永定东中石灰石矿区抽水试验

郑志忠

(福建省121地质大队，福建 龙岩364021)

东中石灰石开发利用是福建永定县招商引资项目，06年开始详查勘探，07年进行补充勘探，获得全区+400 m水平以上水泥用石灰岩矿石(332+333)资源量8 462.04万t;B、C 矿段浮土各 524.35 万 m3、807.56 万 m3;施工 6＇0 号水文孔进行抽水试验，取得P1q灰岩直接充水含水层水文地质参数，获得未来+400 m水平预测矿坑涌水量。

1 矿区地质－水文地质概况

矿区处永定县城55°方向直距约34.50 km，面积2.05 km2，闽西博平岭山脉南端中低山、丘陵地带，中部主山脊南北走向，南高北低，南部斜背栋海拔最高(+869 m)，西南石山角海拔最低(+430 m)，相对高差439 mm，地形切割强烈。

区域上矿区处华南板块东南部南华活动带二级构造单元闽西南拗陷闽西永梅上古凹陷带抚市向斜东北翼，沉积地层出露全，从老到新有下石炭林地组(C1l)、上石炭船山组(C3c);下二叠栖霞组(P1q)、文笔山组(P1w)和童子岩组一段(P1t1)，受矿区东南部政和—大埔深大断裂影响，区内次级断裂、褶曲较发育，断裂走向及褶曲轴向以NNW向为主，总体构造为复式向斜，矿区火成岩主要为出露于矿区北侧樟坑一带的呈北西走向岩脉侵入断裂带的燕山晚期灰黑－深灰色辉长岩(δ)。

矿区属亚热带海洋季风气候，雨量充沛，年平均降水量1 770.60 mm，最大年降水量 2 630.50 mm，年平均蒸发量1 536.70 mm，多年平均相对湿度80%，矿区水系主要为矿区北界外流向西、流量20.00～31.15 l/s的樟坑季节性沟谷水和发源于矿区东部流向西、流量10.67～16.88 l/s的卢坑季节性沟谷水。

矿区P1q石灰岩赋存丰富，为勘探开采对象，出露矿区北中东南部，深部60个钻孔揭露，为灰黑色中厚层状含燧石灰岩及块状灰岩夹薄层状砂质泥岩，地表及钻孔中溶沟槽、溶洞隙岩溶现象发育，含裂隙～岩溶水，含水性不均匀，溶洞多有含碎石亚粘土、亚砂土及砂充填，充填率65.01%。钻进常见掉钻坍塌、漏水现象，泥浆消耗量最大11.38 m3/h，经统计溶洞遇见率 69%，溶洞岩溶率 12.52%，溶洞高度 77.47 m～0.10 m，单孔岩溶率最高91.66%。据6'0孔抽水试验，q=5.517 l/sm，K=8.127 m/d，富水性中等 ～强。

2 矿区6＇0号水文孔抽水试验

矿区6＇0孔抽水试验为单孔稳定流抽水试验，前后历时8天，抽水质量合格。利用试验数据计算相应含水层水文地质参数，是评价含水层水文地质条件的重要方法。

2.1 求解水文地质参数

利用裘布依公式和经验公式:K=0.366 Q· ;R=10S，应用三次水位降深(S)及相应流量(Q)，求得含水层渗透系数(K)和影响半径(R)(见表1)。

设第一次抽水稳定状态下渗透系数为K＇，利用稳定降深2.81 m 和流量 12.727 L/s、含水层厚度 63.91 m、钻孔半径0.055 m代入上式，则有:

从(1)式看出 K值越大，K＇值将越大，反之，K＇值将越小，应用“逼近法”求解K值，用K的不同取值来反求K＇值，如果K≈K＇，则该K取值即为本次抽水稳定状态下K＇值，并用裘布依及经验公式进一步检验，确定本次降深渗透系数为7.0176 m/d。

各次抽水渗透系数求解方法同第一次抽水，分别求出K和R均值，作为该孔抽水试验所得相应含水层相关参数之一(表1)。

表1 6＇0孔抽水试验数据及成果表

2.2 利用试验数据资料作出流量降深关系曲线图

利用抽水试验所获数据可作出矿区6＇0号水文孔抽水试验流量降深Q—S关系曲线图(见图1)。

2.3 曲线类型判别

根据抽水实践和数学归纳统计，通过抽水试验所获得Q—S关系曲线类型有直线、抛物线、指数、对数型曲线及资料有误五种情况，曲线类型判别方法有以下几种。

2.3.1 流量－降深图解法

利用表2可判定抽水试验流量与降深对应曲线方程。

图1 Q－S关系曲线图

表2 流量－降深曲线与方程型式对应表

从图1中Q－S曲线看出，图像呈向下折线，判断本次抽水试验流量－降深对应函数关系方程为指数型方程:Q=a×S(1/b)，其中 a、b为待定系数。

2.3.2 数学演化伸直法

将稳定降深和流量数据经过数学演算，使其形成降深－流量对应数据对，在对应坐标系显示形成直线的数据对，其降深流量曲线对应相应方程型式(见表3)。

表3 数学伸直法降深流量曲线对应方程型式

表4 东中石灰石矿区抽水试验流量(Q)和降深(S)对应数学演算数据表

依据上述表4所列数据可分别作出Q－lgS、lgQ－lgS、Q－S0图象(见图2、3、4)，可以判断图4最接近于直线分布，依据上述表3知本次抽水试验流量－降深关系为指数型方程函数关系:Q=a×S(1/b)，其中a、b为待定系数。

图2

图3

2.3.3 对数线段斜率法

计算lgQ－lgS坐标系中每两个数据点所形成不同线段斜率平均值，利用斜率平均值判断流量降深之间对应函数关系形式(见表5)，简称对数线段斜率法。计算公式如下。

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

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

图4

表5 抽水试验对数线段斜率法流量降深函数关系对应表

根据本次抽水试验对数线段斜率统计(见表6)，可知本次矿区抽水试验流量降深函数关系为指数型方程:Q=a×S(1/b)，其中 a、b为待定系数。

表6 矿区抽水试验对数线段斜率统计表

2.4 求解方程

上述三种曲线类型判别方法显示本次抽水试验流量降深函数关系方程为指数型方程:Q=a×S(1/b)，即lgQ=lga+(1/b)lgS。利用三次降深形成三个流量降深数据对，组成三组二元一次方程组，计算三组〔(1/b)，lga〕参数值，利用平均值形成最终方程式。

表7 矿区抽水试验流量降深指数型方程参数计算表

上述方程式除了直线型方程Q=q×S中q为方程系数常数外，其余对数型、指数型、抛物线型方程均需求解待定系数a、b，求解方法除上述方法具便捷特点外，还有图解法、均衡误差法和最小二乘法，其中最小二乘法计算最精确，均衡误差法次之，图解法最差。

2.5 检验方程

2.5.1 下推法

选择二、三次两个相对小降深抽水资料，运用上述方法建立新方程:lgQ=0.8 631+0.5 554 lgS，应用第一次抽水降深值，计算流量 Q＇=12.951 L/s。

流量误差 CQ=(Q＇－ Q1)/Q1=(12.951 －12.727)/12.727=1.76% 。

2.5.2 差分法

利用lgQ－lgS曲线计算每两个数据点所形成线段斜率倒数△3、△2、△1差分值，若△1≠△2≠△3，表明所确立方程不完全适合由抽水实验流量降深数据所形成曲线，此时需算差分误差进一步判别，即曲线拟合误差C，一阶差分误差为相邻差分差值绝对值与相邻差分平均值比值。本次矿区流量降深指数方程差分误差计算结果见表8。

表8 矿区抽水试验流量降深指数型方程差分误差结果表

上述结果表明流量误差CQ较小，一阶差分误差C△较小，说明所确定方程可用于矿区预测相应水平矿坑涌水量。

3 矿区6＇0号水文孔抽水试验资料应用

利用试验记录资料可分析矿区含水层水文地质特征，加深矿区水文地质条件分析研究，为未来矿坑涌水量预测提供有效手段。在获得一个以S为自变量、以Q为应变量的Q=f(S)函数关系式后，可以通过方程计算不同降深S下相应流量Q，Q=f(S)函数关系方程式为预测相应水平矿坑涌水量提供了一个对应平台。通过计算对比表明这种预测方法结果常常偏小，应与其它方法应用对比，能为预测工作提供参照和选择，提高预测工作有效性和准确度，不失其实际应用价值。

3.1 含水层富水性分析

通过矿区6＇0孔抽水试验分析计算，获得栖霞组石灰岩含水层平均渗透系数 K=8.127 m/d，平均单位涌水量 q=5.517 l/sm，说明含水层富水性强，抽水后水位(+494.15 m)恢复快，与静止水位(+494.17 m)十分接近，说明含水层岩溶水补给来源好，水力联系强，补给强度大，含水层水量丰富，矿区生产建设应注意趋利避害。

3.2 预测未来开采水平矿坑涌水量

3.2.1 参数选择

S=94.17 m(降深:静止水位标高 +494.17 m与矿坑开采水平+400 m之差);

K=8.127 m/d(抽水试验平均渗透系数);r孔=0.055 m(水文孔半径)。

3.2.2 水文孔最大涌水量计算及其修正

利用降深与所确立方程，求得钻孔最大涌水量83.2 218 l/s，修正后为 81.7 571 l/s。

3.2.3 “大井法”井径换算

3.2.4 矿井设计涌水量预算

取1 193 m3/h 为未来+400水平预测矿坑涌水量。

在统计含水层有效透水厚度后还可利用裘布依公式计算相应水平矿坑涌水量，与上述计算结果进行对比分析。上述推算在地下水呈层流条件下进行，当地下水呈紊流时用公式:Q井=Q孔·(r井/r孔)(1/2)。承压含水层抽水试验降深对曲线存在影响，故应尽设备能力达最大降深，提高水文地质参数准确性，以正确评价矿床开采条件。

［1］福建省121煤田地质勘探队.福建省永定东中—田地石灰石矿区6＇0水文孔抽水试验观测记录.龙岩:2007

［2］福建省121煤田地质勘探队.福建省永定东中—田地石灰石矿区详查地质报告.龙岩:2007

［3］郑志忠.东中石灰石矿区水质资料分析.科学技术与工程2009年14期

［4］北京地质学院地质教研室.水文地质学.北京:地质出版社，1978

［5］地质矿产部水文地质工程地质技术方法研究队主编.水文地质手册.北京:地质出版社，1983

［6］薛禹群主编.地下水动力学原理 北京:地质出版社，1989