張文慧,陳植華,王 濤,王曼麗
(1.湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢),湖北 武漢 430074)
地下水動態(tài)是指地下水的數(shù)量和質(zhì)量(包括地下水水位、水量、水化學(xué)成分與水溫等水文要素)隨時(shí)間的變化過程,是自然背景和人為因素相互作用的結(jié)果[1]。地下水水位動態(tài)的觀測是礦區(qū)地下水動態(tài)長期觀測工作的基本內(nèi)容之一,對查明礦區(qū)水文地質(zhì)條件、指導(dǎo)采掘工程安全進(jìn)行等具有重要意義[2-3]。
長期以來,不僅在礦區(qū),我國其他單位地下水水位動態(tài)觀測基本為人工方法(多采用測盅、電接觸懸錘式水尺或其他更簡單的代用措施),費(fèi)時(shí)費(fèi)力,數(shù)據(jù)密度、準(zhǔn)確性常難以保證,即使少數(shù)站點(diǎn)使用自動監(jiān)測,也因當(dāng)時(shí)儀器技術(shù)水平的限制未能很好的應(yīng)用推廣[4-6]。進(jìn)入21世紀(jì),地下水自動監(jiān)測技術(shù)迅猛發(fā)展[7],在自動采集、存儲、傳輸、數(shù)據(jù)處理等方面可操作性和穩(wěn)定性均有了很大提高,足以滿足實(shí)際工作需要。2001年,河南演馬莊礦建立了井下水壓自動觀測系統(tǒng)[8],2005年,山東南屯煤礦建立了地面水位自動觀測系統(tǒng)[9]。然而由于國內(nèi)地下水自動監(jiān)測工作起步較晚,推廣應(yīng)用程度不高,礦區(qū)地下水水位自動監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)際使用案例和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)較少。
筆者通過地下水水位自動監(jiān)測系統(tǒng)在福建馬坑鐵礦的應(yīng)用實(shí)踐,對地下水水位自動監(jiān)測系統(tǒng)在礦區(qū)防治水工作中的作用和優(yōu)勢舉例說明,并進(jìn)一步分析總結(jié)了其應(yīng)用于礦區(qū)防治水工作中的適用條件和一些注意事項(xiàng),以期為該手段在其他礦區(qū)的推廣應(yīng)用提供參考。
福建馬坑鐵礦是我國著名的特大型磁鐵礦床之一,總儲量4.34億 t, 屬于頂板直接充水的巖溶充水礦床,主礦體埋藏深度大, 礦區(qū)水文地質(zhì)條件較復(fù)雜,二十世紀(jì)80年代初完成詳勘后,1999年才正式建礦。隨著開采范圍的逐步深入擴(kuò)展,地下水對井巷采掘的影響逐步凸顯,亟待建立完善的地下水監(jiān)測網(wǎng)為礦床疏干、指導(dǎo)井巷施工防治水、監(jiān)控開采條件下水文地質(zhì)條件的變化等提供依據(jù)。因此2006-2008年馬坑鐵礦和中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)合作建立了一套較為完善的礦區(qū)地下水自動監(jiān)測網(wǎng)(包括水位、水溫、泉流量等)。由于礦區(qū)地形起伏大, 地下水埋深大, 監(jiān)測孔分散, 人工測量難度較大, 因此決定采取自動監(jiān)測方式來獲取地下水水位數(shù)據(jù),共建成14個(gè)地下水水位自動監(jiān)測點(diǎn)。
其中,數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用國外壓力水位監(jiān)測探頭,并可同時(shí)獲得水溫?cái)?shù)據(jù)。監(jiān)測儀本身具備大容量、自動存貯功能,水位量程為100 m,監(jiān)測精度可達(dá)0.05%量程,分辨率達(dá)0.000 6%量程,水溫測量范圍在-20℃~80℃,精度達(dá)0.05℃,測量頻率為0.5s~99 h,內(nèi)置電池可支持8~10 a。數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備采用無線GPRS方式,供電使用太陽能板和蓄電池結(jié)合自動供電,設(shè)備支持在離線狀態(tài)下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及存貯,當(dāng)?shù)竭_(dá)數(shù)據(jù)上傳時(shí)間后,自動上線并將存貯數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器,通過服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到中控室,可通過客戶端軟件在室內(nèi)監(jiān)測現(xiàn)場設(shè)備(見圖1)。
圖1 地下水位自動監(jiān)測系統(tǒng)工作原理示意圖
馬坑礦區(qū)為侵蝕構(gòu)造中低山地貌,氣候條件屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū),多年平均降雨量1 681.9 mm。常年性河流溪馬河為礦區(qū)內(nèi)最大的一條溪流,由南往北流經(jīng)礦區(qū)西側(cè),此外礦區(qū)還發(fā)育I、Ⅱ、Ⅲ號三條小溪溝,依地勢自東向西匯入溪馬河。
礦區(qū)范圍內(nèi)除第四系少量分布外,基巖地層自南東向北西依次為下石炭統(tǒng)林地組(C1l)、中石炭統(tǒng)經(jīng)畬組(C2j)、上石炭統(tǒng)船山組(C3c)和下二疊統(tǒng)的棲霞組(P1q)、文筆山組(P1w)和加福組(P1j),整體傾向北西,多屬富水性較弱或相對隔水巖層, 唯C3c~P1q為一套可溶性的碳酸鹽沉積地層, 含水量豐富, 為礦體直接頂板,是礦坑主要充水巖層,巖溶發(fā)育較強(qiáng)烈、充填程度高(據(jù)統(tǒng)計(jì)平均巖溶率達(dá)6.08%,充填率92%)。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造十分發(fā)育,主要有F1、F2、F3、溪馬河斷層、天山凹斷層、F14、F20和F10斷層。
由于可溶巖在東、西、南三個(gè)方向的延伸受到限制,北西方向又受到F3及其北無名斷層錯(cuò)斷,四周與富水性微弱或隔水巖層對接,天然條件下以大氣降水為主要補(bǔ)給來源,側(cè)向補(bǔ)給較弱。主要徑流方向自北東向南西, 在中部和西部以泉水、溪溝排泄為主, 最終流入礦區(qū)西部溪馬河(見圖2)。
圖2 馬坑礦區(qū)水文地質(zhì)簡圖
隨著礦山的開采,礦區(qū)巖溶地下水位將逐漸降低,巖溶泉水點(diǎn)逐漸消失, 小溪溝變?yōu)榧竟?jié)性溪流,天然排泄將逐漸由井巷排水取代,天然條件下排泄礦區(qū)巖溶水的部分溪溝段此時(shí)極易成為地表水補(bǔ)給地下水的滲漏段。詳勘時(shí)通過數(shù)值法預(yù)測+300 m、+100 m水平正常涌水量分別為11 301 m3/d、19 362 m3/d(大部分礦體埋藏于+100 m標(biāo)高以下,即埋深一般在+400 m以上),礦區(qū)水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜。
自2008年馬坑鐵礦地下水水位自動監(jiān)測系統(tǒng)建成,至今已運(yùn)行近5年,所獲得的自動監(jiān)測水位數(shù)據(jù)在礦區(qū)防治水工作中起到了重要作用。水位自動監(jiān)測系統(tǒng)不僅密切監(jiān)控了礦區(qū)疏干降水過程,獲得了求取開采條件下礦區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)所需要的水位動態(tài)數(shù)據(jù),且在進(jìn)一步深化認(rèn)識馬坑鐵礦水文地質(zhì)條件和指導(dǎo)井巷探放水工作方面,起到了難以替代的作用。以下將通過后者的應(yīng)用實(shí)例來說明水位自動監(jiān)測系統(tǒng)在礦區(qū)防治水工作中的優(yōu)勢。
1.3.1 在查明礦區(qū)水文地質(zhì)條件中的應(yīng)用
(1)溪溝反向滲漏補(bǔ)給方面
溪馬河在馬坑礦區(qū)西側(cè)穿越多條斷層,天然條件下礦區(qū)地下水高于溪馬河水位,詳勘期間已發(fā)現(xiàn)溪馬河部分地段明顯存在地下水補(bǔ)給河水的情況,開采條件下當(dāng)?shù)叵滤坏陀诤铀?,河水存在反向補(bǔ)給地下水的可能。馬坑鐵礦和中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)合作為查明溪馬河滲漏段和滲漏量開展了大量工作,包括地表堰壩自動測流動水法監(jiān)測滲漏、水化學(xué)分析等,但由于客觀原因限制,一直沒有具體滲漏段的較為直接證據(jù)。2011年1月和4月,礦區(qū)西南側(cè)溪馬河與F1斷層交匯段因施工2次開挖河床,位于附近的ZK557孔水位均出現(xiàn)異常上升(圖3)。根據(jù)該孔長期監(jiān)測水位動態(tài)特征,排除了降雨等其他因素影響,認(rèn)為主要為F1斷層與溪馬河交匯段存在滲漏,開挖河床導(dǎo)致滲漏量增加所致,并結(jié)合具體施工過程,分析了主要滲漏段位置(表1)。
圖3 河床施工對zk557孔水位的影響
表1 溪馬河與F1交匯段河床開挖施工記錄及滲漏分析
分布于礦區(qū)西礦段的Ⅲ號溝,由西礦段泉水匯集而成,匯水面積0.71 km2。詳勘階段水5旱雨季放水試驗(yàn)均造成其流量迅速枯竭,隨水位恢復(fù)而自流,證明以排泄巖溶水為主。開采條件下巖溶地下水位大幅下降,地表匯水會通過原有排泄通道反向滲漏補(bǔ)給巖溶水,且由于近年溝谷被礦渣堆堵塞,部分地表匯水滯留此處,勢必增大補(bǔ)給量。位于Ⅲ號溝旁的ZK614孔水位(見圖4,部分時(shí)段數(shù)據(jù)缺失,根據(jù)前期監(jiān)測,旱季時(shí)該孔水位一般僅略高于水5孔 15m左右)對降雨的快速響應(yīng)和雨季達(dá)70 m的升幅表明該處存在雨季集中補(bǔ)給、旱季緩慢排泄的情況,是地表水防治需要關(guān)注的地段。
圖4 zk614孔水位與降雨的關(guān)系
(2)井巷主要涌(突)水水源和途徑分析方面
地下水自動監(jiān)測網(wǎng)因其監(jiān)測頻率高、實(shí)時(shí)的特點(diǎn),可以很好的區(qū)分井巷各工作面施工中遇到的涌(突)水情況和其他影響因素,為水文地質(zhì)工作者準(zhǔn)確判斷各出水點(diǎn)與各含水區(qū)之間的關(guān)系提供依據(jù),結(jié)合已有勘探資料和現(xiàn)場調(diào)查,對礦區(qū)水文地質(zhì)條件的認(rèn)識將不斷深化,防治水工作更能做到有的放矢。
馬坑鐵礦在2009年2月21日,位于礦區(qū)東側(cè)副井-70 m措施巷曾出現(xiàn)一次規(guī)模較大突水,瞬時(shí)涌水量達(dá)1 500 m3/h,曾造成該水平巷道被淹。
該處由于前期無勘探資料,且位于深部較為完整的石英砂巖地層中,井巷施工時(shí)并未引起足夠重視。突水后,通過對礦區(qū)地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)水位動態(tài)的分析,發(fā)現(xiàn)突水前后水位并沒有明顯變化(圖5),結(jié)合此后水化學(xué)、水溫場、示蹤試驗(yàn)的分析,判斷該處水源應(yīng)與礦區(qū)巖溶水主徑流場不同,為深循環(huán)的低溫?zé)崴?,并基本確定了該股低溫?zé)崴畬锸┕さ挠绊懛秶?/p>
圖5 副井-70 m措施巷突水前后觀測孔水位
2009年10月18日,馬坑鐵礦措施豎井+ 242 m南巖脈65 m處突水,瞬時(shí)水量達(dá)上萬方。從地下水自動監(jiān)測情況來看,該次突水位置在ZK76孔附近,該孔水位在突水發(fā)生后急降,2 d內(nèi)降幅達(dá)40 m,而突水前日降幅僅0.3 m左右, 2 d后降幅已較小且漸趨穩(wěn)定,其他觀測孔水位在突水發(fā)生前后均無明顯變化(圖6)。結(jié)合已有勘探資料和現(xiàn)場調(diào)查,分析該次突水來源應(yīng)主要是溶洞積水, 且與周圍水力聯(lián)系較弱。
圖6 措施豎井10.18突水前后觀測孔水位
1.3.2 在井巷探放水工作中的應(yīng)用
目前礦區(qū)已建地下水自動監(jiān)測網(wǎng)基本能監(jiān)控各主要含水區(qū)的水位動態(tài)變化,對井巷大小涌(突)水事件能作出不同程度的反應(yīng)。由于自動監(jiān)測數(shù)據(jù)頻率高(馬坑鐵礦設(shè)置采集間隔為半小時(shí)),相較人工實(shí)測,不僅省時(shí)省力,而且大大提高了數(shù)據(jù)的密度和準(zhǔn)確性,并能在室內(nèi)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)。正因如此,比起以往每月或每周人工測量水位來說,可以更加密切地與井巷生產(chǎn)活動結(jié)合。礦區(qū)地下水自動監(jiān)測數(shù)據(jù)雖不能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)涌(突)水事件發(fā)生的時(shí)間,但由于較大出水事故都有一個(gè)從醞釀到發(fā)生的過程,并有其特定的地質(zhì)條件,開始往往都有一定的征兆或小規(guī)模出水等,利用地下水自動水位監(jiān)測數(shù)據(jù)撲捉到的這些小規(guī)模事件的響應(yīng)信息,在井巷水患防治過程中能起到十分及時(shí)且關(guān)鍵的作用。
此外,若前方水量、水源不明的情況下,進(jìn)行試放水結(jié)合地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)的水位反應(yīng),可以幫助我們判斷前方條件,采取適當(dāng)?shù)姆乐嗡胧?/p>
如2011年10月5日東風(fēng)井+200 m階段檢修巷長探出水后,根據(jù)控制該區(qū)域觀測孔觀9的水位陡降響應(yīng)(圖7),結(jié)合勘探資料和現(xiàn)場調(diào)查等,判斷該區(qū)域放水后可在短時(shí)間內(nèi)有效降低水位,因此建議暫停施工進(jìn)行放水。10月21日打開放水后,東風(fēng)井一帶水位得到了明顯下降,半年內(nèi)從+300 m標(biāo)高上下降至+260 m標(biāo)高上下,下降近40 m。
2012年8、9月間副井+100 m階段102穿脈、104穿脈、東風(fēng)井南門繞道工作面分別探水出水,出水時(shí)間較為集中,根據(jù)地下水自動監(jiān)測水位數(shù)據(jù)對出水時(shí)間和放水過程的響應(yīng)(圖8),排除其他干擾因素,判斷3處水源應(yīng)都來自東風(fēng)井富水區(qū),并結(jié)合已有勘探資料和現(xiàn)場調(diào)查對充水通道進(jìn)行了分析,為后續(xù)防治水措施提供了寶貴依據(jù)。
圖8 觀9水位在2012年8、9月動態(tài)變化
通過以上對地下水水位自動監(jiān)測系統(tǒng)在馬坑鐵礦防治水工作中的應(yīng)用實(shí)例可以看出,地下水水位自動監(jiān)測系統(tǒng)因其監(jiān)測頻率高、準(zhǔn)確性好、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的特點(diǎn),不僅省時(shí)省力,而且更加精細(xì)地監(jiān)控了地下水水位動態(tài)變化過程,對各輸入信息對地下水水位的影響時(shí)間和影響程度能較細(xì)致、準(zhǔn)確地識別判斷,如對降雨[12]、地表水對地下水補(bǔ)給、涌(突)水、關(guān)放水等的響應(yīng),這些信息對于深化認(rèn)識礦區(qū)水文地質(zhì)條件、指導(dǎo)井巷探放水等是十分有用的。
事實(shí)上,馬坑鐵礦已建水文自動監(jiān)測網(wǎng)不僅包括地面鉆孔水位(水溫),還包括泉流量、井下涌水量、地表水、降雨量等,基本上擁有一套較為完善的礦區(qū)地表、地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)。本文主要就較為成熟、筆者較為熟悉的水位自動監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用情況予以說明和討論,其他應(yīng)用情況也已有一些總結(jié)文章[13-14]。建議礦區(qū)盡可能根據(jù)自身特點(diǎn)選用穩(wěn)定、適用的地表、地下水自動監(jiān)測設(shè)備。
2.2.1 適合水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜或更復(fù)雜礦區(qū)
這類礦區(qū)受采掘破壞或影響的主要是巖溶含水層、厚層砂礫石含水層、老空水、地表水,補(bǔ)給水源充沛,礦井時(shí)有突水,防治水工程量較大,難度較高,地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)能為深化認(rèn)識礦區(qū)水文地質(zhì)條件和綜合防治水工作提供及時(shí)且更多的信息。若不考慮觀測孔本身(可利用原有地表勘探孔或井下探放水孔等)費(fèi)用,目前單個(gè)點(diǎn)監(jiān)測設(shè)備平均費(fèi)用在1~3萬之間,在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下,條件相對簡單的其他礦區(qū)地下水監(jiān)測工作也建議采用自動方式,監(jiān)測點(diǎn)個(gè)數(shù)可根據(jù)自身特點(diǎn)少量布置。
2.2.2 尤其適合非均質(zhì)強(qiáng)防治水難度較高礦區(qū)
馬坑礦區(qū)構(gòu)造、巖漿活動強(qiáng)烈,主要充水巖層非均質(zhì)性強(qiáng),隨著水位的下降受斷層性質(zhì)、巖溶發(fā)育程度和火成巖等影響逐漸形成幾個(gè)相對獨(dú)立的含水子系統(tǒng),相互之間水力聯(lián)系程度微弱。已建地下水水位自動監(jiān)測系統(tǒng)各觀測點(diǎn)基本能控制到各子系統(tǒng)。自動監(jiān)測系統(tǒng)能為判斷各子系統(tǒng)的影響范圍、相互水力聯(lián)系情況、補(bǔ)給情況等提供更多的信息,根據(jù)各子系統(tǒng)的不同特點(diǎn),使防治水工作能做到有的放矢、分區(qū)治理。對同樣充水巖層非均質(zhì)性強(qiáng)烈、水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜的礦區(qū),在井巷開拓前建立一套完善的地下水自動監(jiān)測系統(tǒng),隨著井巷采掘的不斷深入擴(kuò)展,主要充水巖層地下水的內(nèi)部賦存條件將逐漸明朗,防治水工作將更易于進(jìn)行。
2.3.1 站點(diǎn)布置和監(jiān)測頻率
關(guān)于監(jiān)測站點(diǎn)的布置,單就地表觀測孔來說(井下觀測同理),規(guī)范和文獻(xiàn)當(dāng)中均有較全面的要求。筆者在此建議在站點(diǎn)選擇時(shí),仔細(xì)分析已有勘探資料,對未來在疏干排水和采礦推進(jìn)下,水文地質(zhì)條件的變化有足夠的認(rèn)識,基于這種認(rèn)識盡量選擇生產(chǎn)區(qū)域外側(cè)可控制主要充水巖層各含水區(qū)的鉆孔。盡可能在監(jiān)測控制目標(biāo)能夠達(dá)到的條件下使監(jiān)測點(diǎn)可用時(shí)間延長。
關(guān)于監(jiān)測頻率的設(shè)置,考慮到井巷施工工作面較多,為較好地區(qū)分各工作面的響應(yīng)情況,一般情況下建議設(shè)置半小時(shí)或一小時(shí)(放水或抽水試驗(yàn)時(shí)根據(jù)需要增大監(jiān)測頻率)基本能滿足需要,對降雨、地表水對地下水的補(bǔ)給甚至井潮半日潮的影響也能很好的識別,工作人員需要處理的數(shù)據(jù)量也不會太多。
2.3.2 堅(jiān)持儀器日常維護(hù)
任何一個(gè)監(jiān)測網(wǎng)的正常運(yùn)行都離不開良好的日常維護(hù),國內(nèi)其他礦區(qū)也有建立自動水文監(jiān)測網(wǎng)的先例,但也常常因維護(hù)不利導(dǎo)致自動監(jiān)測基本癱瘓。馬坑鐵礦地下水自動監(jiān)測網(wǎng)在工作人員的努力下,克服了重重困難,幾年來基本保證了運(yùn)行的連續(xù)、穩(wěn)定,達(dá)到了監(jiān)測目標(biāo)要求。
2.3.3 堅(jiān)持?jǐn)?shù)據(jù)日常分析
礦區(qū)水文地質(zhì)人員應(yīng)堅(jiān)持監(jiān)測數(shù)據(jù)的日常分析工作,遇到疑點(diǎn)盡快查明原因,時(shí)間太久有可能無法獲得準(zhǔn)確的現(xiàn)場資料,錯(cuò)過一個(gè)條件查明的機(jī)會或延誤最佳采取措施的時(shí)機(jī)。因此,數(shù)據(jù)分析人員和施工、監(jiān)理、技術(shù)人員等應(yīng)加強(qiáng)交流,及時(shí)獲得井下工作面水文相關(guān)情況(包括出水、出泥征兆,探放水情況,關(guān)放水情況等)和其他相關(guān)現(xiàn)場情況。
(1)地下水水位自動監(jiān)測系統(tǒng)具有自動采集、存儲、傳輸?shù)墓δ?,相較人工監(jiān)測方式,不僅省時(shí)省力,且監(jiān)測頻率高、準(zhǔn)確性好、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí),更加精細(xì)地監(jiān)控了地下水動態(tài)變化過程,對各輸入信息對地下水水位的影響時(shí)間和影響程度能較細(xì)致、準(zhǔn)確地識別判斷,這些信息對于深化認(rèn)識礦區(qū)水文地質(zhì)條件、指導(dǎo)井巷探放水等是十分有用的。
(2)馬坑鐵礦地下水水位自動監(jiān)測系統(tǒng)在礦區(qū)防治水工作中起到了重要作用。不僅密切監(jiān)控了礦區(qū)疏干降水過程,獲得了求取開采條件下礦區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)所必須的水位動態(tài)數(shù)據(jù),尤其在進(jìn)一步深化認(rèn)識礦區(qū)水文地質(zhì)條件和指導(dǎo)井巷探放水工作方面起到了難以替代的作用。
(3)基于馬坑鐵礦應(yīng)用實(shí)踐,筆者進(jìn)一步討論了地下水水位自動監(jiān)測系統(tǒng)在其他礦區(qū)應(yīng)用的適用性和一些建議。認(rèn)為地下水水位自動監(jiān)測系統(tǒng)更適用于水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜或更復(fù)雜的礦區(qū),對此類條件且充水巖層非均質(zhì)性強(qiáng)烈的礦區(qū)尤為適合。并總結(jié)提出了地下水水位自動監(jiān)測系統(tǒng)在其他礦區(qū)應(yīng)用時(shí)站點(diǎn)布置和監(jiān)測頻率、儀器維護(hù)、日常數(shù)據(jù)分析方面需要注意的事項(xiàng)。