岩溶区矿山水文地质参数研究规律

迟帅 符嘉望

1. 广东省地质局第十地质大队 广东 中山 528427 2. 广东省地质局第八地质大队 广东 梅州 514089

本次主要研究某矿区岩溶发育问题，针对该区域地下岩溶含水层富水性及相对隔水层组成的地下含水层系统，本次通过地表空间三维方向岩溶发育情况的调查，对岩溶细化分层。同时，通过井下抽水试验确定不同含水层的渗透系数，并结合岩体裂隙发育综合分析，最终研究矿区地表岩溶与深部岩溶发育情况。

1 区域地质情况

1.1 地层岩性

研究区内主要为中生代三叠系个旧组地层，及少量第四系地层零星出露[2]。

中三叠统个旧组（T2g）：主要是纯碳酸盐岩，下部泥质灰岩、花岗岩。该层是矿区的岩溶含水层的主要研究地层，同时也是矿区主要矿床分布的主要地层。

第三系：主要岩性是灰色、浅灰色、灰黑色泥岩。在本次研究矿区山间盆地零星分布。

第四系：主要是研究矿区山间冲洪积物，位于山间盆地、沟谷等地。

1.2 地质构造

矿区主要以近东西向构造体系为主，常见出露地层为中三叠统个旧组碳酸盐岩。该构造体系中以压扭性断裂为主，东西向断裂个旧断裂带、马吃水山断裂带是其代表性断裂[3]。主要断裂带分布特征及展布如下，详见表1、图1。

图1 野外调查断裂带

表1 矿区主要断裂产状规模表

2 含水层（组）特征

研究区主要含水层地层是中三叠系个旧组碳酸盐岩。结合本次施工钻孔资料，将研究区按碳酸盐岩含量划分。均匀纯碳酸盐岩（碳酸岩盐含量＞70%），为碳酸盐岩裂隙岩溶含水层（地下水类型位Ⅰ）；间互碳酸盐岩（碳酸盐岩含量30-70%），为碳酸岩盐夹碎屑岩裂隙岩溶含水层（地下水类型位Ⅱ）；各个含水层（组）按划分如表2所示。

表2 碳酸盐岩组合特征列表

研究区灰岩主要出露地层是中三叠同个旧组，其中个旧组可细化分为卡房段（T2g1）、马拉格段（T2g2）。卡房段分为两个亚段，其中卡房段T2g11以灰岩为主，部分含泥灰岩，T2g12以白云岩、灰岩为主；马拉格段T2g21主要为白云岩，具有藻层纹、砾屑等结构构造，以数毫米灰质白云岩、白云质灰岩、白云岩互层。

3 岩溶发育特征

研究区主要出露地层是三叠系中统个旧组（T2g）碳酸盐岩，在研究区碳酸盐岩含量超过80%，因此该区域岩溶发育条件具有较好的地质条件。加上研究区常年多发持续性强降雨，区域内降水充足，这为碳酸盐岩地区岩溶发育提供了良好的水文地质条件，本次研究多以岩溶的空间三维发育情况为主[4]。

3.1 岩溶发育平面特征

在研究区野外调查阶段，可见岩溶洼地、落水洞广泛分布，部分区域可见峰林、溶蚀冲沟、溶芽等。本次野外调查共发现岩溶洼地及落水洞185个，溶洞发育方向以45°、145°、320°为主。落水洞的长轴与短轴比多数在1-1.2，长轴-深度比主要集中在0.05-4.00，其他范围数量较少。经野外调查及相关试验，发现部分溶洞直接连通地下岩溶暗河，详见图2。

图2 区域溶洞发育方向-洼地长轴方向玫瑰花图

3.2 岩溶发育垂向特征

经研究区钻探资料，发现地下溶洞47处。表明在地下500 m深度内仍存在碳酸盐岩溶蚀，地下岩溶发育良好。主要位于海拔1050-1080 m、1150-1250 m、1280-1350 m、1400-1500 m这四个主要岩溶含水层中，对应岩溶裂隙含水层。因此在矿山施工过程中，应注意岩溶含水层突水灾害，保障井下安全开采，详见图3。

图3 地表岩溶分层发育概化图

4 水文地质参数

4.1 渗透系数

本次研究以单孔抽水试验为验证该区水文地质参数，选用《水文地质手册》上的潜水完整井流公式及承压井完整井流公式计算含水层渗透系数渗透系数。由计算结果，矿区渗透系数取值区间为0.019～0.542m/d[5]。

式中：

K——渗透系数(m/d) Q——抽水流量(m3/d)

Sw——抽水井水位降深(m) H0——含水层厚度

R——影响半径(m) rw——抽水井井半径(m)

4.2 渗透张量

4.2.1 岩溶洼地确定渗透张量

针对研究区水文地质参数的研究，以往各个含水层水文地质参数仅靠抽（放）水试验确定，其中单点或者单孔试验不具备区域代表性。然而天然地下水渗流场的水文地质参数具有各向异性，加之岩溶区地层渗透系数存在各向异性，在抽水试验过程中，抽水所形成的降落漏斗在水平方向近似一个椭圆形。根据稳定流和非稳定流抽水试验计算得出的渗透系数，并不能代表碳酸盐岩地区的渗透差异性。

而实际天然地下水渗流场在一个含水层中具有各项异性的渗透系数，单一一个点的水文地质参数并不能反映全区。以往通过数值法调参，导致数值模拟与真实地质情况存在很大的差异性。因此，通过地表岩溶洼地、落水洞发育规律，地下溶洞、井巷裂隙发育展布确定地下含水层三维渗透系数能更真实的反映地下三维含水层的渗透性能。

4.2.2 岩体裂隙确定渗透张量

通过对井下巷道岩溶裂隙调查，根据空间上裂隙的展布情况确定渗透张量数值，根据单个节理裂隙中水流的三维空间方程，计算公式如下：

式中：

g—重力加速度(m/s2)r—运动粘滞系数(N.s/m2)

b—裂缝的隙宽(m) J—平行于隙面的水力梯度

Q—裂缝中水的流量(m3/s)

以及拓广了的达西定律，

联立可得裂隙介质中的渗透张量：

式中主对角线上三元素即为所对应的Kx、Ky、Kz值，其中渗透系数：

裂隙渗透张量的拟合与区域岩溶洼地（落水洞）结果相近，但是有待进一步分层验证，三维裂隙渗透张量关系式如下：Ky=0.4975Kx Kz=0.2583Kx

图4 野外实测裂隙

对研究区节理裂隙拟合情况得出，裂隙的空间三维渗透张量呈现线性拟合关系。渗透张量Ky=0.4975Kx，Kz=0.2583Kx，线性回归拟合效果良好，详见图5、图6。

图5 裂隙计算Kx-Ky关系图

图6 裂隙计算Kx-Kz关系图

4.2.3 抽水试验降落漏斗确定渗透张量

本次选取灰岩发育区域，通过抽水试验形成降落漏斗对比野外调查岩溶洼地发育形态、井下节理裂隙发育情况。分析如下：降落漏斗与岩溶洼地、节理裂隙的渗透张量近似于椭球形态，在空间上基本一致，且主轴发向基本相同。因此，对于岩溶广泛分区区域，地下含水层渗透系数、渗透张量的确定可结合野外综合调查。当场地施工条件比较复杂时，可通过对比分析岩体裂隙、地表岩溶发育情况获取岩体的渗透系数。详见图6。

图7 个旧组渗透张量计算结果对比图

综上所述，通过对野外、井下巷道节理裂隙的调查，可近似得出岩溶地区渗透张量，该方法具有一定的实用性。

5 结束语

本次研究基于野外调查、抽水试验的基础计算岩溶区域地下含水层水文地质参数，现取得以下认知：

研究区地表及地下岩溶较为发育，受区域构造影响，节理裂隙对研究区岩溶发育具有较大的影响。

对于研究区地下岩溶发育情况，可进一步细化含水层，对于水文地质条件的了解十分重要。

通过岩体节理裂隙及岩溶洼地、落水洞的调查测量工作发现，节理裂隙及岩溶洼地发育情况与地层渗透张量拟合，且渗透张量在空间上表现类似一定的椭球，充分证明岩体裂隙及岩溶发育情况测量渗透张量方法可行。