南非西格里夸蘭盆地某鐵錳礦水文地質(zhì)條件及礦坑涌水量預測

秦磊譚康雨岳鵬軍孫寧

（1.北京中資環(huán)鉆探有限公司，北京 100012；2.中色地科礦產(chǎn)勘查股份有限公司，北京 100012）

0 引言

礦坑涌水量預測是礦產(chǎn)地質(zhì)勘查綜合研究的1項重要內(nèi)容，也是制定礦山開采設計的主要依據(jù)之一（中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)部，1991；中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)部，1993；謝國軍，2019）。大氣降水、地表水與礦區(qū)地下水是否有水力聯(lián)系、聯(lián)系的密切程度以及其對礦坑充水的影響程度等，都是礦區(qū)水文地質(zhì)研究中要解決的重要問題；礦坑涌水決于礦床水文地質(zhì)條件的復雜程度，是礦山排水和礦床疏干設計的重要依據(jù)（林中湘和陳湘桂，2010）。在巖溶地區(qū)，地下水力聯(lián)系較為密切，水文地質(zhì)條件相對復雜，能否準確預測開采后的礦坑涌水量，關系著礦山生產(chǎn)建設工程和投資規(guī)模、礦石生產(chǎn)成本和礦山生產(chǎn)經(jīng)濟效益，還影響著礦山治水方案的確定（王大純等，1995；劉春平和鄭長城，2000）。因此，對礦山開采引起的地下水的涌水量預測進行研究具有重要的現(xiàn)實意義。

為合理評價南非西格里夸蘭盆地Mukulu 鐵錳礦礦床開采技術(shù)條件，筆者參與了該礦區(qū)地質(zhì)核實及相關水文地質(zhì)等工作。通過Mukulu 鐵錳礦的野外工作和資料收集，對該礦區(qū)的水文地質(zhì)條件進行了初步探討，為該區(qū)進一步水文地質(zhì)研究工作提供基礎依據(jù)。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

研究礦區(qū)位于西格里夸蘭盆地（The Griqualand West Basin）北部的卡拉哈里（Kalagari）錳礦田西北緣（Hudson，2016），地處Mamatwan－Wessels 構(gòu)造盆地的北部，中心地理坐標：南緯27°08′40″，東經(jīng)22°49′50″。大地構(gòu)造位置處于卡普瓦爾（Kaapvaal）克拉通西部與古元古代海斯（Kheis）褶皺－逆沖帶的交界地帶（圖1）。工作區(qū)總體地形平坦，地勢略呈西南高東北低，無大的高山與溝谷，海拔標高1045～1070 m，降水稀少，氣候干旱，屬熱帶草原氣候。區(qū)域水系不發(fā)育，水文地質(zhì)條件簡單。

圖1 西格里夸蘭盆地區(qū)域地質(zhì)簡圖

礦區(qū)地層自下而上主要有：古元古界波斯特馬斯堡群（包括Ongeluk組、Hotazel組安山質(zhì)火山熔巖、條帶狀含鐵建造和Mooidraai 組白云巖）、古元古界上部奧利芬霍克超群（包括Mapedi 組頁巖、石英巖和Lucknow 組頁巖、礫巖、石英巖）、中生界卡魯超群的德懷卡群、新生界卡拉哈里超群（含Gordonia組風成砂和Kalahari 組礫巖、鈣質(zhì)礫巖、紅色粘土、含粘土鈣質(zhì)礫巖），各群之間主要呈不整合接觸，其中Mooidraai 組與Hotazel 組呈整合接觸。Hotazel 組條帶狀含鐵（錳）建造為礦區(qū)主要賦礦層位。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要有2 種形式，一種為逆沖推覆構(gòu)造，另一種為正斷層構(gòu)造。

礦區(qū)共分布16 條淺部礦體（分鐵錳礦體和鐵礦體），其中鐵礦體共6 條，鐵錳礦體共10 條；6 條深部礦體（分富錳礦體和鐵錳礦體），其中富錳礦體共3 條，鐵錳礦體共3 條（圖2）。礦體主要賦存在條帶狀鐵錳質(zhì)石英巖內(nèi)，均呈北西－南東方向展布，呈層狀、似層狀、透鏡狀產(chǎn)出，深部礦體走向約335°，總體傾向南西，平均傾角約9°。偶見分支復合，在走向和傾向上連續(xù)性較好。礦區(qū)淺部鐵礦石的主要鐵礦物為磁鐵礦和赤鐵礦（部分礦石以磁鐵礦為主，部分以赤鐵礦為主），按鐵礦石的自然類型可分為磁鐵礦石和赤鐵礦石。礦區(qū)淺部和深部錳礦石的主要錳礦物為黑錳礦、鐵錳礦、褐錳礦等氧化物－氫氧化物為主，錳礦石的自然類型為氧化錳礦石（圖3）。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)特征

礦區(qū)處于信風帶或者副熱帶高氣壓帶的控制下，同時西部沿海有寒流經(jīng)過，降溫減濕，降水稀少，氣候干旱，屬熱帶草原氣候（譚康雨等，2019）。該地區(qū)年平均降雨量約300 mm，主要集中在夏季，氣溫隨著季節(jié)變化和晝夜交替變化很大。12 月至次年3 月是夏季，白天平均溫度為18～39℃，夜間溫度為14～26℃之間，其中1 月份最熱最高日平均氣溫30℃，最高可達45℃。5 月至8 月為冬季，白天平均溫度為4～26℃，夜間溫度為－2～24℃，最低日平均氣溫1℃。

圖2 西格里夸蘭盆地某鐵錳礦區(qū)水文地質(zhì)剖面圖

圖3 錳礦石標本照片

礦區(qū)內(nèi)無常年的河流，地形平坦，地勢略呈西南高東北低，無大的高山與溝谷，海拔標高1045～1070 m，地表水在天然狀態(tài)下流向是由西南向東北。礦區(qū)東北方位約6 km 有Kuruman 河和東部約4 km 處有Ga Mogara 河（圖4），均為季節(jié)性河流，通常平均徑流不到1 mm/a（WRC2005 數(shù)據(jù)庫），只有在極端天氣下形成徑流。降雨量超過70 mm 情況下，在局部洼地中形成積水，但難以形成徑流。

2.1 含水層

（1）第四系松散巖類孔隙水含水層

第四系松散巖類孔隙水含水層主要為風成砂，廣泛分布于區(qū)內(nèi)地表。厚度20～30 m，平均厚25 m，一般為透水而不含水，結(jié)構(gòu)松散，透水性較強，雨季接受大氣降水補給，通過蒸發(fā)和向基巖裂隙含水層下滲排泄（陳新攀等，2018）。

（2）基巖裂隙含水層（組）

主基巖裂隙含水層分布于礦區(qū)大部分地區(qū)，包括kalahari 組鈣質(zhì)礫巖、火山熔巖的風化裂隙含水層和構(gòu)造裂隙含水層，鉆孔水文地質(zhì)觀測資料水位埋深53～119 m，平均80 m。主要接受大氣降水和第四系松散巖類孔隙水含水層補給，主要排泄方式為補給構(gòu)造裂隙水。

風化裂隙含水層，單元涌水量0.006～0.09 L/s?m，滲透系數(shù)0.0001～0.004 m/d，富水性弱；構(gòu)造裂隙含水層，滲透系數(shù)0.11～0.17 m/d，導水系數(shù)0.22～0.34 m2/d，富水性弱至中等。

構(gòu)造裂隙含水層，是由于不同巖性的風化、斷裂和破裂而形成的，鉆孔記錄資料表明，大多數(shù)斷裂受Hotazel 組影響。該含水層部分區(qū)域富水性受石英巖層和kalahari 組上層的風化層（包括粘土層以下的kalahari 組礫巖）影響，是當?shù)鼐用裆钣盟闹饕獊碓础?/p>

圖4 西格里夸蘭盆地某鐵錳礦區(qū)水文地質(zhì)簡圖

2.2 隔水層

通過鉆孔巖芯可以看出，在kalahari 組紅色粘土層（平均厚度5 m）以下，Lucknow 組、Mapedi 組的頁巖、石英巖以及Hotazel 組條帶狀含鐵建造，巖芯都較為完整，結(jié)構(gòu)致密，裂隙基本不發(fā)育或者微，含（透）水較差，是良好的隔水地層（Damhuis，2014）。

2.3 礦區(qū)地下水的補給、徑流、排泄關系

地下水的補給和排泄是地下水文的主要環(huán)節(jié)和地下水資源形成的基礎，是水文地質(zhì)學科研究的基礎理論問題（王文科等，2018）。礦區(qū)地勢起伏較小，地勢較為平坦，不利于地表水徑流。但礦區(qū)地表多為風成沙分布滲透性較強，在雨季，大氣降水由風成沙滲透補給地下水，只有少部分蒸發(fā)。第四系松散巖類孔隙水含水層接受大氣降水的入滲補給，松散巖類滲透性強，易接受降水的入滲補給，但儲水能力較差，主要排泄方式為蒸發(fā)和向基巖裂隙含水層補給。基巖裂隙含水，主要接受大氣降水和第四系松散巖類孔隙水含水層補給，并沿導水性較好的構(gòu)造裂隙徑流，主要排泄方式為人工取水和礦坑排水。

在礦區(qū)范圍內(nèi)，第四系松散巖類孔隙水層和基巖裂隙含水巖組之間有著密切的水力聯(lián)系，相互貫通，相互轉(zhuǎn)換，共同影響著礦坑水條件（馬林霄等，2018）。礦區(qū)位于區(qū)域水文的補給區(qū)，所處水文地質(zhì)單元最低侵蝕基準面位于礦區(qū)背部，標高966 m。

3 礦坑充水因素

礦坑涌（突）水是一個比較復雜的地質(zhì)問題，嚴重影響著企業(yè)財產(chǎn)和礦工的生命安全；礦坑涌水量是確定礦床水文地質(zhì)條件復雜程度的重要指標之一，是礦山開采開發(fā)重要影響因素（王士東等，2015）。

在礦坑涌水量預測過程中，不同的礦床開采方式，會顯著影響到礦床的充水程度和進水條件。因此，在對礦坑涌水量進行預測過程中，除了將自然因素、地質(zhì)條件以及水文條件考慮進去之外，還需要對礦坑的開采形式進行分析和研究。礦區(qū)初期采用露天開采方式進行開采，區(qū)內(nèi)地表水欠發(fā)育。分析礦區(qū)水文地質(zhì)條件可能成為礦坑充水因素為大氣降水和地下水。

通過分析收集到的2012 年當?shù)貧庀筚Y料，冬季雨水缺乏，78%降水主要集中在10 月至次年3 月，最大降水量出現(xiàn)在1 月，年平均降水量約300 mm，日最大降水量為58 mm（2012 年1 月），年平均蒸發(fā)量為2500 mm/a（自鄰近的DWA 庫魯曼氣象站）（Damhuis and Marais，2014），未收集到水面蒸發(fā)量數(shù)據(jù)（圖5）。可通過式（1）在采場及其影響范圍的大氣降水的匯集量：

式（1）中：Q降水表示采坑匯水量（m3/d）；L表示采場頂部長（m），4700 m；B表示采場頂部寬（m），4300 m；X表示日降水量（mm）（數(shù)據(jù)資料來源于礦區(qū)資料），在收集的2012 年當?shù)貧庀筚Y料中，日最大降水量為58 mm（2012 年1 月某日），將數(shù)據(jù)代入式（1）式中可得出Q降水為1172180 m3/d。

礦區(qū)屬熱帶草原氣候，降水稀少，氣候干旱，無常年的河流，礦坑充水主要來源為大氣降水；礦區(qū)東北方位約6 km 處Kuruman 河和東部約4 km 處Ga Mogara 河，通常平均徑流不到1 mm/a（WRC2005 數(shù)據(jù)庫），降雨量只有超過70 mm 情況下，才會在局部洼地中形成積水，基本不會形成有規(guī)律的徑流，所以地表水不會成為礦坑直接充水水源。因此，在開采中后期礦坑主要充水來源主要考慮地下水和坑口范圍的大氣降水。

研究區(qū)鄰區(qū)投產(chǎn)多年，在長期的頂板含水層滴淋水及大氣降水等直接與間接影響下，產(chǎn)生不同程度的采空區(qū)老空水，可能給研究區(qū)構(gòu)成水患威脅。

4 礦坑涌水量預測

圖5 平均每月降雨量和蒸發(fā)量表（2012 年）（據(jù)Damhuis，2014）

在礦產(chǎn)資源開采過程中必須對礦坑涌水量進行精確計算，將影響礦坑涌水量預測的影響因素充分考慮進去，預測和分析礦井中的正常涌水量和最大涌水量，從而為礦井突然進水提供相應的地質(zhì)材料支撐，為保證礦井安全、高效和科學生產(chǎn)奠定堅實基礎（劉立強和鄭龍日，2016）。礦坑涌水量的預測是對礦坑充水條件的定量描述，也是礦山開采設計中制定防、治水方案的依據(jù)（戴巖柯等，2010）。

該錳礦床自然充水通道為導水斷層和含水層中的節(jié)理裂隙，水一般是沿導水斷層和節(jié)理裂隙下滲到礦井中從而形成礦坑涌水（楊勝堂，2018）。

礦區(qū)主要含水層為第四系松散巖類孔隙水含水和基巖裂隙含水，開采基準面以上地下水充水礦坑的露天開采至侵蝕基準面后地下水疏干至坑底的地下水涌水量采用潛水穩(wěn)定流“大井法”計算，計算公式為（郭海等，2016）：

式（2）中：Q1表示地下水疏干至坑底的地下水涌水量（m3/d）；K（滲透系數(shù)）值由鉆孔抽水試驗結(jié)果通過裘布衣公式計算（李路等，2020），K＝0.004 m/d；H表示抽水前含水層厚度，采用鉆孔平均水位埋深210 m－80 m ＝130 m；S表示潛水層含水厚度（m）130 m；R表示影響半徑（m），取礦體水平投影中走向上延伸最長長度的一半572.5 m；r0表示引用半徑（m），r0＝，面積（F）＝1145×735 ＝841575 m2，r0＝517.70 m；R0＝R＋r0，表示引用影響半徑（m）1089.9 m；將相應數(shù)據(jù)代入式（2）式可得出Q1＝570 m3/d。

通過以往模擬實驗表明，深部礦體正常涌水量為900～950 m3/d。由于深部礦體范圍大、服務年限長，隨著開采沉陷的影響，斷裂帶導水越來越強，涌水量會有所增加，預測最大涌水量是正常涌水量的2.5 倍（Damhuis，2014）。預測深部礦體開采涌水量：正常涌水量950 m3/d，最大涌水量2400 m3/d。

5 結(jié)論

（1）礦區(qū)礦坑涌水主要為大氣降水，特別是短時強降雨，由于礦區(qū)被第四系松散沉積物覆蓋，透水性好，雨水滲入容易形成較大水量，在礦山開采中應當加強監(jiān)測和防范。

（2）鄰近礦山經(jīng)過多年開采，采空區(qū)內(nèi)老空水是影響本礦區(qū)開采的主要威脅。老空水涌水一般來勢兇猛，酸性大、并含有害氣體或攜帶塊石，破壞性大，在礦山開采過程中應注意附近礦山采空區(qū)老空水的變化，及時評估其對礦坑涌水的影響。

（3）露天礦坑直接暴露面積較大，在強降雨季節(jié)大量地匯水匯入礦坑，影響爆破、巖礦裝運效率和露天邊坡的穩(wěn)定性，必須建立完善的防排水體系，同時要堅持“預測預報、有掘必探、先探后掘、先治后采”的防治水原則，加強礦區(qū)水文地質(zhì)工作，以確保安全生產(chǎn)。

（4）礦山開采是驗證礦區(qū)水文地質(zhì)條件的最好方式，應充分利用礦山開采所暴露的地質(zhì)環(huán)境問題進行分析，不斷提高科學防范礦區(qū)水文地質(zhì)條件對礦山開采的影響。