朱興旺,王曉偉,孫娜科(河北建設(shè)勘察研究院有限公司,河北 石家莊050000)

1 前言

在金礦礦區(qū)初步設(shè)計(jì)階段,水文地質(zhì)調(diào)查的主要目的是為礦井的開(kāi)采提供可靠的水文地質(zhì)資料,重點(diǎn)評(píng)價(jià)開(kāi)采期間井下涌水量、巖土層的豐水度、釋水能力等,以便在開(kāi)采過(guò)程中采取相應(yīng)的工程防護(hù)措施,保障開(kāi)采的安全進(jìn)行[1-2]。而專門針對(duì)礦區(qū)的生產(chǎn)、生活用水的水源地勘察工作相對(duì)滯后,與供水有關(guān)的基礎(chǔ)試驗(yàn)研究資料較少,盲目采用前者的地質(zhì)勘察成果進(jìn)行水源地的水文地質(zhì)評(píng)價(jià),無(wú)法確定礦區(qū)的水源開(kāi)采方案,無(wú)法滿足供水水源設(shè)計(jì)要求[3-5]。

為滿足未來(lái)礦區(qū)生產(chǎn)和建設(shè)需要,在充分收集、研究和利用前期礦區(qū)地質(zhì)勘察資料的基礎(chǔ)上,以供水水文地質(zhì)勘察為重點(diǎn),對(duì)礦區(qū)含水層、隔水層組進(jìn)行對(duì)比和重新劃分,確定礦區(qū)供水水源規(guī)劃,比較并選擇擬建水源地靶區(qū),再重點(diǎn)進(jìn)行水文地質(zhì)鉆探和抽、放水試驗(yàn),分析供水水文地質(zhì)條件,評(píng)價(jià)礦區(qū)地下水資源量,提出合理的開(kāi)采方案,為礦區(qū)供水設(shè)計(jì)提供必要的水文地質(zhì)依據(jù)。

2 礦區(qū)基本概況

某金礦礦區(qū)位于河北省平泉縣,距離縣城約32 km。礦區(qū)屬于燕山山脈中段中-低山區(qū),海拔為508 ～825 m。研究區(qū)處于華北地臺(tái)北部燕山沉降帶興隆-寬城坳陷、承德-平泉復(fù)向斜南部,龍須門中生代斷陷盆地東北部邊緣,對(duì)燕山期巖漿活動(dòng)與成礦過(guò)程起控制作用的構(gòu)造是燕山弧形構(gòu)造帶,該帶由一系列的短軸背、向斜褶皺構(gòu)造組成。

區(qū)內(nèi)的新生界松散層較厚,覆蓋在中生界巖層之上,地層由上而下分別為新生界第四系、中生界侏羅系、元古界長(zhǎng)城系、薊縣系和太古界變質(zhì)巖系,其主要含水層為第四系洪積松散層孔隙含水層、長(zhǎng)城系和薊縣系巖溶裂隙含水層及斷層構(gòu)造裂隙含水帶。

大氣降水是礦區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源。地下水運(yùn)動(dòng)主要受地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等因素控制,地下水流向與地形坡度基本一致。地下水排泄以地下水徑流為主。

3 水文地質(zhì)鉆探施工技術(shù)

根據(jù)該金礦礦區(qū)的物探資料、水文地質(zhì)條件和開(kāi)采條件,本次確定了3 個(gè)井位,施工水文地質(zhì)鉆孔3 個(gè),孔徑350 mm,井深均為210 m,完成鉆探工程量360 m,取水層位為第四系孔隙含水層和基巖裂隙含水層,對(duì)淺層的潛水含水層進(jìn)行封閉止水處理。

進(jìn)行水文地質(zhì)鉆探時(shí),為最大限度地保證抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,所有鉆孔嚴(yán)格控制施工工藝,采用清水自然造漿鉆進(jìn),嚴(yán)禁向孔內(nèi)倒土,嚴(yán)格控制泥漿黏度,盡量少堵塞或不堵塞含水層。上部較松散、易坍塌的不取水地層,使用跟管鉆進(jìn)。

在水文地質(zhì)鉆孔過(guò)程中,按照每個(gè)鉆進(jìn)回次進(jìn)行一次水文地質(zhì)簡(jiǎn)易試驗(yàn),主要觀測(cè)每回次的孔內(nèi)水頭變化、沖洗液消耗量、泥漿含泥量等,并作詳細(xì)的全過(guò)程記錄。每鉆進(jìn)100 m、終孔時(shí)均丈量鉆具;在遇到地層變化、鉆進(jìn)異常時(shí),核實(shí)鉆孔深度和鉆桿長(zhǎng)度,以定位出現(xiàn)水文地質(zhì)現(xiàn)象的孔深位置,比如溶洞、富水帶、滲漏層等。在進(jìn)行丈量的過(guò)程中,每50 m 測(cè)量一次孔斜,合理的控制孔斜的程度。

下管后,采用動(dòng)水填礫法填礫。首先用清水稀釋孔內(nèi)泥漿,使孔內(nèi)返漿黏度下降到小于16 s,將已按要求攙和六偏磷酸鈉的礫料均勻連續(xù)的填入井管與孔壁之間的環(huán)隙中,直至超過(guò)過(guò)濾段5 m,礫料下沉密實(shí)后進(jìn)行止水封井。

封井后及時(shí)進(jìn)行洗井作業(yè),以保證土層孔隙不被孔內(nèi)沖洗液堵塞,洗井的主要方法是拉活塞洗井和空壓機(jī)洗井反復(fù)交替進(jìn)行,拉活塞洗井采用送水拉活塞和強(qiáng)力拉活塞相結(jié)合,共計(jì)進(jìn)行了2 個(gè)循環(huán),經(jīng)測(cè)試井內(nèi)水的含泥量和含沙量逐漸減少,直至滿足設(shè)計(jì)要求;然后,采用空壓機(jī)震蕩洗井和清理孔底沉渣;最后,再用大型潛水泵進(jìn)行大降深強(qiáng)抽洗井,抽、停交替多次,直至抽水瞬間沒(méi)有混水,均徹底澄清為止。

經(jīng)過(guò)對(duì)整個(gè)施工鉆井工序過(guò)程最終的綜合評(píng)價(jià),全部達(dá)到優(yōu)質(zhì)級(jí)別,在此基礎(chǔ)上開(kāi)展抽水試驗(yàn),從而真實(shí)地反映金礦的水文地質(zhì)情況。

4 水文地質(zhì)試驗(yàn)

4.1 抽水試驗(yàn)

鑒于本區(qū)有供水意義的含水層主要有第四系孔隙含水層和基巖裂隙含水層,本次對(duì)3 個(gè)水文地質(zhì)井(分別為QSDZ1、QSDZ2、QSDZ3)進(jìn)行了一次降深穩(wěn)定流分層抽水試驗(yàn),觀測(cè)頻率按非穩(wěn)定流觀測(cè),其中QSDZ1 為抽水井,QSDZ2 和QSDZ3 為觀測(cè)井。

抽水試驗(yàn)過(guò)程中,水量和水位的觀測(cè)是數(shù)據(jù)來(lái)源的重要途徑,因此,抽水井和觀測(cè)井均安裝了自動(dòng)水位計(jì),確保抽水井、觀測(cè)井水位同時(shí)觀測(cè)的準(zhǔn)確性,抽水量采用超聲波流量計(jì)和堰箱兩種方法相互效驗(yàn),觀測(cè)精度均滿足設(shè)計(jì)要求,有效保持了數(shù)據(jù)的真實(shí)性和有效性。

4.2 放水試驗(yàn)

為了證明含水層的富水性,3 個(gè)井均進(jìn)行了持續(xù)時(shí)間大于24 h 的一次性全降深放水試驗(yàn),將降深降低至最小。在進(jìn)行放水實(shí)驗(yàn)時(shí),特別注重觀測(cè)時(shí)間以及相關(guān)數(shù)據(jù)的記錄。試驗(yàn)中,放水孔流量觀測(cè)、頻率,按照預(yù)估最大放水量的持續(xù)時(shí)間計(jì)算時(shí)間間隔,起始階段為每30 min 計(jì)量一次,達(dá)到3 h 后,按每60 min 計(jì)量一次進(jìn)行,直至放水結(jié)束。通過(guò)試驗(yàn),使得對(duì)含水層的富水性有了進(jìn)一步的進(jìn)行了解和研究。

4.3 水文地質(zhì)試驗(yàn)成果分析

含水層滲透系數(shù)是礦區(qū)水文地質(zhì)勘察中的重要參數(shù)之一,它反映了含水層在自然狀態(tài)下的透水能力,正確評(píng)價(jià)巖土層的滲透系數(shù)是計(jì)算含水層供水能力的重要前提。

根據(jù)本次水文地質(zhì)勘探結(jié)果,各個(gè)含水層在水平方向與垂直方向上與區(qū)域水文地質(zhì)條件基本一致,具有一定的承壓性。不考慮各含水層之間的水力聯(lián)系,采用穩(wěn)定流完整井公式進(jìn)行計(jì)算,具體的公式為

式中:K——含水層的滲透系數(shù),m/d;

Q——水文地質(zhì)孔涌水量,m3/d;

R——抽水井的影響半徑,m,由公式R=10SK0.5確定;

r——鉆孔半徑,m;

M——含水層厚度,m;

S——水位降深,m。

根據(jù)本次抽水試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)及公式計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算成果

5 水量評(píng)價(jià)

本工程采用均衡法計(jì)算和評(píng)估地下水資源量,以此確定水資源的豐富程度是否滿足礦區(qū)開(kāi)采時(shí)的日常生活和生產(chǎn)用水需求。由于礦區(qū)供水水源地位于山間溝谷下游,山勢(shì)陡峻,溝谷發(fā)育,三面環(huán)山,地下水分水嶺的位置與地表水分水嶺基本一致;含水層的性質(zhì)主要為潛水和下部具有承壓性質(zhì)的孔隙水和裂隙水,地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件好,主要接受大氣降水補(bǔ)給,然后以潛流形式補(bǔ)給下游地下水,人工開(kāi)采量較少,可以忽略不計(jì)。

由于地處山區(qū),含水層厚度、滲透系數(shù)、地下水流向、水力坡度等較復(fù)雜,采用達(dá)西公式計(jì)算山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給量存在實(shí)際困難。綜合考慮,本次山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給量采用基流模數(shù)法,即山丘區(qū)各分區(qū)基流模數(shù)乘以各自的匯水面積,求得的基流量作為山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給量。山區(qū)匯水面積在1 ∶5 萬(wàn)地形圖上直接量取,為146.76 km2;基流模數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)值,取4.1 ×104m3/km2,經(jīng)計(jì)算,山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給量為601.72 ×104m3/a,也即為地下水資源量,地下水的開(kāi)發(fā)利用率按照65%控制,依此計(jì)算地下水開(kāi)采控制指標(biāo)為391.12 ×104m3/a,遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足礦區(qū)供水要求。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某金礦供水水源地的水文地質(zhì)勘察項(xiàng)目,采用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)你@探及成井工藝,查明地下水的埋藏條件、水量及其隨時(shí)間的變化規(guī)律,并采用抽水試驗(yàn)和放水試驗(yàn)兩種方法有機(jī)的結(jié)合,獲得了基本的水文地質(zhì)參數(shù),在此基礎(chǔ)上對(duì)地下水水資源進(jìn)行評(píng)價(jià),為礦區(qū)新水源井的建設(shè)提供依據(jù),也為礦區(qū)節(jié)約水資源、減少能源消耗、降低礦區(qū)生產(chǎn)成本提供經(jīng)濟(jì)可行、安全可靠的供水方案。