南非克萊克斯多普地區(qū)某金礦水文和工程地質(zhì)特征分析

席鵬譚康雨張毅曾瑞垠黃建業(yè)

（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

研究區(qū)位于南非西北省威特沃特斯蘭德盆地西北邊緣的克萊克斯多普地區(qū)，蘭德盆地形成于太古宙晚期（吳興源等，2015），距今大約2.72～3.06 Ga。盆地邊緣含金地層由北東－南西延伸約300 km、沿北西至南東延伸約100 km。含金地層厚約6 km，主要由石英巖夾礫巖和頁巖組成，含有少量火山巖單元。沉積巖緩傾于盆地中央，局部地區(qū)有變化。盆地東、西和南部均被太古宙、古生代和中生代火山巖和沉積巖所覆蓋，最厚部位可達4 km。金（鈾）礦化通常產(chǎn)于石英礫巖層內(nèi)，金（鈾）礦床主要分布于盆地的邊緣部位，單層含礦層厚度一般未超過2 m。金礦的形成、分布與礫巖中黃鐵礦、碳質(zhì)關(guān)系密切（王杰等，2014）。本礦區(qū)采礦歷史悠久，但深部尚未進行任何勘查活動，由此推測找礦前景較好（任軍平等，2015）。

沿盆地東部、北部和西部邊緣分布有多個獨立的金礦礦集區(qū)，如埃溫德礦集區(qū)、東蘭德礦集區(qū)、中蘭德礦集區(qū)、西蘭德礦集區(qū)、卡爾頓維爾礦集區(qū)、克萊克斯多普礦集區(qū)、韋爾科姆礦集區(qū)等（中國科學(xué)院考察團，1998）（圖1a），研究礦區(qū)位于克萊克斯多普金礦礦集區(qū)內(nèi)。

1 區(qū)域水文地質(zhì)

1.1 氣候條件

該區(qū)屬亞熱帶灌木稀樹草原氣候，受赤道低氣壓帶和信風(fēng)帶南北移動、交替影響，旱、雨季節(jié)分明。5 月到10 月干旱少雨，土壤開裂、草木枯黃；11 月到次年4 月，降水量大，植被茂盛，遍地生長著較稠密的蒿草和灌木，夾雜著少量喬木。極端最低氣溫低于－4℃，極端最高氣溫在40℃左右，年平均氣溫21℃左右，年平均降雨量500 mm 左右。

圖1 蘭德盆地區(qū)域地層及礦田分布（a）和克萊克斯多普地區(qū)地質(zhì)簡圖（b）（修改自張毅等，2019）

1.2 地形地貌

區(qū)域海拔標(biāo)高1200～1400 m，西有卡普高原，北為皮拉內(nèi)山，東為德拉肯斯山脈，南有卡里山、斯尼烏山，中部由多個小凹陷盆地構(gòu)成了1 個大型盆地，礦區(qū)所處盆地為其中之一。本區(qū)屬南非高原的南部，地處內(nèi)陸克拉通地塊，除東部山區(qū)，其他地區(qū)散布著少量山地和個別低山丘陵外，地形高差變化小，開闊平坦，剝蝕、搬運作用較弱，延展數(shù)百千米，為準(zhǔn)平原性高原。礦區(qū)地勢平緩，地表均被第四系和植被覆蓋，基巖露頭較少。

1.3 水文概況

威特沃特斯蘭德盆地總體地勢由東向西平緩傾斜，大部分水系注入大西洋。研究區(qū)內(nèi)主要河流為瓦爾河，發(fā)源于東部的德拉肯斯山脈北段西坡。蘭德盆地為地表水匯聚中心，匯水面積超過5×104km2，在北側(cè)有1 條由北至南匯入的斯昆河，途經(jīng)斯昆河水庫（圖1b）。受地形地貌及氣候的影響，水系發(fā)育很不均勻。東部受南印度洋暖濕氣流和馬達加斯加暖流的影響，再加上德拉肯斯山脈的阻擋，降水量大，河網(wǎng)密度高。由東向西深入內(nèi)陸降水量逐級減少，河網(wǎng)密度逐漸變稀。

2 水文地質(zhì)特征

2.1 含水層

區(qū)內(nèi)第四系松散堆積層中少有沖洪積性孔隙含水層，多為殘積孔隙含水。地表廣泛出露，厚度一般20～30 m。由安山質(zhì)熔巖全風(fēng)化構(gòu)成，粒度成分除含少量強風(fēng)化安山質(zhì)塊石外，大都由細砂、粉砂及少量黏土、腐殖質(zhì)構(gòu)成。該層上部為透水層，下部為含水層。雨季接受大氣降水入滲補給，地下水位較高，含水層厚度稍大，透水層厚度較薄。旱季地下水位下降，含水層厚度較薄，透水層厚度較大（莫濤，2018）。該含水層富水性弱。

基巖含水層主要為安山質(zhì)熔巖風(fēng)化裂隙含水層，位于孔隙含水層下部，有利于風(fēng)化裂隙發(fā)育。裂隙網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育程度不同，充填物水賦存狀態(tài)的差異，安山質(zhì)熔巖風(fēng)化裂隙含水層的富水性差異性較大，主要以弱為主，局部為中等或極弱，甚至充填膠結(jié)緊密而不含水。

2.2 隔水層

區(qū)內(nèi)隔水層主要為第四系似硬結(jié)隔水層、安山質(zhì)熔巖隔水層和石英巖隔水層（圖2）。

第四系似硬結(jié)隔水層主要分布于礦區(qū)平坦地區(qū)，地層處第四系松散堆積透水層與安山質(zhì)熔巖風(fēng)化裂隙含水層之間。該層的硬結(jié)作用不是因上覆沉積物的重載荷壓力下形成，而是通過沉積物干濕變化排除水分、減少孔隙、碎屑顆粒間的聯(lián)系增強，加之風(fēng)化沉積物部分分解再結(jié)晶的過程而產(chǎn)生。由于似硬結(jié)隔水層強度較高，可達軟巖類別，遇水難以軟化。同時擁有級配良、膠結(jié)好的物理性能，使其具有透水性弱，隔水性能較強的特點。該隔水層由于在坡角較大的斜坡地帶，河床局地缺失，構(gòu)成不了全礦區(qū)性隔水層。只能阻隔平坦地形區(qū)大氣降水入滲補給安山質(zhì)熔巖風(fēng)化裂隙弱含水層地下水。

安山質(zhì)熔巖隔水層上覆安山質(zhì)熔巖風(fēng)化裂隙弱含水層，下伏石英巖隔水層。安山質(zhì)熔巖主要由斜長石、輝石、角閃石和少量石英組成，為堅硬巖，強度高，原生結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，有利于隔水層的構(gòu)成和穩(wěn)定。局部發(fā)育透鏡狀、片狀、板狀構(gòu)造裂隙極弱含水層，但因連通性差，破壞不了隔水層的完整性，損害不了隔水層的隔水性能，隔水能力強。

圖2 第四系松散堆積透水層、似硬結(jié)隔水層示意圖

石英巖隔水層也是區(qū)域的主要隔水層，與上部的安山質(zhì)熔巖隔水層呈不整合接觸。石英巖強度高，具有剛硬性，有利于隔水層的構(gòu)成。該隔水層原生結(jié)構(gòu)面和構(gòu)造裂隙較發(fā)育，但層面和裂隙面光滑順直，起伏變化不大，開啟度較小，一般被綠泥石、絹云母、白云母等充填膠結(jié)緊密，不利于地下水的活動，隔水性能強。

2.3 構(gòu)造破碎帶

本區(qū)位于卡普法爾（Kaapvaal）克拉通地區(qū)，長期未遭受劇烈造山運動影響，缺乏形成褶皺的地質(zhì)內(nèi)應(yīng)力。礦區(qū)主要發(fā)育1 組北東—南西走向的正斷層，傾向北西或南東，延伸數(shù)百米。該斷層把巖層和層狀礦體切割成地壘和地塹。斷層中破碎帶、構(gòu)造裂隙發(fā)育一般，膠結(jié)緊密。采區(qū)各中段遇到該斷層時，未見涌水、滴水現(xiàn)象，少見濕潤現(xiàn)象。該斷層不僅不是含水?dāng)鄬悠扑閹?，還可以劃分為隔水?dāng)鄬樱ㄍ豕邶埖龋?014）。

2.4 地下水補給、徑流和排泄

礦區(qū)地下水主要來源于大氣降水補給。礦區(qū)地形平坦，第四系松散堆積層上部土質(zhì)較疏松，植被較稠密，易接受大氣降水入滲（馬林霄等，2018），補給安山質(zhì)熔巖風(fēng)化裂隙弱含水層地下水。礦床開采后，排水疏干，造成局地地下水位下降。地下水除接受大氣降水補給外，少量接受河流等地表水體補給（陳新攀等，2018）。

研究區(qū)為由東向西徑流的瓦爾河地形總體西北高，東南低。地下水大體由西北向東南徑流（唐艷和劉佳海，2020）。由于安山質(zhì)熔巖風(fēng)化裂隙含水層富水性弱且不均勻，甚至充填膠結(jié)裂隙緊密而不含水。富水性不勻影響徑流量，不含水地帶切割徑流方向，形成平面繞流。礦區(qū)地下水以潛水為主，水位的高低一般隨地形的高低而變化，沒有統(tǒng)一的地下水潛水面，含水層富水性弱，不存在單一流向，主要由高地形區(qū)向低洼地形區(qū)徑流（龍本力和張業(yè)果，2017）。

原始狀態(tài)下，地下水以泄流的形式在瓦爾河及其支流洼地中排泄。地面的蒸發(fā)、植物的蒸騰以及植物地面的蒸散作用也是重要的排泄方式之一（李龍江和徐占軍，1992）。

3 工程地質(zhì)特征

第四系松散堆積土層：該層廣泛分布于礦區(qū)各地，從上至下由草原耕植土逐漸轉(zhuǎn)化為似硬結(jié)巖組。上部為耕植土層，不宜作任何建（構(gòu)）物的基礎(chǔ)或聯(lián)合基礎(chǔ)，土質(zhì)不宜作回填土。下部土層經(jīng)過了較長期脫水密實過程，強度較高，適宜作承載力要求不高的臨時建（構(gòu)）物聯(lián)合基礎(chǔ)、擴大基礎(chǔ)、甚至基礎(chǔ)。土質(zhì)也可做建筑回填土，但不能做遠久性、要求地基承載大的基礎(chǔ)或聯(lián)合基礎(chǔ)。

第四系硬結(jié)巖組：該巖組位于第四系松散堆積土組下部，為安山質(zhì)熔巖巖組的上覆巖組。由安山質(zhì)熔巖殘積形成，主要礦物成分基本與母巖一致，主要有斜長石、輝石、角閃石、石英、云母等，還有泥質(zhì)、綠泥石、高嶺石等軟弱膠體、準(zhǔn)膠體礦物。該巖組可作承載力要求不高的遠久性建（構(gòu)）筑物的基礎(chǔ)和擴大基礎(chǔ)。因為擁有較強的隔水性能，也可作廢石堆、尾礦庫的基礎(chǔ)和基底。

安山質(zhì)熔巖巖組：該巖組包括火山熔巖、火山礫巖、火山碎屑巖等，形成環(huán)境相近，巖體的基本質(zhì)量、主要軟弱結(jié)構(gòu)面的幾何、線狀特征相似，堅硬程度變化不大，賦存位置相同，均位于礦床上部，且工程控制程度較低，難以劃分。該區(qū)長期處于穩(wěn)定的地質(zhì)構(gòu)造單元中，構(gòu)造裂隙軟弱面不發(fā)育。主要裂隙面以緩傾角為主，陡傾角較少，對巖體切割程度低，屬塊體狀結(jié)構(gòu)巖體和整體狀巖體，即完整巖體。

石英巖組：該巖組包括礫巖、粗粒巖等沉積變質(zhì)巖，為礦區(qū)主要的巖體。該巖體埋藏于深部，沒有淺表層風(fēng)化軟弱結(jié)構(gòu)面，中厚層至厚層狀。礦區(qū)長期處于較穩(wěn)定的構(gòu)造單元中，層理、層面很平緩。該巖組構(gòu)造軟弱，結(jié)構(gòu)面發(fā)育較稀疏，多以平緩為主，陡傾角較少。從結(jié)構(gòu)面的發(fā)育密度、組數(shù)、產(chǎn)狀和延伸程度的幾何特征來看，結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度較低。從結(jié)構(gòu)面的張開度、粗糙度、充填情況和充填物水的賦存狀態(tài)等線狀特征來看，主要結(jié)構(gòu)面的結(jié)合程度較高，因此石英巖組也屬塊狀巖體。

4 礦床水文及工程地質(zhì)條件分析

4.1 水文地質(zhì)條件

礦山開采是驗證礦區(qū)水文地質(zhì)條件的最好手段，應(yīng)充分利用礦山開采所暴露的地質(zhì)環(huán)境問題進行分析，不斷提高完善對礦區(qū)水文地質(zhì)條件地認(rèn)識（河北省地質(zhì)局水文地質(zhì)四大隊，1978；朱昶等，2014；朱天林，2016），加強對礦山水文地質(zhì)條件的研究，是有效預(yù)防礦山地質(zhì)災(zāi)害、加強治理礦山環(huán)境的重要舉措（邱長健，2017）。

該地區(qū)金礦山開采歷史悠久，金礦體主要賦存于石英巖夾石英礫巖沉積層中，屬于礫巖型金礦，隔水層為安山質(zhì)熔巖和石英巖，水文特征具有埋深大，地下水動、靜儲量小的特點。與礦床地下水聯(lián)系的靜儲量已完全消耗，礦坑排水以動儲量為主，礦床疏干流場應(yīng)屬穩(wěn)定流。礦山生產(chǎn)停產(chǎn)數(shù)年，部分井巷被淹沒，理論上產(chǎn)生了新的地下水靜儲量，復(fù)產(chǎn)后會改變礦床疏干流場形態(tài)（張發(fā)旺等，2016），礦坑涌水仍以動儲量為主。

金礦床在坑道開采過程中，施工的豎井井底排水形成了大降深（楊勝堂等，1992），理論上會產(chǎn)生紊流。由于礦區(qū)風(fēng)化裂隙弱含水層富水性弱、連通性差、發(fā)育厚度小、賦存于上部，難以實現(xiàn)大面積疏干。當(dāng)井底為變質(zhì)石英巖隔水層，富水性更差、涌水量更小，即使有裂隙產(chǎn)生紊流，在井壁處造成涌水，也會產(chǎn)生較大流量。

研究區(qū)所采礦體均勻，埋藏較深，大氣降水尚不能形成礦床充水水源。瓦爾河從東至西從礦區(qū)南界流過，距離各采區(qū)豎井及東西向展開的各中段距離較遠，但有隔水性能強而完整的隔水層相隔，地表水與礦床的水力聯(lián)系極弱，也難以構(gòu)成礦床充水水源。大量被遺棄的老采空區(qū)充滿積水，具體積水量不明，采坑巷道接近或崩落帶到達積水部位，容易造成突水，對礦山生產(chǎn)、設(shè)備和人員安全造成巨大威脅。

研究區(qū)主要充水水源為安山質(zhì)熔巖風(fēng)化裂隙弱含水層地下水。該含水層分布面積廣，但厚度較小，充水層的空隙性低，富水性以弱為主。地下水以靜儲量為主，動儲量次之。該充水層有隔水性能強的熔巖隔水層相隔，為間接充水水源。礦區(qū)缺乏碳酸鹽巖，不能形成巖溶通道，同時缺失孔隙含水層，構(gòu)成不了孔隙充水通道。

4.2 工程地質(zhì)條件

礦體圍巖屬堅硬巖，結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度較低，結(jié)合程度較高，根據(jù)建造特征和后期改造特點，可劃分圍巖的結(jié)構(gòu)類型為塊狀或稱為整體狀圍巖。

位于厚大而完整隔水層中的圍巖，地下水動、靜儲量都很小，既無靜儲量的水頭壓強，也無動儲量的沖積破壞，地下水對圍巖穩(wěn)定性的影響十分弱小。對于礦區(qū)塊體狀結(jié)構(gòu)的剛脆性圍巖，強度足以抵御御荷回彈和應(yīng)力重分配所帶來的附加應(yīng)力，安山質(zhì)熔巖巖組、石英巖巖組均為堅硬巖巖組，地表、井巷沒有高殘余應(yīng)力的反應(yīng)，又位處深部隔水層中，其圍巖的穩(wěn)定性主要受原生和構(gòu)造較軟弱面的發(fā)育和分布特征控制。

礦床開采平巷、采場面積大，體積較小。采礦工程軸線走向的低矮洞室群頂拱的穩(wěn)定是關(guān)鍵。中等、陡傾角裂隙，在頂拱與層面、平緩傾角裂隙相遇，都能把頂拱圍巖分割成菱形、三角形的獨立塊體，當(dāng)獨立塊體小于洞跨時會形成分離體。這些被層面和構(gòu)造軟弱面所圍限的分離體，無論拉應(yīng)力集中或是壓應(yīng)力集中都會產(chǎn)生坍塌（王振臣，2019）。頂拱面與層面、主要構(gòu)造裂隙軟弱面小銳角相交時，近相交處，如有垂直工程軸線的構(gòu)造裂隙軟弱面發(fā)育，難以避免產(chǎn)生塌落。被平行工程軸線較小的中等傾角和較陡傾角裂隙軟弱面交叉切割，交匯處在自由空間時，獨立塊體無論拉應(yīng)力大小，摩擦阻力加頂托力大于自重力，基本能穩(wěn)定；當(dāng)交匯處在圍巖中，失去頂托力，自重應(yīng)力小于摩擦阻力時，也能暫時穩(wěn)定，但屬危險獨立塊體，當(dāng)摩擦阻力小于拉應(yīng)力時，獨立礦塊立即塌落。單組陡傾角構(gòu)造裂隙軟弱面發(fā)育密度較高的地段，會在井巷、采場頂拱形成“川”字形軟弱結(jié)構(gòu)面，構(gòu)成的獨立塊體，在頂拱壓應(yīng)力集中的情況下，易造成頂拱坍塌（龍本力和胡大玲，2018）。

5 結(jié)論

（1）礦區(qū)含水巖組富水性較弱，但區(qū)內(nèi)構(gòu)造較發(fā)育，一定程度上連通了地下各含水體，因此在礦山開采過程中應(yīng)避開斷裂帶。

（2）由于長時間停產(chǎn)，遺棄的老采空區(qū)積水嚴(yán)重，采坑巷道接近積水崩落部位時，易對礦山生產(chǎn)、設(shè)備和人員安全造成巨大威脅，因及時排險并及時排水。

（3）礦山開采過程中應(yīng)合理預(yù)留安全礦柱，巖層軟弱部位及時進行加固等措施，以免發(fā)生工程地質(zhì)問題進而引發(fā)安全生產(chǎn)事故。

（4）在礦山生產(chǎn)的全周期，加強礦山水文地質(zhì)監(jiān)測，提高科學(xué)防范礦山地質(zhì)災(zāi)害的能力十分重要。