鄭志忠

(福建省121地質(zhì)大隊，福建 龍巖364021)

東中石灰石開發(fā)利用是福建永定縣招商引資項目，06年開始詳查勘探，07年進行補充勘探，獲得全區(qū)+400 m水平以上水泥用石灰?guī)r礦石(332+333)資源量8 462.04萬t;B、C 礦段浮土各 524.35 萬 m3、807.56 萬 m3;施工 6＇0 號水文孔進行抽水試驗，取得P1q灰?guī)r直接充水含水層水文地質(zhì)參數(shù)，獲得未來+400 m水平預測礦坑涌水量。

1 礦區(qū)地質(zhì)－水文地質(zhì)概況

礦區(qū)處永定縣城55°方向直距約34.50 km，面積2.05 km2，閩西博平嶺山脈南端中低山、丘陵地帶，中部主山脊南北走向，南高北低，南部斜背棟海拔最高(+869 m)，西南石山角海拔最低(+430 m)，相對高差439 mm，地形切割強烈。

區(qū)域上礦區(qū)處華南板塊東南部南華活動帶二級構(gòu)造單元閩西南拗陷閩西永梅上古凹陷帶撫市向斜東北翼，沉積地層出露全，從老到新有下石炭林地組(C1l)、上石炭船山組(C3c);下二疊棲霞組(P1q)、文筆山組(P1w)和童子巖組一段(P1t1)，受礦區(qū)東南部政和—大埔深大斷裂影響，區(qū)內(nèi)次級斷裂、褶曲較發(fā)育，斷裂走向及褶曲軸向以NNW向為主，總體構(gòu)造為復式向斜，礦區(qū)火成巖主要為出露于礦區(qū)北側(cè)樟坑一帶的呈北西走向巖脈侵入斷裂帶的燕山晚期灰黑－深灰色輝長巖(δ)。

礦區(qū)屬亞熱帶海洋季風氣候，雨量充沛，年平均降水量1 770.60 mm，最大年降水量 2 630.50 mm，年平均蒸發(fā)量1 536.70 mm，多年平均相對濕度80%，礦區(qū)水系主要為礦區(qū)北界外流向西、流量20.00～31.15 l/s的樟坑季節(jié)性溝谷水和發(fā)源于礦區(qū)東部流向西、流量10.67～16.88 l/s的盧坑季節(jié)性溝谷水。

礦區(qū)P1q石灰?guī)r賦存豐富，為勘探開采對象，出露礦區(qū)北中東南部，深部60個鉆孔揭露，為灰黑色中厚層狀含燧石灰?guī)r及塊狀灰?guī)r夾薄層狀砂質(zhì)泥巖，地表及鉆孔中溶溝槽、溶洞隙巖溶現(xiàn)象發(fā)育，含裂隙～巖溶水，含水性不均勻，溶洞多有含碎石亞粘土、亞砂土及砂充填，充填率65.01%。鉆進常見掉鉆坍塌、漏水現(xiàn)象，泥漿消耗量最大11.38 m3/h，經(jīng)統(tǒng)計溶洞遇見率 69%，溶洞巖溶率 12.52%，溶洞高度 77.47 m～0.10 m，單孔巖溶率最高91.66%。據(jù)6'0孔抽水試驗，q=5.517 l/sm，K=8.127 m/d，富水性中等 ～強。

2 礦區(qū)6＇0號水文孔抽水試驗

礦區(qū)6＇0孔抽水試驗為單孔穩(wěn)定流抽水試驗，前后歷時8天，抽水質(zhì)量合格。利用試驗數(shù)據(jù)計算相應含水層水文地質(zhì)參數(shù)，是評價含水層水文地質(zhì)條件的重要方法。

2.1 求解水文地質(zhì)參數(shù)

利用裘布依公式和經(jīng)驗公式:K=0.366 Q· ;R=10S，應用三次水位降深(S)及相應流量(Q)，求得含水層滲透系數(shù)(K)和影響半徑(R)(見表1)。

設第一次抽水穩(wěn)定狀態(tài)下滲透系數(shù)為K＇，利用穩(wěn)定降深2.81 m 和流量 12.727 L/s、含水層厚度 63.91 m、鉆孔半徑0.055 m代入上式，則有:

從(1)式看出 K值越大，K＇值將越大，反之，K＇值將越小，應用“逼近法”求解K值，用K的不同取值來反求K＇值，如果K≈K＇，則該K取值即為本次抽水穩(wěn)定狀態(tài)下K＇值，并用裘布依及經(jīng)驗公式進一步檢驗，確定本次降深滲透系數(shù)為7.0176 m/d。

各次抽水滲透系數(shù)求解方法同第一次抽水，分別求出K和R均值，作為該孔抽水試驗所得相應含水層相關參數(shù)之一(表1)。

表1 6＇0孔抽水試驗數(shù)據(jù)及成果表

2.2 利用試驗數(shù)據(jù)資料作出流量降深關系曲線圖

利用抽水試驗所獲數(shù)據(jù)可作出礦區(qū)6＇0號水文孔抽水試驗流量降深Q—S關系曲線圖(見圖1)。

2.3 曲線類型判別

根據(jù)抽水實踐和數(shù)學歸納統(tǒng)計，通過抽水試驗所獲得Q—S關系曲線類型有直線、拋物線、指數(shù)、對數(shù)型曲線及資料有誤五種情況，曲線類型判別方法有以下幾種。

2.3.1 流量－降深圖解法

利用表2可判定抽水試驗流量與降深對應曲線方程。

圖1 Q－S關系曲線圖

表2 流量－降深曲線與方程型式對應表

從圖1中Q－S曲線看出，圖像呈向下折線，判斷本次抽水試驗流量－降深對應函數(shù)關系方程為指數(shù)型方程:Q=a×S(1/b)，其中 a、b為待定系數(shù)。

2.3.2 數(shù)學演化伸直法

將穩(wěn)定降深和流量數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)學演算，使其形成降深－流量對應數(shù)據(jù)對，在對應坐標系顯示形成直線的數(shù)據(jù)對，其降深流量曲線對應相應方程型式(見表3)。

表3 數(shù)學伸直法降深流量曲線對應方程型式

表4 東中石灰石礦區(qū)抽水試驗流量(Q)和降深(S)對應數(shù)學演算數(shù)據(jù)表

依據(jù)上述表4所列數(shù)據(jù)可分別作出Q－lgS、lgQ－lgS、Q－S0圖象(見圖2、3、4)，可以判斷圖4最接近于直線分布，依據(jù)上述表3知本次抽水試驗流量－降深關系為指數(shù)型方程函數(shù)關系:Q=a×S(1/b)，其中a、b為待定系數(shù)。

圖2

圖3

2.3.3 對數(shù)線段斜率法

計算lgQ－lgS坐標系中每兩個數(shù)據(jù)點所形成不同線段斜率平均值，利用斜率平均值判斷流量降深之間對應函數(shù)關系形式(見表5)，簡稱對數(shù)線段斜率法。計算公式如下。

K3=(lgS3－lgS2)/(lgQ3－lgQ2);K2=(lgS2－lgS1)/(lgQ2－lgQ1);

K1=(lgS1－lgS3)/(lgQ1－lgQ3);Kcp=(K3+K2+K1)/3。

圖4

表5 抽水試驗對數(shù)線段斜率法流量降深函數(shù)關系對應表

根據(jù)本次抽水試驗對數(shù)線段斜率統(tǒng)計(見表6)，可知本次礦區(qū)抽水試驗流量降深函數(shù)關系為指數(shù)型方程:Q=a×S(1/b)，其中 a、b為待定系數(shù)。

表6 礦區(qū)抽水試驗對數(shù)線段斜率統(tǒng)計表

2.4 求解方程

上述三種曲線類型判別方法顯示本次抽水試驗流量降深函數(shù)關系方程為指數(shù)型方程:Q=a×S(1/b)，即lgQ=lga+(1/b)lgS。利用三次降深形成三個流量降深數(shù)據(jù)對，組成三組二元一次方程組，計算三組〔(1/b)，lga〕參數(shù)值，利用平均值形成最終方程式。

表7 礦區(qū)抽水試驗流量降深指數(shù)型方程參數(shù)計算表

上述方程式除了直線型方程Q=q×S中q為方程系數(shù)常數(shù)外，其余對數(shù)型、指數(shù)型、拋物線型方程均需求解待定系數(shù)a、b，求解方法除上述方法具便捷特點外，還有圖解法、均衡誤差法和最小二乘法，其中最小二乘法計算最精確，均衡誤差法次之，圖解法最差。

2.5 檢驗方程

2.5.1 下推法

選擇二、三次兩個相對小降深抽水資料，運用上述方法建立新方程:lgQ=0.8 631+0.5 554 lgS，應用第一次抽水降深值，計算流量 Q＇=12.951 L/s。

流量誤差 CQ=(Q＇－ Q1)/Q1=(12.951 －12.727)/12.727=1.76% 。

2.5.2 差分法

利用lgQ－lgS曲線計算每兩個數(shù)據(jù)點所形成線段斜率倒數(shù)△3、△2、△1差分值，若△1≠△2≠△3，表明所確立方程不完全適合由抽水實驗流量降深數(shù)據(jù)所形成曲線，此時需算差分誤差進一步判別，即曲線擬合誤差C，一階差分誤差為相鄰差分差值絕對值與相鄰差分平均值比值。本次礦區(qū)流量降深指數(shù)方程差分誤差計算結(jié)果見表8。

表8 礦區(qū)抽水試驗流量降深指數(shù)型方程差分誤差結(jié)果表

上述結(jié)果表明流量誤差CQ較小，一階差分誤差C△較小，說明所確定方程可用于礦區(qū)預測相應水平礦坑涌水量。

3 礦區(qū)6＇0號水文孔抽水試驗資料應用

利用試驗記錄資料可分析礦區(qū)含水層水文地質(zhì)特征，加深礦區(qū)水文地質(zhì)條件分析研究，為未來礦坑涌水量預測提供有效手段。在獲得一個以S為自變量、以Q為應變量的Q=f(S)函數(shù)關系式后，可以通過方程計算不同降深S下相應流量Q，Q=f(S)函數(shù)關系方程式為預測相應水平礦坑涌水量提供了一個對應平臺。通過計算對比表明這種預測方法結(jié)果常常偏小，應與其它方法應用對比，能為預測工作提供參照和選擇，提高預測工作有效性和準確度，不失其實際應用價值。

3.1 含水層富水性分析

通過礦區(qū)6＇0孔抽水試驗分析計算，獲得棲霞組石灰?guī)r含水層平均滲透系數(shù) K=8.127 m/d，平均單位涌水量 q=5.517 l/sm，說明含水層富水性強，抽水后水位(+494.15 m)恢復快，與靜止水位(+494.17 m)十分接近，說明含水層巖溶水補給來源好，水力聯(lián)系強，補給強度大，含水層水量豐富，礦區(qū)生產(chǎn)建設應注意趨利避害。

3.2 預測未來開采水平礦坑涌水量

3.2.1 參數(shù)選擇

S=94.17 m(降深:靜止水位標高 +494.17 m與礦坑開采水平+400 m之差);

K=8.127 m/d(抽水試驗平均滲透系數(shù));r孔=0.055 m(水文孔半徑)。

3.2.2 水文孔最大涌水量計算及其修正

利用降深與所確立方程，求得鉆孔最大涌水量83.2 218 l/s，修正后為 81.7 571 l/s。

3.2.3 “大井法”井徑換算

3.2.4 礦井設計涌水量預算

取1 193 m3/h 為未來+400水平預測礦坑涌水量。

在統(tǒng)計含水層有效透水厚度后還可利用裘布依公式計算相應水平礦坑涌水量，與上述計算結(jié)果進行對比分析。上述推算在地下水呈層流條件下進行，當?shù)叵滤饰闪鲿r用公式:Q井=Q孔·(r井/r孔)(1/2)。承壓含水層抽水試驗降深對曲線存在影響，故應盡設備能力達最大降深，提高水文地質(zhì)參數(shù)準確性，以正確評價礦床開采條件。

［1］福建省121煤田地質(zhì)勘探隊.福建省永定東中—田地石灰石礦區(qū)6＇0水文孔抽水試驗觀測記錄.龍巖:2007

［2］福建省121煤田地質(zhì)勘探隊.福建省永定東中—田地石灰石礦區(qū)詳查地質(zhì)報告.龍巖:2007

［3］鄭志忠.東中石灰石礦區(qū)水質(zhì)資料分析.科學技術與工程2009年14期

［4］北京地質(zhì)學院地質(zhì)教研室.水文地質(zhì)學.北京:地質(zhì)出版社，1978

［5］地質(zhì)礦產(chǎn)部水文地質(zhì)工程地質(zhì)技術方法研究隊主編.水文地質(zhì)手冊.北京:地質(zhì)出版社，1983

［6］薛禹群主編.地下水動力學原理 北京:地質(zhì)出版社，1989