示踪试验在凡口矿区帷幕截流工程中的应用

赵 骏，张 卫，周玉新，张茹星

(1.中国地质大学(武汉)教育部长江三峡库区地质灾害研究中心，湖北 武汉 430074;2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司，安徽 马鞍山 243000)

我国大量金属矿山分布在碳酸盐岩裸露、降雨丰沛、地表地下岩溶发育、地形复杂的南方区域，矿区岩溶水的防治难度及成本极高，常出现因水文地质条件不清导致的突水、岩溶塌陷等问题[1-3]。随着科学技术的发展，为了在合理开采矿产资源的同时，不对当地环境和地下水资源造成影响，多数矿山将最初用于喀斯特地区大坝坝址加固的帷幕注浆技术[4]用于加固、封堵矿区薄弱地带[5-7]。是否能准确地找到集中径流带直接决定了帷幕注浆成果的好坏[7]，而示踪试验是探测岩溶地下水径流的有效方法，其在探寻地下水补给源、刻画地下水空间分布、防治堤坝渗漏等方面有着重要的意义[8-13]。

凡口铅锌矿是我国著名的超大型铅锌矿床，也是一个水文地质条件极为复杂的岩溶大水矿山。在矿山早期建设过程中，曾多次出现突水、涌泥、地表塌陷、河水倒灌等灾害，一度使矿山基础建设停滞。该矿区在1965—1984年间基于群孔抽水试验和坑道放水试验结果修建，并完善了浅部截流疏干系统工程，取得了良好的治水效果，保证了矿山开采的安全。然而，因疏干排水导致矿区地质环境恶化，地面塌陷严重，地下水资源浪费，且疏干排水的成本也在逐年增加[14]。为了治理矿区生态环境，提高矿山经济与社会效益，凡口铅锌矿于2005年开始以矿区北部和西部隔水层为边界，在东部和南部建造堵水帷幕，试图从根本上解决地面塌陷等地质环境问题。目前设计的帷幕已基本完工，但其帷幕质量以及是否还存在集中径流通达方面需要进一步研究。为此，本文采用人工化学示踪方法，在凡口矿区开展了多组地下水示踪试验，以探明该矿区注浆帷幕的堵水效果以及是否还存在集中径流带，为后续帷幕建设提供科学依据。

1 研究区概况

1.1 区域自然地理及地质条件概况

凡口铅锌矿位于广东省韶关市仁化县董塘镇凡口村，矿区距离韶关市约48 km，有公路、铁路相通，交通便利，地理坐标位置为113°37′31″～113°38′24″E、25°05′59″～25°07′14″N。该地区属中亚热带季风气候，年平均气温为19.7℃。据凡口矿1993—2011年实际观测资料，矿区年平均降雨量为1 605.8 mm。

矿区内地层由老至新依次为：寒武系八村群变质砂岩(∈2b)；泥盆系中下统桂头群砂页岩(D1-2gt)、中统东岗岭组灰泥岩(D2d)、上统天子岭组灰岩(D3t)和帽子峰组砂页岩(D3m)；石炭系下统孟公坳组泥质灰岩(C1m)和测水组砂页岩(C1c)、中上统壶天群白云岩及白云质灰岩(C2+3ht)；二叠系粉砂岩及黑色泥岩(P)，各地层出露情况见图1。

矿区地质构造在宏观上为一复式向斜，轴向北西，向南东倾伏(凡口倾伏向斜)。复式向斜内发育有近南北和东西向的次一级褶曲(如金星岭背斜、狮岭背斜)，以及一系列走向北东或北北东的压扭性断层。矿体赋存于当地侵蚀基准面以下的泥盆系中统至石炭系下统的碳酸盐岩中，主要集中在金星岭背斜南北两翼及狮岭背斜东翼[15]。

1.2 区域水文地质条件概况

凡口矿区的含水层由位于含矿地层顶板的石炭系中上统壶天群(C2+3ht)岩溶含水层以及下部含矿地层中的泥盆系中统东岗岭组上段(D2db)和泥盆系上统天子岭组下段(D3ta)灰岩裂隙含水层组成。其中，石炭系中上统壶天群岩溶含水层岩性为白云岩、白云质灰岩，在矿区内普遍分布，覆盖在含矿地层以上，其浅部岩溶裂隙发育，岩溶发育程度、富水性随深度逐渐减弱，为矿区主要的含水层。上述两个含水层之间由裂隙不发育的泥盆系上统天子岭组中上段杂质灰岩(D3tbc)构成的相对隔水层隔开，两者之间不存在水力联系(见图2)。其中，泥盆系上统天子岭组中上段杂质灰岩(D3tbc)隔水层和泥盆系上统帽子峰组砂页岩(D3m)隔水层分别构成了矿区的西部与北部隔水边界;研究区内出露较少的二叠系粉砂岩及黑色泥岩(P)隔水层构成了矿区东南角的隔水边界(见图1)；而石炭系下统的泥质灰岩及砂页岩(C1)相对隔水层遇水膨胀崩解，稳固性差，井巷工程揭露后极易冒落，通过溶洞、裂隙与石炭系中上统壶天群岩溶含水层相连，隔水性不可靠；泥盆系中统东岗岭组下段灰泥岩(D2da)和泥盆系中下统桂头群砂页岩(D1-2gt)共同构成了矿区的底板隔水层。而矿区普遍覆盖的第四系松散堆积层(亚黏土或黏土、亚砂土夹砂砾石组成)含水性弱，对石炭系中上统壶天群岩溶含水层而言，可视为相对隔水层。但因人为开挖以及矿床疏干，地表大量出现的裂缝和塌陷已成为大气降水和地表水渗漏补给壶天群岩溶含水层的良好通道，研究区内第四系的隔水作用已遭到破坏[16]。

图1 凡口矿区水文地质简图Fig.1 Hydrogeological map of Fankou mining area

图2 凡口矿区206勘探线水文地质剖面图Fig.2 Hydrogeological section of 206 exploration line in Fankou mining area

研究区的地质构造中F3、F4、F5断层对凡口矿区水文地质条件的影响较大，但由于 F3断层位于采区西部，紧邻西部隔水边界，因此本次不做研究。F4断层将其上盘石炭系和泥盆系的相对隔水地层(C1、D3m、D3tbc)大幅度抬升，使F4断层的东侧出现了一条相对连续的地下隐伏隔水墙。该隔水墙顶部标高在+0 m 以上，北接金星岭背斜隔水层，南端向西弯曲与曲塘隐伏背斜构成的隔水边界相连，从而在狮岭采区顶部构成一个四周被隔水层封闭的半月形隐伏“含水盆地”，外围地下水则只能翻过该隐伏隔水墙向狮岭采区补给(见图1和图2)。而F5断层，前人根据该断层及旁侧壶天群灰岩完整、裂隙不发育、岩层导水性差以及断层两侧水位相差悬殊，认为其构成了局部隔水带[14,16]，但因岩溶发育的非均质性较强，F5断层的隔水性还需要进一步研究。

在未开始大规模疏干前，凡口矿区地下水水位平缓，地下水水位为97～110 m，地下水顺势从西部及北部向东部径流。从1965年凡口矿区开始修建截流疏干工程(狮岭、新南及北截流巷)，至1989年工程完毕(见图1)，随着疏干降水的进行，矿区形成了一个半径为2 900 m、深达110 m、疏干范围为7.75 km2的疏干漏斗，地下水流场发生了较大变化，从以前的自西北往东南径流变为由南、东、北三个方向向降落漏斗中心径流。

从上述凡口矿区水文地质条件可知，以曲塘背斜和金星岭背斜的轴为隔水边界，矿区可分为两个相对独立的水文地质单元：其中金星岭以北区域的水文地质单元岩溶发育相对较弱，因疏干排水造成的环境地质问题较少，且矿体将开采完毕，其涌水暂无进一步治理的必要；而金星岭以南区域的水文地质单元的矿坑涌水量占全矿区矿坑总涌水量的85%，且周边因疏干排水造成的地面塌陷严重，是后期涌水治理的主要对象。故凡口矿区于2008年开始实施帷幕注浆工程(见图1，EFGHI段)，目前除帷幕EF段还未完工外，其他段均已完成。实施帷幕注浆工程后，矿坑涌水量由原来的17 000～37 000 m3/d减少至13 800～25 600 m3/d，减幅达30%以上，地表岩溶塌陷数量明显减少，而帷幕外部地下水水位持续上升，说明矿坑疏干排水对帷幕外地下水的影响减小。

2 示踪试验目的与方法

2.1 示踪试验目的

根据凡口矿区的岩溶水文地质条件与工程勘探，凡口矿对金星岭以南区域的水文地质单元采取了帷幕注浆的防治水措施，其北部以曲塘背斜和金星岭背斜为隔水边界，东部以F5断层为隔水边界，西部为稳定的隔水层，在南部设置帷幕并向东延伸至隔水边界(见图1，EFJHI段)，注浆深度均至天子岭组中上段(D3tbc)稳定隔水层。本次示踪试验的目的是：①检验已完工帷幕工程的堵水效果；②研究区是否还存在未发现的集中径流带；③获取研究区相关水文地质参数。

2.2 示踪试验方案与过程

结合本次示踪试验目的、研究区地下水等水位线图和已有钻孔情况(钻孔孔径、孔深、是否淤堵)，确定了本次示踪试验方案，见表1。

表1 示踪试验方案Table 1 Tracer protocol

由凡口矿区地下水等水位线(见图1)可知，研究区东北部地下水水位明显低于东部，即第一组试验投放点地下水不会向第二组示踪方向流动，两组试验可采用相同示踪剂，不会产生干扰；而第三、四组试验为了防止干扰，示踪剂分别采用了荧光素钠和荧光增白剂，且为了避免不同组试验公用的检测点不出现污染，下一组试验均在上一组试验公用检测点检测不出示踪剂后才开始，各组试验示踪剂实际投放时间见表1。

示踪剂监测采用GGUN-FL30型野外自动荧光仪，其具有自动化程度高、在线连续监测精度高、不易受到污染以及携带方便、操作简单等特点，由于其探头吸收光强与荧光素的浓度成反比，所以可根据标准函数计算出荧光素的浓度[17]。

因第一、二组试验均为间隔较短时间相继投放荧光增白剂和罗丹明两种示踪剂，且两种示踪剂为同时检测，为了明确两种示踪剂之间是否存在干扰，本次通过在室内依次改变两种示踪剂浓度(即质量浓度)并读取仪器读数，来探究两者是否会产生相互干扰现象，即是否会对检测值产生影响。

室内试验步骤如下：

(1) 在水桶中加入适量清水，并向水桶中加入0.05 mL荧光增白剂作为初始示踪剂，加水至每个水桶水量达到10 L，搅拌均匀后放入示踪仪，待仪器稳定2 min后，记录相关操作时间。

(2) 向桶中加入0.05 mL罗丹明，搅拌均匀，待仪器稳定2 min，并记录相关操作时间。

(3) 重复步骤2，直至6次后一共滴入0.3 mL罗丹明溶液。本轮试验结束后，读取示踪仪记录的相关数据，并清洗地下水示踪仪和水桶。

(4) 将初始示踪剂改为罗丹明，改变荧光增白剂的量，重复步骤1至步骤3。

(5) 拆洗仪器。

试验结果见图3。

图3 室内示踪剂干扰试验对比曲线Fig.3 Comparison curves of indoor tracer interference experiment

由图3可以看出，无论是改变罗丹明还是荧光增白剂的浓度，另一种示踪剂的检测值均不会发生改变，即罗丹明与荧光增白剂之间不存在相互干扰的现象。

每组野外示踪试验的具体过程如下：

(1) 测量检测点背景值。

(2) 投放示踪剂时，先将示踪剂在水中溶解，为了防止示踪剂污染，通过漏斗将示踪剂溶液注入钻孔或塌陷点，然后持续注水约2 h，以冲洗投放点的示踪剂，使示踪剂尽量多地参加地下水径流。

(3) 试验过程中考虑地层岩性在垂向上强烈的非均质性，在地下水中检测出示踪剂之前，根据各检测点的地层岩性及钻孔结构，人工每隔2 m(或5 m)进行分段检测，以查明地下水在垂向的主要径流段，待在某一深度检测到示踪剂后，将探头固定于该深度进行检测，检测时间间隔为5 min。

研究区示踪剂投放点分布见图4。

图4 研究区示踪剂投放点分布及地下水流向图Fig.4 Distribution of tracer points and groundwater flow in the study area

3 示踪试验结果与分析

示踪试验结果分析可分为定性分析和定量分析，定性分析即通过检测点是否检测到示踪剂来判断示踪剂投放点与检测点的联通关系；而定量分析是根据示踪试验得到的示踪剂质量浓度随时间的变化曲线(即示踪剂穿透曲线，BTC曲线)获得溶质运移时间、溶质运移速度和弥散系数等，也可通过BTC曲线的形态特征来判断地下管道的发育特征。本文利用QTRACER2软件对符合岩溶管道紊流的示踪剂监测数据进行了定量分析与计算。该软件可较为合理地评价岩溶地下水系统的水动力学特性和溶质运移特性[18]，但因钻孔流量难以测定，故无法估算本次试验径流通道的几何参数。

对于岩溶管道中的紊流，示踪剂在岩溶地下水中的运移主要以机械弥散作用为主，管道中地下水的溶质运移可用一维对流弥散方程来刻画，在不考虑滞后和衰减的情况下，其解析解为[19]

式中：C为示踪剂浓度(kg/m3)；x为纵向距离(m)；t为示踪剂投放后历时(h)；m为示踪剂质量(kg)；DL为纵向弥散系数(m2/s)；VL为纵向流速(m/s);A为横截面积(m2)。

3.1 第一组试验(CK35、CK48)钻孔结果与分析

2012年7月7日上午8∶40在CK35钻孔投放荧光增白剂1 kg,11∶00在CK48钻孔投放罗丹明1 kg，其中所有检测点均未检测出荧光增白剂，只有203/FK1钻孔检测点检测出罗丹明，第一组试验各检测点示踪剂穿透曲线见图5。

由图5可见，检测出的示踪剂浓度较低，且在迅速到达峰值后衰退曲线有较长的平台期，说明该区域管道流与溶蚀裂隙流共同组成的网状地下水系使示踪剂被充分稀释[20]。根据研究区6月份地下水等水位线(见图1)分析，203/FK1钻孔检测点处岩溶水应向新南截流巷L3裂隙等出水点径流，但试验过程中新南截流巷各个出水点均未检测出罗丹明，说明203/FK1钻孔附近地下水未穿过F5断层向新南截流巷流动，且附近钻孔显示该段F5断层(203/FK1钻孔至金星岭背斜隐伏隔水层)左右两侧岩溶不发育，故结合地下水等水位线分析可知，研究区东北部岩溶水应向北部，即向北截流向流动。

图5 第一、二组试验各检测点示踪剂穿透曲线(BTC曲线)Fig.5 Tracer penetration curves at each test point in the first and second sets of tests

3.2 第二组试验(东部塌陷点、CK55)钻孔结果与分析

2012年7月9日18∶40在CK55孔投放罗丹明2.0 kg，20∶00在东部塌陷点投放荧光增白剂2 kg，其中41/38硐室、新南出水口检测点检测出高浓度荧光增白剂，212/FK2钻孔、214/SK15钻孔、41硐室检测点检测出低浓度罗丹明，第二组试验各检测点示踪剂穿透曲线和各示踪段相关水力拟合参数见图5和表2。

由图5和表2可以看出：

表2 各示踪段相关水力拟合参数Table 2 Related hydraulic fitting parameters of each tracer

(1) 东部塌陷点到各检测点的示踪剂BTC曲线主峰峰型尖锐，示踪剂浓度高，持续时间较短，平均流速快(120.43～127.93 m/h)、峰值流速很大(283.36m/h)，参数拟合较好，符合岩溶管道中的紊流特征；东部塌陷点到新南出水口、41硐室检测点的示踪剂BTC曲线[见图5(d)、(f)]形态相似，拟合参数接近，示踪剂浓度呈现“先高后低”的多峰曲线，推测东部塌陷点至两出水点为同一径流通道，示踪剂浓度高峰值是主流通道的峰值，低峰值为支流通道的峰值，因为受到主流通道的稀释导致示踪剂峰值浓度降低。以上研究结果说明东部塌陷点至研究区应存在一东西向且由多条溶蚀管道组成的地下水集中径流通道，该通道中的地下水径流迅速，水量巨大。根据现场调查，41硐室、38硐室及L4裂隙均揭露出近东西向的断层破碎带或裂隙，矿区东部的塌陷点也大都沿东西向延伸；从凡口矿区1963—2012年的地下水等水位图中发现，无论是在天然条件下还是在矿区地下水疏干过程中，在矿区东部均存在一东西向地下水主要径流通道；此外，注浆孔实际揭露资料由图4可知，研究区有小面积天子岭组地层因断层错断抬升。综上所述，该区应存在一东西向断层破碎带，且沿断层破碎带东西向岩溶发育，为目前矿区地下水的主要径流通道，是后期帷幕注浆的主要目标段。

(2) CK55钻孔投放点的示踪剂浓度消散较快，但到212/FK2、214/SK15钻孔检测点检测出的罗丹明浓度较低，示踪剂滞留时间较长[见图5(b)、(c)]、扩散作用明显(Pe数较大)，曲线拟合较差或无法拟合，说明CK55钻孔连通性良好，附近岩溶发育，示踪剂很快进入地下水流中，而IH段帷幕有较好的阻水效果，地下水流速变缓，示踪剂被充分稀释，但仍残留少量由裂隙组成的渗流通道。通过查阅IH段帷幕注浆段资料发现，该段帷幕注浆孔施工深度较小，虽到达稳定隔水层，但未穿越F5、F6断层；另外根据注浆孔实际揭露资料，该段F5、F6断层均被错断，且天子岭组(D3t)泥质灰岩因断层错动上升，附近钻孔揭露的岩性破碎，推测IH注浆段残留的渗流通道应沿深处断层破碎带分布。而CK55钻孔—41硐室的示踪剂BTC曲线显现多峰曲线，罗丹明初现时间明显早于另外两个检测点，推测CK55钻孔处部分岩溶水通过多条裂隙向西南方向流动，汇入东部塌陷点至研究区的径流通道，从而示踪剂较快到达41硐室。

3.3 第三组试验(220/SK9)钻孔结果与分析

2012年7月13日上午10∶20，在220/SK9钻孔投放荧光素钠1.75 kg，随后仅在216/FK1钻孔检测点检测出较高浓度的荧光素钠，214/FK3钻孔和帷幕内部各检测点均未检测出示踪剂，第三组试验216/FK1钻孔检测点示踪剂BTC曲线及其拟合参数见图6(a)和表2。

由图6(a)和表2可见，说明FH注浆段堵水效果良好，南部岩溶水沿帷幕外侧向东部绕流，原南部F4断层至F5断层间的地下水主要径流通道已不存在。

3.4 第四组试验(西部塌陷点)结果与分析

2012年7月11日晚上22∶00在西部塌陷点投放荧光增白剂2 kg，仅在狮岭南和41硐室检测点检测出高浓度的荧光增白剂，其他检测点均未检出，检测点两个检测点示踪剂BTC曲线及其拟合参数见图6(b)、(c)和表2。

图6 第三、四组试验各检测点示踪剂穿透曲线 (BTC曲线)Fig.6 Tracer penetration curves at each test point in the third and fourth sets of tests

由图6(b)和表2可见，狮岭南出水口检测点检测到的示踪剂滞留时间长(10 h)、扩散作用明显、峰值浓度较高，说明西部塌陷点到狮岭南出水口径流集中，但流速较缓，水力梯度不大，应是FG段帷幕良好的隔水性导致附近地下水水位抬升，地下水翻越隐伏隔水层，通过表层强岩溶带流入；41硐室检测点检测出较低浓度的荧光增白剂，说明示踪剂流入含水槽内被稀释后翻越F4断层附近隐伏隔水层向41硐室径流，径流管道相对集中，流速较低，示踪剂BTC曲线[图6(c)]由于横向弥散作用而形成了一个很长的“拖尾”现象[21]。

综上所述，隐伏隔水层因地下水水位抬升失去了隔水效果，EF段帷幕尚未完工，其堵水效果暂不理想。

4 结论与建议

根据示踪试验结果和研究区钻孔、水文地质资料，本研究得到以下结论：

(1) 研究区203/FK1钻孔至金星岭背斜隐伏隔水层附近F5断层的左右两侧岩溶不发育，可视为稳定隔水层，无需施工帷幕，岩溶水会向北截流向绕流。

(2) 研究区东部(IH段帷幕北部)存在沿断层破碎带发育的近东西向集中径流带，该段F5断层无隔水效果，示踪剂穿透曲线特征及其拟合参数说明该径流带由多条岩溶管道组成，且地下水流速快、水量巨大，是后续帷幕注浆的主要目标段。

(3) 已建帷幕中，FH段堵水效果良好；IH段因注浆深度较浅，深部断层破碎带残留有渗流通道，有待所有帷幕完工后根据矿坑涌水量情况决定是否增加注浆孔；而EF段帷幕尚未完工，堵水效果不佳，但根据示踪试验分析发现因FH段帷幕堵水良好导致该区域地下水水位抬升，可翻越隐伏隔水层从表层强岩溶带流入狮岭南截流巷，建议将EF段延伸至研究区西部出露的稳定隔水层。

本研究由于缺乏准确的钻孔流量数据，无法估算示踪期间径流通道储水量、径流通道横断面积、径流通道直径等几何参数，还需要后续进一步研究。从本次示踪试验的示踪剂穿透曲线可以看出，岩溶地区地下水溶质运移过程较为复杂，单纯的一维对流-弥散模型或扩散模型均难以准确地描述岩溶地区地下水溶质运移过程，还需要深入研究，以提出更加符合实际情况的概化模型。

示踪试验在检测岩溶地区帷幕渗流及查找集中径流通道方面具有直接性、准确性和经济性等优点，可有效地避免帷幕截流工程因防渗失当而减效(或无效)，也可避免过度建设帷幕而浪费资源，是岩溶地区矿山开采中突水、地面塌陷等灾害防治的有效检测手段。