田 浪，陳世萬(wàn)，吳佼基，李加華，余 琪，李仁啟

(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局101地質(zhì)大隊(duì)，貴州 凱里 556000)

煤礦開(kāi)采引起的含水層破壞、地形地貌景觀破壞等地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題日益突出。煤礦閉坑后巷道及采場(chǎng)充水，礦巖中的硫化物與氧氣、水接觸，在微生物的催化作用下，經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生酸性礦井水(AMD)，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[1-3]。而且，大部分關(guān)停煤礦均存在生產(chǎn)資料嚴(yán)重缺失、礦井邊界范圍分布不明、采空區(qū)分布不清等問(wèn)題。另外，查明閉坑礦區(qū)水文地質(zhì)條件，厘清礦區(qū)污染水的補(bǔ)—徑—排體系，是實(shí)現(xiàn)源頭污染阻控，關(guān)鍵通道封堵等原位治理的前提。

物探是地下采空區(qū)探測(cè)的有效方法。薛國(guó)強(qiáng)等[4]針對(duì)地下洞體，分析了瞬變電磁法探測(cè)的有效性原理，并對(duì)某煤礦地下采空區(qū)進(jìn)行瞬變電磁探測(cè)，結(jié)合鉆孔驗(yàn)證，證明了瞬變電磁法探測(cè)采空區(qū)的可行性；蔣勤濤[5]為消除地形起伏對(duì)瞬變電磁法探測(cè)的影響，通過(guò)濾波消噪和時(shí)深轉(zhuǎn)換處理，準(zhǔn)確探測(cè)出了積水區(qū)的面積與積水體積；吳俊林等[6]使用瞬變電磁雙回線裝置對(duì)某煤礦采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)，得出重疊回線較大定源裝置適合淺層勘探的結(jié)論；范濤等[7]采用鉆孔瞬變電磁法探測(cè)了積水采空區(qū)的巷道形態(tài)；潘劍偉等[8]利用地面核磁共振法和高密度電阻率法在湖北某區(qū)域探測(cè)地下水，取得了良好效果。總體來(lái)說(shuō)，由于物探成果的多解性，單一物探方法結(jié)果解譯可靠度較低，綜合物探技術(shù)可提供更可信的采空區(qū)探測(cè)結(jié)果[9-13]。

傳統(tǒng)二維地質(zhì)資料可視化程度低，制約了精細(xì)化礦區(qū)地下水污染治理技術(shù)的發(fā)展。范文遙等[14]研究得出基于GOCAD軟件對(duì)礦區(qū)實(shí)行三維地質(zhì)建模與可視化操作，更利于確定地表以下礦體的展布規(guī)律；雷赟等[15]利用EVS建模軟件，基于鉆孔和化學(xué)污染物數(shù)據(jù)建立了地下水三維模型，并將其成功應(yīng)用于該地區(qū)污染物控制及地下水開(kāi)采；靳德武等[16]以礦區(qū)某一工作面為例，構(gòu)建了采場(chǎng)三維充水結(jié)構(gòu)可視化模型，將其應(yīng)用于底板突水綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警工程實(shí)踐中。利用EVS導(dǎo)出三維地質(zhì)模型的各層面DEM(數(shù)字高程模型)，可以應(yīng)用于GMS、Visual MODFLOW等軟件中進(jìn)行水文數(shù)值模擬，以獲取地下水流場(chǎng)和以采空區(qū)為中心溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)向外遷移的運(yùn)動(dòng)軌跡[17-19]。總體而言，三維地質(zhì)模型相對(duì)于傳統(tǒng)二維模型其可視化程度大大提升，對(duì)實(shí)現(xiàn)水文地質(zhì)條件和污染過(guò)程可視化具有重要意義。

以貴州省麻江縣閉坑煤礦為研究對(duì)象，應(yīng)用高密度電阻率法、瞬變電磁法、核磁共振法和充電法等多種物探方法進(jìn)行采空區(qū)探測(cè)，并結(jié)合鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證。綜合地質(zhì)調(diào)查成果、物探及鉆探成果，建立包含采空區(qū)的三維地質(zhì)模型。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合污染水出露空間特征，厘清閉坑礦區(qū)污染水的補(bǔ)—徑—排體系，以期為礦區(qū)污染水精準(zhǔn)治理提供技術(shù)支持。

1 工程地質(zhì)背景及地球物理特征

研究區(qū)位于貴州省麻江縣擺沙河流域內(nèi)，擺沙河流域面積為65.94 km2。擺沙河流域歷史上曾有6家煤礦企業(yè)，至2020年全部關(guān)閉停產(chǎn)。煤礦關(guān)停后，擺沙河流域關(guān)停煤礦逐漸產(chǎn)生酸性廢水污染，擺沙河流域的擺沙煤礦區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)多處酸性廢水涌水點(diǎn)，對(duì)擺沙河流域環(huán)境造成較為嚴(yán)重的污染。地表泉點(diǎn)分布圖及污染現(xiàn)狀如圖1所示。

(a)礦區(qū)污染水出露點(diǎn)

研究區(qū)地處揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)東南部，巖性主要為淺海相碳酸鹽巖及碎屑巖，地形地貌為碳酸鹽巖中低山溶蝕—侵蝕地貌。研究區(qū)內(nèi)巖石主要為碳酸鹽巖、少量碎屑巖和第四系土層。碳酸鹽巖分布面積廣，多屬裸露及半裸露的基巖山區(qū)，地表巖溶洼地、落水洞、巖溶大泉等較為發(fā)育，地下局部發(fā)育溶洞、暗河。大氣降水容易通過(guò)地表發(fā)育的通道滲入巖溶裂隙、管道暗河之中。巖石地層組由老至新主要有：奧陶系下統(tǒng)桐梓組(O1t)、紅花園組(O1h)、大灣組(O1d)；泥盆系中下統(tǒng)蟒山組(D2m)、上統(tǒng)望城坡組(D2-3w)、堯梭組(D3y)；石炭系下統(tǒng)祥擺組(C1x)、上下統(tǒng)擺佐組(C1b)、上統(tǒng)黃龍組(C2h)；二疊系陽(yáng)新統(tǒng)梁山組(P2l)、棲霞組(P2q)、茅口組(P2m)及樂(lè)平統(tǒng)合山組(P3h)；第四系(Q)。其中，煤線位于石炭系下統(tǒng)祥擺組(C1x)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的勘察情況和研究區(qū)物探測(cè)試結(jié)果，研究區(qū)內(nèi)覆蓋層主要有耕植土、黏土等第四系土層，分布的基巖主要為灰?guī)r；研究區(qū)內(nèi)的土層、基巖、含水采空區(qū)等地質(zhì)體之間存在較大的電阻率差異。研究區(qū)內(nèi)主要介質(zhì)物性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 幾種介質(zhì)的物性參數(shù)

2 物探原理及工作方法

煤礦關(guān)閉后采空區(qū)及其上方破碎帶的存在，導(dǎo)致地層電阻率不連續(xù)，為物探提供了良好的電性差異條件。對(duì)于無(wú)水采空區(qū)，通常表現(xiàn)為高阻異常；有水采空區(qū)則表現(xiàn)為低阻異常。為評(píng)價(jià)物探手段在采空區(qū)探測(cè)的有效性，提高物探成果解譯可靠性，本次物探采用4種物探手段：高密度電阻率法、充電法、瞬變電磁法、核磁共振法。

2.1 高密度電阻率法

高密度電阻率法是通過(guò)地層電性差異來(lái)查明地下異常區(qū)。本次共布設(shè)了11條高密度電阻率法測(cè)線，電極距為5 m，采用溫納、斯倫貝謝爾2種勘探裝置，累計(jì)測(cè)線長(zhǎng)4 770 m。

2.2 充電法

本次探測(cè)工作采用電位梯度法，以探測(cè)地下水空間分布特征。本次充電法測(cè)量工作共在3個(gè)點(diǎn)位布設(shè)6條測(cè)線。

2.3 瞬變電磁法

瞬變電磁法(TEM)的基本原理是電磁感應(yīng)定律。電磁法勘探設(shè)備為YCS512大功率探水儀，其相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 瞬變電磁法相關(guān)參數(shù)

本次共布設(shè)27條瞬變電磁測(cè)線，測(cè)點(diǎn)間距為1.5 m，累計(jì)測(cè)點(diǎn)2 159個(gè)，累計(jì)測(cè)線長(zhǎng)度3 391 m。

2.4 核磁共振法

本次工作使用的是法國(guó)IRIS公司核磁共振系統(tǒng)，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 核磁共振系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

在工作區(qū)內(nèi)共布設(shè)5個(gè)50 m×50 m方形線圈，裝置類(lèi)型為收發(fā)共圈裝置。

3 物探反演結(jié)果分析

3.1 高密度電阻率法反演結(jié)果分析

高密度電阻率L9測(cè)線反演結(jié)果如圖2所示。在測(cè)線中部YC-9標(biāo)記范圍內(nèi)，埋深41.9～62.7 m出現(xiàn)明顯的低阻異常。該異常對(duì)應(yīng)的鉆孔ZK05揭露：靜止水位為2.9 m，采空區(qū)范圍為48.8～51.2 m。表明L9測(cè)線能準(zhǔn)確地反演出此處采空區(qū)的位置。

圖2 高密度電阻率法L9測(cè)線反演結(jié)果

3.2 充電法探測(cè)結(jié)果分析

充電法部分探測(cè)結(jié)果如圖3所示。

(a)充電法H1、H2、H3測(cè)線探測(cè)結(jié)果

由圖3可以看出，正負(fù)電位梯度值的過(guò)渡位置指明了該處地下水排泄通道的位置。H1測(cè)線電位正負(fù)值過(guò)渡位置約在14 m處；H2測(cè)線電位正負(fù)值過(guò)渡位置約在16 m處，推測(cè)該位置為地下水流通道位置；H3測(cè)線約在14 m左右出現(xiàn)水流通道。

H1、H2、H3測(cè)線在走向上呈平行關(guān)系，且間隔距離很小。3條測(cè)線的水流通道基本在同一直線上，說(shuō)明該涌水點(diǎn)的北側(cè)存在與水源相通的水流通道。

3.3 瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果分析

以瞬變電磁S25測(cè)線探測(cè)結(jié)果為例，如圖4所示。

圖4 瞬變電磁S25測(cè)線探測(cè)結(jié)果

由圖4可知，YC-1異常區(qū)位于高程960～980 m，呈現(xiàn)突變?yōu)榈妥璧奶卣鳎沧冸姶臩25測(cè)線在走向上與高密度電阻率L9測(cè)線呈平行關(guān)系(L9測(cè)線反演結(jié)果見(jiàn)圖2)，位于L9測(cè)線的中部位置。綜合分析高密度電阻率法反演結(jié)果，發(fā)現(xiàn)高密度電阻率法L9測(cè)線在瞬變電磁法S25測(cè)線探測(cè)異常區(qū)YC-1對(duì)應(yīng)位置，存在低阻異常區(qū)YC-6，高程為960～970 m，推測(cè)該低阻異常區(qū)為采空區(qū)?？梢?jiàn)，瞬變電磁法和高密度電阻率法在采空區(qū)探測(cè)應(yīng)用時(shí)具有較好的一致性。

3.4 地面核磁共振法結(jié)果分析

地面核磁共振P1測(cè)點(diǎn)探測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 核磁共振P1測(cè)點(diǎn)探測(cè)結(jié)果

由圖5可以看出，表層2～5 m位置主要為第四系覆蓋層，含水量較高，從反演T1時(shí)間看地表孔隙率較大，說(shuō)明覆蓋層較為松散；地下12～15 m深度含水率較大，約達(dá)到12.0%，孔隙率較大；臨近鉆孔ZK06揭露深度8.8～16.1 m的砂巖，孔隙率較大。推測(cè)48～60 m為厚度較大含水層，含水率約為8.5%；且從反演的T1時(shí)間來(lái)分析，該深度范圍所對(duì)應(yīng)的孔隙率也較大，推測(cè)為地下采空區(qū)影響區(qū)域。

4 綜合解譯

4.1 多種物探手段對(duì)比解譯

針對(duì)礦區(qū)南部井口及污染水出水點(diǎn)區(qū)域，布置了高密度電阻率測(cè)線L4、L9、L10；瞬變電磁測(cè)線S22、S24、S25、S26、S27；充電法測(cè)線H6。針對(duì)礦區(qū)南部井口及污染水出水點(diǎn)，綜合高密度電阻率法、瞬變電磁法、鉆孔等多種手段，推測(cè)地下采空區(qū)分布如圖6所示。

圖6 物探綜合解譯圖

綜合物探結(jié)果分析，該區(qū)域存在大面積突變的低阻異常區(qū)，埋深為40～50 m，且鄰近區(qū)域有大量的污染水出露，如污水點(diǎn)SW8。高密度電阻率法L10和L9測(cè)線及瞬變電磁S25測(cè)線的低阻異常范圍均顯示了下部的異常區(qū)，推測(cè)此處存在大面積連續(xù)采空區(qū)分布。在該處布置鉆孔ZK12，揭露了埋深56～62 m區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)，證實(shí)綜合物探解譯成果的有效性。

4.2 閉坑礦區(qū)三維地質(zhì)模型構(gòu)建

EVS地質(zhì)建模軟件主要通過(guò)在不同模塊之間搭建模型運(yùn)行，建模步驟如下：

1)通過(guò)提取航拍測(cè)繪的等高線得到地形點(diǎn)數(shù)據(jù)并生成地表模型。

2)將地表泉點(diǎn)和塌陷點(diǎn)的空間位置及流量、尺寸等信息標(biāo)記在地表模型上。

3)通過(guò)鉆孔數(shù)據(jù)插值生成三維地層實(shí)體。

4)將綜合物探技術(shù)確定的采空區(qū)等地質(zhì)要素構(gòu)建在三維地質(zhì)模型上。

實(shí)際上，該研究區(qū)域僅布置12個(gè)鉆孔，且部分鉆孔深度較淺，僅通過(guò)實(shí)際鉆孔柱狀圖難以建立精準(zhǔn)的三維地質(zhì)模型。利用該研究區(qū)域1∶2 000水文地質(zhì)調(diào)查成果，將地層、產(chǎn)狀、采空區(qū)等信息綜合地反映在重點(diǎn)控制地質(zhì)剖面上，并在繪制的地質(zhì)剖面圖上布置虛擬鉆孔以實(shí)現(xiàn)基于多源數(shù)據(jù)的地質(zhì)模型構(gòu)建，采用自然鄰域插值法生成地層實(shí)體。

研究區(qū)三維地質(zhì)模型多方位切片的模型如圖7所示。

圖7 礦區(qū)三維地質(zhì)模型

由圖7可以看出，該模型可實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)位置，特別是采空區(qū)位置的清晰直觀顯示，可為地下水污染的治理提供重要支撐。

研究區(qū)南部補(bǔ)—徑—排體系如圖8所示。

(a)研究區(qū)南部補(bǔ)—徑—排示意圖

由圖8(a)可知，綠色區(qū)域?yàn)橥ㄟ^(guò)物探和綜合勘察資料得到的采空區(qū)。該區(qū)域的地層傾向?yàn)槟蠔|向。

結(jié)合圖8(b)分析可知，當(dāng)?shù)乇斫涤耆霛B補(bǔ)給時(shí)，西側(cè)出露地層為砂巖、泥巖等碎屑巖地層，地層本身入滲系數(shù)較低。地表水主要經(jīng)采礦破碎帶、采礦塌陷等通道下滲至采空區(qū)；采空區(qū)東側(cè)為碳酸鹽巖區(qū)域，巖溶較為發(fā)育，該區(qū)域的大氣降雨和地下水通過(guò)巖溶優(yōu)勢(shì)通道補(bǔ)給采空區(qū)。西側(cè)的地表水及東側(cè)的地下水補(bǔ)給采空區(qū)，逐漸匯集，最終出露地表，如污水點(diǎn)SW1。

研究區(qū)北部補(bǔ)—徑—排體系如圖9所示。

(a)研究區(qū)北部補(bǔ)—徑—排分析圖

由圖9可以看出，大氣降雨經(jīng)過(guò)山體多個(gè)塌陷點(diǎn)快速補(bǔ)給到采空區(qū)。因地層傾向?yàn)楸睎|向，采空區(qū)南部為碎屑巖隔水層，在隔水層阻擋下，流經(jīng)采空區(qū)的地下水只會(huì)沿傾向(北東)排泄，使大量污水點(diǎn)在北部溝谷出露，而南東向溝谷內(nèi)泉點(diǎn)均沒(méi)有受到污染。

5 討論

5.1 采空區(qū)物探方法評(píng)述

研究區(qū)地形起伏較大，瞬變電磁法相對(duì)高密度電阻率法布設(shè)更為靈活。瞬變電磁法隨著深度增加，磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸衰減，顯示電阻率逐漸減小，但這種電阻率減小是漸變的；而充水采空區(qū)電阻率表現(xiàn)為突變，具有較明顯特征。高密度電阻率法相對(duì)瞬變電磁法在縱向上分辨率較高，兩種方法配合解譯可為采空區(qū)的確定提供更可靠的結(jié)果。研究區(qū)域地形起伏較大，巖溶較發(fā)育，充電法的探測(cè)效果并不理想。地面核磁共振法可直接顯示地下水的分布及含量，含水量的大小對(duì)充水采空區(qū)具有較好的指示效果。

5.2 物探技術(shù)方法體系對(duì)礦山水污染治理的支撐

國(guó)內(nèi)外對(duì)酸性礦山廢水(AMD)的治理方法可分為主動(dòng)治理和被動(dòng)治理[20-21]。主動(dòng)治理方法存在諸多缺陷，如主動(dòng)治理方法中的中和法，該方法處理過(guò)程時(shí)產(chǎn)生的大量污泥有害物質(zhì)極易對(duì)環(huán)境造成二次污染，且其運(yùn)行成本和管理成本較高[22]；被動(dòng)治理技術(shù)是基于自然營(yíng)力的原位治理技術(shù)，能減少對(duì)環(huán)境的擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)治理，是極具前景的綠色治理技術(shù)，但其前提需查清地下水補(bǔ)—徑—排過(guò)程及污染遷移過(guò)程。以貴州省麻江縣閉坑煤礦為例，該礦區(qū)開(kāi)采年代較早，可追溯到清朝時(shí)期，礦坑關(guān)閉后，大部分地質(zhì)資料丟失，無(wú)法確定采空區(qū)范圍及位置，通過(guò)開(kāi)展物探+鉆探綜合探查，探測(cè)采空區(qū)位置，建立含采空區(qū)的三維地質(zhì)模型，厘清礦區(qū)補(bǔ)—徑—排過(guò)程，形成水文地質(zhì)概念模型，為原位被動(dòng)處理點(diǎn)位精準(zhǔn)確定提供支持，實(shí)現(xiàn)礦山地下水污染精準(zhǔn)防控。

6 結(jié)語(yǔ)

1)采空區(qū)與地層存在顯著導(dǎo)電性差異，瞬變電磁法和高密度電阻率法對(duì)采空區(qū)均有較好響應(yīng)。綜合高密度電阻率法高分辨率和瞬變電磁法高靈活性優(yōu)勢(shì)，形成巖溶山區(qū)采空區(qū)可靠探測(cè)解譯方法；通過(guò)地面核磁共振法，得到采空區(qū)核磁共振響應(yīng)特征，證實(shí)地面核磁共振法可有效探測(cè)充水采空區(qū)；巖溶山區(qū)地形起伏大，充電法在溝谷區(qū)難以保證測(cè)試精度。

2)綜合鉆孔柱狀圖、實(shí)測(cè)地形圖、剖面圖、實(shí)測(cè)采空區(qū)范圍和地質(zhì)調(diào)查等多源地質(zhì)數(shù)據(jù)，通過(guò)EVS地質(zhì)建模軟件建立了研究區(qū)三維地質(zhì)模型。

3)通過(guò)三維地質(zhì)模型分析了研究區(qū)北部和南部主要污染區(qū)域地下水補(bǔ)—徑—排關(guān)系，分析了各區(qū)域主要地下水補(bǔ)給源、地下水運(yùn)動(dòng)路徑及排泄關(guān)系，研究成果可為污染水治理措施(水量源頭消減、過(guò)程阻斷、關(guān)鍵通道封堵等原位被動(dòng)處理措施)的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。