冬瓜山铜矿地下水动态监测

冬瓜山铜矿地下水动态监测

梅花   孟 艨

（安徽省地质矿产勘查局321地质队，安徽 铜陵 244000）

摘要：冬瓜山铜矿冬瓜山矿段开采历史长、范围大且深度大，开采对象多，全矿水文地质条件较复杂。通过布置施工观测水文孔形成相对完整的地下水动态观测系统，准确掌握和分析矿区地下水水位变化趋势，可指导矿区安全生产，防止井下强排水引起地面岩溶塌陷等环境地质问题。本文重点对冬瓜山铜矿水文监测布置、观测内容、获取水文地质参数及测定方法进行分析研究。

关键词：地下水监测；观测水文孔；渗透系数

1.矿区概况

1.1自然地理

冬瓜山铜矿位于安徽铜陵市义安区。属亚热带湿润性季风气候区。受东亚大气环流影响，具有降水季节性强，雨量充沛且集中，气候温和，无霜期长，光照充足，季风显著等特点。矿区两侧为低丘，最高点标高为167.2m，中部为冲沟，最低点标高为15.7m，地表高差变化较大。

1.2地层地质

冬瓜山铜矿位于长江南岸丘陵平原区，构造上属大通－顺安复向斜，水文地质条件严格受区域地貌、地质构造和岩性控制，主要含水层为二叠系栖霞组、三叠系龙头山组和分水岭组。

1.3含水岩组及富水性

按岩层含水特征划分为5个含水岩组：松散岩类孔隙含水岩组、碳酸盐岩类岩溶裂隙含水岩组、碳酸盐岩类夹碎屑岩类溶蚀裂隙含水岩组、碎屑岩类裂隙含水岩组及岩浆岩类裂隙含水岩组。

2地下水动态监测网布置

2.1地下水观测孔布设原则

以冬瓜山矿段为工作重点，同时要着重控制主要导水破碎带和冬瓜山矿段直接顶板P1q，浅层着重控制T2n含水层。结合地下水流向、矿区以往水文地质资料中矿区等水位线和降落漏斗形态特征，以观测线形式布置钻孔。水文观测孔应充分考虑矿井采掘工程规划和地表工程建设规划来布设，根据地形条件、施工条件、钻孔保护要求以及不影响矿井安全生产等因素确定孔位，以便永久保留。尽量做到一孔多用，一孔多层监测，监测井产权（如井深、占地、附属防护设施等）应明确。尽量采用自动化监测。

2.2地下水动态监测布置

地下水动态监测系统包括信息采集、传输、处理三部分，通过计算机网络实现监控断面实时监测。冬瓜山铜矿开展矿区地下水动态监测，共部署长期水文观测孔7个，分别为ZK750、ZK540、ZK672及CG01~CG04，主要位于冬瓜山铜矿主矿体北部区域、矿床两翼及破碎带处，可圈定水位降落漏斗，形成地下水观测网。

表2  设计水文地质长观孔一览表

图2 冬瓜山地下监测平面布置图

图3  矿区75线地下水观测孔示意剖面图

2.3地下水监测内容与监测手段

地下水动态监测内容包括水位、水质、水温监测。重点监测矿区疏排水情况下各观测孔及观测层位水位变化。观测期间应掌握同期的气象资料。同步进行降雨量观测。

水位、水温监测采用自动监测仪器设备，进行实时对比。水质监测以人工监测为主，定期取样，室内检测。

2.4监测频率与周期

水位、水文观测，每隔5~10天测量一次，雨季或动态急剧变化时段加密。水质监测在丰水期和枯水期各取样一次，在地下水和地表受到污染的地区增加取样次数。

观测井施工并安装好观测设备后，采取观测设施保护措施，如水泥硬化及防护栏保护等。观测时间不宜少于一个水文年，收集有效观测数据，确认观测井满足设计要求标准后由生产部门继续观测。

3.水文地质参数及测定方法

3.1渗透系数

①单孔抽水试验计算渗透系数

单孔抽水试验是只在一个抽水孔中抽水，并量测出水量与降深值。单孔稳定流抽水试验中Q~s（或△h2）关系曲线呈直线时，渗透系数按下列方法计算：

、

式子中：k—含水层渗透系数（m/d）；Q—出水量（m3/d）；H—自然情况下潜水含水层厚度（m）；s—地下水位下降值（降深）（m）；h—潜水含水层的抽水试验时的厚度（m）；R—影响半径（m）；r—抽水井过滤器的半径（m）。

图4 潜水层抽水试验示意图   

②水位恢复速度计算渗透系数

停止抽水后，根据不同时刻水位恢复与时间的关系，按下式方法计算渗透系数：

式子中：k—含水层渗透系数（m/d）；rw—抽水孔的半径（m）；H—潜水含水层的厚度（m）；t—水位恢复时间（min）；s—水位恢复时的剩余下降值（m）。

图5 潜水层抽水恢复示意图  

③利用同位素示踪测井计算渗透系数

同位素示踪测井法是把放射性示踪剂投入钻孔或测井中，再用放射性探测器测定该点地下水流速和流向的方法。测定地下水流速采用微量的放射性同位素标记滤水管中的水柱，标记的地下水柱被流经滤水管的水稀释而浓度淡化。采用同位素示踪测井资料计算渗透系数采用下列公式：

式子中：Vf—测点的渗流速度（m/d）；I—测试孔附近的地下水力梯度；r—测试孔滤水管内半径（m）；r0—探头半径（m）；t—示踪剂浓度从N0变化到Nt所需的时间（d）；N0—同位素在孔中的初始计数率；Nt—同位素在t时的计数率。

3.2导水系数

导水系数是含水层全部厚度导水能力的一个参数，为渗透系数与含水层厚度的乘积。

3.3岩土体的容水度、持水度、给水度

常压下岩土体孔隙中能够容纳若干水量的性能，该性能可用容水度衡量。岩土体中能够容纳水的体积与整个岩土体的容积之比，它相当于饱和体积含水率。

岩土体颗粒表面对水分子的吸引力二保持若干水量的性能，用持水度衡量。地下水下降时，结合水及各类毛细水滞留于非饱和带，并将持水度定义为滞留于非饱和带中而不释出的水体积与单位疏干体积的比值。

潜水含水层中地下水位下降一个单位高度时，地表至潜水面之间的单位水平面积垂直岩土柱中所能给出的水量为给水度。

容水度可采用浸水饱和法、毛细饱和法、真空饱和法等进行饱和后测定。

3.4流速测定

①水力比降法：在等水位线图中的地下水流向上，求出相邻两等水位线间的水力比降，然后按下式计算地下水的渗透速度：

式中：v—地下水的渗透速度（m/d）；k—渗透系数（m/d）；i—地下水的水力比降；△h—相邻两等水位线的水位差（m）；l—相邻两等水位线的距离（m）；v＇—岩土体地下水水的实际平均流速（m/d）；ne—岩土体的有效孔隙度，为岩土体中的校友孔隙体积与岩土体总孔隙之比。

图6 岩土体中孔隙示意图 

②指示剂或示踪剂法：当地下水流向确定后，沿流向线布置2个钻孔，上游为指示剂投放孔，下游为观测孔，两孔的距离视含水层的透水性而定，按下式计算地下水的实际流塑：

式中：v＇—地下水的实际（平均）流速（m/d）；l—指示剂投放孔与观测孔距离（m）；t—观测孔内指示剂浓度高峰值出现所需时间（h）；n—孔隙度。

3.5单位吸水率

单位吸水量是在0.01MPa（或1m水柱）压力下，单位长度（1m）试段在单位时间内的吸水量（L/min）。其单位为L/（MPa·m·min），可通过压水试验测定。

4.结束语

建立地下水动态监测网，查明主要含水层的排泄、地表水与地下水的关系，研究矿区主要含水层的富水性、渗透性能，研究矿坑疏干排水使的主要来水方向、来水形式、隔水边界及地面塌陷等水文地质问题，掌握地下水动态变化及其区深部采矿抽排水的水力联系，为矿山安全提供必要的保障。

参  考  文  献

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