基于多孔抽水试验的水文地质条件分析——以马城铁矿为例

胡雪峰，左文喆，康振兴，杨 豹，田 硕

(1.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063200；2.首钢滦南马城矿业有限责任公司，河北 唐山 063700)

非稳定流抽水试验的解析公式复杂，不同类型含水层的确定及求参过程繁琐且受人为因素影响较大，Aquifer Test是一款加拿大研发的用于解译分析以及可视化抽水实验数据的一款软件，可应用于解译分析抽水试验数据，运用Aquifer Test，可通过s-lgt( 降深-时间) 和 ds/dt-lgt( 降深速率-时间)两种曲线，与标准曲线的对比，首先确定含水层类型、边界条件等含水层性质，然后选定相应的含水层类型公式，求取相关参数[1-2]。本文通过运用此方法对马城矿区的抽水试验数据进行分析研究，以确定马城矿区不同位置的含水层类型和各断层的导水性，确定矿床充水条件。

1 矿区概况

马城铁矿是我国发现的特大型沉积变质铁矿床[3-4]，矿区位于滦河冲洪积扇一级阶地顶部(图1)，地势北高南低，西高东低，地形起伏不大，矿区的含矿岩系为斜长角闪岩-黑云变粒岩-细粒镁铁闪石(或阳起石)磁铁石英岩建造，除断裂带或者裂隙附近有少量含赤铁矿矿石之外，其它均为较为纯净的磁铁矿矿石。第四系地层分布全区，北薄南厚，厚度50～180 m，从上到下分为四个部分(图2)：上部主要为含水量丰富、透水性强的砂砾卵石强含水层；强含水层以下是一层覆盖全区的黏土层，一般厚度5～8 m，最大厚度15 m，一定程度上降低了第四系上下两含水层间的水力联系，为相对隔水层；相对隔水层以下是粉质黏土与含角砾砂土层，透水性相对较好，为中等含水层；第四系底部是以粘土、粉质粘土等为主的相对隔水层，连续性比较差，局部缺失形成“天窗”[5，6]。

矿区内主要发育有F1、F2、F3三条断层，各断层均具多期次、重复性活动特点，断层及其裂隙带影响范围达上百米[6]。断层及其裂隙带对矿体影响较大，不仅降低了围岩的强度，也增强了基岩的导水性，富水性。因此要在这样复杂的水文地质条件下进行开采，了解矿区不同位置间的水力联系、断层性质、含水层类型就十分重要。

图1 矿区地形地貌

图2 矿区第四系地层分布

2 抽水试验

为进一步了解马城矿区的水文地质情况，明确含水层类型，利用勘探阶段抽水试验数据进行分析，用开拓阶段涌水情况加以验证。抽水试验共有2个抽水大井，17个观测孔。抽水试验分为三个阶段，依次为： DCK02孔抽水阶段； DCK01、DCK02群孔抽水阶段；停泵恢复阶段。其中DCK02孔抽水阶段历时7 d21 h，主井出水量175.36 m3/h，降深13.06 m。抽水孔、观测孔位置及形成的降落漏斗见图3。通过观测断层附近观测孔水位变化情况对断层的导水性、阻水性进行分析。从图3中可以看出抽水形成的降落漏斗的等水位线主要沿三个方向展布：北方向、南方向、北偏东方向，与三条断层的走向大致相同，导水性强的方向，降深等值线相对稀疏，导水性差的方向，等值线密，说明DCK02多孔抽水试验形成的基岩地下水漏斗的形态，主要受F1、F2、F3三条断裂构造控制。

为进一步分析抽水孔与观测孔之间的关系，进而绘制各孔水位降深随时间变化的曲线图(图4)，根据降深曲线的特征分为两类，见图4(a)和图4(b)。

(a) 与抽水孔水力联系相对较好的观测孔

(b) 与抽水孔水力联系相对较差的观测孔图4 各孔水位降深随时间变化曲线图

图4(a)中观测孔的降深-时间曲线与抽水孔DCK02走势基本一致，联动性较好，结合图3发现与抽水孔水力联系好的观测孔为ZK0-4、SK19等7个孔，均位于断层裂隙带内，这些观测孔虽然在水位降深上有一定差距，但都体现出对抽水试验反应迅速、水位降深幅度大的特点，说明图3中观测孔所在位置断层裂隙带与抽水孔之间水力联系较好，是良好的导水通道。

图4(b)中观测孔的降深-时间曲线受抽水孔DCK02的影响较小，反应较慢，结合图3中各井孔的位置进行分析，其中DK01、DK02虽然位于F1断层上盘裂隙带内，但是水位下降依然很小，说明此处断层裂隙带导水能力差，断层为阻水断层，而经过长时间的抽水过程，水位未出现突变现象，存在一定的滞后期，说明断层有一定的阻水能力；SK15和ZK11-1处于基岩完整区，与抽水孔水力联系差；SK16距离断层带较远，受抽水漏斗半径影响水位降深小；SK07、SK10在断层与矿体的共同影响下水位降深小，反应时间滞后，说明矿体具有良好的阻水作用。

3 多孔抽水试验解译分析

3.1 Aquifer test 4.2软件解译含水层类型

Aquifer test在解译承压含水层类型方面有Confined、Leaky or recharge、Barrier boundary、Double porosity、Well effects五种解译类型[1]。

Aquifer test解译含水层类型的步骤如下：(1)把通过抽水试验得到的数据在Excel中整理保存；(2)打开软件，单击主材单中的File，再点击Open把所保存的抽水试验数据导入；(3)在创建的工程中标明抽水井与观测孔，在Discharge栏中导入抽水井相关数据；(4)在Water levels栏中导入各孔的抽水数据，生成时间-降深曲线；(5)在分析栏中选择Diagnostic Graph把生成的曲线图与标准曲线对比明确含水层类型。

3.2 含水层类型解译

含水层类型解译的意义在于通过确定含水层类型，明确构造裂隙带各部位的含水层结构及边界条件。矿区三条断裂本身透水性弱，对水力传导有一定的阻碍作用，但断层两侧裂隙发育，同时三条断层的复合作用带裂隙发育，岩层破碎，形成富水性和导水性较强的构造裂隙含水层。为明确矿区各部位的基岩含水层类型，对DCK02多孔抽水试验各观测孔进行了详细的解译分析，其中观测孔ZK0-4、SK20、ZK12-3、ZK11-1的解译曲线分别为四类含水层的典型代表，对它们的解译分析如下：

图5 观测孔ZK0-4单对数解译曲线(s-lgt、ds/dt-lgt)

图5为观测孔ZK0-4通过软件Aquifer test解译出的单对数解译曲线，图中显示，降深(s-lgt)曲线的趋势为“折平拐弯”，抽水的前期和后期为近似平行直线；降深速率(ds/dt-lgt)曲线为“双拱形”；在双对数坐标下(图6)，降深(s-lgt)曲线在抽水过程的前期与后期与Theis曲线的变化较为一致，中期偏离标准的Theis曲线，而降深速率(ds/dt-lgt)曲线也为“双拱形”，这些曲线的特点与双重空隙介质含水层标准曲线吻合，因此ZK0-4所处位置含水层类型为双重介质含水层。

图6 观测孔ZK0-4双对数解译曲线(lgs-lgt、ds/dt-lgt)

ZK0-4孔处破碎带较强，根据ZK0-4孔解译结果，结合图3中该孔与F2断层之间的关系，可以推断出F2断层裂隙带储水、导水情况。ZK0-4位于F2断层构造裂隙带，此处构造裂隙和基岩风化带微小裂隙发育，构成均匀的裂隙网络，是富水性较好的含水层，顶部风化层透水性较强，风化层之上是第四系底部存在粘土“天窗”，抽水初期以小裂隙释水为主，后期大的导水裂隙释水及第四系补给，解译曲线表现为双重孔隙介质类型。

图7 观测孔SK20单对数解译曲线(s-lgt、ds/dt-lgt)

图7是观测孔SK20的单对数解译曲线，从降深(s-lgt)曲线可以看出在抽水过程中，曲线一直处于上升阶段未出现“折平”现象， 降深速率(ds/dt-lgt)曲线则在抽水中后期体现出“折平”的特征，这些特征与Theis无越流承压含水层标准吻合，因此确定观测孔SK20所在位置的含水层类型为Theis无越流承压含水层。

根据SK20解译结果结合图3中SK20所在位置可以得出，虽然SK20位于F2断层构造裂隙带内，但相对较远，因此基岩受到断层的影响要小，所以SK20所在含水层并未表现出双重空隙介质含水层的特征。第四系底部黏土层的存在阻隔了第四系与基岩的水力联系，使得垂向上无越流补给，因此未表现出有越流补给的特征曲线。从抽水试验形成的降落漏斗形态可以看出，SK20处水位等值线稀疏，可以确定在抽水试验期内没有隔水边界影响，说明F1、F2断裂影响带的分布范围有一定的宽度，渗透性良好，水力联系好，另SK20距抽水孔较远，且在F1断层以北，说明F1断层西段不隔水。

图8是观测孔ZK12-3单对数解译曲线图，降深(s-lgt)曲线在整个抽水试验过程中出现“折平”的特征，降深速率(ds/dt-lgt)曲线表现为“单拱形”，在双对数坐标下(图9)，降深(lgs-lgt)曲线在抽水试验的前期与Theis曲线较为一致，在抽水后期的曲线与时间轴趋于平行；降深速率(ds/dt-lgt)曲线表现为“单拱形”的特点。解译曲线的特点表明ZK12-3所在位置的含水层为有补给的承压含水层。

图8 观测孔ZK12-3单对数解译曲线(s-lgt、ds/dt-lgt)

图9 观测孔ZK12-3双对数解译曲线(lgs-lgt、ds/dt-lgt)

根据解译结果可以得出，随着试验的进行观测孔ZK12-3地下水水位趋于一个定值，表明补给量与抽水量达到动态平衡，因此可以确定在ZK12-3所在位置第四系水通过“天窗”补给基岩水，所以基岩含水层接受垂向和横向两个方向的水量补给。

图10 观测孔ZK11-1单对数解译曲线(s-lgt、ds/dt-lgt)

图10是观测孔ZK11-1的单对数解译曲线图，ZK11-1所在位置由于受矿体的影响水位降深出现较晚，因此在抽水试验时降深曲线与降深速率曲线仍处于上升阶段，降深(s-lgt)曲线有明显的“上扬”趋势，这一曲线特点表明次数含水层类型为有隔水边界的承压含水层，隔水边界为周围矿体。

通过对DCK02多孔抽水试验各观测孔解译分析，明确了矿区各孔所在位置的含水层类型，结果见表1。

通过对马城铁矿抽水试验及抽水试验形成的降落漏斗分析，明确了矿区基岩水在三个方向上水力联系紧密(与F1、F2、F3三断层走向一致)，三条断层的构造裂隙带导水性好；根据水位降深等值线的疏密可以判断出构造裂隙分布范围较大；钻孔 ZK11-1的数据说明其周围的矿体为阻水边界，具有较好的阻水能力。

表1 各观测孔所在位置的含水层类型

4 3#回风井突水

2019年3月30日3#副井-480 m水平发生突水，涌水量404 m3/h；2019年4月3日3#回风井-900 m水平发生突水，涌水量392 m3/h； 受3#副井突水影响，ZK0-4，SK19，DGK02三个观测孔水位出现了下降，进一步说明了断层构造裂隙带的导水性，ZK15-4距离3#副井较远，未受其影响；3天后，3#回风井发生突水时，ZK0-4，SK19，DGK02，ZK15-4反应迅速(图11)，且水位降深较大，说明F2断层南段及其破碎带导水性较好，验证了抽水试验的结论。

图11 2019年3月30日0时起观测孔时间-水位降深曲线

5 结语

通过对马城矿区的群孔抽水试验数据及施工过程中突水时水位数据进行分析，明确了矿区内三条断层的导水性，三条断层间因有构造裂隙带存在导水性较好，其中F2断层南段导水性好，北段因有辉绿岩脉填充且辉绿岩脉较完整，导水性较差，F1断层东北段由于有断层泥充填导水性很差，西南端导水性较好，F3断层同样有断层泥充填导水性很差。三条断层本身均具一定的阻水作用，导水性较差，但其构造裂隙带导水性良好，是矿区内主要导水通道，在第四系底部黏土层缺失的“天窗”区，因缺失相对隔水层，基岩与第四系水力联系紧密，表现为越流补给的承压含水层和双重孔隙介质含水层。