涌水特征（共8篇）
涌水特征 篇1
0 引言
矿井涌水量是指在矿山建设和生产过程中单位时间内涌入井巷中的水量, 可靠的涌水量数据是制定矿井防治水措施的主要依据和评价矿井安全的重要指标。矿井涌水严重影响着煤矿的正常开采, 因此对矿井涌水特征及规律进行全面的分析和研究是煤矿开采过程中不可缺少的基础工作, 对矿井涌水量进行科学的预测可以有效地指导煤矿的开采。
1 地质概况
钱家营井田位于河北省唐山市东南约15 km处, 有沙河、老牛河、幸福河三条河流穿越, 地形东北高西南低, 海拔标高介于+7～+26 m之间, 地形坡度为1‰。东部于新古河道两侧有高度1～3 m呈NE-SW向排列的小型沙丘。井田内可采和部分可采煤层共8层, 其中主要可采煤层为7、9、12-1煤, 均属复杂结构的中厚-厚煤层。
1.1 地层及构造发育
井田地层属华北型沉积, 古生代地层广泛分布, 其中石炭-二叠系为含煤岩系, 各系、统间多以整合或假整合接触。含煤地层大多为第四系黄土覆盖, 但也有零星出露。井田隶属于开平煤田, 位于开平向斜的东南翼的南段, 占据了从毕各庄向斜到刘唐保背斜约15 km的地段。井田构造以宽缓的褶曲为主, 以伴生的断层为辅。在构造上可划分三个不同的构造地段, 东北部褶曲区、中部单斜区和西南部褶曲区以及东北部-中部、中部-西南部两个过渡区, 如图1所示。褶曲轴线都具有向东、向北凸出的弧形特征, 而且都有向北撒开向南收敛的趋势, 构成了旋扭构造中的“帚状构造”型式。褶曲多呈不对称状, 背斜东南翼倾角较大, 一般20°左右, 西北翼倾角平缓, 一般10°左右;向斜则相反, 东南翼倾角缓, 西北翼倾角大。断层以倾向或斜交的正断层为主, 大中型断层多伴生在褶曲轴部和褶曲区与单斜区过渡带。
1.2 水文地质特征
井田水文地质条件复杂, 矿井防治水难度较高。矿区年降水量在350～800 mm之间, 由于巨厚冲积层的存在, 阻隔了大气降水与矿井涌水之间的联系, 导致矿井涌水量基本不受季节影响。矿区地表水系主要包括沙河、老牛河、幸福河、矿井采动塌陷积水坑以及一些人工排水灌溉沟渠等。所有地表水体均直接补给潜水层, 但与煤系含水层均无直接水力联系。根据矿井开采以来涌水量观测数据分析, 地表水与矿井涌水量无联系。
本区地下水以层间流动为主, 由于隔水层的存在, 越层的水力联系甚弱。井田范围内共分7个含水层, 从剖面上看, 具有相互间水力联系密切的多层孔隙、裂隙和岩溶裂隙充水含水层组可划分为3个主要充水含水层组: (1) 煤系充水含水层组; (2) 中奥陶统巨厚层碳酸盐岩充水含水层; (3) 第四系松散孔隙充水含水层组。地下水以裂隙水的形式主要赋存于钙质和硅质胶结的刚性厚层砂岩之中。煤层直接顶、底板均为砂岩裂隙含水层, 其中5煤顶板以及12煤底板局部含水性较强。
综合钱家营井田的受采掘破坏或影响的含水层性质、富水性, 补给条件, 单井年平均涌水量和最大涌水量、开采受水害影响程度和防治水工作难易程度等项的研究, 可以确定钱家营井田水文地质条件为复杂型。
2 矿井涌水特征
2.1 矿井涌水形式及特征
2.1.1 涌水形式
钱家营矿区涌水以底板突水和顶板淋水为主的动态涌水形式。当巷道沿同一含水层掘进, 与走向延长和构造裂隙关系密切, 与倾向巷道延长关系不大。当巷道垂直走向做石门揭露含水层时, 一般都有涌水量增加。
2.1.2 涌水特征
矿井涌水量从投产至今无明显变化, 涌水量的大小主要受区域裂隙发育程度以及矿井开采随地层走向长度的变化影响。
2.2 影响矿井涌水量的因素
自然地理因素、地质构造因素和人为因素等是影响矿井涌水量的主要因素。钱家营矿地表水和大气降水对矿井涌水量没有直接影响, 矿井涌水量与地质构造和采矿因素关系比较显著。
2.2.1 地质构造因素
地质构造是影响矿井涌水量的最主要因素, 它控制着含水层的分布, 富水性和边界条件。钱家营井田位于开平向斜东南翼的西南段, 从东向西依次包括毕各庄和小张各庄两向斜的西翼, 南阳庄背斜、高各庄向斜、李辛庄向斜、刘唐保背斜以及深港向斜, 井田内中小型断裂构造发育, 已揭露的断裂构造富水性均较弱, 导水性不强, 不致成为含水层的联系通道, 但受采动影响后, 承压强含水层承压水通过断层带或受断层影响的脆弱部位突入矿井的可能性是存在的, 矿区断裂构造发育, 大型断裂构造可能是强含水层水突入矿井的通道, 丰富的奥陶系岩溶水通过断层带或其破坏的脆弱部位突入矿井。此外, 可能存在的陷落柱以及火成岩侵入部位也可能是奥陶系灰岩水与含煤地层联系的通道。
2.2.2 采矿因素
影响矿井涌水量的采矿因素, 主要有开拓巷道长度、开采强度等。开拓巷道长度在开拓初期, 涌水量很小, 以后随开拓长度的增加, 涌水量增大, 当开拓长度继续增加时, 涌水量稳定在一个数值, 除非巷道揭露新的含水层, 否则涌水量是比较稳定的。当巷道开拓长度结束时, 涌水量达到一个高峰值, 然后随着含水层的逐渐疏干, 涌水量逐渐减小, 有的甚至干涸。开采强度与涌水量关系也较密切, 开采强度大的区域, 涌水量也大, 开采强度小的区域, 涌水量相对较小。
3 矿井涌水量预测
钱家营矿水文地质条件为复杂型, 对矿区的涌水特征及涌水规律的分析研究表明, 钱家营矿属大水矿井, 矿井涌水对煤矿生产安全产生了较大的影响。为确保煤矿的正常开采, 必需对矿井的涌水量进行预测, 指导安全生产。
常用的矿井涌水量预测方法很多, 大致分为两类[1,2,3,4,5]:第一类为确定性的数学模型法, 其中具有代表性的方法为水均衡法、解析法、数值法;另一类为统计分析方法, 如水文地质比拟法、涌水量降深曲线方程法、相关分析法、时间序列分析等。根据以往预测矿井涌水量的经验, 在涌水量预测中, 着重分析预测区的水文地质条件, 弄清含水层的水位, 富水性的差异和边界条件, 补给、径流、排泄条件, 有目的地选用适合本区域的预测方法和计算公式。
钱家营矿井以往涌水量预测采用的方法主要有双面进水廊道法, 单位涌水量估算法以及水文地质比拟法。其中双面进水廊道法计算过程中参数选取理由不充分, 计算结果与实际涌水量相差甚多, 如经查地质报告中使用双面进水廊道法预计-600 m水平正常涌水量为40 m3/min, 而目前实际情况仅为约12 m3/min, 单位涌水量估算法也难以符合实际情况。水文地质比拟法相对比较准确, 与实际涌水量较为接近, 但参照对象的选取难度较大。因本井田水文地质条件区域变化大, 所以选用水文地质比拟法预计涌水量时, 必须选取最临近的条件相似的工作面作为参照对象。
水文比拟法是一种传统涌水量预计方法。它利用地质和水文地质条件相似, 开采条件基本相同的生产矿井排水或涌水量观测资料, 来预测新建矿井的涌水量。当相似矿井拥有长期的水量观测资料, 可以保证涌水量与各影响因素之间相关关系的可靠程度。钱家营矿井各水平的涌水量预测过程如下。
3.1 -600 m水平
根据矿井水文地质条件和矿井开采-600 m和-1 100 m水平涌水量观测资料, 用水文地质比拟法进行预测, 结果为正常涌水量10 m3/min, 最大涌水量13.77 m3/min。
3.2 -850 m水平
根据水文地质条件和矿井开采-850 m水平涌水量观测资料, 用水文地质比拟法进行预测, 结果为正常涌水量20.9 m3/min, 最大涌水量23.9m3/min。
3.3 -1 100 m水平
-1 100 m水平与-600 m水平地质和水文地质条件相似, 开采条件基本相同, -1 100 m水平与-600 m水平比拟计算得出结果为正常涌水量18 m3/min, 最大涌水量24.2 m3/min
根据以往的涌水量记录, 与以上预测结果比较得出, 矿井涌水量在各水平仍将有上升趋势, 其中以-800 m水平变化趋势最大, 在今后的煤矿开采中应及时采取相应措施进行防范。
4 结论
(1) 井田水文地质条件复杂, 矿井防治水难度较高, 工作量大, 采、掘、开工程受水害威胁均较大, 水文地质条件为复杂型;
(2) 本区地表水体均直接补给潜水层, 但与煤系含水层均无直接水力联系。地下水以层间流动为主, 由于隔水层的存在, 越层的水力联系甚弱;
(3) 矿区涌水以底板突水和顶板淋水为主的动态涌水形式, 涌水量的大小主要受区域裂隙发育程度以及矿井开采随地层走向长度的变化影响;
(4) 全矿区矿井涌水量基本维持在一个比较稳定的小波浪式水平, 一般为10～12 m3/min。各水平涌水量趋势有所不同, -450 m水平涌水量呈下降趋势, -600 m水平涌水量则先增大, 在1999年后减小;-850 m水平的涌水量一直在增大;
(5) 地表水和大气降水对矿井涌水量没有直接影响, 矿井涌水量与地质构造和采矿因素关系比较显著;
(6) 钱家营矿井涌水量预测采用水文比拟法, 矿井涌水量在各水平仍将有上升趋势, 在今后的煤矿开采中应及时采取相应措施进行矿井水防治工作。
参考文献
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象山隧道涌水帷幕注浆施工技术 篇2
关键词:象山隧道;涌水;帷幕注浆;施工方案
中图分类号:U455.49 文献标识码:A文章编号:1006-8937(2010)10-0135-02
1工程概况
象山隧道是龙厦铁路重点控制性工程,隧道长15.898km,设计为双洞单线隧道,正洞右线施工至YDK33+040时,掌子面拱部出现涌水,涌水量达200m3/h,拱部自稳能力较差,发生局部垮塌现象,围岩为较强风化的硅质灰岩。施工采用超前探孔方式进行探水,探孔总用水量达850 m3/h,采用了帷幕注浆施工方案,对前方地质进行加固堵水处理。
2总体施工方案
针对上述现象,采取如下方案: ①自YDK33+040处,掌子面按设计要求施作止浆墙,对YDK33+040～+041.5段围岩采取1.5m加固圈(开挖轮廓线外)全断面超前预注浆。②正洞YDK33+040～+010段围岩级别为Ⅳ级,设置工字钢拱架,间距1.2 m/榀,超前支护采用小导管注浆加固,小导管为Φ42 mm钢管,长3.5 m。③注浆完成后开挖期间,局部未达到注浆效果的,应采取小导管补充注浆确保开挖安全。
3具体施工方法
3.1径向加固注浆 根据现场情况和超前地质预报资料,对前方堵水加固主要采用周边超前预注浆,在周边注浆之前,为了防止后方串浆和保证作业空间的安全,防止后方已开挖支护段注浆后,水压力增大导致坍塌,应对掌子面后方K33+040～33+050段10 m范围内施作径向注浆,用以加固围岩和堵水。径向注浆垂直于开挖轮廓线环向布设φ42注浆钻孔。注浆钻孔呈梅花型布置,环向开孔间距是1.5 m左右,纵向终孔间距是2.3 m。环向终孔间距2.5m。采用Φ42 mm长5 m的注浆小导管,利用注浆小导管进行注浆施工,加固围岩,以达到抗水压要求。
3.2施作注浆平台和止浆墙 由于断面较大,因此采用上下台阶的方式施作注浆,先注上半断面止浆墙,再回填施作工作平台,然后施作上半断面止浆墙。止浆墙嵌入围岩0.3 m,止浆墙采用C20混凝土浇注,厚度为1.5 m。
上半断面注浆完成后,挖去平台下的岩石,施作下半断面的注浆作业。
3.3全断面超前预注浆
在径向加固注浆完成后,再施作超前预注浆,封堵地下水于隧道开挖轮廓线以外,并加固围岩,用以保证开挖的安全顺利。
3.3.1注浆设计
全断面超前预注浆(B=5m)采用川桑豹快速钻孔设备,开孔直径Φ140 m,终孔直径φ115 mm左右,循环注浆段长度设计30 m,每一个循环注浆完成后开挖25 m,余留5m作为下一循环注浆施工的止浆岩墙。在该注浆设计中,针对钻孔-注浆盲区,在长管注浆完成后,每开挖2.0 m,采取超前小导管进行补充注浆,以提高注浆施工质量,确保开挖施工安全。正洞周边帷幕注浆设计(B=5m)如图1所示。
3.3.2注浆参数 全断面超前预注浆参数如表1所示。
3.3.3注浆材料
涌水主要是断层、破碎地段,主要采用普通水泥单液浆、普通水泥-水玻璃双液浆进行注浆堵水施工,必要时,辅以HSC等特殊浆材。
注浆材料主要应根据浆液的可行性、可注性、环保、经济性及工艺实施难易度综合分析来选取。根据以往工程注浆堵水经验结合室内试验,注浆以普通水泥、普通水泥—水玻璃、铝酸盐特种灌浆水泥浆为主要材料。对于施工中遇到的复杂情况根据注浆堵水的实际需要再进行其他注浆材料的选择。注浆材料配比建议如表2所示,具体根据现场情况调节。
在注浆过程中,先注单液浆,若周边不漏浆,则每个孔段先注一定量的单液浆,后注双液浆,防止下一段钻进漏浆。若周边漏浆,则改注双液浆,使漏浆处封堵后,再改注单液浆,以此循环调换。
3.3.4钻孔注浆顺序
钻孔注浆顺序采用由外向内,由上向下间隔跳孔的原则,每次隔孔1～2个孔。先注单液水泥浆、后注水泥-水玻璃双液浆;这样通过实施约束型注浆,达到注浆堵水、加固的目的。
3.3.5注浆结束标准
在注浆过程中,当注到一定时间、一定量时,若压力达到设计终压时结束注浆。或注浆过程中,压力逐渐上升,流量逐渐下降,当注浆压力达到设计压力并稳定10 min后,即可结束该孔注浆。当注浆量达到一定量时,压力仍然不上升,可采取双液注浆等措施结束该孔注浆。
所有注浆孔均达到注浆结束标准,无漏水现象,则可结束注浆。
4注浆效果检查
所有注浆孔都结束以后,应进行注浆效果检查,注浆效果检查采用探孔检查法、P-Q-T曲线检查法和声波检查法。
4.1P-Q-t曲线法
通过对注浆施工中所记录的注浆压力P、注浆速度Q 进行P-t,Q-t 曲线绘制,根据地质特征、注浆机制、设备性能、注浆参数等对P-Q-t 曲线进行分析,从而对注浆效果进行评判。
注浆施工中P-t 曲线呈上升趋势,Q-t 曲线呈下降趋势,注浆结束时,注浆压力达到设计终压,注浆速度达到设计速度(常取5～10 L/min)。
4.2浆液填充率反算
通过统计总注浆量,可采用下式反算出浆液填充率,根据浆液填充率评定注浆效果,即: ΣQ=Vnα(1+β) (1)
式中,ΣQ 为总注浆量(m3)为V 为加固体体积(m3)为n为地层孔隙率或裂隙度为α为浆液填充率;β为浆液损失率。
当地层含水量不大时,浆液填充率须达到70%以上,地层富含水时,浆液填充率须达到80%以上。
4.3检查孔法
选择可能出现的薄弱环节进行钻孔检查,检查孔数量按注浆孔总数的10%(不得少于5个)控制。检查孔无裂隙充填物涌出,不塌孔,涌水量小于0.2 L/min•m。
必要时检查孔取芯,很难取得完整岩芯,但通过检查孔的岩芯中浆液的固结体存在的多少,以及固结体的强度来判断浆液的固结情况和注浆效果。
5补充注浆和开挖后径向注浆 对于没有达到设计要求的检查孔,应对其区域进行补充注浆,补充注浆根据现场实际情况确定。当隧道开挖过去以后,对出水量较大的区域,应进行径向注浆,以满足防、排水设计要求。
6特殊情况应急措施 ①注浆压力突然升高,应停止水玻璃注浆泵,只注水泥浆或清水,待泵压恢复正常时,再进行双液注浆。②由于压力调整不当发生崩管时,应停止注浆,待管路修复后再进行双液注浆。③当进浆量很大,压力长时间不升高,则应调整浆液浓度及配合比,缩短凝胶时间,进行小泵量、低压力注浆,也可注注停停,但停注时间不能超过浆液凝胶时间,必要时,可改注一定数量的水泥砂浆后再进行双液注浆。④当发生跑浆时,则应缩短浆液凝胶时间,进行小泵量、低压力注浆,以使浆液快速凝固,堵塞裂隙。
⑤准备集水坑和排水设施,一旦发生大的涌水,能及时抽排。⑥在搞好超前地质预报的前提下,施工中要采取防突水、突泥的安全措施,以便能及时抢救和紧急疏散。
7结语象山隧道YDK33+040采用以上施工方法后,在隧道开挖过程中,总水量不到50方,注浆效果明显,围岩整体性得到了加固,隧道开挖顺利通过,值得类似工程借鉴。
参考文献:
[1] 梁炯婆.锚固与注浆技术手册[M].北京:中国电力出版社,1999.
[2] 秦勇,王术有.综合注浆技术在小康矿副井的应用[J].煤矿安全,2006,(7).
[3] 曾荣秀,催增骥,周庆芬.注浆技术经验汇编[M].北京:煤炭工业出版社,1988.
涌水特征 篇3
关键词：矿井,涌水,特征,防治
0 引言
长河煤电公司位于重庆市大足县, 大地构造位置位于川东褶皱带中部之西山背斜之西翼南段, 伴随矿井+200m水平大、小双连煤层的采完, 以及正连煤层的部分开采, 在开采重点转入±0m水平后, +200m水平以上采空区水和地表水就成了矿井涌水的主要水源, 有效地防治水患, 则是保证矿井安全的关键。笔者根据现有水文地质资料, 综合分析矿井涌水特征, 并对矿井防治水提出几点意见。
1 矿井地质及水文地质概况
长河井田为单斜构造, 地层走向呈北北东向, 与西山背斜一致, 倾向北西西, 井田南部因近西山背斜倾没端, 倾角稍缓, 一般为30°~45°, 井田北部倾角稍陡, 为50°~70°, 煤系为三叠系上统须家河组 (T3xj) , 主采上统须家河组 (T3xj) 第五段 (上煤组) 大、小双连煤层和第三段 (中煤组) 局部可采煤层正连、花连煤层。
矿区为低山丘陵地形, 侵蚀地貌, 地势北高南低, 东高西低, 属单斜山构造流水地貌。区内无大的河流和地表水体, 横向沟谷发育, 主要有甸子沟、烂泥沟、新厂沟、上升湾沟、白杨湾沟、刘家沟等, 多为时令性沟谷, 沟谷动态变化大, 大气降水、井窑水, 泉水等为其主要补给水源。该区主要含水层为须家河组六、四段, 均为砂岩裂隙含水, 且砂岩与泥岩相间沉积, 水力联系差, 含水层富水性浅部较强, 深部弱甚至不含水;由于含水层和相对隔水层其富水性均不强, 加之含水层和相对隔水层交替出现, 由此其本身不对矿井构成大的危害 (见表1) 。
2 矿井涌水特征
2.1 地下水的补给
地下水主要为大气降水补给。由于富水层的大面积出露以及浅岩层裂隙的发育, 为地下水的补给和地下水径流的形成, 提供了充足的水源和通道。大气降水到地表后, 除一部分因地表坡度大而流失外, 另一部分地表水顺岩石孔袭及裂隙沿重力方向运动深入地下, 补给地下水。
2.2 煤层顶底板岩性
大双连煤层顶板深灰色泥岩, 虽露头位于顺向坡上, 但坡度大, 不利于大气降水对地下水的补给, 富水性较弱, 一般出水点以渗透水和滴水形式出现, 巷道潮湿, 有局部滴水。
小双连煤层顶板灰色粉砂质泥岩, 富水性弱, 一般也以渗水和滴水形式出现。
正连、花连煤层顶板上的砂岩段 (T3xj4) 为中粒长石石英砂岩, 硅质胶结, 性脆, 裂隙发育, 涌水点比较多, 但涌水点之间有明显的袭夺现象, 刚揭露时涌水量比较大, 但随掘进出现新的出水点, 原涌水点水量有所减少, 以至干涸。矿井浅部为富水带, 特别是+200m水平以上, 涌水水源多, 有大气降水, 地表水、风化裂隙水以及小窑水。煤层顶板、底板、煤层都有涌水点分布。涌水的形式有淋水、滴水, 也发生突水, 水量大小随气候变化, 一般雨后20h, 涌水量明显增大, 48h达到顶峰。
2.3 涌水量与开采深度
矿井涌水量与开采深度成反比, 随开采深度的增加其涌水量越小, +200m水平以上常年涌水, 且水量较大, 占整个矿井涌水量的70%。+200m~170m为隔水带, 基本阻隔了地下水的垂向补给, +170m以下为贫水带, 出水点少, 其水源主要是+200m水平以上裂隙水沿裂隙或煤层缓慢地顺层补给, 涌水量受气候影响较小, 但涌水量受开采面积增大而有所增大, 涌水形式多为淋水, 一般不会出现突水。
2.4 老窑水对矿井充水的影响
长河公司浅部老窑较多, 几乎每条冲沟都有老窑开采遗迹, 开采最低标高:F1上盘上煤组300m~320m, 中煤组350m~380m, 采空区面积大470万m2, 采空区水多沿采空区裂隙流入较低的巷道中, 直接对矿井充水。
2.5 断层的导水性及富水性
井田内浅部断层较多, 这些断层属压扭性逆断层, 张性裂隙不发育, 在已采范围内, 据巷道揭露落差大于20m的断层有四条, 断层破碎带较宽, 一般为1.6m~30m, 泥质或钙质充填很致密, 有时断裂带内有揉皱现象, 所揭露断层均不含水, 如+200m水平北一运输石门遇全井田最大断层F1时, 断层破碎带附近巷道仅有少量淋水, 而且地面也未见一处断层泉出露, 说明断层导水性不强, 富水性弱。
矿区内隔水层主要为粉砂质泥岩, 泥岩或泥质粉砂岩, 朔性大, 遇水膨胀封闭裂隙, 为良好的隔水层, 当其为顶板时, 工作面一般不出现突水现象。由于开采煤层距含水层都有较远距离, 开采后, 顶板冒落不会破坏上覆含水层。
2004年以来, 共取井下涌水点及地表溪沟水样5个, 不同水样但水质变化不大, 水质类型为SO4HCO3-Ca, 矿化度较低, 老空水为SO4HCO3-CaNa, 主要为基岩裂隙水和地表水的混合物, 最大特点是SO4-较高。
长河矿井涌水量主要是大气降水, 随降雨量大小而变化, 1月~5月涌水量较小, 一般稳定在150m3/h以内, 5月份开始增大, 7月份~8月份达到最大值, 一直持续到10月份, 甚至11月份, 12月份涌水量明显减少。
3 水文地质工作的几点建议
1) +200m水平以上为采空区, 大大增加了积水空间, 降低了阻隔地表水渗透的能力, 地表水通过各种透水通道进入采空区, 再进入矿井, 导致矿井涌水量增大, 因此防止采空区水是长河水文地质工作的重点;
2) 矿井涌水量主要是补给的大气降水和地表水, 雨季涌水量是枯季的3倍~5倍, 要加强矿井南北翼河床以及断层切割地带地表防治水工作, 堵塞水源通道, 疏通渠道, 在煤层露头附近禁止修建水池等人为水体, 另外还要制止小煤矿开采露头煤柱, 防止涌水量继续增大, 威胁矿井安全;
3) 虽然断层导水性差, 但在接近断层时, 仍要采取措施, 特别是落差较大的断层, 在断层切割煤层露头和含水层地段, 要按设计要求留足断层保护煤柱, 确保开采后不引起断层活化, 增大导通地表水的能力。
4 结论
通过以上分析, 矿井涌水量大小与水源、补给条件、补给通道以及煤层顶底板岩性有直接的关系。长河公司矿井涌水量大小随季节和气候变化而变化, 雨季涌水量增大, 枯季涌水量减少, 为提高水文地质预测预报准确性以及雨季三防工作提供了技术依据。
参考文献
[1]张光德, 李栋臣.矿井水害防治[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2003.
涌水特征 篇4
1 井田概况
关石焦煤矿位于贵州省关岭自治县沙营乡辖区内, 其地理坐标为:东经105°24′23″～105°25′23″, 北纬25°59′22″～25°59′53″。煤矿位于花江背斜之西南翼西部, 总体倾向南, 为一单斜构造, 地层走向70°～90°, 倾向170°～200°, 地层倾角25°～35°, 区内断层发育较少, 规模不大, 构造复杂程度为简单构造。该矿区出露的地层主要有二叠系中统茅口组 (P2m) , 二叠系上统龙潭组 (P3l) 、长兴组 (P3c) , 三叠系下统飞仙关组、永宁镇组。
区内含煤地层为二叠系上统龙潭组, 其中可采煤层共分为6层, 编号为5#、8#、10#、30#、31#、32#, 5#煤层厚0.79～4.93 m, 平均厚度2.21 m, 全区可采;8#煤层厚0.66～1.04 m, 平均厚度0.89 m, 大部可采;10#煤层厚0.68～3.00 m, 平均厚度1.48 m, 局部可采;30#煤层厚0.24～3.20 m, 平均厚度1.56 m, 局部可采;31#煤层厚1.01～6.52 m, 平均厚度3.03 m, 全区可采;32#煤层厚约0.44～2.27 m, 平均厚度1.24 m, 大部可采。
2 水文地质特征
2.1 含水层 (组)
(1) 三叠系下统永宁镇组 (T1yn) 岩溶中等含水层。
岩性主要为泥灰岩及灰岩, 地表岩溶发育, 但该层灰岩含泥质条带较多, 因此为岩溶裂隙中等含水层, 厚度不详, 区内北部山顶有出露。
(2) 三叠系下统飞仙关组 (T1f) 岩溶裂隙中等含水层。
岩性主要为粉砂质泥岩、灰岩、泥质粉砂岩、泥质灰岩, 该层中部灰岩较多, 厚度340 m左右, 区内大面积出露于地表, 调查泉点3个, 枯水季节流量0.011～0.038 L/s。为岩溶裂隙中等含水层。
(3) 二叠系上统长兴组 (P3c) 岩溶裂隙弱含水层。
岩性以灰岩、泥质灰岩为主, 厚度50 m左右, 调查泉点2个, 枯水季节流量0.008～0.014 L/s。含岩溶裂隙水, 为弱含水层。
(4) 上二叠统龙潭组 (P3l) 碎屑岩弱含水层。
出露于矿区大部, 岩性为砂质泥岩夹泥灰岩或硅质岩, 以及少量粉砂岩、炭质黏土岩, 因含泥岩较多, 灰岩、粉砂岩等刚性岩石较少, 露头风化带透水性差, 接受降雨补给能力很差, 仅含极弱裂隙水;下部以砂质页岩及泥质砂岩为主, 裂隙不发育, 受降水影响很小, 为弱含水层, 共调查长观点3个, Q1点流量0.008～0.014 L/s, Q2点流量8.22～32.00 L/s, Q3点流量0.014～0.99 L/s。据Q1、Q2泉点水样分析资料:Q1泉点pH值7.31, 水质类型SOundefined-Ca2+。Q2泉点pH值7.75, 水质类型HCO-3-Ca2+, 与F1断层有很大联系。
(5) 中二叠统茅口组 (P2m) 岩溶强含水层。
岩性为厚层状灰岩、白云质灰岩等, 厚度大于100 m, 根据区域水文资料, 该层段岩溶管道极为发育, 该层富含岩溶水, 富水性强, 为岩溶强含水层。
2.2 隔水层
(1) 二叠系上段隔水层。
出露于矿区大部, 岩性以泥岩、粉砂质泥岩为主, 露头、风化带透水性差, 隔水性能较好。
(2) 二叠系下段隔水层。
下段因含多层砂岩、灰岩等刚性岩石, 只在局部出现以泥岩、粉砂质泥岩为主的隔水层, 其隔水性能很差。
2.3 充水因素
(1) 充水水源。
关石焦煤矿的充水水源主要为地表水和地下水。该区内地形陡峻, 沟谷纵横, 地表水可沿沟谷、溪流较快排泄, 切割含煤地层的溪沟, 当地下水遭受强烈抽汲时, 地表水可能逆向补给地下水;当拟建矿井采煤过程中的防护措施不力时, 地表水可能溃入矿井坑道。地下水充水水源主要为含水层水及老窑积水组成, 永宁镇组 (T1yn) 地层为区内主要含水层, 但与煤系地层间隔飞仙关地层, 由于平均厚350 m的飞仙关地层隔水, 距含煤地层较远, 对矿区煤层充水可能性较小;飞仙关组 (T1f) 地层为弱含水层, 在煤矿开采过程中, 顶板的垮塌、岩层采矿冒落产生大量的张裂隙, 可能形成地下水的良好通道才会对矿井充水, 故飞仙关组基岩裂隙水为矿井间接充水水源;长兴组 (P3c) 及龙潭组 (P3l) 地层本身含有风化、构造裂隙水, 含水性、导水性弱, 一般浅部水量较大, 深部水量逐渐变小, 但地层厚度大, 也不容忽视, 是矿井充水的主要补给来源;茅口组 (P2m) 岩溶裂隙含水层下伏于龙潭组, 出露于矿区外北部, 勘查中未完全揭穿, 据区域资料显示, 该层厚度较大, 最大达940 m, 该层段岩溶管道极为发育, 该层富含岩溶水, 含水性不均一, 富水性强, 为岩溶强含水层。由于其直接下伏于龙潭组, 是矿区煤层充水的间接主要来源, 在今后开采过程中特别是开采深部煤层时应给予高度重视, 因其下部32#煤底板与茅口组相隔均厚58.42 m, 厚薄不均, 所以要严防底部茅口组强含水层的水突破底板涌入井内, 造成水灾;老窑积水主要在矿区南部有分布, 煤矿开采过程中, 由于人工裂隙的发育, 一旦贯通小煤矿及老窑巷道时, 小煤矿及老窑积水就会进入矿井, 成为矿井的直接充水水源。
(2) 充水通道。
通过地质钻探资料, 区内基岩节理、裂隙较发育, 这些是连通含水地层与煤层的天然通道。未来煤矿的开采过程中, 由于煤层大面积的开采, 必将引起大量的采矿裂隙出现, 这些人工裂隙将会是沟通含水地层与煤层的良好通道。此外, 该区J101钻孔揭露F1断层, 根据水文观测资料及鉴定资料反映, 断层破碎带岩心比较破碎, 钻孔全孔水位变化不大 (水位标高1 373.04～1 365.20 m之间) , 消耗量变化无异常, 可以看出F1断层带有一定的导水性, 为导水断层。因此, F1断层破碎带极有可能成为矿井充水的直接或间接通道, 对煤矿开采存在严重威胁。
3 矿井涌水量计算
关石焦煤矿拟建规模为30万t/a, 为此, 这次勘探时对矿井第一水平 (+980 m以上) 进行涌水量预算, 根据勘探过程中取得的资料, 采用比拟法和大井法进行矿井涌水量预算。
(1) 比拟法[1]。
原关石焦煤矿生产规模为6万t/a, 走向长约1 663 m, 倾向长约963 m, 主采煤层为5#煤, 目前开采水平为+980 m。该次矿坑涌水量比拟法预算公式为:
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式中, Q, Q0分别为新矿坑、生产矿坑涌水量 (生产矿坑涌水量:枯季180 m3/d, 雨季300 m3/d, 一般240 m3/d) ;S, S0分别为新矿坑、生产矿坑水位降深, m, S0=水位标高-开采标高=160 m, S=水位标高-开采标高=324 m;F为新矿坑开采面积, 取0.884 km2;F0 为生产矿坑开采面积, 取0.03 km2。
计算参数的选择和结果见表1。
(2) 大井法[2]。
由于该矿区龙潭组天然地下水水位高于飞仙关组一段底板灰岩, 具承压水性质, 矿井排水时水位将降至+980 m开采水平, 故用大井法预测矿井涌水量, 选用稳定流承压转无压水公式[3]:
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式中, K为渗透系数, 采用201号钻孔的抽水试验及区域渗透系数的平均值, K=0.001 437 m /d;M为含水层厚度, 采用P3l层位的含水层厚度, M=204.61 m;r0为引用半径, 592.2 m;R0为引用影响半径, R0=R+r0=892.72 m (R为影响半径, 300.52 m) ;H为初始水位标高, 取324 m (此处采用的水位标高以相对高程表示, 零界面为新矿坑的开采标高为+980 m处) ;h为稳定水位标高, 与初始水位标高一样也采取相对高程表示, 疏干排水时h=0。
据表1可知, 采用生产矿坑与新矿坑相似比拟法计算新矿坑在+980 m水平开采时的正常涌水量为795 m3/d, 最大涌水量为995 m3/d;采用大井法计算得到的最大涌水量为999 m3/d。2种方法计算得到的最大涌水量基本一致, 可供设计部门设计矿井抽排水系统参考。
4 结语
(1) 分析了井田内的水文地质特征, 确定了二叠系上统龙潭组煤层底板茅口组 (P2m) 岩溶裂隙水为主要充水水源, 构造裂隙及采动裂隙为主要充水通道, 特别是采动裂隙容易与含水层对接发生突水事故。
(2) 通过对井田内水文地质条件、充水因素的分析, 采用比拟法和大井法预测新矿坑的正常涌水量是795 m3/d, 最大涌水量是999 m3/d, 为以后的矿井防治水工作和安全生产提供了依据。
参考文献
[1]杜敏铭, 邓英尔, 许模.矿井涌水量预测方法综述[J].四川地质学报, 2009, 29 (1) :70-74.
[2]李再兴, 梁杏, 郭付三, 等.大井法在基坑涌水量计算中的应用[J].人民长江, 2009, 40 (15) :49-53.
涌水特征 篇5
郎溪钒矿矿区位于湖南省湘西自治州永顺县朗溪县城东东93°, 直距约43 km, 面积20.10 km2。该区位于分水岭交汇地段, 地势较高, 地形坡度大, 总体地势呈东部高, 西部低, 中部高, 南、北、西面低, 属中、低山溶蚀与剥蚀构造地貌, 多高山峡谷, 山高坡陡, 沟谷纵横, 地形切割强烈, “V”字形沟谷发育。位于武陵山隆起构造带西北侧边缘地带, 区域构造的北东收敛端, 没有明显的断裂构造。以滨海-浅海相碳酸盐岩和生物碎屑岩为主的沉积岩区, 地层发育齐全。
2 研究方法
本文综合运用遥感解译、野外地面调查、钻探资料分析、抽水试验资料分析、水化学分析和理论计算分析等。
遥感解译采用TM, SPOT, SAR以及航空摄影资料, 从遥感图像上提取地貌、地层岩性、地质构造和泉等水文地质信息的解译。
在室内遥感解译的基础上, 采用传统的水文地质调查方法重点调查了各含水层的分布与发育规律、地下水类型、泉的流量和分布。例如在泉点调查方面, 采用了航片解译与野外泉点调查相结合的方法, 克服了野外调查的缺陷, 充分利用了大量的野外泉流量实测资料, 弥补了单纯的遥感解译无法得到泉流量的不足。
采用回旋钻进方法采取岩心进行编录并绘制钻孔柱状图, 综合分析资料确定含水层的数量、埋深、厚度、岩性结构特征, 含水层位空间分布特征及变化规律, 地下水位、水的物理性质和化学成分的空间分布特征及变化规律;
采用单孔三落程稳定流抽水试验, 测定钻孔出水量、单位出水量、计算钻孔最大可能出水量, 确定含水层的渗透系数。
在水化学分析方面, 除对野外地面调查水点的流量、温度、p H值、电导、矿化度、含盐度等基本参数进行现场测试外, 还进行水样水化学简分析、全分析, 以便研究地下水水质类型、各类地下水的水化学特征。
矿坑涌水量预测采用大井法和经验公式法, 两种方法的预测结果进行比较分析, 从而得出较为合理的结果。
3 矿区水文地质特征
矿区水文地质条件主要受地层岩性、次级断裂及褶皱构造影响。因矿区位于区域分水岭地段, 地势较高, 地形坡度大, 大气降水迅速成为地表径流排泄至区外, 因此本矿区在区域水文地质上属于弱富水。
3.1 含水层及富水性
按地下水成因类型及赋存介质, 地层组合、岩性特点及水动力条件, 矿区地下水类型划分为松散堆积层类孔隙水, 基岩裂隙水, 碳酸盐岩裂隙岩溶水三大类[1]。
3.1.1 第四系松散堆积层孔隙潜水含水层
矿区内分布有第四系洪冲积、残坡积层。冲、洪积物主要分布在河漫滩, 根据钻探资料可知, 地下水位埋深0~8 m, 含水贫乏, 属弱富水的孔隙含水层。残坡积层均较薄, 风化程度及厚度不一, 含水贫乏, 受大气降水影响明显, 由水质分析资料可知, 该类型水水质良好, 其水化学类型为HCO3·SO4—Ca·Mg型, p H值为8.16, 总硬度77.1 mg/L, 矿化度150.95 mg/L。
3.1.2 基岩裂隙含水层
(1) 层间裂隙含水层
该层为承压裂隙含水层, 分布于矿区中部偏西, 地表呈条带状, 南北均匀分布, 根据钻探资料可知, 厚度为25~45 m, 受褶皱影响裂隙普遍发育, 连通性一般, 溶蚀较发育, 多为细小溶隙, 富水性弱。由抽水试验资料可知, 钻孔单位涌水量为0.004 07L/ (s·m) , 渗透系数为0.012 62 m/d。由水质分析资料可知, 水化学类型为HCO3·CO3—Na型, p H值为9.21, 总硬度5.874 mg/L, 总矿化度为863.49mg/L。
(2) 孔隙裂隙含水层
分布在矿区西部边角, 推测厚度大于50 m。基岩裂隙不发育, 在近地表部分存在风化裂隙水, 野外调查统计得知, 泉流量一般为0.01~0.1 L/s。根据抽水试验资料得知, 钻孔单位涌水量0.018 5~0.044 L/ (s·m) , 地下水径流模数为0.819 L/ (s·km2) , 水量贫乏。水质分析资料表明, 水化学类型为HCO3—Ca·Mg或HCO3—Ca型, p H为6.8, 总硬度94.8 mg/L, 总矿化度小于100 mg/L。
3.1.3 碳酸盐岩裂隙岩溶含水层
(1) 裂隙溶洞含水层
分布在矿区南面东部大块、北面东部小块, 矿区内出露不全, 推测厚度大于50 m。地表发现无水溶洞, 有大量岩溶泉及地下暗河出口, 溶洞地下河中等发育, 含裂隙岩溶水。野外调查得知, 泉水流量一般为1~15 L/s, 属中等富水的岩溶含水层。水质分析资料表明, 水化学类型为HCO3—Ca·Mg, p H为7.65, 总硬度113~170.3 mg/L, 总矿化度为130~365 mg/L。
(2) ∈2a裂隙岩溶含水层
分布在矿区近南东部, 钻探资料表明, 岩溶含水层厚约58.6 m。岩溶较发育, 溶洞地下河不发育, 含裂隙岩溶水。岩溶泉出露少, 泉流量一般为0.5~5 L/s, 属中等富水的岩溶含水层。水质分析资料表明, 水化学类型为HCO3—Ca·Mg型, p H为8.16, 总硬度77.01 mg/L, 总矿化度150.95 mg/L。
(3) ∈1q裂隙岩溶含水层
分布在矿区中偏东部, 由钻探资料可知, 含水层厚度约48.5 m, 岩溶发育, 多见有溶蚀裂隙及小溶孔, 溶隙间连通性较好, 见有岩溶泉, 泉水流量为0.5~2 L/s, 由抽水试验资料可知, 钻孔单位涌水量为0.009 6 L/s·m, 渗透系数为0.018 467 m/d。该含水层富水性弱。水质分析资料表明, 水化学类型为HCO3—Na·Mg型, p H为8.08, 总硬度110.1 mg/L, 总矿化度527.64 mg/L。
(4) Z2d碳酸盐岩夹页岩类裂隙岩溶含水层
分布于矿区西部, 由钻探资料可知, 含水层厚度约18—58 m。岩溶发育弱, 出露有少量岩溶泉, 泉水流量为0.01—1 L/s, 为弱富水的岩溶含水层。水质分析资料表明水化学类型为HCO3—Ca·Mg型, p H为7.97, 总硬度130.58 mg/L, 总矿化度217.1 mg/L。
3.2 地下水补径排条件
3.2.1 松散堆积层类孔隙水的补、径、排及动态特征
大气降水是松散堆积层孔隙水的主要补给来源, 局部地段接受地表水体补给, 为孔隙潜水。该类型水一般向其邻近的河流、溪沟径流, 以潜流和泉的形式排泄, 在低洼地带多以泉形式出露。松散堆积层类孔隙水的水位及流量随季节变化极大, 明显是由降雨所支配, 降雨时间和降雨大小, 动态上反映极其明显。
3.2.2 基岩裂隙水的补给、径、排条件及动态特征
基岩裂隙水的补给, 以大气降水通过松散堆积层间入渗接补给为主, 部分为降雨直接补给。径流速度较快, 径流途径较短, 地下水流向随地形变化, 多为垂直或斜交附近冲沟, 径流方向由山脊向冲沟方向径流。地下水多集中于低洼地段以下降泉的形式排泄, 其动态随季节性变化大。
3.2.3 碳酸盐岩裂隙岩溶水的补给、径流、排泄条件
大气降水为主要补给来源, 局部接受地表水的补给。地下水以裂隙流及管道流为主, 径流途径较长, 地下水向当地排泄基准面方向径流, 在有利地段以泉的形式排泄。动态由降雨的变化所控制, 降雨的不均匀分配, 使岩溶水水量、水位随之变化。岩溶水随季节变化, 与大气降水同步。
4 涌水量预测
4.1 大井法
4.1.1 计算指标及公式选择
4.1.1. 1 计算公式选择
根据抽水试验资料及水文地质条件, 确定计算公式采用承压转无压完整井, 均质无限补给边界条件的公式[3]为
4.1.1. 2 计算指标确定
由于矿体在平面上从南到北呈连续分布, 在纵向上, 各个矿层之间并无明显界线, 且矿体之间标高彼此交错, 加之∈1n底部与Z2l整体为矿床直接充水含水层, 因此把矿层作为一个层状整体而不单独划分块段预测[1]。
(1) 计算标高确定
计算标高根据矿体 (工业品味) 的最低采矿标高确定。根据地质调查资料确定的矿体埋深, 计算范围内最低标高为120.634 m, 即为涌水量预测的计算标高。
(2) “大井”边界确定
由地质调查资料可知各层矿体均连续, 呈层状分布, 所以采取矿体平面投影后最大矿层的面积范围作为边界, 为2 015 432m2。
(3) 静止水位确定
静止水位标高采用等水位线与“大井”边界连接线交点水位标高的平均值, 根据地下水监测资料可知, 交点水位在正常涌水量时为688.21 m, 最大涌水量时为694.21 m, 水位最大变化幅度约6 m。
(4) 含水层厚度确定
含水层平均厚度采用钻孔所揭露承压含水层垂直厚度的平均值, 根据钻探资料计算
(5) 渗透系数的确定
渗透系数利用ZK8—6水文地质孔分层抽水试验获得的各次降深渗透系数, 求取各含水层的平均渗透系数, 计算整个充水含水层的加权平均渗透系数, 最终计算结果为
(6) 引用半径的确定
“大井”引用半径 (ro) [2]为计算数值, 采用公式
(7) 影响半径的确定
影响半径 (R) 为计算数值, 采用公式, 正常涌水量时为4 101.227 m, 最大涌水量时为4 154.888 m。
(8) 引用影响半径 (Ro) 的确定
引用影响半径 (Ro) 为计算数值, 采用公式Ro=R+ro, 正常涌水量时为4 902.387 m, 最大涌水量时为4 956.048 m。
4.1.2 大井法涌水量预测结果
4.2 涌水量与水位降深经验公式法
4.2.1 计算步骤[3]
(1) 利用曲度法鉴别Q-s曲线类型, 采用公式
(1) n=1时, 为直线型, Q=q S;
(2) 1
(3) n=2时, 为抛物线型, S=a Q+b Q2;
(4) n>2时, 为半对数曲线型, Q=a+blg S。
(2) 选用最小二乘法, 确定方程参数。
(3) 预测降深处涌水量。
(4) 井径流量换算。
4.2.2 涌水量预测
假定斜井井筒直径约20 m。矿坑正常涌水量预测实际上就是预测最低采矿标高处地下水的总流量, 即降深值在最低采矿标高处, 最大涌水量降深值为最大水位变化时的流量, 最大水位变化为6 m。
4.2.2. 1 第Ⅰ试段涌水量预测
计算得n=1.458, 1
正常涌水量:根据水文地质资料, 确定降深S=82.51 m, Q=0.482 33L/S=41.673 6 m3/d;
最大涌水量:根据水文地质资料, 确定降深S=88.51 m, Q=0.499 56L/S=43.161 9 m3/d。
4.2.2. 2 第Ⅱ试段涌水量预测
计算得n=2, 为抛物线型曲线, 利用公式S=a Q+b Q2, 求得:
正常涌水量:根据水文地质资料, 确定降深S=245.89 m, Q=0.702 5 L/S=60.696 5 m3/d。
最大涌水量:根据水文地质资料, 确定降深S=251.89 m, Q=0.710 9 L/S=61.421 7 m3/d。
4.2.2. 3 第Ⅲ试段涌水量预测
计算得n=1, 为直线型, 利用公式Q=q S;求得:
正常涌水量:根据水文地质资料, 确定降深S=201.8 m, Q=0.831L/S=71.798 m3/d。
最大涌水量:根据水文地质资料, 确定降深S=207.8 m, Q=0.856 1L/S=73.971 m3/d。
4.2.2. 4 井田涌水量预算结果
4.3 涌水量预测评价
由于矿区水文地质条件变化复杂, 导致含水层厚度难以确定, 同时矿区地形条件变化起伏大, 水位标高难以确定, 对预测均有影响。另外预测降深已远超过的外推疏干降深的1.75倍, 使得曲线外推法预测矿坑涌水量偏小, 因此采用“大井法”预测结果。
5 结论
(1) 矿区地下水类型主要为松散堆积层类孔隙水, 基岩裂隙水, 碳酸盐岩裂隙岩溶水三大类。
(2) 矿区内地下水主要由大气降水及上部松散堆积层的入渗补给。降雨后迅速沿山坡汇聚、径流于各地表溪流, 又通过溪流排泄于区外, 地表溪流是矿区地下水的主要排泄渠道。
(3) 朗溪钒矿区正常涌水量为3 450.189 m3/d, 最大涌水量为3 461.182 m3/d。
摘要：通过水文地质勘查, 查明了郎溪钒矿区的含水层及其富水性和地下水的补给、径流、排泄特征, 并采用大井法和涌水量与降深关系曲线法两种方法对比计算, 对涌水量做出初步预算评价, 为施工提供依据。
关键词：含水层,富水性,涌水量
参考文献
[1] 湖南省核工业地质局三0一大队.湖南省永顺县朗溪矿区钒矿详查, 2010
[2] 供水水文地质手册 (第二册) .北京:地质出版社, 1977
[3] 薛禹群.地下水动力学.北京:地质出版社, 1986
[4] 李亮经, 马广海.坎上铁矿水文地质特征及涌水量预测.水文地质工程地质, 2009; (6) :37—41
涌水特征 篇6
滇东北某铅锌矿床位于昭通市彝良县境内, 是滇东北具代表性的铅锌矿床之一[1]。根据地层和控矿构造可将矿床分为三条矿带, 其中Ⅰ矿带规模最大, 赋存于上泥盆统宰格组 (D3zg) 顶部白云岩岩层中[2]。Ⅰ矿带西距洛泽河最近处仅230m, 中等富水的D3zg溶隙裂隙含水层构成充水含水层。因此, 查清Ⅰ矿带的矿床水文地质特征, 并合理预测矿坑涌水量对矿山安全开采至关重要。
1矿区地质及水文地质特征
1.1矿区自然地理
矿区属乌蒙山北延余脉, 山川走向受地质构造线的制约, 呈北北东向展布, 地势东高西低。区内新构造抬升活动强烈, 河流强烈切割破坏的高原峡谷地带, 不利于河床上、下水平岩溶带的形成。金沙江水系的洛泽河自南面西, 环绕矿区, 河宽 (200—300) m, 两岸羽状短小溪沟密布。矿体西端测得洛泽河最大流量162.45m 3/s。矿区属亚热带高原季风气候, 年均降雨量774.4mm, 最大年降雨量达1 008.3mm, 最大日降雨量达147.2mm。
1.2矿区地层、构造
矿区地处扬子准地台滇东北拗褶带昭通—镇雄拗褶区的毛坪—石门坎背斜 (长发硐背斜) 倾没端。矿区晚古生代地层发育, 出露地层有上泥盆统、石炭系、二叠系, 地层间多以假整合接触。岩浆活动主要为海西期陆相裂隙式喷发的峨眉山玄武岩。矿区构造由长发硐倒转背斜和献鸡船形向斜控制全区, Ⅰ矿带即位于长发硐倒转背斜的核部[3] (图1) 。断层不甚发育, 唯洛泽河、铜厂沟两个断层规模稍大;前者控制矿床水文地质西部边界, 后者与矿床水文地质条件没直接关系。
1.3矿区水文地质[4]
1.3.1含水层与隔水层
含岩溶裂隙水的二叠系-泥盆系碳酸盐岩含水层则是制约矿坑水补给的重要条件。依据富水性的不同, 该类型可分为富水性强的栖霞茅口组 (P1q+m) 灰岩溶洞含水层、中等富水的宰格组 (D3zg) 白云岩溶隙裂隙含水层、富水性弱的威宁组 (C2w) 灰岩白云岩溶隙裂隙含水层三个含水层, 并各具独立的水动力条件。三个含水层之间, 分布有两个稳定的隔水层, 即丰宁煤系砂页岩夹煤层隔水层与矿山煤系隔水层, 阻隔了三个含水层问的水力联系。
1—地层代号, 2—岩性, 3—断层, 4—地层界线, 5—矿体, 6—钻孔
1.3.2 水文地质单元
矿区三个碳酸盐岩含水层和两个隔水层相间分布的结构, 形成了矿床附近三个各具独立的补给、赋存、径流、排泄水动力条件的水文地质单元, 彼此间虽属叠置分布, 含水层之间没有水力联系 (图2) 。
献鸡向斜水文地质单元 (A) 是出露最高的一个水文地质单元, 以栖霞茅口组灰岩为储水体, 岩溶强烈发育, 以垂直岩溶形态为主, 溶洞、溶隙为主要储水空间, 缓倾斜船形向斜为蓄水构造。该单元所处海拔最高, 洼地漏斗负地形岩溶发育, 像一口大锅掩盖于矿床之上, 接收了矿床63%的大气降水。由于矿山煤系隔水层的存在, 阻隔了大气降水对下伏威宁组灰岩白云岩含水层和宰格组白云岩含水层的下渗补给。
林家坪单斜水文地质单元 (B) 由威宁组灰岩、白云岩组成储水空间, 不对称马鞍形单斜为蓄水构造。在上覆矿山煤系与下伏丰宁煤系隔水层的夹持帷幕作用下, 地下水由海拔高的南部补给带, 顺层向海拔低的北部径流, 而与上、下两个含水层无越流互补关系。
长发硐背斜轴部水文地质单元 (C) 位于三个水文地质单元的最下部, 由宰格组白云岩为储水层, 丰宁煤系为不透水的盖层, 背斜轴部组成储水构造。由于矿床处于背斜倾没端倒转的西翼, 丰宁煤系隔水层由含水层的顶板转换为底板, 使南部白云岩含水层露头区补给的地下水, 北流受阻, 折返回流或富集。矿带钻孔抽水单位流量 (0.343～0.988) L/s·m, 地下水矿化度近3 g/L, 说明该水文地质单元地下水较丰富, 但径流较迟缓, 而不同于上述两个水文地质单元。
1.3.3 地下水补给、径流、排泄条件
由于矿区含水层间有隔水层存在, 且洛泽河西岸又属不同的水文地质单元, 因此矿区各地段水动力条件有不同的特点。
矿区北部碎屑岩、玄武岩含水层地下水储存条件差, 大气降水就地补给, 就近沿沟渗流排泄, 径流途径短。东北部石炭系灰岩含水层接受降雨补给, 向区外排泄。矿区中部大气降水是栖霞茅口组灰岩含水层唯一的补给源, 以1 876 m高地为地下水局部分水岭, 向南北分流, 通过溶洞进行排泄。洛泽河东岸斜坡地带为上泥盆统白云岩和中上石炭统灰岩白云岩含水层, 除接受大气降水补给, 向洛泽河径流排泄外, 尚因含水层平行沿河分布, 向山内微斜, 致使上游河水顺层面裂隙补给下游含水层。
矿体分布带, 岩层近于直立, 含水层与洛泽河直交, 地下水由东而西沿层面裂隙向洛泽河径流。海拔910 m以上矿体大部采空, 大气降水多由矿山开采平坑排泄。
1—富水性强的二叠系阳新灰岩溶洞含水层, 2—富水性中等的一打得统白云岩溶隙裂隙含水层, 3—富水性弱或中等的威宁丰宁统灰岩白云岩裂隙溶隙含水层, 4—矿山、丰宁煤系砂页岩隔水层, 5—落水洞, 6—背斜褶皱, 7—实测断层, 8—地层代号, 9—灰岩, 10—白云岩, 11—砂岩, 12—页岩, 13—煤层, 14—玄武岩, 15—岩层产状, 16—倒转产状, 17—河流, 18—水文地质单元界限, 19—编号及降深 (m) -流量 (L/s) /孔深 (m) , 20—编号及流量 (L/s) , 21—水文地质单元
1—矿化带, 2—勘探线, 3—铅锌矿, 4—坑道, 5—断层, 6—老窿
1.3.4 地下水动态特征
矿区地下水动态较稳定, 不均衡系数在0.6～0.8间, 钻孔水位变幅 (1—2) m, 最大3.37 m。含水层浅部地下水动态受降雨影响较大, 断层出水点最大流量可达最小流量的20倍。深部含水层在月降雨量小于100 mm时, 水位几乎不受影响;当月降雨量大于100 mm, 特别是连续降水5 d以上, 其中日降雨大于10 mm时, 水位变化明显, 但时间上要滞后降雨2个月。
地下水受洛泽河水位变化影响不明显, 两种水位相关性较差。其原因一是洛泽河属山间河流, 水位变化持续时间短, 洪峰多在数小时内消失;二是属上游河段, 水位变幅不大, 一般在2 m之内, 偶尔才达 (4—5) m。
2 Ⅰ矿带水文地质
2.1 Ⅰ矿带水文地质特征
Ⅰ矿带沿地层走向赋存于宰格组 (D3zg) 顶部白云岩岩层中, 西距洛泽河最近处230 m, 侵蚀基准面标高887 m, 矿带近似长柱状顺地层倾向延伸到海拔796 m以下。矿带充水含水层为宰格组 (D3zg) 中等富水的厚层块状白云岩溶隙裂隙含水层 (图3) 。地处长发硐背斜倾没端的北西倒转翼, 倾向南东, 倾角70°—85°。岩溶不发育, 尤其是900 m水平以下, 坑道及钻孔岩芯中仅见米粒状溶孔和层面裂隙方解石晶面。据26个钻孔统计, 仅有宽 (0.1—0.3) m的裂隙21条 (斜孔) , 坑道裂隙率0.66%, 为地面的二分之一。
矿带未见泉水, 仅九坑内有一流量为 (0.033—0.303) L/s的出水点。矿带含水层各向渗透性能差异明显, 如ZK1孔东西走向方向渗透系数2.90 m/d, 南北倾向方向为2.38 m/d;且垂向变化较大。矿带以北40 m分布有丰宁煤系隔水层, 对矿带白云岩含水层起着帷幕作用, 阻隔了北部其他含水层和大气降水对矿带地下水的补给。矿带西部洛泽河河床东岸多为砖石砌护, 隔阻了浅部白云岩含水层与洛泽河的接触。矿带西部含水层化学组分与洛泽河水化学组分含量有明显差异。前者矿化度高达2.715 g/L, 为SO4-Ca·Mg型水, 后者矿化度仅0.18l g/L, 水化学类型为HCO3-Ca·Mg型。据钻孔分段抽水、简易水文和坑道观测资料, I矿带自云岩含水层富水性在垂向上具由弱到强, 由强到弱的变化特征, 可分三个富水性不同的含水段, 即900m以上弱富水段、 (896—829) m较强富水段和829 m以下弱富水段。Ⅰ矿带白云岩含水层接受大气降水垂直补给的面积较小, 在矿带地段仅0.126 km2。地下水顺层由东北向南西径流。地下水动态较稳定。
2.2 Ⅰ矿带矿坑水与洛泽河水的关系
洛泽河位于Ⅰ矿带的西部, 最近相距为230 m, 矿带的分布与洛泽河近于直交。洛泽河以1.25%的水力坡度流经矿带白云岩含水层达3 000 m, 在河水与白云岩裂隙含水层接触地段, 河水通过裂隙与地下水发生水力联系。反映在ZK5水位 (距洛泽河25 m) 与洛泽河水位仅差1.07 m, 且河水位的升降对ZK5水位有一定影响, 只是地下水位变化要滞后河水位 (15～32) h。另外, 抽水后较抽水前离子含量有系统的淡化现象。以上说明, 洛泽河对矿带地下水有一定的相关作用。铅锌矿的深部开采, 洛泽河水通过白云岩岩层裂隙会对矿坑水有渗入补给。
但是, 距洛泽河230 m以远的矿带地下水与洛泽河水的相关性, 并不十分密切, 河水对矿坑水的补给也是不强的。其依据有:①河岸矿带含水层除卸荷裂隙发育外, 未见大的横切斜切河流的裂隙与岩溶管道。河流东岸未有较大的泉水出现, 说明矿带地下水没有形成向洛泽河集中排泄的通道。②通过沿河物探测量, 碳酸盐岩含水层内电阻率曲线均较平缓, 未出现明显的异常, 亦说明横穿河岸无大的岩溶通道或充水断裂与洛泽河水贯通。③ZK5抽水降深13.18 m时流量7.10 L/s, 而远离洛泽河的ZK2抽水同等降深下流量为6.415 L/s, 说明ZK5抽水在降深到河水位以下12.11 m时, 其激发补给强度不大。
故Ⅰ矿带地下水与洛泽河水虽有一定的水力联系。但是, 由于含水层岩溶不发育, 没有发现岩溶管道和充水断裂与河水连通, 且岸边钻孔抽水同等降深条件下受河水激发补给的钻孔涌水量, 比无河水激发补给的钻孔涌水量仅增大9.7%。预测深部矿产开采, 洛泽河水对矿坑水的补给是不强的。
2.3 Ⅰ矿带充水水源及补给途径
依据矿体的空间分布, 铅锌矿开拓后的矿坑形态类似矩形。Ⅰ矿带西部邻近洛泽河, 矿产开拓中的矿坑水源为大气降水的垂直补给和洛泽河水水平补给。由于矿体上、下隔水层分布稳定, 矿坑水不致受其它含水层的越流补给。
Ⅰ矿带设计开采深度100 m, 海拔796 m, 在洛泽河水位以下93 m。据钻探水文地质资料反映, Ⅰ矿带主要含水段平均在海拔829 m以上, 厚 (60—80) m。因此, 洛泽河水对矿坑补给, 主要是坑道掘进在70 m内进行。其下, 由于含水层富水性微弱, 河水补给递增量相应减少。Ⅰ矿带北距丰宁煤系隔水层40 m, 当矿体开采第一个水平时, 矿带北部地下水已被疏干。故在矿产开采过程中, 矿带北部不存在地下水对矿坑的侧向补给。因此, Ⅰ矿带开拓矿坑水的补给段主要为平均海拔829 m以上的南面、820 m以上的西面和840 m以上的东面边壁进水。
此外, 由于矿山早在明清时代就已开始开采, 老窿水也构成了难以预测的充水水源。
3 Ⅰ矿带矿坑涌水量预测
3.1 矿坑涌水量计算方案
I矿带总体呈长条状展布, 其开采矿坑的长宽比介于2.7∶l—4.8∶l之间, 可近似视作圆形大井。故选择“大井法”计算矿坑涌水量。根据开采方案, 计算I矿带海拔796 m开采水平的总涌水量。
I矿带含水层北部紧邻下石炭统丰宁煤系隔水层, 西部有地表水体洛泽河径流;东部和南部侧向无界延伸。在开采条件下, 矿带疏于漏斗形态, 将受到其北部丰宁煤系隔水边界和西部洛泽河补给边界的共同制约。为此, 将I矿带矿坑涌水量计算边界概化成两直线隔、供水边界相互垂直的类型 (图4) 。
1—矿区分布范围, 2—矿坑涌水量预算边界, 3—含水层, 4—丰宁煤系隔水层, 5—概化隔水边界, 6—洛泽河补给边界, 7—概化定水头补给边界, 8—抽水实验钻孔及编号, 9—已经开采巷道
3.2 矿坑涌水量计算
3.2.1 计算公式
根据Ⅰ矿带含水层边界类型和渗流映射叠加原理[5], 选择矿坑涌水量计算公式如下:
式中:Q—矿坑涌水量 (m3/d) ;
k、k′—含水层渗透系数 (m/d) ;
H、H′—含水层厚度 (m) ;
S、S′—开采矿坑水位降深 (m) ;
R0—“大井”引用影响半径 (m) ;
r0—“大井”引用半径 (m) ;
θ1—洛泽河定水头边界补给地段占“大井”进水断面的弧度百分数;
θ2—Ⅰ矿带东南侧含水层侧向无界地段占“大井”进水断面的弧度百分数;
b2—Ⅰ矿带至洛泽河定水头补给边界的距离 (m) 。
3.2.2 计算参数
① r0:由
② H、H′:开采796 m水平时, 由扎马林公式计算得含水层有效带厚度已深逾强含水段底板 (海拔829 m) 。故H分别取洛泽河雨季平均水位 (海拔889 m) 和近30年最高洪水位 (海拔894 m) 到强含水段底板的距离, 各为93 m和98 m;H′分别取含水层平均和最高地下水位 (海拔896 m和899 m) 到含水层强含水段底板的距离为100 m和103 m。
③ S、S′分别取前述各水位高程至796 m水平的距离, S为93 m和98 m, S′为100 m和103 m。
④ k、k′:k采用ZK1上下试段加权平均渗透系数与ZK2全试段渗透系数的算术平均值, 为1.30 m/d;k′采用ZK1上下试段的加权平均渗透系数1.51 m/d。
⑤ R0:据
⑥ b2:在I矿带纵向投影图上量得矿坑至洛泽河补给边界的距离为230 m。
⑦ θ1、θ2:在矿区水文地质图上, 以矿体中心为圆心, 矿坑中心至洛泽河距离的2倍长度 (610 m) 为半径划圆。θ1、θ2分别为矿体西侧或东南侧供、隔水边界与圆弧交线间的夹角占整个圆周的弧度百分数。其中, θ1为0.108, θ2为0.411。
将上述参数带入计算公式, 求得Ⅰ矿带796 m水平正常涌水量为6 018 m3/d, 最大涌水量为6 409 m3/d。
4 结论与建议
矿区水文地质条件复杂程度中等, 中等富水的一打得统白云岩溶隙裂隙含水层是Ⅰ矿带矿坑水的主要来源, 矿坑水主要源于大气降水通过富水性弱的含水层垂直入渗补给, Ⅰ矿带正常涌水量为4 747 m3/d, 据涌水量不大和矿体垂向分布, 矿山排水适合按水平、分散梯级外排, 北部有老硐分布容易产生突水, 另外在开采时候如遇断层导水层可能增加矿坑涌水量。
摘要：滇东北某铅锌矿区位于云南东北部昭通地区, 规模中等。该矿区Ⅰ矿带为白云岩溶隙裂隙充水型矿床且紧邻洛泽河, 可能受河水补给, 水文地质条件较为复杂。介绍了该铅锌矿区Ⅰ矿带水文地质特征, 并利用数值模拟法对矿区的涌水量进行预测, 为矿区设计与施工提供参考, 并可为类似矿区矿坑涌水量预测提供借鉴意义。
关键词：铅锌矿区,水文地质特征,涌水量,预测
参考文献
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[3]胡彬, 韩润生.毛坪铅锌矿构造控矿及找矿方向.云南地质, 2003; (3) :295—303
[4]地质矿产部成都水文地质工程地质中心.云南省彝良县毛坪铅锌矿Ⅰ、Ⅱ矿带水文地质勘探报告, 1991
涌水特征 篇7
地下水是岩土体的重要组成部分,它直接影响着岩土体的工程特性,因此在工程建设中,水文地质是非常值得关注的一个问题。因为忽视水文地质问题,或者对水文地质问题研究不深入,忽略地下水对岩土工程的作用和危害,将会直接影响到拟建工程的安全,因此需要高度重视工程地质勘察中的水文地质勘察工作[1]。隧道工程,特别是江底隧道,水文地质条件往往比较复杂,通常存在不同程度的渗漏水或涌水,尤其隧道突水 ( 突泥) 危害极大,它们可以填塞巷道、淹没设备,给隧道施工带来巨大困难,因此,在前期地质勘察中,能否准确判定隧道突涌水点及预测隧道涌水量对后期设计施工具有重要意义[2,3]。江底隧道水文地质条件对工程造价影响大,是工程地质勘察过程中非常重要的一环,其水文参数的真实性,将直接影响到隧道设计、施工所采取的堵排水措施的可靠性,在此类岩土工程勘察过程中,应重视水文地质勘察的重要性,以保证拟建工程的安全。
1 工程概况
中卫 - 贵阳联络线起自宁夏中卫,经甘肃、陕西、四川、重庆, 止于贵州 贵阳, 干线全长1647km,该线长江隧道穿越位于重庆市江津区,隧道总长2122. 80m,其中水平长度1164. 28m,斜长958. 52m,属于水下长隧道 ( 图1) 。隧址区地貌类型为丘陵地貌与河流堆积地貌,最高海拔398. 3m,位于长江西北岸 ( 进口端) 东侧丘顶处,长江谷口为区内海拔最低点,海拔164. 8m。进口端位于长江西北岸的丘包顶低洼处的斜坡地带,洞口高程为337. 44m,地面坡度约15° ~ 25°,洞口西北侧为北东向展布的凹槽,宽约60 ~ 80m。出口端位于长江东南岸的Ⅲ级阶地上,地形较平缓,洞口高程为230. 13m。洞口东侧为凹槽,宽约50 ~ 130m。
隧址区地层岩性较简单,岩土层主要有第四系全新统冲洪积粉质黏土,上更新统冲洪积粉质黏土、砂卵石土和侏罗系上统遂宁组砂、泥岩。在左岸隧道洞口 ( 进洞口) 段穿越全新统残坡积粉质黏土,下部为侏罗系上统遂宁组的泥岩及粉砂岩。在右岸隧道洞口 ( 出洞口) 段穿越第四系上更新统冲洪积粉质黏土、卵石层,下部为侏罗系上统遂宁组的泥岩、粉砂岩。隧道洞身段穿越的基岩地层为侏罗系上统遂宁组紫红色泥岩与粉砂岩不等厚互层。隧道位于壁山向斜与温塘峡背斜之间,未见断裂构造发育。
2 水文地质特征
2. 1地下水类型
隧址区地下水的主要类型为第四系松散岩类孔隙水和基岩风化裂隙水两种类型。
第四系松散岩类孔隙水分布在长江两岸阶地及河谷漫滩地区,呈面状展布,主要赋存于砂卵石松散堆积物孔隙之中。地下水具有自由潜水水面,为不具承压性质的孔隙潜水; 但是在长江右岸Ⅱ、Ⅲ级阶地由于上部粉质黏土层较厚,与下部基岩一起起到隔水层作用,造成中部卵石层中地下水局部具有微承压性。该类地下水水量随地段不同含水量也不同,Ⅲ级阶地处的卵石层中水量较小。
基岩风化裂隙水分布在长江两岸丘体及长江河床下的基岩风化节理裂隙中,含水岩组由侏罗系上统遂宁组紫红色泥岩、粉砂岩等组成。该类地下水水位不定,水量一般较小,仅在局部风化节理裂隙发育地带可形成富水。
2. 2 地下水补给、径流、排泄
地下水的补给形式有两种: 一是来自大气降雨渗入补给,二是长江地表水体的渗入补给。当大气降雨降落至地面后,一部分汇集沟谷之中形成地表径流,最后注入长江; 另一部分则通过裸露岩层孔隙、裂隙渗入地下,补给地下水。由于长江河谷是本区最低侵蚀基准面,两岸岩土层接受大气降雨渗入补给形成的地下水,通过地下径流汇入长江成为地表水。长江河谷是该区地下水的汇集、排泄区,长江地表水向下渗入又是长江河底之下含水层中地下水的主要补给来源,因此,长江地表水又是长江河谷区含水层永久的线性面状补给源。长江河谷区地下水,在天然条件下,径流滞缓,水循环交替缓慢。在开采条件下或人为改变其水动力条件下,地下水径流会加快,此时长江水就演变成了地下水的补给水源。
2. 3 水体化学特征
地下水水化学特征受地下水补给条件影响,并受地下水迳流途径和含水层岩性制约,随水化学环境变化而变化。长江江水及两岸地下水样的水质分析结果见表1、表2。
分析结果显示,地表水阳离子中Ca2 +含量最高,达到3. 282mmol/L,占阳离子总量的68. 88% ;阴离子中HCO3含量最高,达到3. 592mmol/L,占阴离子总量的75. 38%; 总矿化度达到了237. 36mg/L,根据舒卡列夫分类标准,该地表水的化学类型为1A型,即矿化度 ( M ) 不大于1. 5g / L的HCO3-Ca型水,这是沉积岩地区典型的水化学特征[4]。与地表水一样,地下水阳离子中Ca2 +含量最高,达到3. 082 ~ 3. 772mmol / L,占阳离子总量的70% ; 同样阴离子中HCO3含量最高,占阴离子 总量的69% ; 该地下水总 矿化度237. 36 ~ 286. 05mg / L,根据舒卡列夫分类标准,该地下水化学类型为8-A型,即矿化度 ( M) 不大于1. 5g /L的HCO3-SO4-Ca型水。通过以上分析可以看出隧址区地下水与地表水化学特征差异不大,较地表水而言,地下水阴离子中SO24稍有增加,这说明地下水与岩石发生了一定的相互作用。
根据试验结果和相关规范[5,6]表明: 地下水和长江水对混凝土结构、钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性,对钢结构具弱腐蚀性,对金属管道需要采取防腐处理。
3 隧道涌水量预测
3. 1渗透系数的确定
为了查明隧址区水文地质条件,获取有关水文地质参数,对地下水位较浅的钻孔进行了3次抽水试验 ( ZK3、ZK5、ZK11)( 图2 ~ 图4) ,根据抽水试验获取的数据,利用潜水非完整井公式进行计算,获取各抽水井的渗透系数[7,8]; 对地下水位较深、渗透性较差、岩体较完整的钻孔进行了一次压水试验 ( ZK12) ,根据压水试验获取的数据,利用压水试验计算岩体渗透系数公式,获取压水井的渗透系数[8,9]。经计算及综合分析判定: 卵石层渗透系数为14. 28 ~ 21. 34m/d,属强透水; 强风化层节理、裂隙发育且连通性好,渗透系数为0. 67m/d,透水性中等,由于裂隙连通性较好,计算涌水量时按最大值计算; 中风化层节理、裂隙较发育,岩体透水性一般,由于局部裂隙发育且裂隙倾角大,渗透系数为0. 22m/d,透水性中等; 微风化层节理、裂隙不发育,且为相对隔水层,岩体富水性较差,渗透系数为0. 11m/d,透水性中等[5,6]。
经过对隧址区水文地质条件进行综合分析,可以得出该区地下水的主要来源为长江地表水体渗入补给与大气降雨渗入补给。隧道共穿越了两种不同性质的含水层,同一含水层不同段,地下水位与渗透系数不一。考虑到此次长江隧道穿越的重要性,根据隧址区地层岩性、水文地质条件等采用古德曼经验公式、裘布依理论公式、佐藤邦明非稳定流公式与狭长水平廊道法对隧道涌水量进行计算[10],综合预测该隧道的正常涌水量与最大涌水量。
3. 2 正常涌水量预测
第四系砂卵石含水层为隧道穿越区最富水的含水层, 该层主要 分布在隧 道出口端, 洞身长25. 6m,渗透系数为14. 28 ~ 21. 34m / d,计算涌水量时按最大值计算。由于隧址区地层岩性较简单,地质构造不发育,因此可以根据基岩风化程度,对该区基岩裂隙水进行涌水量预测。该区强风化层节理、裂隙发育较好,透水性中等; 中风化层节理、裂隙较发育,岩体透水性一般,透水性中等; 微风化层节理、裂隙不发育,且为相对隔水层,岩体富水性较差,透水性中等,计算涌水量时分别按各风化层渗透系数进行计算。
采用狭长水平廊道法[11]与裘布依理论公式对不同层正常涌水量进行计算。
( 1) 狭长水平廊道法:
式中: Qs为坑道正常涌水量 ( m3/ d) ; L为洞身长度 ( m) ; K为含水层渗透系数 ( m/d) ; H为静止水位至隧道等价圆中心的距离 ( m) ; R为影响半径 ( m) 。
( 2) 裘布依理论公式:
式中: Qs为坑道正常涌水量 ( m3/ d) ; 其它符号意义同公式 ( 1) 。
计算结果: 通过裘布依理论公式与狭长水平廊道法计算的隧道正常涌水量分别为: 3514. 43m3/ d,2984. 03m3/ d ( 表3) 。
3. 3 最大涌水量预测
采用古德曼经验式、佐藤邦明非稳定流式对该层最大涌水量进行计算[10]。
( 1) 古德曼经验式:
式中: Q0为坑道最大涌水量 ( m3/ d) ; d为洞身横断面等价圆直径 ( m) ,取4m; 其它符号意义同公式 ( 1) 。
( 2) 佐藤邦明非稳定流式:
式中: q0为隧道通过含水体地段的单位长度最大涌水量 ( m3/ d·m ) ; r0为洞身横断面等价圆半径( m) ,取2m; hc为含水体厚度 ( m) ; 其它符号意义同公式 ( 3) 。
计算结果: 通过古德曼经验式与佐藤邦明非稳定流式计算的隧道最大涌水量分别为: 37453. 51m3/ d,24617. 24m3/ d ( 表4) 。
计算结果显示利用裘布依理论公式与狭长水平廊道法求取的隧道正常涌水量较接近,范围在3000 ~3500m3/ d左右, 隧道设计 施工过程 中, 采用3514. 43m3/ d作为隧道正常涌水量的建议值; 利用古德曼经验式与佐藤邦明非稳定流式求取得隧道正常涌水量相差较大,计算过程中古德曼经验式没有充分考虑地下水含水体厚度作为其计算依据,计算结果明显偏大,其计算结果的真实性不高,因此建议采用佐藤邦明非稳定流式求取的最大涌水量作为设计依据 ( 表5) 。
4 防治措施
在隧道设计施工过程中,应充分利用超前探水、遇水注浆封堵、及时衬砌防水等探、堵、防水措施,杜绝隧道施工过程中发生透水事故。结合“新奥法”施工原则,加强隧道盈利、因变的检测,及时进行初期支护与二次衬砌[12]。同时在工程施工应加强对隧道周边水井水位观测,尽量避免出现大规模降落漏斗和村民点水井疏干现象发生。
5 结论
( 1) 隧址区地下水类型主要有两种: 第四系松散岩类孔隙水和基岩风化裂隙水,其主要来源为长江地表水体与大气降雨渗入补给。
( 2) 实验结果显示: 该区地下水与地表水化学特征差异不大,地表水的化学类型为1-A型,地下水化学类型为8-A型,都属沉积岩地区典型的水化学特征。地下水和长江水对混凝土结构、钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性,对钢结构具弱腐蚀性,因此对金属管道需要采取防腐处理。
涌水特征 篇8
潘家窑井田位于宁武煤田北部, 其副斜井内发生大量涌水, 严重威胁矿井生产。副斜井附近有一调蓄水库, 主要接纳附近七里河水及周围煤矿排水和洗煤厂等工业废水。为了确保矿井安全生产, 有针对性的进行防治水, 必须查明该副斜井涌水的来源。本文通过分析各种可能水源的水化学特征, 采用模糊数学动态聚类方法进行分析, 确定其涌水来源。
1 矿井概况
1.1 矿井地理位置及水力条件
潘家窑井田位于宁武煤田北部, 为低山丘陵地带, 大部分为黄土覆盖, 植被稀少, 地表裸露, 降水少且强度集中, 不利于大气降水的入渗补给。七里河位于井田东部, 发源于平鲁区井坪西南的窑子沟, 全长37km, 流域面积181km2。该河洪水持续时间最长为134h, 洪峰持续时间最长为4.2h, 最大洪峰流量361.3m3/s (1954年8月16日) 。七里河主河道上有一个调蓄水库, 位于上窑村东北侧安家岭矿区进矿道路上游, 水库库容67万m3, 主要是收集矿井及洗煤排水, 并为景观用水提供水源。
1.2 副斜井水文地质结构和地下水类型
据水文地质钻探成果可知, 研究区的地层由深及浅分别是二叠系泥岩、砂质泥岩;上更新统砂卵石;上更新统黄土覆盖于研究区西部地表, 岩性以粉土为主;第四系冲洪积物岩性主要为粉细砂。
研究区浅层地下水类型为第四系孔隙水和二叠系下石盒子组砂岩裂隙水, 两者之间没有隔水层, 具有统一的水力联系, 下伏下石盒子组泥岩构成隔水底板。地下水主要通过第四系接受七里河和大气降水补给, 然后直接补给砂岩裂隙水。
1.3 副斜井涌水情况简介
据现场调查, 原崔家岭矿主、副斜井均位于平鲁区上窑村七里河谷内, 副斜井井口标高1257.17m, 倾角23°。同时, 区内发育有NE27°方向的裂隙, 副斜井延伸的方向为N55°E, 说明副斜井斜穿过该裂隙。砂岩裂隙地下水则进入斜井内, 形成涌水现象。在副斜井内距井口约60余米处有三股地下水涌出, 进入斜井内, 总涌水量为58.08m3/h。
2 各种水源水化学特征
该矿井的涌水水源可能为七里河、水库、大气降水或地下水。因此, 分别对以上水源进行了3次采样分析, 采样点为七里河、水库、副斜井涌水点及附近的钻孔SK2、SK3、SK7、SK8、SK9、SK10等共9个水样点, 为保证水化学特征的代表性, 本次分析取各水样点3次分析结果的平均值进行研究。各水样点的水化学分析结果如表1。
3 利用模糊聚类法判别涌水水源
模糊聚类是将模糊集的概念应用到传统模糊分析中, 让数据集的对象在分组中的隶属用连续区间[0, 1]中的某个值来表示, 这个值就是隶属度, 各对象以相应的隶属度分别隶属于多个簇。利用模糊数学聚类分析法判别矿井涌水水源是一种简单可靠的方法, 其可以避开人为因素干扰, 提高预测的科学性。
3.1 样本集、样本隶属函数
(1) 论域:
设论域X含有9个样本 (事物) , 即:X={X1, X2, …, X9}, 每一个样本选取7个特征:
其中:xjk为第j样本第k个特征的观测值
(2) 隶属函数:
现实的分类存在很大的模糊性, 一组事物是否形成一个群类, 一个事物是否属于某个子类, 需要一个说明事物直接关系的数量, 叫做隶属度。不同的分类问题选用不同的隶属函数来计算隶属度。
把每个样本向量转换成模糊集向量, 则n个向量可以得到一个原始矩阵:
3.2 建立模糊相似关系矩阵
原始矩阵经过平移标准差变换和平移极差变换, 给论域X中的元素两两之间赋以区间 (0, 1) 内的一个数, 称为相似系数。然后,
得到, 模糊相似关系矩阵:
3.3 模糊聚类分析
(1) 求模糊等价矩阵
用平方法求的传递闭包t (R) =R8=R*。
所以, R8为模糊等价矩阵。
(2) 选取λ0
用λ对模糊等价矩阵R*进行截割, 令λ由1降到0, 得出Rλ并分类。元素ui与uj属于同一类的充分必要条件是Rλ (ui, uj) =1, (i, j=1, 2, 3…9) 。
得到, 动态聚类图如下图1。
当λ0=0.54时, 分为两类:{u1, u2, u3, u4, u5, u6, u7, u8, u9}, {u2}。其中, u1, u2, …u9分别代表涌水点、七里河、水库、SK2, SK3, SK5, SK7, SK8, SK9, SK10。所以, 水库与涌水点的水化学类型更加接近。
4 结论
通过以上水化学聚类分析可以看出, 副斜井涌水最可能来源于七里河调蓄水库, 其次为七里河河水的渗漏补给。另外, 根据本次野外水文地质调查结果来看, 也验证了以上结果。因此要治理副斜井涌水就要切断该两处水源的渗漏, 对水库和七里河采取防渗措施, 以彻底解决副斜井的涌水问题, 保证煤矿安全生产。
参考文献
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