謙比希銅礦床水文地質(zhì)特征和防治水對策

樊 勇， 張東紅， 錢 涵， 趙興國， 徐京苑

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038； 2.中色非洲礦業(yè)有限公司, 贊比亞 基特韋市)

1 前言

謙比希銅礦位于贊比亞謙比希構(gòu)造盆地的北緣至北東緣，按照相對位置分為主、西礦體和東南礦體。主、西礦體沿單斜地層呈近東西向相鄰分布，東南礦體位于主、西礦體東南5km。目前，主、西礦體利用同一套提升運(yùn)輸系統(tǒng)聯(lián)合開采。主礦體1965年建成露天礦，1974年井下礦投產(chǎn)，1987年進(jìn)入停產(chǎn)維護(hù)，2003年復(fù)產(chǎn)至今；東南礦體2013年開始建設(shè)，目前基建基本結(jié)束，已進(jìn)入試生產(chǎn)階段。

作為世界著名的大水礦山，其水文地質(zhì)條件、在生產(chǎn)實(shí)踐中遇到各類技術(shù)問題頗具代表性，在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程中所采用的防治水措施也可作為同類大水礦山水害治理的成功范例，為實(shí)現(xiàn)大水難采礦山安全、高效開采提供有益的借鑒。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)特征

區(qū)內(nèi)地面起伏較平緩，地形坡度一般2%～4%，相對高差不大于50m。平緩的地形條件十分有利于降水的入滲。區(qū)內(nèi)植被發(fā)育，以灌木和密集的草地為主。低洼地區(qū)及河、溪兩岸喜水植物十分繁茂。茂密的植被是增加降水入滲補(bǔ)給地下水的又一個(gè)有利因素。本區(qū)年平均降雨量1 181mm，年最大降雨量1 659mm，年最小降雨量630mm，月最大降雨量489mm。當(dāng)?shù)氐湫徒涤赀^程為每次降雨量20～40mm，長歷時(shí)的大暴雨很少出現(xiàn)，此類降雨過程容易入滲補(bǔ)給地下水。綜合來看，平緩的地形、茂密的植被、豐沛的降水和適中的降雨強(qiáng)度均有利于地下水獲得充分的補(bǔ)給來源。這些條件是導(dǎo)致區(qū)域地下水十分豐富的重要因素。

2.1 主、西礦區(qū)水文地質(zhì)特征

礦區(qū)自下而上的地層分布及其富水性如下。

(1)基底片巖、石英巖及花崗巖侵入體形成廣泛、連續(xù)的隔水層。重要的控制性開拓工程均位于此層中，只有在一些構(gòu)造帶附近或局部受古風(fēng)化帶影響的區(qū)域，含有限的構(gòu)造裂隙水。

(2)含礦的下羅恩亞群由礫巖、砂板巖、頁巖或片巖，以及礦層以上互層分布的砂質(zhì)泥巖與石英巖組成，夾有少量碳酸鹽巖。該層通常為富水性弱至中等的含水層。但其富水性可隨著褶皺變形程度的增加而明顯增強(qiáng)。銅礦層中層間滑動和褶皺是常見的構(gòu)造現(xiàn)象，常成為不同構(gòu)造單元之間的過渡帶或滑動帶。該層控制的地下水量占比不大，但礦山大部分開拓工程都與其有關(guān)。因此，也將其劃為含水層。值得關(guān)注的是，在該層頂部有一段厚度20m左右的“上部石英巖”，巖石堅(jiān)硬、完整，在沒有構(gòu)造破壞的情況下形成很好的隔水層。

(3)上羅恩亞群下部以白云巖為主，上部為白云巖與泥頁巖互層，總厚度可達(dá)700m。中下部普遍含有石膏，其易溶性使含水層孔隙發(fā)育，可達(dá)10%或更高。溶蝕強(qiáng)烈的地段，含水層往往呈現(xiàn)砂狀白云巖，是最主要的含水層位。上中部斷續(xù)分布有順層侵入的輝長巖床，厚度數(shù)十米至200m以上。輝長巖床一般可起隔水作用，但由于其面積有限，僅可看作為局部隔水層。

(4)穆瓦夏亞群巖性為含炭質(zhì)頁巖和白云巖。其白云巖部分也構(gòu)成含水層，一般富水性弱至中等，局部溶洞發(fā)育，強(qiáng)富水。

(5)昆都侖古群巖性為頁巖、灰?guī)r及其底部的冰磧礫巖。它主要分布于沉積盆地的中部，覆蓋其它地層。當(dāng)其較薄時(shí)構(gòu)成風(fēng)化裂隙含水層；頁巖和冰磧礫巖厚度較大時(shí)構(gòu)成相對隔水層。

(6)殘積層和風(fēng)化帶含水層厚度一般20～60m，最厚處可超過100m，多數(shù)富水性不強(qiáng)。

2.2 東南礦區(qū)水文地質(zhì)特征

由于埋藏深度大、地表水文地質(zhì)條件復(fù)雜，東南礦體直到近年來才開發(fā)建設(shè)。礦體及地表水系分布情況如圖1所示。

圖1 東南礦區(qū)礦體及地表水系分布平面圖

Mwambashi河是卡富埃河的支流，自西向東經(jīng)過謙比希盆地后匯入卡富埃河。該河流域面積760km2，平均流量3.4～9.6m3/s，最大流量36.7m3/s。

受古沉積環(huán)境影響，東南礦體分布范圍廣，形態(tài)復(fù)雜。主礦體長7km，一般寬500～800m，其北側(cè)另有2個(gè)小礦體。北段礦體位于河流之間，地形相對較高，礦體上方水系不發(fā)育，地表排水條件較好，礦體埋深700～1 000m。選取0線以北的北礦段為首期開采范圍，使河流對開采的影響程度最小。南礦段部分礦體埋藏較淺，礦層距含水層較接近，與南礦段礦體伴生的生物礁白云巖[1]也可成為含水層之一。Mwambashi河、Ichimpe溪在該礦段上方流過，河流滲漏可能成為礦床充水的補(bǔ)給源。這部分礦體留待后期開采。

東南礦區(qū)首期開采區(qū)可明確劃分出淺部含水層和深部隔水層，兩者厚度大致相當(dāng)。淺部含水層包括穆瓦夏亞群和上羅恩亞群上部地層。深部隔水層包括上羅恩亞群下部地層(包括在主、西礦區(qū)為主含水層的含石膏燧石白云巖)、下羅恩亞群和基底。上羅恩亞群上部巖溶發(fā)育段是強(qiáng)富水段，強(qiáng)富水段巖芯照片如圖2所示。

上羅恩亞群構(gòu)造角礫白云巖及下羅恩亞群巖石完整堅(jiān)硬，構(gòu)成隔水層。隔水層典型的巖芯照片如圖3所示。

基底盧富布片巖、石英巖、片麻狀花崗巖構(gòu)成礦體底板隔水層?；椎貙釉诘V區(qū)的東北部和東部出露地表，構(gòu)成區(qū)域隔水邊界。首期開采區(qū)地層產(chǎn)狀特征及含水層- 隔水層分布典型剖面如圖4所示。

圖2 上羅恩亞群強(qiáng)富水含水層的巖芯照片

圖3 隔水層典型的巖芯照片

圖4 首期開采區(qū)地層產(chǎn)狀及含水層- 隔水層剖面

礦山在2008—2013年詳查期間開展的各含水層(帶)抽水試驗(yàn)結(jié)果(見表1)表明，與主、西礦體涌水量所反映出的地層滲透性相比，東南礦區(qū)的含水層滲透系數(shù)明顯偏小。

表1 各含水層(帶)抽水試驗(yàn)試段數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

東南礦區(qū)首期開采區(qū)礦層平緩，構(gòu)造活動相對較弱，含礦地層連續(xù)完整。整體上，該區(qū)域?yàn)闃?gòu)造變形很小的“完整地塊”，不存在構(gòu)造因素造成的強(qiáng)徑流帶。

首期開采區(qū)含礦層本身及其大部分上覆地層的產(chǎn)狀平緩，地層傾角為0°～15°，此與主礦體地層自基底向盆地中心陡傾斜的構(gòu)造特征明顯不同。主礦體的強(qiáng)烈褶皺導(dǎo)致強(qiáng)含水層發(fā)育深度超過1 000m，而東南礦區(qū)首期開采區(qū)域，順層侵入的輝長巖體的擠壓作用是影響地層導(dǎo)水性的重要因素。輝長巖體的外接觸帶成為強(qiáng)含水層位。當(dāng)輝長巖體較薄時(shí)，它直接構(gòu)成含水層的一部分。這種影響主要在淺部，深部構(gòu)造活動微弱。

鉆孔揭露的穆瓦夏亞群的灰?guī)r、白云巖含水層厚度一般50～100m；上羅恩亞群上部的互層狀白云質(zhì)泥巖、白云巖含水層厚度100～250m。兩主要含水層之間為相對隔水層，且有相當(dāng)部分為輝長巖侵入體。含水層及其與礦體關(guān)系的三維立體模型如圖5所示。

圖5 首期設(shè)計(jì)范圍含水層與礦體的空間關(guān)系

礦體及頂?shù)装甯羲畬泳鶠閳?jiān)硬巖組，巖石抗壓強(qiáng)度Rc=73.8～131.8MPa、RQD=95%，良好的工程地質(zhì)性質(zhì)有利于開采過程中礦層頂板的保護(hù)。如果礦床開采不破壞其完整性，則上部含水層中的地下水就不會大量進(jìn)入礦坑。

勘探期間的水文觀測結(jié)果顯示，東南礦區(qū)地下水位趨勢與地形基本一致。說明主、西礦區(qū)大量排水對本區(qū)沒有明顯影響，礦坑排水的影響范圍是有限的。基建期一些鉆孔水位有緩慢下降，但幅度僅為數(shù)米，表明深部導(dǎo)水構(gòu)造出水的影響范圍有限，與淺部含水層之間的水力聯(lián)系不密切。

3 防治水對策

謙比希銅礦主、西礦區(qū)和東南礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜、涌水量大，必須采取適宜的防治水措施，減少礦坑涌水量，降低礦山排水成本，保障礦山安全開采，并更好地保護(hù)區(qū)域地下水環(huán)境。除常規(guī)以疏干為主的治水措施外，本文還研究了通過改變采礦方法、集中涌水區(qū)域的封堵等措施達(dá)到綜合治水目的。

3.1 改變采礦方法

謙比希構(gòu)造盆地有大面積可溶巖含水層分布，且主礦體上部地層褶皺變形強(qiáng)烈，大部分礦體的頂板工程地質(zhì)條件較差，采場頂板穩(wěn)固性不好，淺部地層及褶皺情況如圖6所示，礦體代表性剖面如圖7所示。這些條件都明顯提高了地層的導(dǎo)水性，因此主礦體開采時(shí)礦坑涌水量很大。

早期開采過程中，井下采用分段崩落法開采，必須提前大規(guī)模疏干。疏干工程一般低于開采中段100m，在開采前一年左右開始疏干放水。因礦坑涌水量大，礦巖穩(wěn)固性差，導(dǎo)致采礦成本過高，1987年進(jìn)入停產(chǎn)維護(hù)。1998年國內(nèi)企業(yè)接管后，開展了大量的水文地質(zhì)和防治水研究以及采礦方法研究。調(diào)查和研究發(fā)現(xiàn)，礦層及其上部地層由淺部的復(fù)雜褶皺向深部逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡睒?gòu)造，但對地下水的影響依然重要。從地層很強(qiáng)的導(dǎo)水性和較高的水溫(40℃)來看，可能與Junping REN[2]等人提到的Lufilian構(gòu)造弧的活化或更近期的構(gòu)造活動有關(guān)。礦層上部距離礦體70m左右的“燧石白云巖”為最強(qiáng)含水層。而礦層上部40m左右的“上部石英巖”則有可能構(gòu)成較好的隔水層?；謴?fù)生產(chǎn)后，部分礦段沿用分段崩落法開采，另一部分改為充填法開采。

圖6 謙比希主礦體淺部地層及褶皺情況(Modified from L.N. Greyling1 2005)

充填法開采不會大規(guī)模破壞礦體頂板地層，在提高礦石回采率的同時(shí)，大幅度降低貧化率?！吧喜渴r”在不被破壞的情況下，可以防止“燧石白云巖”強(qiáng)含水層中的地下水進(jìn)入采場。礦床疏干工作只對“上部石英巖”以下的礦層及其直接頂板進(jìn)行疏干，放水孔不必穿透“燧石白云巖”強(qiáng)含水層。這大大降低了開采對疏干放水強(qiáng)度的要求，降低了疏干工程的投入，也相應(yīng)減少了排水量。

上述措施保證了主礦體在較短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)生產(chǎn)，并持續(xù)生產(chǎn)到現(xiàn)在。開采深度由恢復(fù)生產(chǎn)時(shí)的400～500mL達(dá)到732～865mL。礦坑涌水量則由復(fù)產(chǎn)初期的36 000m3/d增加到47 000m3/d。沿走向長度占小半的崩落法采區(qū)的涌水量占礦坑總涌水量的2/3；而沿走向長度占大半的充填法采區(qū)涌水量僅占總涌水量的1/3。

與主礦體相鄰的西礦體水文地質(zhì)條件與主礦體類似。根據(jù)主礦體開采的經(jīng)驗(yàn)，西礦體開采全面推廣了充填法。疏干工作僅針對“上部石英巖”以下的礦體含水層。此外，還引進(jìn)了更先進(jìn)的膏體充填法來進(jìn)一步提高充填質(zhì)量，更好地保護(hù)頂板隔水層。膏體充填具有不分層、不離析、不脫水、接頂率高的優(yōu)點(diǎn)。膏體充填材料的性狀及充填體強(qiáng)度對比情況如圖8所示。

圖8 膏體充填材料的性狀(左)及充填體強(qiáng)度對比(右)

目前西礦體開拓和疏干深度已到達(dá)500mL。盡管開采范圍的走向長度與主礦體相當(dāng)，但其總涌水量不到10 000m3/d。有選擇性地進(jìn)行疏干和充填法采礦相結(jié)合達(dá)到了良好效果。通過采用先進(jìn)的開采技術(shù)和精細(xì)的疏干工程布置，在大幅度降低礦床疏干排水成本的同時(shí)，更好地保護(hù)了周邊的地下水環(huán)境。

目前主礦體探明資源大部分已采完，由于涌水量大，剩余資源繼續(xù)開采的難度大、成本高。與其相鄰的西礦體開采深度相對較淺，承擔(dān)大部分產(chǎn)量任務(wù)。但礦坑涌水絕大部分來自主礦體，水量大且排水揚(yáng)程高，排水成本成了主、西礦區(qū)生產(chǎn)的沉重負(fù)擔(dān)。由此可以看出，采用膏體充填采礦方法，可以很好地保護(hù)礦體頂板，這是減少礦坑涌水量、推遲礦坑涌水增加的重要措施。

3.2 豎井工作面探水和注漿

東南礦區(qū)共掘進(jìn)四條豎井?；鶐r風(fēng)化帶中掘進(jìn)涌水量一般小于10m3/h，最大的突水點(diǎn)為北風(fēng)井深度36.9m處，涌水量39.2m3/h。

深度200m以上的白云巖含水層是豎井掘進(jìn)的主要充水因素。采用井筒工作面探水+預(yù)注漿方式治理涌水。探水孔揭露的最大涌水量達(dá)200～300m3/h，平均50m3/h。一些探水孔涌出白云質(zhì)砂，巖石軟硬相間，富含石膏和滑石。主井歷經(jīng)半年注漿治水，消耗水泥1 500t才通過含水層?，F(xiàn)在看來，采用地表預(yù)注漿措施可能更適于此類水文地質(zhì)條件。

南風(fēng)井560～680mL斜坡道下向掘進(jìn)過程中，礦層底板的爆破孔出現(xiàn)涌水，注漿消耗水泥20t，注漿過程顯示漿液很難注入地層。斜坡道繞道后繼續(xù)掘進(jìn)，未再見涌水。

3.3 斷層裂隙帶探測

根據(jù)目前的認(rèn)識，東南礦體首期開采區(qū)可能是被周邊一些褶皺/斷裂圍限的“完整地塊”。地塊內(nèi)部地層平緩，構(gòu)造變形輕微，富水性弱。從區(qū)域構(gòu)造環(huán)境分析，首期開采區(qū)的東南側(cè)和東北側(cè)可能存在一定規(guī)模的褶皺或斷裂構(gòu)造，即“完整地塊”的邊界斷裂(或褶皺)。這兩區(qū)域應(yīng)為今后探水工作重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。

針對裂隙帶探水時(shí)，要考慮探水孔方向與裂隙帶的關(guān)系。應(yīng)使探水孔與裂隙帶大角度斜交以取得更好的探測效果。

3.4 老鉆孔處理

早先勘探時(shí)期探礦一般不對鉆孔進(jìn)行封孔。對于東南礦區(qū)這樣不進(jìn)行大規(guī)模疏干的礦山，此類老鉆孔可能構(gòu)成溝通淺部含水層的導(dǎo)水通道。為此，對老鉆孔專門透孔并注漿封孔。由于土地使用權(quán)的限制，部分老鉆孔沒能實(shí)施注漿封孔，條件具備時(shí)應(yīng)考慮繼續(xù)封閉這些鉆孔。

4 結(jié)論

(1)平緩的地形、茂密的植被、豐沛的降水和適中的降雨強(qiáng)度均有利于地下水補(bǔ)給，這些條件是導(dǎo)致該地區(qū)地下水十分豐富的重要因素。

(2)銅礦層上盤圍巖大部分為白云巖或白云質(zhì)粉砂巖。長期的風(fēng)化和淋濾作用形成了廣泛連續(xù)的含水層，其靜儲量十分豐富，這使得新建礦山早期疏干十分困難。

(3)地層強(qiáng)烈變形使得可溶巖溶蝕作用增強(qiáng)，形成強(qiáng)含水層。同時(shí)，泥板巖、鈣質(zhì)砂巖和粉砂巖，長石石英巖等富水性較弱的碎屑巖地層也因構(gòu)造變形強(qiáng)烈而成為較強(qiáng)含水層。褶皺強(qiáng)度對含水層區(qū)域性的面狀導(dǎo)水性影響深遠(yuǎn)。斷層構(gòu)造起到連通和加強(qiáng)導(dǎo)水性的作用，其影響呈線性分布，形成強(qiáng)徑流帶。

(4)含水層分布面積是影響礦坑總涌水量的重要因素。礦坑總涌水量在很大程度上取決于含水層的面積，含水層面積大有更多機(jī)會涵蓋地表河流系統(tǒng)，增加常年性補(bǔ)給源。

(5)隨著開采深度的增大，地下水對礦山建設(shè)和開采成本的影響越發(fā)明顯。礦床勘探和設(shè)計(jì)中應(yīng)更加注重研究地下水的分布，充分利用含水層和隔水層的空間關(guān)系，合理開展疏干設(shè)計(jì)，在滿足采礦安全的前提下，盡量降低排水成本。