老撾東泰鉀鹽礦水文地質特征分析及防治水方案探究

楊小三，張憲峰，張志遠，陳文霞，熊玉強*

(1.中化地質礦山總局山東地質勘查院，山東 濟南 250013；2.山東省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質工程地質大隊， 山東 濟南 250014；3.蒙陰縣自然資源和規(guī)劃局，山東 蒙陰 276200)

0 引言

鉀是我國最為緊缺的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源之一。我國所需鉀礦資源70%以上依賴進口。近年來，在我國實施“走出去”戰(zhàn)略指導下，多個企業(yè)走向國外，開展鉀鹽的勘探開發(fā)業(yè)務[1]。老撾由于距離中國較近，且鉀鹽儲量豐富，成為我國鉀鹽“走出去”戰(zhàn)略的主要根據(jù)地，分析老撾東泰鉀鹽礦礦區(qū)地質特征和水文地質特征，探討含水層特征，分析水害類型，尋找切實可行的防治水措施，保障老撾鉀鹽礦安全開采，具有深遠的戰(zhàn)略意義。

1 礦區(qū)地質概況

東泰鉀鹽礦區(qū)位于呵叻高原北部，沙空那空盆地東南邊緣，構造上屬于樞紐向北揚起的復式向斜構造，具邊緣沉積相(圖1)[2-3]。礦區(qū)地層主要為新生代地層，主采礦層位于農(nóng)波組下段下鹽層[4]，各地層簡述見表1。

2 礦區(qū)水文地質特征

2.1 含水層及特征

礦區(qū)主要含水層為第四系松散巖類孔隙含水層、碎屑巖類裂隙含水層。

(1)第四系松散巖類孔隙含水層

主要分布于湄公河、色邦非河沿岸，厚度一般0～10.4m。上部由土黃色、棕褐色、紫紅色粉砂質黏土組成，局部含砂、礫；中部為紫紅色、黃褐色、桔紅色含黏土鐵錳結核，下部為黃褐色、紅褐色、雜色復成分砂礫石含泥質，礫石為次棱角狀[5]。

根據(jù)礦區(qū)抽水試驗及其周圍農(nóng)諾拗陷、肯可克、萬象盆地等地抽水試驗資料(表2)，單井涌水量介于3.37～17.14m3/h，單位涌水量介于0.00295～2.12L/s·m，富水性弱—中等。

1—玄武巖；2—馬哈沙拉堪組和可能更新的地層；3—班納尤組；4—普潘組；5—普拉維漢組及少夸組；6—普坎東組；7—普坎東—普潘組不分；8—古生代地層；9—研究區(qū)；10—有鹽鉆孔；11—有鹽+光鹵石鉆孔；12—有鹽+光鹵石+鉀石鹽鉆孔；13—主要斷層；14—背斜(向西傾伏)圖1 呵叻高原及老撾鄰區(qū)構造略圖

表1 礦區(qū)地層劃分表

表2 第四系松散巖類孔隙含水層抽水試驗結果表

(2)農(nóng)波組泥巖裂隙含水層

該含水層在區(qū)域內普遍存在，可分為上泥巖層上鹽層含水巖組、中泥巖裂隙含水層和下泥巖裂隙含水層。

上泥巖層由紅褐色、青灰色泥巖和砂質泥巖組成，偶見含膏泥巖；上鹽層巖性主要為灰黑色或灰白色石膏、硬石膏，并含有不定量的泥質；中泥巖層由紅褐色、灰綠色、黃褐色、青灰色、棕褐色的泥巖組成，普遍含石膏；下泥巖層由褐色、灰色、灰綠色、棕褐色和紫紅色的泥巖組成，其中局部含有粉砂、石膏及巖鹽夾層[6-7]。

該裂隙含水層具有較穩(wěn)定的厚度，總體裂隙不發(fā)育，單位涌水量0.0042～0.1167L/s·m，富水性弱—中等。根據(jù)相鄰礦段施工及開采經(jīng)驗，在強風化帶和構造破碎帶，富水性及透水性增強。該裂隙含水層一般為咸水—鹵水，礦化度1.155～328.085g/L不等，屬Cl-Na型水，水質較差。

(3)白堊紀參朋組砂巖含水層

白堊系參朋組出露于他曲的南東部，為淺海相和海陸交相沉積，厚度約500～550m，巖性為砂礫巖、粉砂巖、鈣質黏土巖夾薄層灰?guī)r和灰?guī)r透鏡體，區(qū)內僅個別鉆孔揭露該層，缺乏富水性資料，據(jù)肯可克地區(qū)抽水試驗資料，砂巖單位涌水量q=0.0000026L/s·m。本層上部有巨厚層巖鹽與礦層相隔，對礦床開采基本無影響(圖2)。

1—第四系松散巖層含水層(富水性弱—中等)；2—上泥巖層與上鹽層含水巖組(富水性弱，局部泥巖破碎帶富水性強)；3—中泥巖層含水層(富水性弱)；4—中巖層隔水層；5—下泥巖層含水層(富水性弱—中等)；6—鉀石鹽礦；7—光鹵石礦；8—下鹽層隔水層；9—上泥巖、上鹽層含水層靜水位等值線；10—中泥巖含水層靜水位等值線；11—下泥巖含水層靜水位等值線；12—地質鉆孔位置；13—抽水試驗孔位置圖2 老撾東泰鉀鹽礦A-A'水文地質剖面圖

2.2 隔水層及特征

礦區(qū)隔水層主要為農(nóng)波組巖鹽隔水層，由中鹽層、下鹽層組成。中鹽層巖性主要為青灰色、灰白色石鹽，局部夾泥膏巖或含石鹽的石膏巖；下鹽層一般分為兩層，上部為鉀鹽帶，主要由鉀石鹽、光鹵石和石鹽組成，下部為青灰色、灰白色石鹽層，上層鉀鹽帶局部缺失。中鹽層、下鹽層對于飽和的鹵水為隔水層，但遇淡水極易溶解，因此中鹽層、下鹽層為相對隔水層，對淡水不起阻隔作用。

2.3 礦區(qū)含水層之間的水力聯(lián)系

(1)上泥巖與上鹽層的水力聯(lián)系

上泥巖裂隙含水層接受第四系或大氣降水補給后，通過裂隙補給上鹽層，二者存在互相補給的作用，具有緊密的水力聯(lián)系。

礦區(qū)北側有一土法鹽場，系采用鹵水熬制食用鹽，為人工開挖揭露，通過勘查時采樣分析，其主要化學成分與上鹽層所含地下水基本一致而略有降低(表3)，說明其來源于上鹽層或上泥巖層與上鹽層接觸帶，通過斷裂上升至地表，上升過程中與上部淡水混合而淡化。

上述現(xiàn)象說明上泥巖層地下水與上鹽層地下水存在緊密的水力聯(lián)系，表現(xiàn)為上泥巖層地下水通過下滲補給上鹽層含水層，上鹽層地下水則通過斷裂、裂隙或毛細作用補給上泥巖層。兩層水雖然含鹽量不同，但可認為是同一層，只是含鹽量具有分帶性，自上而下呈現(xiàn)淡—微咸—咸—鹽—鹵水的特點。在上泥巖層裂隙不發(fā)育地段，接觸帶或上鹽層地下水通過斷裂帶上升至地表處，形成含鹽量較高的鹽泉等。

表3 東泰礦區(qū)北側鹽泉與各層地下水水質對比表

(2)中泥巖與下泥巖的水力聯(lián)系

由于較致密的上鹽層石膏及中鹽層巖鹽的阻隔，裂隙水向下的補給較為微弱，中泥巖層和下泥巖層裂隙水相對封閉，只在局部地段缺失某些地層時與上部含水層有一定的水力聯(lián)系。但通過試驗資料發(fā)現(xiàn)，二者之間也存在較為微弱的水力聯(lián)系。

3 礦井充水因素分析

3.1 充水水源

(1)大氣降水

大氣降水為礦井水的主要來源，是礦井淡水突入的主要影響因素。從含水層的補給來源來看，它會對第四系孔隙水或上泥巖-上鹽層含水巖組等主要含水層進行直接或間接補給，使其具有持續(xù)出水性，對礦井充水產(chǎn)生威脅。在某些低洼地段，持續(xù)降雨導致地面積水，當積水超過井口標高時就會對礦井產(chǎn)生倒灌威脅。

(2)地表水

地表水主要是指區(qū)內及周圍發(fā)育的河流，礦區(qū)內地表水主要是湄公河，水塘、排水溝、廢水池、雨季稻田存水，天然狀態(tài)下對礦山?jīng)]有威脅，但是采礦工程，采礦冒落帶溝通地表水時，都將對礦山造成影響，甚至產(chǎn)生不可估量的災難。

(3)地下水

第四系松散巖類孔隙水：區(qū)內第四系松散巖類孔隙水主要賦存在湄公河洪積層以及南部近色邦非河的沖積層，初步評價其富水性一般為弱—中等。該層下部一般有厚度較大的三層泥巖與礦層相阻隔，天然情況下，該含水層不會對礦井產(chǎn)生直接充水。但當?shù)V山開采揭露斷裂帶且斷裂帶溝通該含水層與下伏基巖時，斷裂帶將成為該含水層導水通道，會對礦井產(chǎn)生間接充水。

上泥巖—上鹽層裂隙水：富水性弱—中等，受所處構造部位及石膏層厚度控制，在破碎帶或背斜軸部地段富水性強，如斜坡道、風井揭露該層水時，水量均較大，給井建工程造成很大影響，對礦山生產(chǎn)影響也不小。天然狀態(tài)下，該含水巖組與礦床之間存在中泥巖層—中鹽層—下泥巖層，不會對礦井產(chǎn)生充水，若礦山工程、采空冒落帶溝通該含水層時，則會對礦井產(chǎn)生間接充水。該層水為不飽和鹽水，對巖鹽、鉀石鹽、光鹵石具有強溶蝕性。一旦該類水進入易溶層，將會產(chǎn)生鹽溶，形成溶洞，造成重大安全隱患。

中泥巖及下泥巖層裂隙水：該類地下水主要富集于中泥巖層與中鹽層接觸帶，也稱為“鹽上鹵水層”，其富水性還受所處構造位置控制，差異較大，富水性弱—中等。礦區(qū)內大部分與礦床沒有直接接觸，一般不會對礦床產(chǎn)生直接充水，但若中鹽層缺失或斷裂溝通含水層，中泥巖層裂隙水可通過下泥巖層裂隙對礦井產(chǎn)生間接充水。若中鹽層、下泥巖層局部缺失，該含水層成為礦床的直接頂板，將會對礦井產(chǎn)生直接充水。

封存水：封存水包括鹽層封存水及礦層封存水。鹽層封存水屬于飽和鹽水，NaCl處于飽和狀態(tài)，但MgCl2、KCl不飽和，該類型水對巖鹽沒有溶蝕作用，但對光鹵石及鉀石鹽具有溶蝕作用[8]，應阻止該類水進入礦層。鉀石鹽及光鹵石礦層的封存水為高鎂飽和鹵水，對礦層及巖鹽基本沒有溶蝕作用。封存水一般水量不是很大，合理配置排水設備，一般不會對礦山開采產(chǎn)生大的影響[9]。

石鹽溶蝕后溶洞存水：目前礦區(qū)已投產(chǎn)開采，具現(xiàn)場資料顯示，開采過程中盡管采用多種防治水手段，仍有部分水源通過斜井斜坡道流至更深的位置，其中當水源流經(jīng)鹽層時，不飽和水會溶蝕鹽層，長期以往將產(chǎn)生大型的溶洞，且溶洞內存水嚴重，成為礦井新的充水水源，為礦井開采帶來隱患。

3.2 充水通道

(1)斷裂構造

雖然礦區(qū)內2條較大的斷裂不含水、不透水，但是由于礦區(qū)內褶皺及斷裂構造發(fā)育，可能存在含水或導水斷裂，斷裂帶延伸深度及富水情況尚難確定，不排除部分斷裂帶成為充水通道的可能。

(2)斜井、豎井工程

斜井、豎井工程均需揭露各含水層，每一含水層均會對井筒造成充水。施工結束后雖嚴格注漿止水，但隨著時間增長，受地下水鹽分的侵蝕、注漿材料性能的弱化或采礦振動等影響，局部層位可能發(fā)生突水、涌水現(xiàn)象，淡水或微咸水水體涌入井筒內，威脅礦層及開采工作的安全性。

(3)采礦工程

礦層開采過程中，采空區(qū)周圍巖層因失去支撐，而使原始應力狀態(tài)發(fā)生變化，導致頂板破壞，形成開裂或垮塌，產(chǎn)生冒落帶和導水裂隙帶。裂隙水可能會在承壓作用下在薄弱帶突出涌入礦井，造成充水威脅。

(4)封閉不良鉆孔

所有鉆孔在施工結束后均應按規(guī)范和規(guī)定封孔，但考慮到礦區(qū)地層中存在多套易溶鹽層的特殊性，封孔質量不合乎要求的鉆孔中會產(chǎn)生縫隙，從而轉變?yōu)榈V井突水的人為導水通道。

4 防治水方案探究

4.1 礦井生產(chǎn)前防水措施

(1)由于老撾雨季降雨量大，井口在建設選址時需盡量避免地勢低洼處，且井口地面要盡可能高于周圍地表最大存水高度，以防雨季雨水倒灌。

(2)井筒施工下掘之前，井筒周圍直徑30m內澆筑混凝土地坪，用以防止雨水和生產(chǎn)生活涌水下滲，地坪厚度需大于20cm。

(3)井筒周圍30m直徑內需修建排水溝，將周圍地表水引流至附近河溝內。

(4)為確保井筒施工建設安全，在施工前，需進行預注漿工作，采用帷幕注漿的方式，根據(jù)不同地段確定適當?shù)淖{深度，鉆機與注漿泵相結合，鉆一個鉆孔注一個孔的水泥漿[10-17]。

4.2 礦井生產(chǎn)過程中的防治水措施

(1)建立供排水管控系統(tǒng)，杜絕跑冒滴漏。供、排水管線應架高處理，做到可觀、可控；對礦井內明水及時收集、及時處理，杜絕明溝滲漏，若有滲漏，應做防滲處理。

(2)建立完整的地表變形監(jiān)測網(wǎng)絡，水準基點應設立于采礦影響范圍之外，檢測范圍應大于采空區(qū)及巖移范圍，采用二等水準監(jiān)測，監(jiān)測頻率不少于每月一次。產(chǎn)生地面變形時，應加密到每天一次，若產(chǎn)生地裂縫應及時對裂縫進行處理，可采用灰土堵漏處理，嚴防地表水進入礦井；井下亦應進行及時封堵。

(3)探、堵、截、封、導相結合，針對井下不同突水情況，采取不同的防治水措施。

超前探水，如遇井筒涌水量較大無法正常掘進作業(yè)時，采用工作面預注漿的方式進行堵水施工。

斜井豎井工程揭露的各巖層接觸位置，采取井筒壁后注漿措施，在巷道壁后形成水泥封閉環(huán)，封堵導水通道，達到堵水的目的。

如斜井內涌水量較大，可采取斜井上地表分段注漿的方式，封堵水源下滲[18-20]。

斜井內每隔100m，設置截水溝，截水溝做好防滲防漏措施，截流上方來水，經(jīng)導水管道集中排出井上。

井下遇溶洞或由于開采導致不飽和水下滲溶蝕形成的溶洞，應先探明溶洞大小，采取充填尾鹽或注漿的方式填充溶洞，以防影響巷道安全。

及時檢查歷史地質鉆孔，對未嚴格封孔的鉆孔，重新按要求嚴格封孔。

5 結論

(1)老撾東泰地區(qū)多雨，礦井水充水水源主要有大氣降水、地表水、地層間裂隙水、封存水和開采后溶蝕溶洞存水，充水通道主要為采礦工程對地層產(chǎn)生的擾動、泥巖裂隙及各巖層接觸帶間裂隙。

(2)礦區(qū)生產(chǎn)前，從井筒選址，井上工程布置，都需做好防治水措施，井筒周圍采取預注漿的方式進行堵水。生產(chǎn)過程中，要建立完善的供排水系統(tǒng)，建立地面變形檢測系統(tǒng)，結合“探、堵、截、封、導”等方法，采取開挖截水溝、井筒壁后注漿、溶洞充填注漿等方式做好防治水工作。