协助坑道系统疏干排水。
(2) 全围帷幕堵水方案。
根据矿体平面分布以及开采方案, 在矿体周围采取防渗帷幕堵水。帷幕墙内进行地下水疏干, 将地下水位降至坑道面以下。
帷幕堵水方案可分为整体帷幕方案、分矿体帷幕方案和分段、分块帷幕方案。整体帷幕根据各矿体的分布范围将所有矿体围在中间, 此方案造价高, 施工工期相当长, 一次性投入过多。第2种帷幕方案即按单矿体分别进行帷幕。第3种帷幕方案是根据矿体分布选取有利地段进行分割分段帷幕。此方案见效快, 前期投入较小, 但总的投入相对于单个矿体帷幕费用要高。
(3) 排堵结合方案。
根据前述矿坑涌水预测结果分析, 矿山开采过程中的矿坑涌水量主要来自车子江河水的侧向补给, 因此, 防止车子江河水进入矿坑系统是治水的关键。其他方向的来水量较小, 在此方案中对其采取防渗措施的意义不是很大。
沿车子江设地下防渗帷幕, 防止车子江河水沿第四系卵石层和佘田桥组灰岩含水层的侧向补给。地表加固堤防, 防止洪水期车子江河水漫堤后渗入矿坑。帷幕深度必须穿越岩溶发育深度。矿床开采时利用坑道系统进行疏干排水, 将地下水降至开采面标高以下。
(4) 河流改道或防渗与排水相结合方案。
将车子江河流进行改道, 或者将车子江河床进行防渗铺砌, 防止车子江河水与地下水发生水力联系。在车子江河川采用防渗铺砌方案时, 应特别注意河床底部铺砌工程质量, 防止底部可溶岩产生岩溶塌陷造成的破坏。河流改道可以采用明渠形式或隧道形式, 矿区利用坑道系统将地下水疏干。
3.4 方案比较
(1) 完全疏干方案。
其优点是:由于大范围的矿区疏干排水, 矿山开采过程中突水突泥淹矿的危害性小。其缺点一是排水费用极高;二是矿区内范围疏干引起的环境问题特别突出, 会出现岩溶塌陷、生产生活用水困难、河流断流等。
(2) 全围帷幕堵水方案。
其优点是:帷幕坑排水量小, 排水费用低;对环境的影响相对较小。其缺点是:由于帷幕的深度极大, 帷幕质量难以控制, 帷幕孔容易出现孔斜, 易造成帷幕墙出现错位, 相邻孔出现过水通道;溶洞充填物难以处理, 水泥浆难以注入, 即使注入, 由于溶洞充填物中结合体强度不够, 不一定能经受住内外水头差的压力, 容易出现突水突泥, 帷幕一旦发生渗透变形, 对矿坑的危害是巨大的甚至是毁灭性的。而且帷幕工程量大, 成本高。
(3) 排堵结合方案。
其优点是:由于大范围的矿区疏干, 矿山开采过程中突水淹矿的危害性小;沿车子江的防渗帷幕由于其深度不大, 帷幕容易施工, 帷幕质量易于控制;矿山开采过程中的排水量有较大幅度减小。其缺点是:防渗帷幕的工程量较大, 帷幕费用相对较高;矿区内大范围疏干引起的环境问题突出, 当地的生产生活用水受到较大影响;岩溶塌陷问题严重, 甚至影响居民的生命财产安全。
(4) 河流改道或防渗与排水相结合方案。
其优点是:由于大范围的矿区疏干, 矿山开采过程中突水淹矿的危害性小;矿山开采过程中的疏干排水量有较大幅度减小;施工质量易于控制。其缺点是:采用铺砌防渗方案, 若清基不彻底, 疏干时可能引发地面岩溶塌陷, 河水直灌矿坑, 引起淹矿事故;采用明道改道方案, 受位置所限, 现有地表水系统需重新设置, 若采用隧道施工方案, 施工难度大, 成本高。
3.5 方案选择建议
根据矿区的水文地质条件, 从工程的可行性和安全的角度出发, 推荐排堵结合方案, 即以排水为主、防渗为辅。若采用堵水方案, 则应认真进行防渗帷幕设计, 严格控制防渗帷幕的施工质量。帷幕完成后, 建议采用多种方法检验帷幕质量。同时建议对拟帷幕位置加强勘探工作, 包括采用物探、钻探、抽水试验等多种手段, 查明各地段岩溶、裂隙分布规律及发育情况、导水性情况, 确定帷幕需重点处理的地段和一般地段, 从而达到节约帷幕成本、缩短工期的目的。
参考文献
岩溶区矿井突水预测与防治 篇3
关键词：岩溶区,矿井,突水预测与防治
0 引言
岩溶区矿井突水是矿山展开开采工作面临的一种潜在危险, 如何成功避开这些危险成为一项亟待解决的问题。首先要对矿井突水各种预兆进行预测, 仔细分析造成突水的具体原因, 从问题根源下手, 对矿井突水危险性进行量化评价, 然后再根据以往经验评价矿井有无突水危险。但就当前各种情况来看, 矿井中断裂带突水仍相当复杂, 需要随时警惕。所以, 当前仍需对岩溶区矿井突水进行预测与防治。
1 岩溶区矿井突水预测与防治的现状
1.1 岩溶区矿井突水预测的重要性
矿井突水指在日常正常矿区生产过程中突然发生的大量涌水现象, 这是因为工人在矿井下进行采掘作业时破坏了岩体自身天然平衡。有时还会因为突水来势凶猛, 水量比较大, 一旦工作不到位、防范不力或矿井排水能力不足, 经常因为失误造成很严重的经济物质损失, 有时甚至有人员伤亡等惨痛事件发生。
1.2 预测矿井突水过程中存在的几种重要的作用力
a) 静水压。在矿井施工过程中, 如果在隔水层厚度始终保持不变情况下进行施工, 常规都是先沿着比较倾向深部的地方进行开采。因为静水压力承受力越大, 其突水机率就相应越高, 相反就会降低;
b) 动水压力。一般来说, 其具有比较强大的动能和较强冲力, 它存在的地方也相对比较特别, 一般存在于一些突水很强的岩层地段, 所在地方地下水流量也相对比较大;
c) 地应力。很多人会在听到这个词时都会觉得它在矿井突水过程中会有着相当大破坏力, 且还有着其它一些特别作用, 事实上地应力表现形式确实也很独特, 大多数情况下, 地应力主要变现形式就是能产生可导致突水的地震。但地应力并不是在所有时候都可发挥其能量, 它只有在一定条件下才可以发挥自身能量, 比如, 地应力会随着采掘工作面推进而不断加大。
1.3 量化矿井突水预测的危险性
近几年来, 经济科技得到飞速发展, 而随着计算机技术发展越来越飞速, 一些定量半定量的科学方法早已经运用到了许多领域, 如医疗检测、建筑测量等, 这当然也包括矿井突水水源的研究中。定量半定量的方法有很多种, 每种方法都可使用到不同的科学计算当中。如, 现行的计量半计量方法有模糊综合评判法、人工神经网络、灰色关联分析等。每种方法各有其不同特点, 同样也不可避免地会出现一些相应弊端, 还需要不断研究和探索[1]。
2 岩溶区矿井突水防治研究的主要内容
2.1 岩溶区矿井突水防治研究的大体方向
a) 先要充分了解矿区地质与水文条件, 从而了解地域和矿区各方面水土地质信息, 研究侧重点主要是含水层富水性及各个含水层之间不同的水利联系, 另外还要仔细研究岩溶矿区中岩溶水系统的水动力场、水化学场特征及其指示意义。还有比较重要的一点就是探讨区域岩溶水补给及富存问题;
b) 在研究过程中, 需要根据一定的计划顺序和科研要求, 对岩溶区矿井突水主要的影响因素展开分析与讨论;另外还需要选取一些具有代表性的地方来展开研究, 比如可选取构造相对复杂的地方来研究, 可以就隔水底板厚度和矿山压力进行分析与深入研究。
2.2 岩溶区矿井突水防治的具体注意事项
a) 收集和研究岩溶区矿井突水防治方案所需资料, 了解和认识岩溶区矿井地质背景, 在宏观方面把握研究地区地质环境背景, 尽量多到被选定研究对象所处地方走动, 尽可能多方面熟悉研究地形地貌、河流水系、地质岩层、土地构造及岩溶水动态;为了使研究防治方案的过程相对比较顺利, 各方面准备工作必不可少;b) 应对沿线野外边缘展开调查, 把握研究对象的完整性, 在调查研究过程中尽量避免灾害发生。根据突水成因和突水特征, 才能针对性地提出更加完善的研究方案和防治措施。
2.3 岩溶区矿井突水防治措施研究
在一系列调查基础上, 可清楚知道岩溶区矿井突水的主要特征, 再根据相应综合分析结果, 就可大致得出发生岩溶区矿井突水的主要成因, 可以采用有限差分软件, 同时运用三维数值模拟进行施工力学特性研究, 以便研究整个防治方案实施的可行性。根据突水发生的各种原因及特征, 针对性地提出相应防治方案与措施。
3 岩溶区矿井突水防治和注意点
3.1 岩溶区矿井突水产生的具体原因
岩溶区矿井突水发生大多是因为当前采掘活动影响到了地底下岩体自身平衡, 静水压力和矿山压力共同作用于采掘工作面水体, 再不停地通过断层及隔水层比较薄弱的地方进入采掘工作面。突水可以来自很多地方, 如底板、顶板、老采区、老窖、地表等。如此一来就会很容易因为水量非常大, 加上来势特别汹涌, 一旦准备工作不够到位、防范不力, 而造成排水不足等严重后果, 直接经济损失将无法估量, 有时甚至还会造成人员伤亡。所以避免灾害发生是一项十分紧迫的任务[2]。另外, 矿井突水事故发生所需时间长短与当时所处工作面位置关系很大, 还与当时所处的地质情况、静水压力、矿山压力大小等有着密切关系。
3.2 岩溶区矿井突水防治注意点
岩溶区矿井突水防治有许多需要注意的地方, 岩溶区矿井突水预兆一般有这样几种:a) 在矿床或岩层断裂的地方有很多暗红色水锈 (也就是含Fe的氧化物) 附着在裂隙表面, 俗称岩壁挂红;b) 对于刚刚采掘出的岩溶区要加以注意, 如果发现工作面积十分靠近积水区, 那么此时便可在围岩裂隙中观察到水透过岩壁所凝聚成的水珠, 这是因为积水自身存在着一定压力, 这种现状则被称为岩壁挂汗, 也是岩溶区矿井突水的预兆之一;c) 当进入接近工作面积水区有阴冷感觉, 且在里面待得时间越长越觉得阴冷, 这也是一种比较常见的预兆。
3.3 岩溶区矿井突水防治相关的一些具体措施
根据以上所提出的矿井突水一些比较明显的预兆及遇到的一些常见问题可得出有以下几个结论:a) 当矿井实际隔层厚度大于极限平衡状态的厚度或当矿井工作面静水压力小于极限平衡状态, 这两种情况都不会发生突水的危险;b) 如果矿井基岩厚度大于地表采动裂隙深度之和时, 采区也不会有顶板或底板突水的危险性。岩溶区矿井突水防治相关的一些具体措施:a) 工作人员需定期检查水闸开关关闭是否灵活、严密, 并及时清除杂物;b) 拆除岩溶区的短轨和架空线;c) 安排专门人士进行定期检查, 保证有人定期看守;d) 及时检查所有排水设施和输电线路, 确保水仓现有容量随时都是一个可明确的数据;e) 按时按刻派人清理水沟, 防治泥沙淤积;f) 因地制宜将突如其来的水另外排放, 从而防止涌水量过大问题出现, 同时筑坝蓄水, 关闭所有闸门, 以此来缓冲蓄水时间。只有做好上述工作才能争取更多时间增加更多排水设备, 竭尽全力保住矿井。
4 岩溶区矿井突水预测与防治总结
为了保证矿井下各种作业安全有序进行, 各种相关预测与防治就显得尤为重要。井下安全必须提到最重要的层面上来。如果发现有人被堵在井下无法上来时, 应立即通知各级领导和救援团队及时赶来实施救援, 首先要精确判断被困人员所有可能躲藏的地方, 及时快速掌握现场情况, 制定营救方案。岩溶区矿井突水的防治措施有很多种, 当所有措施实施无效时, 应立即通知还在井下工作的工作人员迅速通过安全出口撤退, 安全出井。另外, 岩溶矿井突水预测日益先进, 一些定量半定量的科学方法早已经运用到了科学领域, 定量半定量的方法有很多种, 每种都可使用到不同的科学计算当中去, 更好地对进行岩溶区矿井突水预测[3]。
5结语
岩溶区矿井突水问题有待科学继续发展出更好解决方案, 虽然目前已经有了不少应对策略和预测方式, 但仍存在一定安全风险, 为了能最大程度保护好矿井工作人员生命安全, 降低井下工作安全隐患, 需要研究人员对定量半定量的科学方法进行更加细致的研究, 做好岩溶区矿井突水预测工作, 为工作人员提供更好安全保障。
参考文献
[1]张群利.基于多源信息融合的岩溶矿区矿井突水危险性评价[D].哈尔滨:中国地质大学, 2011.
[2]陈福恩, 杨振福, 蒋智超, 等.矿井突水预测与危险性量化评价[J].渤海大学学报 (自然科学版) , 2010 (1) :17-21.
岩溶水分布 篇4
岩溶多重介质含水系统的喀斯特化造成了含水系统渗透系数的各向异性, 使得岩溶管道中的快速流和小裂隙、微裂隙中的慢速流并存、恒定流与非恒定流并存、紊流与层流并存[1,2]。而且, 岩溶地区特殊的水文地质条件为土地石漠化创造了条件, 降水的动力作用是石漠化形成的又一个主要因素。这种高度非均质的特殊空隙结构给分析这些含水系统的水动力特征、确定其储水能力以及水资源的合理开发利用及石漠化的治理带来困难, 因此对于该类型含水系统的研究首先要基于其动态机制的分析, 而水文地球化学特征则是岩溶含水系统动态特征的一个重要表现, 水化学资料不仅可用于分析地下水水质的时空变化特征, 而且可以提供有关地下水赋存条件、渗流途径、循环深度等水动力环境方面的信息[3], 对其深入分析可帮助了解岩溶含水系统内在的动态机制, 从而更加全面地刻画岩溶多重介质含水系统。
岩溶多重介质含水系统的水文地球化学特征受其补给区的性质 (地层、岩性) 和排泄区结构的发育状况的控制[4,5]。水化学模型或两两水化学变量间的相关分析不可能完全解译资料所包含的全部信息, 主成分分析很好地考虑了所有数据及变量间存在的相互关系。很多地下水系统, 如岩溶含多重介质含水系统, 有很多变量参数, 分析了解这些系统的作用机制和结构需要大量的观测资料, 这些变量通常太多, 不易快速简单地描述, 而变量 (温度、pH、电导率、阴阳离子浓度、总硬度、总矿化度等) 之间的关系和样本之间的关系可通过主成分分析来得到。
1 主成分分析方法简介
主成分分析作为多元分析的一种方法可以描述变量和样本之间的关系。主成分分析是把各变量之间相互关联的复杂关系进行简化分析的方法。它试图在力保数据信息丢失最少的原则下, 对这种多变量的数据进行最佳综合简化, 即对高维变量空间进行降维处理。主成分分析法的优点[6]:①可消除变量和指标之间的相关影响, 主成分分析在对原变量进行变换后形成的主成分彼此相互独立, 实践证明指标间相关程度越高, 主成分分析效果就越好。②指导数据收集和分析, 可减少变量和指标选择的工作量, 降低数据收集的盲目性, 避免化验不必要数据, 节约人力物力, 用尽可能少的变量反映尽可能全面的信息, 使工作事半功倍。③主成分分析中, 可以按主成分方差大小做出取舍, 只取方差较大的几个主成分来代表原变量和指标, 从而减少了计算工作量。
1.1 主成分分析步骤[7,8]
(1) 数据的标准化
由于主成分分析中各个因子的量纲, 大小以及评价指标往往差别很大, 可比性较差, 因此首先进行标准化, 使其具有良好的可比性。
设有n个样本, m项指标, 可得数据矩阵X= (Xij) n×m, i=1, 2, …, n, n表示n个样本;j=1, 2, …, m, m表示m个指标, Xij表示i个样本的j项指标值。用Z-score法对数据进行标准化变换, 标准化后的值为:
(2) 求指标的相关矩阵
相关矩阵R= (rjk) m×m, j=1, 2, …, m, k=1, 2, …, m, rjk为指标j与k的相关系数。
其中, rij=1, rij=rjii=1, 2, …, n, j=1, 2, …, m, k=1, 2, …, m。
(3) 相关矩阵R的特征根和特征向量
R的特征根为λ1≥λ2≥…≥λm≥0, 其相应的标准正交特征向量为r1, r2, …, rm, 其中rj= (rj1…rjm) , j=1, 2, …, m。
对于标准化数据可知∑λj=m, 故主成分Fj的方差贡献率为bj=λj/∑λj=λj/m。bj表示的第j个主成分所提取的原m个变量的信息在全部信息中的比重;累计贡献率
(4) 确定主成分个数、主成分得分及综合得分
主成分分析法选取尽量少的k个主成分 (k<m) 来进行综合评价, 同时还要使损失的信息尽可能少。当方差累计贡献率
2 研究区概况
贵州省地处世界岩溶发育最复杂、类型最齐全、分布面积最大的东亚岩溶区域中心[10], 是亚热带强烈岩溶化山区, 岩溶化的碳酸岩出露面积达13×104km2, 占全省总面积的73%, 碳酸岩的总厚度占贵州沉积岩总厚度的70%[11]。本文选定贵州普定后寨岩溶小流域作为研究对象 (图1) 。后寨河流域位于黔中高原西部长江水系和珠江水系的分水岭地区, 地理位置东经105°41′27″～105 °43′28″, 北纬26 °13′3″～26 °15′3″, 面积81km2。流域内地势东南高, 西北低, 为高原山地地形。区内三叠系碳酸盐岩广泛分布, 约占流域总面积的90%以上, 出露地层为中三叠统关岭组, 岩性为石灰岩、白云岩、泥质灰岩及页岩夹泥质白云岩。流域内岩溶地貌强烈发育, 地表河发育微弱, 后寨河是区内唯一的地表河流, 且河床渗漏严重, 河流明暗交替, 为一季节性河流;后寨地下河水系则相当发育, 地下径流常年不断, 为本区重要的供水水源[12]。
3 实例分析
3.1 主成分分析结果
从上、中、下游选取1995年8月至1996年8月10个代表性站点的20个代表性变量 (水温、电导率、pH值、总硬度、总矿化度、地表高程等) 的均值进行研究, 这些样本提供了一整套水化学资料。通过主成分分析可知, 主成分F1、F2、贡献率分别为58.23%、31.07%累计贡献率为
由表2知, 主成分F1和F2这两个分量已经包括样本的大部分信息量 (89.3%) , 其构成的主成分分析判别平面图如图2。变量越接近椭圆长短轴边缘, 在主成分轴上的贡献率越大;越接近圆心, 在主成分轴上的贡献率就越小[13]。由图2知, 主成分F1主要由Ca2+、SIc、SId、HCO-3、高程、总硬度、Mg2+决定, 主成分F2主要由人类活动影响的Cl-、K++Na+、SO
3.2 各主成分的水文地球化学意义
(1) 由各变量在主成分轴上的荷载图 (图2) 中, 可得到Ca2+、HCO-3、Ca2+/Mg2+、SIc、SId和高程在F1轴正向上有较高的荷载, 几乎都大于0.85;Mg2+在主成分F1负向上有较高的荷载, F1的累计贡献率为58.23%。第一主成分F1反映了本区地下水水化学组分和碳酸盐类岩石 (灰岩、白云岩、泥质灰岩等) 有密切关系, 岩溶含水系统水化学类型主要为重碳酸钙镁型 (HCO3-Ca-Mg) 、重碳酸钙型 (HCO3-Ca) 水, 碳酸盐类岩石的溶解模式、岩性、径流条件等在岩溶地下水化学成分中占有重要作用。
(2) 在图2中, 高程在主成分F1轴正向上有较高的荷载 (99.7%) , 而Mg2+在主成分F1轴负向上有较高的荷载 (96%) , 由此可看出, 后寨岩溶含水系统的高程越高, Mg2+浓度越低;而从图3可知, 沿F1轴由正轴到负轴分别为上游的母猪洞、中游各站点、下游的冒水坑, 母猪洞的Mg2+浓度比中游和下游站点的低, 下游冒水坑的Mg2+浓度最高, 这可能与岩性有关, 上游段主要是灰岩、泥灰岩, 而下游段渐变为白云岩 (石灰岩的主要成分为方解石 (CaO) , 而白云岩的主要成分为白云石 (MgO) ) 。
(3) 在图2中, K++Na+、Cl-、SO
4 结论
(1) 主成分分析不同于相关分析, 相关分析只考虑两个变量之间的相互关系, 主成分分析几乎可以同时考虑所有变量之间的关系及其区域变化。运用主成分分析, 对贵州后寨岩溶含水系统10个站点的20个变量进行分析, 从变量的主成分判别平面图上得出第一主成分F1的主要由Ca2+、SIc、SId、HCO-3、总硬度、Mg2+决定, 第二主成分F2主要由K++Na+、Cl-、SO
岩溶水对贵州天马山隧道的影响 篇5
岩溶是地表水和地下水对可溶性岩层 (碳酸岩类、硫酸岩类、卤盐类等) 进行化学侵蚀、崩解作用和机械破坏、搬运、沉积作用所形成的各种地表和地下溶蚀现象的总称[1]。天马山隧道主要穿越碳酸盐岩地层, 测区岩溶大部分为裸露型和少部分浅埋型。溶蚀现象以地表岩溶槽谷和串珠状分布的溶蚀洼地、落水洞、溶洞等垂直溶蚀现象为特征。有利于大气降水的直接补给, 后沿节理裂隙、构造线向低洼处排泄。在深部则以网络状岩溶裂隙、大的溶蚀、侵蚀洞穴为主。地下水具有庞大复杂的运移赋存空间, 径流复杂, 常以岩溶大泉出露地表。
2 天马山隧道涌、突水预测
隧道穿越的地层可能赋存不同类型的地下水, 隧道开挖会揭穿岩溶排泄管道, 遇到较大的岩溶水, 很容易产生突水、突泥等灾害, 故在设计和施工中应高度重视。测区为乌江流域的补给源头之一, 乌江为区域岩溶水排泄基准面 (标高620m) , 测区地表河流为测区相对排泄基准面 (标高1200m左右) 。
2.1 测区地下水类型
隧址区地下水类型划分为:松散岩类孔隙潜水、碎屑岩类孔隙裂隙水、碳酸盐岩类岩溶水等三种类型。
2.1.1 松散岩类孔隙潜水
主要赋存于第四系坡残积和坡洪积土层中, 主要接受大气降雨补给, 富水性差, 水量贫乏, 对隧道影响较小。
2.1.2 碎屑岩类孔隙裂隙水
分布于寒武系中统的石冷水组 (∈2s) 、高台组 (∈2g) 、寒武系下统的金顶山组 (∈1j) 、明心寺组 (∈1m) 等厚层砂岩体组成的含水岩组中。地表多以风化节理裂隙为主, 而深部为构造节理裂隙, 随岩体埋深的增加, 其完整性逐渐变好, 这些节理裂隙的发育为地下水赋存提供了赋存空间。
主要接受大气降水入渗补给, 及上覆松散孔隙含水层补给。上述地层中泥质岩类为透水性较弱的相对隔水层, 使地下水渗流排泄能力差, 碎屑岩类具备浅部和砂岩泥岩接触带富水性较强, 向深部富水性逐渐变弱。该含水岩组的富水性属弱~中等富水。
2.1.3 碳酸盐岩类岩溶水
岩溶水赋存于隧道穿越段的二叠系上统长兴组 (P2c) 、二叠系下统茅口组 (P1m) 、栖霞组 (P1q) 、震旦系灯影组 (Zbdn) 等灰岩、白云质灰岩、生物碎屑灰岩、白云岩等组成的碳酸盐岩类含水岩组中, 富水性较强。
2.2 地下水径流特征
测区每条沟谷的上游均有泉水溢出, 地下水沿构造线顺层分布, 大部分以面状或线状形式溢出, 标高一般在1250m左右, 然后汇成溪流以明暗交替形式排入下游。
由于测区岩组的特殊组合关系 (含水层与隔水层相间) , 导致各地层分属不同的水力系统, 层组间水力联系差。从测区泉域、河流分布、构造特征分析, 隧道洞身 (洞身标高1170~1269m) 多均处于季节性雨水交替带。径流方向基本与地表河流方向一致 (东南方向) 。
2.3 涌水量计算
经过对隧址区水文地质条件、隧道充水条件分析, 结合区域水文地质数据的综合分析, 大气降水直接入渗是地下水的主要补给来源。隧道穿越多个不同性质的含水岩系, 地下水位不一, 地下水渗透性亦存在一定差异。因此, 根据隧址区地形地貌、地层岩性、水文地质条件等进行隧道涌水量预算时, 采取分段预算。隧道各段涌水量采用地下径流模数法, 计算公式如下
Q=M·A
式中:M-地下迳流模数 (m3/d·km2) ;
A-汇水面积, 由1:1万平面图量测 (km2) 。
雨季涌水量估计是枯水季节的2.5倍。
计算结果及参数选取见表1统计。
隧道洞身最大涌水量Qmax=68890≈70000 (m3/d) 。
隧道横洞地下径流模数法:长度1750m、入渗面积15.75km2、径流模数75 (m3/d·km2) , 平常期横洞涌水量11812 (m3/d) , 雨期最大涌水量Qmax=23625≈24000 (m3/d) 。
隧道洞身段位于岩溶垂直渗流带及水平径流带, 在雨季地下水量丰富, 瞬间流量大, 在隧道开挖时, 地下水将通过贯通的岩溶管道、裂隙等涌入或渗入隧道, 形成涌、突水及股状淋水并且局部段落地下水埋藏较浅, 隧道施工排水, 造成地下水水位下降, 可能会引起地面塌陷, 在施工中应加强超前地质预报、沉降观测、加强支护和衬砌。
3 岩溶水对围岩的影响
赋存于岩体岩溶裂隙中的地下水, 与围岩体共同构成一个力学平衡系统。在天然状态下岩体中的水压力与岩体骨架的有效应力共同与总应力形成一个平衡的系统[2]。
在隧道开挖过程中, 地下水将通过贯通的岩溶管道、裂隙流出, 导致地下水水位的下降从而破坏原有的平衡, 也使得地下水运动相对较强烈, 在可溶性碳酸盐岩类与相对隔水层的接触带上由于地下水由上而下存在沿隔水层底板集中运移的特点和规律, 因此也有利于地下水沿上述接触带对岩体中的可溶盐成分进行溶蚀、溶解作用, 以致这些地段岩体的软化和泥化。使得岩石的强度降低, 易产生冒落、坍方、偏帮、坍塌等, 施工时应加强临时支护。
4 结论
综上所述, 根据天马山地区的水文地质条件, 分析了岩溶水对隧道施工的一些影响, 特别是对隧道的涌、突水量的计算和围岩的影响。主要结论如下:
4.1隧道通过地层为可溶岩段, 在隧道铺底前, 建议根据施工开挖揭示的岩溶情况, 采用物探方法, 探明可溶岩基底岩溶发育情况, 并采取相应加固措施。
4.2隧道洞身段位于岩溶垂直渗流带及水平径流带, 在雨季地下水量丰富, 瞬间流量大, 会遇到地下发育的各种岩溶现象。预计隧道洞身最大涌水量Qmax=68890≈70000 (m3/d) ;平常期横洞涌水量11812 (m3/d) , 雨期最大涌水量Qmax=23625≈24000 (m3/d) 。可能会产生突水、突泥等灾害, 施工中应加强超前地质预报工作。
4.3疏排隧道区的地下水, 形成一定的集水廊道, 使地下水位下降, 特别是浅埋区和岩溶区, 地表大部分泉、井点干涸、地表部分溪沟的断流, 地面塌陷等, 给隧道区村民的生产、生活用水带来困难。
摘要：隧道穿越的地层赋存有不同类型的地下水, 隧道开挖会揭穿岩溶排泄管道, 遇到较大的岩溶水, 很容易产生突水、突泥等灾害, 故在设计和施工中应高度重视;岩溶水一般都具有侵蚀性, 这对隧道支护材料有很大的影响。本文结合对贵州天马山隧道的勘察, 分析预测岩溶水对施工过程中的一些影响。
关键词：岩溶水,天马山隧道,贵州,灾害
参考文献
[1]万中兵, 李洁.隧道岩溶处理技术[J].中国科技博览, 2009, 5:122.[1]万中兵, 李洁.隧道岩溶处理技术[J].中国科技博览, 2009, 5:122.
岩溶水分布 篇6
唐庄煤矿为地方国有煤矿, 开采太原组煤层, 太原组为产于灰岩岩溶裂隙充水条件下的煤矿床, 水文地质条件复杂, 涌水量大, 在尚未疏干的前提下开采, 极易发生重大突水事故, 轻则影响生产, 重则造成淹水平、淹井事故。开采太原组煤层排水费用大, 开采技术条件困难。针对矿井水文地质条件及吸取邻矿开采太原组的经验教训, 在开拓、开采过程中采取一系列有效的安全技术措施, 对太原组煤层成功进行了安全经济开采。
1 开拓中的防治水实践
采用斜井开拓方式, 开拓中揭露含水层时不可避免会发生涌 (突) 水, 如何减少大的涌 (突) 水以保证矿井安全, 针对矿井的水文地质条件及吸取邻矿开采太原组时的经验教训, 拟定了分水平、小阶段、分层开采的开拓方式。
1.1 逐层分阶段疏放方法
针对太原组灰岩岩溶裂隙发育, 静水储量大及井型小的实际情况, 考虑原-145 m水平上-110 m水平17煤已开采, L9疏干降落漏斗基本形成, 20煤底板砂岩遇水膨胀不易管理等因素, 拟将改扩建工程落底在-225 m水平, 主副斜井沿21煤掘进, 为此设-225、-330 m两个水平, 将-145～-225 m水平划分为-180、-200、-225 m三个阶段, -225～-330 m水平划分为-256、-300、-330 m三个阶段, 每个阶段高度为20～44 m不等, 由于各阶段高差小, 在上阶段含水层已疏放的条件下, 使下阶段水压相应减小, 可保证不同阶段涌水量相对均衡, 有效地避免涌 (突) 水量过大利于安全开采。同时在-145、-225、-330 m水平建立健全完善的排水基地, 为正常生产打好基础。
1.2 以断层为界划分采区
井田内纵向的唐F1和唐F2断层, 将井田分为东西两部分。因两条断层均为不导水断层, 为此将水文地质条件复杂的西部设一个西一采区, 水文地质条件简单的东部设东一、东二两个采区, 如图1所示。采区划分的指导思想是, 一旦某采区发生涌 (突) 水事故, 便于采取隔离封堵措施, 尽量不影响其它采区正常生产。采区中每区段附近都设临时水泵, 解决各煤层水平大巷掘进及回采时的涌出水问题。
1.3 开采顺序及采煤方法
为防止采掘过程中涌 (突) 水量过大, 危及安全, 采取分煤层疏干和逐步扩大疏干效果的办法, 选用采区前进式、区内为后退式的走向长壁回采方法, 工作面一次采全高, 不破顶底板, 顶板管理为全部垮落法。各煤层回采顺序为先回17煤, 后20煤, 再21煤。
1.4 采区巷道布置
采区采用集中下山提升, 单翼布置, 各煤层在每阶段用水平石门联络。其中:主下山用于提升煤炭、运送物料、进风;副下山铺设排水管道用于行人和进风;开掘一条回风道, 专门用于回风。在各阶段主下山设甩车场, 通过石门与各煤层水平大巷连接, 如图2所示。采区运输大巷及回采工作面巷道均沿煤层走向布置, 为便于排水, 巷道坡度按6‰掘进。工作面走向长度视采区位置和煤层赋存情况, 一般在200～700 m, 面长一般为90 m。
2 开采中的防治水实践
2.1 17煤开采中的防治水实践
前已述及, 因岩溶裂隙发育的不均匀性, 根据徐州东矿区开采17煤的经验, 掘石门及向17煤顶板L9打钻探疏水, 疏干降压效果不理想。工作面初放来压最大突水量可达200～400 m3/h, 周期来压时出水点集中在下出口往上10 m范围内, 形成一道水幕, 正常涌水量5～20 m3/h, 对工作面安全生产构成威胁, 为此, 采取的主要措施有: (1) 工作面建立完善的排、疏水系统。在回采工作面上下两道开挖满足排水需要的排水沟。两道跟腰线沿煤层顶板掘进, 并保证6‰的坡度, 以提高排水流速, 以利排水, 水沟断面一般为30×40 (cm2) 。并于回采工作面收缩外侧, 采区石门附近, 沿煤层开掘临时水仓, 安装2台排水能力为100 m3/h的单级泵, 一用一备。 (2) 在区段石门中砌筑挡水门, 以控制工作面掉水时涌水量过大危及邻近采掘头面的安全, 实现均衡排水。挡水门是指在区段石门巷道两侧砌筑凹形砖垛, 预先准备好与两凹形长度相等的木板, 木板宽0.3～0.4 m, 一旦发生涌突水, 即可将木板放入凹形槽内挡水, 无水时该挡水门不影响运输和行人。 (3) 回采工作面采用仰斜开采, 即工作面下出口超前、上出口滞后使采面调成上山式回采, 可将工作面水引至老塘, 并于工作面上、中、下部位, 分别从煤壁向老塘挖引水沟将工作面顶板水引至老塘, 以改善工作面作业环境。 (4) 定期进行水害隐患排查, 开展矿压及水害预测预报工作, 在工作面顶板周期来压前, 由业务部门发出水害分析预报[1]。根据预报, 及时对工作面加强支护, 提高工程质量, 防止冒顶引发掉水事故, 保证工作面上、下出口畅通。对施工现场可能发生的水害由业务部门立即发出水害通知单, 及时采取安全措施或停止工作撤人。 (5) 每个工作面初放前, 均成立以生产矿长为组长及有关职能部门负责人组成的初放领导小组, 除制定顶板管理措施外, 必须对初放期间的涌水量进行预计, 统筹做好该面的防、导、疏、排等方面的防治水工作。
2.2 20、21煤开采中的防治水实践
20、21煤的直接顶板分别为L10、L12, 当区段石门揭露灰岩及工作面掘成后, 其顶板灰岩水基本得到疏干降压, 因此20煤回采工作面顶板周期来压时涌水量为20 m3/h左右, 正常生产期间涌水量为2～15 m3/h左右。21煤工作面顶板周期来压时涌水量为10 m3/h左右, 正常生产期间为2～5 m3/h左右。如此水量, 对工作面正常生产不构成影响, 20、21煤回采工作面布置了与17煤工作面相同的排水系统, 采取了与之相同的防治水措施, 因此保证了安全生产。
2.3 采用沿空留巷及送巷技术, 基本上消除了采空区积水的隐患
在开采17煤时采用沿空送巷技术, 下一工作面材料道与上一工作面运输道间, 仅留设5 m煤柱。开采20、21煤层时采用沿空留巷技术, 上一个工作面的老塘积水通过下一个工作面的上巷 (材料道) 水沟排至临时水仓, 不仅基本上消除采空区积水的隐患, 而且减轻了工作面及两道的压力, 提高了资源回收率。
3 结语
针对矿井水文地质条件, 采取分水平、小阶段、分层开采的开拓方式布置主要巷道及采区。由于各阶段高差小, 每阶段在疏水时总涌水量相对较小, 在上阶段含水层已疏放的条件下, 使下阶段水压相应减小, 可保证不同阶段涌水量相对均衡, 有效地避免涌 (突) 水水量过大, 有利于安全开采。在区段石门中砌筑挡水门, 掉水时能够实现均衡排水。以断层为界划分采区, 一旦某采区发生涌 (突) 水事故, 便于采取隔离封堵措施, 基本不影响其它采区正常生产。采取分煤层疏干和逐步扩大疏干效果的办法, 减少矿井突水概率。选用采区前进式、区内为后退式的走向长壁回采方法, 使矿井逐渐稳步疏干。采区运输大巷及回采工作面巷道均沿煤层走向布置, 巷道坡度按6‰掘进, 便于排水, 并避免老塘积水。采用沿空留巷及送巷技术, 基本上消除了采空区积水的隐患。唐庄煤矿建矿至今, 未发生严重水害事故, 实现了太原组岩溶充水条件下的安全开采。
参考文献
岩溶水分布 篇7
1 示踪连通试验方法
按照示踪剂投放点和接收点数量及组合方式, 示踪试验可以分为单点投放—单点接收、单点投放—多点接收、多点投放—单点接收、多点投放—多点接收4种类型[1]。因此, 在投放点至接收点之间地下水必须存在压力差和保持径流状态。天然条件下, 地下水水力坡度很小, 运动速度非常缓慢。在矿区进行示踪试验时, 可以将放水试验和示踪连通试验结合在一起, 利用放水试验形成的疏降流场, 促进示踪剂迁移[2]。示踪剂的选择关系到示踪连通试验成败, 理想的示踪剂应具备无毒、易溶于水、在地下水中背景值低、化学性质稳定、没有环境污染、不易被土壤或岩石吸附、不受离子交换影响、检测方便和费用低廉等特点。早期的示踪连通试验常以食盐 (氯化钠) 作示踪剂, 目前可以作为示踪剂使用的材料较多, 包括盐类 (氯化钠、氯化钾、钼酸铵等) 、荧光染料类 (食品红、荧光素钠等) 、浮游物类 (石松孢子及酵母菌等) 、放射性同位素 (氚H3、碘I131等) [3,4,5]。
在朝川矿一井进行的示踪连通试验, 早期以氯化钠为示踪剂, 近期以碘化钾为示踪剂。碘化钾作为示踪剂有以下优点:①碘在岩溶水中的背景值很低, 投放量不需要很大, 每次用量在2~5 kg就能满足检测要求;②碘化钾在水中溶解性好, 化学性质稳定, 基本不与其他环境物质发生化学反应;③检测手段方便快捷, 可以现场实时检测, 检测仪器的灵敏度和精度满足要求;④碘化钾是食盐的添加剂, 无毒。
2 水文地质背景
朝川矿区包括三里寨井田、张村井田、牛庄井田、黄庄井田等, 属于华北岩溶型煤田, 为一弧形单斜构造, 弧顶向南, 其西翼、南缘、东部由中寒武统毛庄组、下寒武统馒头组页岩、泥岩组成, 构成相对隔水边界。北侧刘洼正断层落差千米, 下盘寒武系灰岩与上盘三叠系地层对接, 形成阻水边界[6]。岩溶水主要来源于矿区西南部和南部条带状灰岩裸露区大气降水入渗、朝川河和朝川水库地表水入渗和第四系孔隙水越流补给。寒武系灰岩是区域最富水的强含水层, 上距煤层底板60 m, 裂隙岩溶发育, 富水性强, 补给较充沛, 是矿井主要充水含水层。矿区断裂构造发育, 落差30 m到数百米的大断层有数十条, 纵横交错的断层将东部切割成多个构造断块。受断层发育的影响, 矿区寒武系灰岩和太原组灰岩岩溶发育, 连通性好, 导水性和富水性强。这些断层不仅是岩溶水的富集带和径流通道, 也是矿井充水的通道。
一井属于三里寨井田, 西以杨山逆断层 (F3) 为界, 断层以西为张村井田, 东以小屯正断层 (F1) 为界, 北部是煤层深埋区, 为牛庄井田和黄庄井田, 南部是煤层隐伏露头线。杨山逆断层走向北西, 倾向北东, 长17 km, 落差70~440 m。小屯正断层走向北西, 倾向西南, 东盘上升, 西盘下降, 落差120~280 m, 其东部为大面积第四系松散地层。井田内断层发育, 断层垂向导水使太原组薄层灰岩岩溶水与寒武系岩溶水有密切水力联系。二1煤底板隔水层厚0~17.27 m, 平均厚9.5 m, 岩溶水赋存于煤层底板的石炭系薄层灰岩和寒武系厚层灰岩岩溶裂隙中, 寒武系灰岩白云岩厚度大, 岩溶发育, 富水性强。岩溶水总体上由西向东、由南向北径流, 在张村井田及三里寨井田以矿井排水的形式向外排泄。一井处在矿区岩溶水径流系统的最下游, 也是岩溶水的集中排泄区。煤层底板岩溶水是矿井主要充水来源, 直接水源为石炭系灰岩岩溶水, 间接水源为寒武系灰岩岩溶水。
3 断层导水性确定
一井建井及初期生产期间, 频繁发生大中型灰岩岩溶水突水, 采用了对岩溶水疏水降压的方法, 平均排水量在1 200~1 600 m3/h, 使整个矿区的岩溶水位呈现“平盘式”下降。煤田地质勘探报告显示, 一井西部边界的杨山逆断层和东部边界的小屯正断层, 均为隔水断层。矿井频繁的突水和超过预期涌水量, 使人们对一井水文地质条件的复杂程度有了不同的看法, 迫切需要查明岩溶水补给径流通道, 其中杨山逆断层和小屯正断层是否导水就成为需要查明的关键问题。为此, 在1984年进行了示踪连通试验, 选择氯化钠和碘化钾为示踪剂, 投放孔分别是13-93孔、20-21孔、12-21孔和1-101孔 (碘化钾) , 接收点位置是一井-10 m水平东大巷和西大巷主要泄水点 (表1) 。从试验结果分析, 20-21孔至一井方向流速最大, 是岩溶水主流线方向。13-93孔至一井最大流速以及平均流速略小, 也是岩溶水主要径流方向。在18勘探线以东的张村井田、三里寨井田岩溶水含水层其导水性和渗透性很强, 在矿井泄水状态下岩溶水实际流速较大, 分割张村和三里寨井田的杨山逆断层是一条导水断层。在小屯正断层的东盘1-101孔投放的碘化钾示踪剂能够进入到一井一水平东大巷泄水点, 但在西大巷泄水点没有接收到, 表明小屯断层属于导水断层, 通过断层径流至一井的岩溶水仅对矿井东翼起到补给作用。
注:示踪剂接收点位置为一井-10 m水平东大巷和西大巷主要泄水点。
4 不同水文地质单元水力联系确定
一井开采深度进入-250 m标高后, 其水文地质条件发生了明显变化, 如岩溶发育程度变弱、富水性变差、不均匀性变强、连通性变差等, 疏水降压难以奏效, 采掘工作面普遍出现了底板高承压岩溶水突水危险问题。同时, 不同区域的水文地质条件发生了分化, 空间差异性很大, 一井东翼岩溶水水位高出西翼180~200 m, 东翼-250 m标高工作面煤层底板最大承压3.0 MPa, 底板岩溶承压水突水危险很大。2001年12月26日, 一井21030运输巷在掘进过程中, 发生特大底板突水事故, 突水点标高为-106 m, 估计水压为0.5 MPa, 最大突水量为1 996 m3/h, 水源为煤层底板石炭系灰岩岩溶水。此次突水导致标高-86 m以下的3 000 m巷道以及排水设施被淹, 造成重大经济损失。2009年相继发生2次严重的突水, 其中10月21日掘进21100工作面运输巷时突水, 最大突水量为1 440 m3/h, 造成21100运输巷被淹;10月29日21070工作面采煤时突水, 最大突水量为740 m3/h。
为了查明深部岩溶水的补给来源, 确定一井东部各个水文观测孔与-250 m水平东翼泄水巷寒武系灰岩岩溶水泄水点有无水力联系, 分批次进行了多点投放—单点接收的示踪连通试验。试验方法:在一井东翼地面现有水文孔中, 分批次瞬间投放碘化钾示踪剂, 在-250 m东翼泄水巷泄水点每间隔2 h采集水样。为了保证投入到钻孔中的示踪剂能够进入到含水层中, 投放示踪剂后, 利用水泵或洒水车快速向钻孔中注水, 注水量3~5 m3, 连续测量钻孔中水位, 直至钻孔水位稳定或明显上升时, 利用静水压力将投入到钻孔中的示踪剂进入到含水层中。水样中的钾离子采用日立3000型原子吸收光谱仪进行分析, 分析精度为0.01 mg/L;水样中的碘离子采用HI93718型便携式碘浓度测定仪测量, 分析精度为0.1 mg/L。此次示踪连通试验结果见表2, 得到的碘浓度曲线如图1所示。
注:接收点均为-250 m东翼泄水巷。
由表2和图1试验资料可知, 在4-99孔投放的碘化钾示踪剂经过104 h到达一井-250 m东翼泄水巷泄水孔, 二者之间距离为660 m, 计算求得示踪剂运移速度为6.3 m/h, 从而证明4-99孔与一井-250 m东翼泄水巷的岩溶水有水力联系, 而在水1孔、水9孔和水2孔分别投放的碘化钾在一井-250 m东翼泄水巷泄水孔没有接收到, 表明这些钻孔所在位置的寒武系灰岩岩溶水与一井-250 m东翼泄水巷的岩溶水没有水力联系。
5 结论
(1) 一井西部的杨山逆断层是一条导水断层, 来自矿区西南部寒武系灰岩露头区的岩溶水通过杨山逆断层进入一井, 构成一井岩溶水的主要补给来源。一井东部的小屯正断层也具有导水作用, 东翼岩溶水主要来自井田东南部寒武系灰岩隐伏露头区的补给。
(2) 一井-250 m东翼泄水巷的岩溶水与东翼己三采区高水位区岩溶水水力联系微弱, 在-250 m东翼泄水巷疏放岩溶水并不能降低己三采区的高水位, 需要另行布置己三采区疏放工程。
(3) 示踪连通试验对于确定矿区地下水径流通道、断层导水性质起到重要作用, 将矿井疏放水和示踪试验结合在一起, 利用疏排水所形成的疏降流场, 能够促进示踪剂在含水层中的迁移, 也能够使示踪连通试验达到预期目的。
摘要：为查明朝川矿一井2条边界断层的导水性以及不同区域岩溶水间的水力联系, 先后在地面多个钻孔中投放食盐、碘化钾等不同示踪剂, 在-10 m、-250 m水平泄水巷中采集水样。示踪连通试验不仅证实了杨山逆断层和小屯正断层2条边界断层为导水断层, 确定了岩溶水补给来源和径流通道方向, 同时查明岩溶水现生产低水位区与东部己三采区高水位区水力联系不明显。
关键词：示踪连通试验,断层导水性,地下水,径流通道
参考文献
[1]葛信立, 王新军, 翟加文, 等.岩溶水充水矿区水文地质条件探查技术研究[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2011.
[2]潘国营, 轩吉善, 岳保祥, 等.基于GSM水位遥测系统的大型放水与示踪联合试验[J].河南理工大学学报:自然科学版, 2007, 26 (2) :674-677.
[3]刘兴云, 曾昭建.地下水多元示踪试验在岩溶地区的应用[J].岩土工程技术, 2006, 20 (2) :67-69.
[4]朱学愚, 徐绍辉, 司进峰.示踪试验在淄博裂隙岩溶水污染治理中的应用[J].中国岩溶, 1997, 16 (2) :131-137.
[5]张乃兴, 李伟, 安立贵, 等.济南四大泉群水源地连通试验研究[J].山东师范大学学报:自然科学版, 1998, 13 (4) :408-412.