塔木素鈾礦床地下水類型研究

雷明信 ，霍晨琛 ，徐 強(qiáng) ，王合祥 ，門 宏

（1. 中核礦業(yè)科技集團(tuán)有限公司，石家莊 050021；2. 核工業(yè)二〇八大隊，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

眾所周知，地下水類型可按照埋藏條件、含水層空隙性質(zhì)劃分為不同類型[1]。 據(jù)此可將地下水分為包氣帶水、 潛水和承壓水。 按含水介質(zhì)（空隙）的類型，可將地下水分為孔隙水、 裂隙水和巖溶水[2]。 一般來說，孔隙水賦存于松散層中，它具有統(tǒng)一的地下水位。 裂隙水賦存于基巖裂隙中，除風(fēng)化裂隙水外，裂隙水一般沒有統(tǒng)一的地下水位。 裂隙水的存在、 類型、 運(yùn)動、 富集等與裂隙發(fā)育程度、性質(zhì)及成因密切相關(guān)[3]。 礦床地下水類型為孔隙水時，采用高壓噴射注漿法或降水疏干法進(jìn)行防治水[4]；地下水類型為裂隙水時，礦床地下水的補(bǔ)給徑流通道較集中、 進(jìn)水?dāng)嗝孑^狹窄，適用注漿防滲帷幕進(jìn)行防治水[5]。

塔木素鈾礦床含礦含水層為砂巖，砂礫巖和粗砂巖，地下水具有統(tǒng)一的承壓水位，承壓水頭高，當(dāng)開采最深部礦體時，水位降深將達(dá)518 m，采用GMS 水文地質(zhì)軟件對開采最深部礦體時礦坑涌水量進(jìn)行計算，礦坑平均涌水量將達(dá)32 000 m3/d[6]。 因此，地下水對礦床開發(fā)影響大。 前人認(rèn)為含礦含水層巖石膠結(jié)較好，密度較大，含礦含水層巖石平均密度為2.27 g/cm3，因而一直將塔木素鈾礦床地下水定為裂隙水。 而礦床地下水的類型在礦床開發(fā)時對制定防治水的規(guī)劃非常重要，為了給塔木素鈾礦床開發(fā)時制定防治水的方案提供依據(jù)，需要對該礦床含礦含水層地下水的類型進(jìn)行進(jìn)一步研究。

1 礦床水文地質(zhì)條件

1.1 礦床地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)地面物探資料。 在礦區(qū)范圍內(nèi)推斷存在6 條斷裂（圖 1），走向為北東-南西向。其中Ft1位于礦區(qū)北西部，規(guī)模較小，F(xiàn)t3位于礦區(qū)北東部，規(guī)模也較??；而 Ft2、 Ft4、 Ft5貫穿整個礦區(qū)，F(xiàn)t6位于礦區(qū)南東側(cè)。 Ft1、 Ft4斷層為正斷層，其余均為逆斷層[7]。

1.2 地下水特征

1.2.1 地下水埋藏條件及承壓性

礦區(qū)地勢總體北西高、 南東低。 一般海拔標(biāo)高 1 270～1 330 m，相對高差約 60 m。礦床地層屬典型的泥-砂-泥結(jié)構(gòu)，頂板和底板為泥巖或粉砂質(zhì)泥巖，中間為砂巖、 砂礫巖、 粗砂巖結(jié)構(gòu)，其上部覆蓋層平均厚度為428 m 的泥巖和粉砂質(zhì)泥巖。 地下水除在Ft4斷裂附近可能存在第四系孔隙水的補(bǔ)給外，礦床范圍內(nèi)大部分地下水處于封閉狀態(tài)。 地下水的承壓水位標(biāo)高在1 269～1 277 m，含礦含水層的頂板標(biāo)高在900 m 左右，承壓水頭在 370 m 左右（圖 2）[8]。

1.2.2 地下水補(bǔ)給、 徑流和排泄條件

含礦含水層的隔水頂板底標(biāo)高在820～970 m 左右，由于隔水頂板為泥巖或粉砂質(zhì)泥巖，隔水頂板厚度大 （平均 428 m），分布穩(wěn)定，大氣降水難以成為含礦含水層地下水補(bǔ)給來源，第四系孔隙潛水只有通過導(dǎo)水?dāng)嗔褬?gòu)造對礦床含礦含水層的地下水進(jìn)行補(bǔ)給，含礦含水層地下水的主要補(bǔ)給來源是地下水的側(cè)向徑流補(bǔ)給。

圖1 塔木素鈾礦區(qū)物探推斷斷裂分布圖Fig. 1 Fault distribution deduced by geophysical exploration in Tamusu uranium mineralization area

圖2 塔木素鈾礦床H52 號線水文地質(zhì)剖面圖Fig. 2 Hydrogeological profile of Line H52 of Tamusu uranium deposit

礦床含礦含水層地下水的總體方向由北東向南西徑流。 地下水在徑流過程中，在礦區(qū)南西部遇到斷裂構(gòu)造的阻隔，沿斷裂構(gòu)造上涌，形成串珠狀湖泊。

1.2.3 地下水的動態(tài)特征

含礦含水層埋藏于400 m 以下，其上部有泥巖、 粉砂質(zhì)泥巖作為隔水層，從2016年11月到 2019年01月，對 9 個水文地質(zhì)孔進(jìn)行了2 個水文年的動態(tài)觀測，繪制了水位動態(tài)變化圖（圖3）。 從圖3 中可以看出，礦床地下水有統(tǒng)一的水位且水位動態(tài)較穩(wěn)定，礦床內(nèi)地下水位高差僅6 m 左右，沒有出現(xiàn)裂隙水更強(qiáng)烈的不均勻性和各向異性。 與季節(jié)變化沒有明顯關(guān)系。

圖3 塔木素鈾礦床地下水位長期觀測動態(tài)變化圖Fig. 3 Dynamic change of groundwater level by Long-term observation in Tamusu uranium deposit

表1 水文孔裂隙統(tǒng)計Table 1 Statistics of fractures in hydrological boreholes

表2 含礦含水層巖石的物理性質(zhì)Table 2 Physical properties of ore-bearing aquifer rocks

2 含礦含水層巖石特征

2.1 含礦含水層裂隙發(fā)育程度

礦床含礦含水層為下白堊統(tǒng)巴音戈壁組上段（K1b2）碎屑巖類含水巖組，為判斷礦床含礦含水層地下水是以孔隙水為主還是以裂隙水為主，在施工的6 個水文地質(zhì)鉆孔過程中對采取的巖心進(jìn)行了編錄，并對其含礦含水層節(jié)理和裂隙進(jìn)行了詳細(xì)統(tǒng)計、 觀察和描述。從表1 可知，6 個水文地質(zhì)孔的過濾器段巖石裂隙發(fā)育程度低，為不發(fā)育～很不發(fā)育。

2.2 含礦含水層巖石的物理性質(zhì)

礦床含礦含水層巖性以砂巖、 砂質(zhì)礫巖為主，節(jié)理幾乎不發(fā)育，通過對11 組礦床含礦含水層巖石進(jìn)行物理性質(zhì)測試，砂礫巖平均孔隙率試驗結(jié)果如表2 所示。 從表2 可以看出，在44 組孔隙率數(shù)據(jù)中，含礦含水層天然密度在 2.15～2.28 g/cm3，平均孔隙率在14.93%～19.31%，平均孔隙率大于15%的超過65.9%，說明含礦含水層雖然裂隙不發(fā)育，但孔隙卻比較發(fā)育。

孔隙率表示孔隙發(fā)育程度，而孔隙發(fā)育程度又決定巖土儲水能力，在一定條件下，還控制著巖土滯留、 釋出和傳輸水的能力。礦床含礦含水層巖石個體孔隙率范圍在8.68%～25.57%之間，節(jié)理裂隙很少發(fā)育甚至不發(fā)育。 因此，該礦床含礦含水層地下水類型是以孔隙水為主的承壓水。

3 水文地質(zhì)試驗中地下水變化特征

3.1 抽水試驗時地下水水位變化

為了較準(zhǔn)確地求得含礦含水層的滲透系數(shù)，共進(jìn)行5 組抽水試驗，每組抽水試驗由一個抽水孔和一個觀測孔組成，抽水孔與觀測孔的距離一般為25 m，每孔抽水時進(jìn)行三次降深，當(dāng)一個抽水孔中的三次降深結(jié)束后，抽水孔與觀測孔進(jìn)行互換再進(jìn)行試驗。 在進(jìn)行抽水試驗時，采取抽水孔與觀測孔的動水位同時觀測，現(xiàn)將抽水試驗時一個試驗段水位降深觀測結(jié)果列于表3。

從表3 可以看出，任何一組抽水試驗中，不論抽水孔與觀測孔是東西向排列還是南北向排列，在進(jìn)行抽水試驗時，觀測孔水位隨抽水孔水位的下降而同步下降，說明兩孔之間的地下水水力聯(lián)系密切。 另外，將抽水孔與觀測孔進(jìn)行互換后，有些抽水孔涌水量和水位降深差異較大，這主是是由于井的結(jié)構(gòu)不同造成的。 完整井在抽水試驗時水位降深小而涌水量大，非完整井抽水時降深大而涌水量小。 ZHD-1 與 ZHD-2 均為非完整井，因而兩井互換后，水位降深和涌水量相差較小。同時還可以看出，以 ZKH36-12、 ZKH24-20為抽水孔進(jìn)行抽水試驗時，當(dāng)水位降深20 m和23.28 m，單孔涌水量分別為1 019 m3/d 和1 126 m3/d，從而證明若礦床采用常規(guī)方法開采最下部中段時，地下水位降深至少為518 m，采用GMS 軟件預(yù)測的礦坑平均涌水量為32 000 m3/d 是符合礦床實際情況的。

表3 抽水試驗時水位降深觀測表Table 3 Depth change of the water level during pumping test for boreholes

3.2 抽水試驗結(jié)束時地下水水位監(jiān)測

2018年9月 9 日在 ZKH60-32（補(bǔ)）孔抽水試驗結(jié)束后，立即對所有水文孔的水位進(jìn)行測量，結(jié)果表明，有8 個水文地質(zhì)孔的水位較其平均水位均有不同程度的下降，這8 個水文地質(zhì)孔的孔位、 距抽水孔的距離及水位下降情況（表4、 圖4），其中水位下降最大的是 ZKH58-44 孔，該孔距 ZKH60-32 （補(bǔ)）孔304 m，水位下降達(dá)3.63 m。 影響距離最遠(yuǎn)的是 ZKH24-20 （觀） 孔，影響距離達(dá) 1 853 m，水位下降2.45 m。 說明在進(jìn)行抽水試驗時，礦床內(nèi)地下水水力聯(lián)系密切，地下水具有孔隙水的特征。

表4 ZKH60-32 （補(bǔ)） 鉆孔抽水時觀測孔水位下降情況Table 4 water level decline of borehole ZKH60-32 （Bu） during pumping test

圖4 ZKH60-32 （補(bǔ)） 孔抽水時觀測孔水位圖Fig. 4 Water level diagram of observation boreholes ZKH60-32 （Bu） during pumping test

3.3 示蹤試驗中熒光素鈉濃度變化

為了研究礦床含礦含水層孔隙連通情況，在ZKHD-1 及ZKHD-2 鉆孔中進(jìn)行了示蹤試驗，ZKHD-1 鉆孔為投源孔，ZKHD-2 鉆孔為抽水孔，兩個鉆孔相距25 m，兩個水文地質(zhì)孔均為非完整井，過濾器安裝位置位于含礦含水層中。 示蹤劑采用熒光素鈉。 2018年7月5 日開始示蹤試驗，將熒光素鈉濃度為10 g/L 的液體采用高壓水泵一次性注入ZKHD-1 鉆孔500 m 處，示蹤劑投放完成后，采用空氣壓縮機(jī)在ZKHD-2 鉆孔進(jìn)行全天候不間斷抽水作業(yè)。 7月11 日開始取樣監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明，ZKHD2 井檢測到注入熒光素鈉示蹤劑出現(xiàn)，示蹤劑突破時間是7月26日。 其后，熒光素鈉濃度呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，到了8月8 日后開始進(jìn)入試劑濃度的快速上升期，至9月2 日出現(xiàn)濃度峰值 2.561 mg/L后，隨后熒光素鈉濃度開始下降，10月1 日以后下降變得很緩慢。 示蹤劑濃度隨時間變化曲線（圖 5）。

圖5 ZKHD-2 孔示蹤劑濃度隨時間變化圖Fig. 5 Changes of tracer concentration with time in borehole ZKHD-2

4 礦床地下水類型討論

含礦含水層巖心編錄表明，巖心上的裂隙為不發(fā)育和很不發(fā)育。 另外，巖石的物理性質(zhì)表明，雖然巖石的密度較大，平均孔隙率為 16.19%，但其大于 15%的孔隙率占65.90%，測得巖石的最大孔隙率達(dá)25.57%，說明含礦含水層巖石雖然裂隙不發(fā)育，但孔隙比較發(fā)育，地下水通過孔隙建立了水力聯(lián)系。

在抽水試驗中，觀測孔水位與抽水孔水位同步下降，而且在抽水試驗結(jié)果后的水位觀測結(jié)果表明，有8 個不同方向的觀測孔中水位出現(xiàn)下降情況，沒有出現(xiàn)裂隙水更強(qiáng)烈的不均勻性和各向異性，裂隙巖層一般不容易形成統(tǒng)一水力聯(lián)系含水層情況[9]，而且抽水孔對地下水位的影響距離最遠(yuǎn)可以達(dá)到1 853 m。這些觀測孔與抽水孔之間均沒有斷裂構(gòu)造穿過，因此不可能存在構(gòu)造裂隙帶導(dǎo)水情況。另外，即使在含礦含水層中存在裂隙，裂隙的延伸也不可能達(dá)到1 853 m 遠(yuǎn)的距離。 抽水引起觀測孔水位下降的解釋只能是觀測孔與抽水孔之間通過孔隙溝通了地下水的水力聯(lián)系。 說明含礦含水層連通性好，含礦含水層地下水在空間分布上連續(xù)均勻，含水系統(tǒng)內(nèi)部水力聯(lián)系良好，地下水具有孔隙水的特征。含礦含水層是以孔隙連通為主的含水層。

示蹤試驗結(jié)果表明，在投源孔與抽液孔25 m 范圍內(nèi)，從投源到突破時間長達(dá)15 d。抽水孔示蹤劑濃度逐漸增大，沒有出現(xiàn)示蹤劑濃度突然增大的現(xiàn)象，說明投源孔與抽水孔兩孔之間裂隙不發(fā)育，但孔隙較發(fā)育而且連通性好，不存在高滲透帶，地下水符合低滲透性的孔隙水特征，即巖石的連通類型主要為孔隙而不是裂隙[10]。

巖心編錄、 巖心物理性質(zhì)測試、 抽水試驗時的水位觀測和示蹤試驗表明，含礦含水層地下水均表現(xiàn)出了孔隙水的特征。 因此，含礦含水層地下水類型是以孔隙水為主的裂隙孔隙承壓水。

5 結(jié)論

1） 含礦含水層地下水具有統(tǒng)一的地下水位，且不受大氣降水的影響，地下水承壓水頭高。

2） 通過巖心編錄和物理性質(zhì)測試，含礦含水層裂隙不發(fā)育而孔隙較發(fā)育，地下水通過孔隙建立了水力聯(lián)系。

3） 水文地質(zhì)抽水試驗證明，含礦含水層地下水水力聯(lián)系密切，礦區(qū)內(nèi)的斷裂構(gòu)造對地下水的水力聯(lián)系影響不明顯。 示蹤試驗表明，含礦含水層孔隙連通性好。 因此，礦床含礦含水層地下水類型是以孔隙水為主的裂隙孔隙承壓水。