安徽芜湖市矿山开采区水文地质综合勘查技术研究

宋庆昌

（五矿矿业（安徽）工程设计有限公司，安徽 合肥 230041）

安徽芜湖市矿山含有丰富的矿产资源，其中主要包含铁、金、铜、铅、锌等金属资源，安徽芜湖市矿山所采用的采矿方法主要为露天回填式开采方法，这种开采方法的使用对开采区的水文地质环境造成了严重的破坏，并且安徽芜湖市矿山周围的流域上部矿层存在于开采区和开采老空区，使安徽芜湖市矿山含水层、开采富水区一级采空积水区与周围河流具有复杂的水力联系，对开采区水文地质环境产生较大的影响[1]。由于安徽芜湖市矿山地质条件比较复杂，开采区分布不均匀，导致目前还没有明确安徽芜湖市矿山开采区水文地质情况，为此提出安徽芜湖市矿山开采区水文地质综合勘查技术研究。

1 安徽芜湖市矿山开采区水文地质综合勘查技术

1.1 开采区钻探设计与设备选择

作为水文地质综合勘查基础的钻探设计与设备选择，制约着勘查工作的作用与效率。为实现安徽芜湖市矿山开采区水文地质综合勘查的科学、准确、高效，结合现场勘查实际设计钻孔、钻具、钻孔间距等技术参数。钻孔位置直接关系到勘查工作的准确性；钻具的合理选择能够对勘查工作的效率起到倍增的效果；钻孔间距决定了是否能做到最勤俭节约同时又高效准确的勘查。合理的钻探设计与设备选择对提高水文地质综合勘查效率、减少勘查施工事故率具有重要作用。

安徽芜湖市矿山开采区的水文地质影响因素如下图所示。

图1 安徽芜湖市矿山开采区钻孔设计地质因素

图中八项主要因素决定了勘查钻探施工的质量。矿山地层结构是钻探设计的主要考虑因素，地层结构因素可以为钻探施工设计提供待钻进区域的水文地质岩性的构造以及分布特征。地层的岩石种类、岩石硬度、轴向压力等岩性特征影响着钻探施工的取心率和钻孔作业。岩石力学因素决定了产生人工应力干预下的岩石力学特征，其岩石硬度和轴向应力直接关系到钻孔速度和质量。地下水因素包括含水层、隔水层、顶板等，破碎性和溶解性的地下水构造会影响到钻孔稳定性以及孔内清洁度。矿物成分、地质构造、地质风化情况制约了钻具的选择和钻探方式设计。岩体构造因素包括岩石纹理、岩石种类、颗粒大小以及岩石密度等，这些特征与钻速设计紧密相关。安徽芜湖市矿山开采区地质复杂、水文条件多样，需要综合考虑以上每一项因素，保证综合勘查的科学性和合理性。根据安徽芜湖市矿山开采区实际情况，经过地图计算和实验室仿真，最终确定开采区钻探钻孔大小为12cm，钻孔间距为50cm，钻孔深度为1250m。

表1 绳索取心管规格及K值

钻探设备选择是否合理将直接关系到安徽芜湖市矿山开采区水文地质综合勘查效率和质量。对钻探设备选择需要重点考虑钻孔设计深度、钻孔倾角以及工程的岩石条件等因素，做到有规划地分类实施。其中孔深设计深度是钻机选择的主要依据，通常情况下钻机的钻孔能力要大于原本设计的孔深，当针对矿山水文地质工程这种特殊钻进条件时，要根据选择系数对钻机合理选择，选择系数计算公式如下所示：

式（1）中，L为选择系数；H为钻探施工中的设计孔深；N为钻机能力。安徽芜湖市矿山开发区勘查项目中选择系数取值0.5～1.2之间，在水文地质结构复杂区域，选择系数需要尽量放大一些，取值应接近1.2；在岩性结构较为稳定区域，选择系数可以适当降低。根据矿山水文地质结构的复杂程度来确定选择系数，得出钻机能力要求，作为合理选取钻机的依据。结合安徽芜湖市矿山开采区水文地质综合勘查需求以及实际情况，钻探施工采用XY-44型1500m钻机钻进。

1.2 预测地层压力

设计完安徽芜湖市矿山开采区钻探参数，并选择完钻进设备后，需要对安徽芜湖市矿山开采区底层压力进行预测，开采区底层压力的预测有助于水文地质综合勘查过程中保持钻探孔内压力平衡，从而更加精准的勘查到安徽芜湖市矿山开采区水文地质情况。地层压力预测方法有很多，常见的如仪器探测法、密度调整法、超声探测法等，具体适用哪一种预测方法需要根据勘查地的具体情况选择。鉴于安徽芜湖市矿山开采区环境复杂，但是地质条件较为统一，综合权衡操作性、预测准确度要求等因素，采用密度调整法预测。操作具体流程为：以2L/s左右排量向钻孔内泵入泥浆，记录不同时间的孔内压力以及泵量，计算出地层压力，其计算公式如下所示：

式（2）中，ρm为泥浆密度，单位为g/cm³；H为预测层孔深，单位为m；Pt为孔内遗失压力，单位为kPa。通过公式（2）计算出安徽芜湖市矿山开采区各个区域地层压力，为钻头孔涌水量提供数据支撑。

1.3 计算开采区钻探孔内涌水量

通过钻探和地层压力数值的预测，对安徽芜湖市矿山开采区各个区域地下水涌水量进行计算。由于安徽芜湖市矿山开采区内含水层富水性极不均匀，结合此次钻探成果对开采区东部、中部、北部以及南部四个区域涌水量进行计算。由于此次研究篇幅有限，仅以安徽芜湖市矿山开采区东部区域涌水量计算为例，安徽芜湖市矿山开采区东部涌水量计算时主要涉及开采区顶板含水层，综合此次钻探结果选取参数，安徽芜湖市矿山开采区东部上覆含水层涉及八个水文钻孔，钻孔号分别为SDS01、SDS02、SDS03、SDS04、SDS05、SDS06、SDS07、SDS08。此次采用绳索取心法进行预测开采区钻孔内涌水量，其计算公式如下：

公式（3）中，Q为开采区钻探孔内涌水量值；K为开采区上覆含水层顶板渗透系数；S为开采区钻探孔内水柱高度；L为导水裂缝带导通的含水层厚度；D为开采区钻探绳索取心管K值；T为绳索取心影响半径。利用上述公式计算出各个钻孔的涌水量，其中开采区钻探绳索取心管K值需要根据所使用的绳索取心管来确定，下表为绳索取心管规格及K值表。

利用公式（3）计算的安徽芜湖市矿山开采区矿层涌水量，其中安徽芜湖市矿山开采区东部涌水量平均值为23.45m³/h，最大值为36.45m³/h；安徽芜湖市矿山开采区中部涌水量平均值为35.23m³/h，最大值为62.23m³/h；安徽芜湖市矿山开采区北部涌水量平均值为15.26m³/h，最大值为30.15m³/h；安徽芜湖市矿山开采区南部涌水量平均值为24.28m³/h，最大值为35.18m³/h。通过对开采区各个区域的涌水量计算，以此完成了安徽芜湖市矿山开采区水文地质综合勘查。

2 结束语

本文结合相关资料，对安徽芜湖市矿山开采区水文地质综合勘查技术进行了研究，详细分析了安徽芜湖市矿山开采区水文地质综合勘查技术的应用流程。此次研究对预防和治理安徽芜湖市矿山开采区水文地质灾害提供了重要的数据依据，同时为研究安徽芜湖市矿山开采区水文地质综合勘查工作提供了有利的参考依据。