摘要
马坑铁矿进入深部开采以后，矿区水文地质条件发生了较大变化，随着开采深度不断增加和疏干工作的持续进行，已有的勘察和研究成果已经无法满足现阶段疏干降水的要求。尤其是对目前矿区充水来源、地下水径流方向、外源水补给量等问题的认识不足，制约了矿山疏干工作的进程。地下水的温度作为水的重要物理参数之一，在水文地质调查中是非常有用的。地下水温度动态的特征与变化实际上是各种因素相互作用的结果，这就为通过研究地下水温度动态特征查明水文地质条件提供了可能。矿区充水岩层地下水温度动态的监测与分析，对查明矿区水文地质条件、识别疏干开采条件下矿区充水的来源与变化具有指示作用。 本次研究试图通过地下水温度动态特征分析和佐证前期水文地质条件分析的一些可能性预判。本文以矿区长达四年多的地下水温度时间序列为研究对象，结合大量的现场调研及室内分析、整理，对马坑矿区的水文地质条件进行了深入的了解。在此基础上，对矿区地下水温度动态进行定性地分析，并利用地下水温度动态特征结合地下水位动态对矿区的补给水源及突水点的充水水源进行识别，最后基于小波理论对地下水温度动态进行多尺度变换，通过对时间序列进行分解和重构，分析数据的长期变化趋势以及奇异性特征。通过以上研究，获得了如下几方面的认识: 1.矿区地下水温度动态特征 对观测孔地下水温度空间分布特征的分析表明，地下水温度在平面上因地质结构、补给和覆盖条件的差异而有所不同。观5和ZK557孔位于溪马河附近，上覆的沉积盖层阻碍了深部热流向上散发，导致两孔的水温较高，观7和观9孔由于距离东部灰岩裸露区和东北部砂岩裂隙水补给区较近使得水温偏低。垂向上，随着矿区地下水位的下降以及观测深度的增加，在观测深度改变的瞬间，地下水温度呈现不同幅度的上升。 随着疏干试验的进行和矿区岩溶水位的大幅下降，岩溶水系统的补给量增加，外来的温度较低的水源在径流过程中不断带走热量，使矿区地下水温度朝着降低的方向发展。观测孔地下水温度年内和多年动态特征的分析结果表明，大部分观测孔的水温整体呈下降趋势，各观测孔的水温年变幅度相差较大，其中观7和观9孔的年变幅超过0.2℃，其余大部分观测孔年变幅小于0.1℃，说明观7和观9附近地下水活动较活跃且距离低温补给源较近。 2.利用地下水温度动态特征验证矿区充水水源 综合地下水水位及水温动态特征，均说明2010年之后矿区岩溶水系统补给量明显增大，水位明显的季节性波动则说明大气降雨为岩溶水主要补给来源。观7和观9孔较低的水温和较大的水温变幅均说明东部及北东部的砂岩裂隙水是矿区充水来源之一。ZK557和ZK614孔的水位的季节性波动以及水温下降速率的不均匀变化，表明矿区岩溶水接受一定量的地表水渗漏补给。近年来大量的涌（突）水事故大多为揭露大型岩溶或导水裂隙，表明岩溶水是矿井充水的最主要来源。 3.关键涌（突）水点的水源识别 根据突水点实测的水位及水温并结合水化学特征，对部分出水点的充水来源分析可知，二号胶带斜井工作面出水点(W242-3)为砂岩裂隙水，东回风井201斜井出水点(W100-1)属于岩溶水与砂岩裂隙水混合水，受附近小娘坑断层等断层破碎带的影响，文笔山组(P1w)地层的构造裂隙极其发育，沟通了上部加福组砂岩裂隙水及下部岩溶水，使W242-3与W100-1两出水点的水力联系密切。副井附近一号胶带斜井-40m水平出水点(W-40-2)为岩溶水与花岗岩水混合，岩溶水流经出水点附近沿断层向下汇聚，因深部隔水层阻隔受压，在压力驱动下浅部的花岗岩裂隙水不得不沿着有利通道向上运移，同时热量也伴随着地下水向上运移，在出水点附近热水上涌形成局部的热异常。 4.矿区径流条件分析 综合观测孔垂向增温梯度以及不同时期的流场可知，现状条件下的强径流带，主要沿F2断层、63～65线间断层分布，原处于强径流带的ZK76孔附近径流条件变差。水位及水温的变化幅度表明观测孔距离补给源的距离，岩溶水水位变幅及水温降幅变化基本一致，水位回升幅度大的监测孔水温下降幅度大，结果表明观7及观9孔距离补给源较近，ZK6710距离补给源较远，岩溶水补给源主要来自矿区东部和北部。 5.小波分析 利用小波分析强大的时频多分辨功能，对观测孔水温时间序列进行分解和重构，结果表明，通过低通滤波可以清晰地反映序列的趋势以及出现趋势变化的转折点，并预测短期内的变化趋势;通过高通滤波之后则可以有效地提取高频成分，观察其细节变化和微动态特征，距矿区主矿体较远的观测孔（如ZK557孔），受矿区排水影响较小，水位动态经过高通滤波可以观察到明显的潮汐现象，由于水温的变化幅度较小加上水温观测仪器精度有限，并没有观测到水温的潮汐现象。对水温序列的奇异性分析表明，小波分析对于涌（突）水事件具有较好的检测能力。
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