老挝南奔矿区水文地质条件、特征及矿坑涌水量预算

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  0、 引言

  南奔铜多金属矿区位于老挝丰沙里省奔怒县 28°方向,平距约 15km。自 2009 年至 2012 年,对本矿区区域内的地表水、地下水的分布及其特征,矿体顶底板围岩岩性进行了调查,初步分析了矿区的水文地质条件和特征,水文地质工作程度较低。2012 年底进入详查阶段。我们依据最新的勘查资料,对 KT1 矿体各含水层,尤其是矿床充水含水层的空间分布特征、埋藏条件、富水性及矿床充水条件进行了初步分析总结,用大井法预算了矿坑涌水量,为后续的地质勘查工作和矿床开采提供依据。

  1、 地形地貌、地表水系与气候

  南奔铜多金属矿区地处老挝丰沙里省西北部南布河、南桑河上游地区。区内地貌总体西南高,东北低,最高点位于矿区的西南部的山顶,高程为 1260m,最低点为南奔河面,为 650m。山脉呈北东走向。区内水系发育,主要河流为南桑河、南布河及其支流。河流近于平行山脉走向,从南西流向北东。两河流量随季节变化较大,旱季南布河流量为1.08m3/s,南桑河为 3.24m3/s。两河流出矿区处的水面标高在 635m 至 680m 之间,为地表水的侵蚀基准面。矿区属于中等切割的中山地貌。矿区地处热带湿润季风气候区,每年 5~10 月为雨季,11 月至次年 4 月为旱季。年降雨量一般 1500-2200mm。

  2、 矿区水文地质条件

  2.1 地下水类型 根据含水介质和储水空间的类型,将地下水分为三大类型:松散岩类孔隙潜水、碎屑岩类孔隙裂隙水、断裂带裂隙水。松散岩类孔隙潜水分布于南桑河和南布河的河谷地带。碎屑岩类孔隙裂隙水,含水介质为下白垩统景星组砂岩,砂岩厚度均匀。据钻孔揭露,砂岩厚度超过 30m(ZKB301)。主要含水层位为地层上部的风化裂隙带和下部的受断层影响的节理裂隙带。断裂带裂隙水,含水介质为下白垩统景星组断裂带影响的裂隙中。其分布面积不大,但沿 F1断层走向分布。

  2.2 含(隔)水层水文地质特征 矿区位于昌都-思茅-南邦陆块中的思茅-丰沙里微陆块内。该区地层出露简单,主要为下白垩统景星组(K1j),次为上侏罗统坝注路组(J3b),还有少许上三叠统(T3),第四系松散层散布在缓坡和河谷地带。地层分布及剖面图如图 1、图 2。

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  2.2.1 隔水层

  2.2.1.1 上侏罗统坝注路组相对隔水层(J3b) 上侏罗统坝注路组(J3b)呈条带状出露于矿区东南部,为一套红色陆源碎屑沉积,岩石组合以紫红、浅紫红色、灰绿色厚层-块状粉砂质泥岩为主,夹少量细砂岩。该地层厚度>600m。该组含水性极弱,可视为隔水层。

  2.2.1.2 上三叠统相对隔水层(T3) 上三叠统(T3)出露于矿区的东南角,岩性为灰黑色泥质粉砂岩、黑色碳质泥岩与灰白色中细粒砂岩夹煤层及煤线。该地层厚度>1325m。该组含水性极弱,可视为隔水层。

  2.2.2 含水层

  2.2.2.1 第四系松散堆积孔隙弱含水层(Q) 该含水层主要由第四系冲洪积层和残坡积层构成。第四系冲洪积层主要分布于南桑河和南布河的河谷地带,厚 0~15m,为冲洪积砾石,砂砾及黏土混合组成,结构较疏松,含孔隙潜水。地下水沿孔隙通道径流,在河谷适宜地段散流排泄,与河水水力联系密切。富水性较好。由于该层分布位置较低,对矿床充水无影响。

  第四系残坡积层分布于山顶及山腰缓坡地带,由腐植土、亚黏土、碎石、碎块组成,厚 0~40m。该含水层结构松散,透水性较好,富水性弱。大多数钻孔静止水位在残坡积层以下,个别钻孔揭露该含水层厚度可达 10m。地下水接受大气降水渗入补给,由高处向低处径流,在冲沟等低洼处以散流的形式排泄。总体上看,该含水层厚度薄、规模小,对矿床充水影响小。

  2.2.2.2 下白垩统景星组裂隙孔隙含水层(K1j) 下白垩统景星组(K1j)出露于矿区中部和西北部。该组以砂岩为主,是矿区的主要含水层,也是主要赋矿层位。据岩石组合,该组进一步划分为两个岩性段。

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  ①景星组第二段(K1j2)。景星组第二段(K1j2)主要出露于矿区西北部。岩石组合为浅紫红、紫红色厚层-块状粉砂质泥岩为主,夹灰白、紫红色中厚层状细粒含长石石英砂岩,厚度大于 300m。该层含水性不均,大部分具隔水性,局部具弱富水性,含层间裂隙水。由于富水性弱,对矿床充水影响不大。

  ②景星组第一段(K1j1)。该层地表出露面积约占矿区面积的 15%,主要含裂隙水。岩性以灰白色厚层状—块状中细粒石英砂岩为主,夹紫红色薄-中层状粉砂质泥岩,厚度大约 236m。该层是矿区含矿层位,也是矿区主要含水层,产状为 310°∠40°,其变化不大。该层岩石裂隙发育,浅部含风化裂隙水,深部含构造裂隙水。砂岩顶部强风化带厚度为 2-14m,平均厚度为 7.5m(表 1)。根据矿区露头和坑道的统计,平均裂隙率为 0.0138。裂隙多为剪性,其填充物一般为泥质,开启性较差,连续性较好。

  砂岩在风化裂隙带之下的部分,构造裂隙发育。矿区受到至少 3 次构造运动影响,构造裂隙主要发育于矿体围岩(砂岩)。据矿区 11 个钻孔地质编录统计,主要有 4 个节理裂隙发育的含水层,其厚度和 RQD 值如表 1 和表 2。

  1 号含水层:规模较小,厚度在 4-8 米。节理裂隙发育,裂隙面平直光滑。岩心 RQD 值为 48.38%。在钻孔ZKB1101 的 61.17m 处漏水。2 号含水层:似层状,厚度1.6-21.8 米。节理裂隙发育,但被重晶石、黄铁矿、方解石脉填充,脉宽为 0.5-6mm。3 号含水层:似层状,厚度 23.7-63.1 米。节理被方解石,黝铜矿、石英脉胶结,脉宽为 0.5-20mm。4 号含水层:厚度 9.9-78 米。其中 ZKB401 在 45 米处全孔漏水。总体上看,各含水层倾角基本相等,厚度变化较均匀,岩心 RQD 平均值变化范围为 33.68%-54.14%,岩石完整性差,节理发育,但多被填充,未被填充的裂隙表面光滑,可为水的流动提供良好的通道。该岩组静止水位线与地形线的变化基本一致,且水位在地下 45m 左右。针对 KT1 矿体选取 ZKB001 勘探孔进行抽水试验,取得测试成果如表 3。

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  2.3 构造破碎含水带 南奔矿区 F1断层为 5~50m 宽的碎裂岩-构造角砾岩带。断层面总体倾向南东,倾角 50-65°,为南东盘向北西盘逆推的逆断层。构造带内岩石破碎,发育紫红色、灰白色构造角砾岩、碎裂岩,角砾呈棱角状,大小一般 3~15mm,成分复杂。局部断层带岩体呈劈理化破碎。断层构造带地表风化强烈,多为土状,富水性极弱。深部裂隙发育,有不同程度的泥质或方解石充填,胶结总体疏松,为地下水的运移和富集创造了有利条件。坑道揭露显示,矿区含水部位与断层破碎带关系密切。未受断层破碎带影响的地层,坑道一般只是潮湿,少见滴水。掘进到断层破碎带时,股状构造裂隙水常沿断裂面或裂隙面涌出。单个涌水点流量一般 0.05~0.2L/s,最大可达 0.3L/s。

  3、 矿区主要含水层结构面产状和优势结构面分析

  为了研究矿区含水层之间垂向上的水力联系,对矿区地表人工开挖的露头和地下坑道,选择 4 个节理观测点,统计了 391 条裂隙,做出了节理统计倾角分布直方图(图3)和节理裂隙走向玫瑰花图(图 4)。由图 3 知,倾角小于30°为 2%,30°-60°的倾角为 30%,倾角为 60°-90°的占68%。矿区陡倾角节理裂隙占绝大部分。根据图 4,节理走向主要集中在 273°-314°之间,与断层平行或是小角度斜交。由图 5 知,24 条节理倾向 3°方向,约占节理总数的6%。151 条节理倾向南西方向,为 151 条,占节理总数的38%。由表 4 知,优势结构面有两组,走向基本一致,为NW273°-283°,倾角很陡,但是倾向相反。从钻孔情况看,在断层北面的 ZKB1101、ZKB901、和 ZKB702 和断层南面的 ZKB701、ZKB501、ZKB301、ZKB101、ZKB001 均揭露断层破碎带和矿体,只是断层南面的钻孔破碎带和矿体厚度较断层北面大些。因此,可推知,矿区断层及节理呈竖直的锯齿状向地下延伸,类似“Z”字形。产状为 185-193°∠76-80°和 3°∠83°。

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  通过以上结构面的统计分析,矿区的节理倾角大部分很陡,可以切穿各含水层,为各含水层的水力联系提供了通道。也使得各含水层与顶部的风化化裂隙带产生了密切的水力联系。

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  4、 地下水的的补给、径流、排泄条件

  4.1 第四系冲、洪积层主要沿南布河和南桑河两岸分布,富水性较好,与大气降水和地表水关系密切。一年四季接受大气降水、河水渗入和风化裂隙带潜水的补给。潜水的流向主要与河流流向呈锐角相交,局部地段呈垂直相交。其排泄方式除蒸发外,多以泄流的形式补给南布河和南桑河。分布于矿体东南侧的第四系坡积物中的孔隙潜水的唯一补给来源是大气降水。由于受地形地貌控制,地下水自分水岭处向河谷方向径流,或下渗补给基岩风化裂隙潜水。其特点是:就地补给,就地排泄,径流途径短,交替循环迅速。

  4.2 碎屑岩类基岩地下水接受大气降水及基岩风化带潜水的补给。地下水总体由分水岭两侧向北西和南东沿砂质岩层中的构造裂隙运移。在无断裂破坏的情况下,地下水经短距离运移后,于沟谷处以散流的形式排入溪沟,具有就地补给、近源排泄的特点。在有断裂破坏的情况下,切割不同含水层而具有较强径流性质的断层破碎带裂隙可沟通不同含水层,排泄破碎带两侧含水层地下水而使水位与其它部位相比显得较低。

  5、 矿床充水因素分析

  5.1 矿床充水水源 大气降水和地下水是矿床主要的两大充水水源。矿区有一个矿体,为 KT1,分布于矿区的中部,埋深浅,矿体分布在+688m 标高以上,位于南桑河和南布河侵蚀基准面以上,两河河水对采矿不会造成影响。大气降水通过入渗补给地下水再通过井筒进入矿坑,是矿井充水的间接水源。因此,矿井主要充水期与主要降水期基本一致,或是稍微延后一段时间。丰水年的丰水期是威胁采矿安全的主要时期。

  矿体位于含水层砂岩中,矿体顶板是坝注路组隔水层,含水性极弱,对矿井影响不大。当采用地下井采方式时,底板中,含矿层中的地下水会直接涌入井巷,构成井巷直接充水水源。非含矿层的砂岩和断层影响带中储存的地下裂隙水,当采矿造成的突水系数超过临界值时会造成矿井突水,是矿床间接的充水水源。涌水量以净储量为主,排水初期涌入量大,但之后水量逐渐减少。

  5.2 充水通道 矿坑充水通道是矿坑充水的重要条件。根据矿区水文地质条件、基岩风化带裂隙调查和钻孔岩心分析,矿坑充水通道主要为构造破碎带及其影响带和基岩风化带网状裂隙。

  基岩风化裂隙构成降水入渗的主要通道,构造裂隙构成矿床充水的直接通道。F1断层影响带的构造裂隙在垂向上可沟通各砂岩含水层中的裂隙水,如 ZKB1101、ZKB401全孔漏水就是在构造裂隙带发生的。这条断层分布在 Kj1含水岩组中,起到汇水之作用,它同时也切割各隔水地层,破坏地层的隔水性,各含水层中的水力联系得到加强,涌入井巷的水量也会增大。因此,在矿坑开采过程和井巷开拓中,应特别注意这类导水通道。

  总的来说,大气降水通过强风化带的孔隙入渗到基岩风化裂隙中,然后基岩风化裂隙水沿构造裂隙,渗入到各个砂岩含水层中和断层破碎带中。断层破碎带及其影响带联通各含水层,起到汇水和沟通管道的作用。当采矿时,受到扰动,地下水可通过这些通道进入井巷、坑道中,造成涌水。

  5.3 充水强度 影响矿区充水强度的因素概括起来有两个:

  5.3.1 充水岩组的出露面积和补给条件 充水岩组的顶部边界是与大气降水发生联系的交换边界,通过残坡积层接受大气降水补给。影响充水强度包括出露面积、盖层的透水性、地形、植被覆盖程度及地质构造条件等因素。矿区充水岩组出露面积约为 3km2,占矿区面积的 1/7。

  含水层上部为强风化带,为残坡积层。其厚度一般 2~14m,山脊处薄一些,坡地平缓处厚一些,最薄 2m,最厚 14m,平均厚度 7.5m(表 1)。该层最上部由腐植土组成,厚 20~40cm,渗透性好;下部由亚砂土夹碎石组成,平均厚度3.7m,渗透性相对较好。但是中部由亚粘土组成,平均厚度4.1m,渗透性较差;虽然渗透性差的亚粘土层较厚,但分布不连续,所以总体上残坡积层透水性较好。矿体位于分水岭东南侧的山腰上,坡度一般 20°~35°,植被覆盖好,腐植土层厚,利于降水入渗。

  矿区北东走向的断层 F1位于下白垩景星组第一段含水岩组中部且平行该组地质界线穿越矿区,其裂隙发育的影响带将大大改善大气降水的入渗。还加上大量前期地质勘探施工的探槽、探坑,人为的改变了降雨入渗条件,有利于降水入渗。综合以上因素,矿区内对大气降水的入渗是有利的,所以,如遇降水期,充水强度会有所增强。

  5.3.2 充水岩组的侧向和顶底部边界条件 矿床东南侧为南布河,西北侧为分水岭,地下水由分水岭流向南布河(如图 1)。且矿床开采深度位于河流侵蚀基准面以上,又有厚度很大的坝注路组隔水层把南布河隔开,因此,地表水不会对矿床造成影响。在未开采情况下,水文边界以地下分水岭中间界线为界;在开采情况下,井巷涌水,水文边界则会向北西偏移。

  矿床及其直接顶、底板的隔水或透水条件,是影响矿床充水强度的关键性因素之一。矿床的顶板边界主要为坝注路组和一小部分景星组第一段(图 2),基本上不含水和不透水,构成充水岩组的顶部隔水边界。矿床的底板为统景星组第一段,以砂岩为主的含水岩组,其构成矿床底部充水岩层。涌水强度主要是受景星组第一段砂岩含水层裂隙水和 F1断层影响带中的裂隙水的影响,涌水量主要是裂隙中的静储存量。开始涌水时,强度会大些,但会衰减,若无降水补给,涌水强度会变小。

  6、 矿坑涌水量预测

  6.1 引用计算公式 针对 KT1 矿体选取 ZKB001 勘探孔进行抽水试验。选用的水泵,参数为:扬程 120m,流量6.0m3/h。根据该孔抽水试验所得参数,进行矿坑涌水量的预测。根据 KT1 号矿体水文地质条件,适宜采用“大井”法预测矿坑涌水量。根据矿体分布的资料,对标高 821m 中段进行矿坑涌水量预测。计算采用潜水井的 Dupuit 公式:

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  式中:Q—矿坑涌水量 (m3/d);K—渗透系数(m/d);H—水头高度,(m);Sw—矿床设计疏干水位降深,(m);R0—影响半径,(m)。r0—引用半径,(m)。

  6.2 各参数的确定

  ①渗透系数(K)。根据 ZKB001 钻孔抽水试验数据,采用承压水完整井 Dupuit 公式计算:

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  L—过滤器长度,(m)。经计算得 K=0.19m/d。

  ②水位降深(Sw)。设计水位降深为 44m。

  ③水头高度(H)。H 为各勘查钻孔的静止水位标高平均值与预算中段标高的差,H=865-821=44m。

  ④引用半径(r0)。采坑面积近似矩形,采用公式:

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  预算采坑投影为:长边 a=130m,短边 b =70m。η 是与a/b 比值有关的系数,查表求得为 1.15。计算得 r0=58m。

  ⑤引用影响半径(R0)。R0=R+r0=254+58=312m。

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  将各相应参数代入潜水完整井 Dupuit 公式中,得出预论文摘要

  从矿区现有的平硐和钻孔涌水量来看,由于补给有限,矿区地下水受到人工排泄后,涌水量将一直衰减,消耗的主要是静储量。故针对 KT1 估算的涌水量代表的应该是最大涌水量,随着矿山疏干排水的持续进行,KT1 矿坑涌水量也会逐步减小。

  7、 结论

  矿床的主要充水含水层为碎屑岩类孔隙裂隙含水层,矿床为裂隙充水型矿床。矿床主要充水含水层与矿床直接接触,地下水直接进入矿坑,为直接充水型矿床。矿体位于当地最低侵蚀基准面以上,地形有利于自然排水,矿床主要充水含水层的富水性为弱-中等,渗透性差,水文地质边界简单,矿床为水文地质条件简单的矿床。大井法以地下水动力学原理为基础的方法,是理想化的模型,计算公式适于均质的含水层,而本区为非均质的裂隙含水带,而视为均质层计算求得渗透系数,影响了预算的精度。

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