塞爾維亞波爾州TMK銅金礦水文地質(zhì)特征研究

周友清，高鵬浩，闕曉倩，彭 偉

(紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，福建 廈門 361015)

0 引言

礦區(qū)位于塞爾維亞波爾州 (Bor) 南部，距首都貝爾格萊德約250 km，距波爾市區(qū)約5 km，行政區(qū)劃屬波爾州管轄[1](圖1)。礦區(qū)水文地質(zhì)勘查工作由貝爾格萊德大學(xué)承擔(dān)，執(zhí)行的是加拿大 NI43-101 標(biāo)準(zhǔn)。礦區(qū)在2020年的開拓系統(tǒng)施工中，發(fā)生了涌水、涌氣現(xiàn)象，特別是涌氣 (H2S) 現(xiàn)象在一般礦區(qū)中比較少見。國(guó)內(nèi)曾有過(guò)類似的報(bào)道和研究，認(rèn)為其形成機(jī)制是氣體 (H2S) 裹挾著地下水通過(guò)構(gòu)造裂隙向上漂移，改善了深部地下水游離 (O2) 的補(bǔ)充條件，加速了深部地下水的氧化、溶蝕、運(yùn)移速度[2-3]。艾秀峰[4]通過(guò)對(duì)某盆地的 CO2涌氣的研究認(rèn)為，CO2是以水溶離子相、水溶氣相、連續(xù)氣相賦存于地層裂隙，通過(guò)斷裂運(yùn)移，并具有形成高壓氣體的可能。為此，筆者通過(guò)對(duì)礦區(qū)地表、鉆孔巖心含(隔)水性、巷道等水文地質(zhì)特征進(jìn)行了調(diào)查研究，結(jié)合相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)資料，對(duì)礦區(qū)水文地質(zhì)特征重新認(rèn)識(shí)，以探究涌水、涌氣發(fā)生的原因。研究認(rèn)為，涌水來(lái)自深部碳酸鹽類地下水、涌氣 (H2S) 來(lái)自地殼內(nèi)部的巖漿活動(dòng)產(chǎn)生的揮發(fā)組分，并認(rèn)為礦區(qū)水文地質(zhì)條件，涌水量估算與前期水文地質(zhì)勘查報(bào)告結(jié)論出入較大。研究成果對(duì)類似礦區(qū)的水文地質(zhì)有一定的借鑒意義。

圖1 礦區(qū)交通位置圖(來(lái)自谷歌地圖2019年4月)

1 礦區(qū)地質(zhì)特征

1.1 礦區(qū)地質(zhì)特征

礦區(qū)位于蒂莫克雜巖體 (或叫火山噴發(fā)盆地) 中部東側(cè)，占雜巖體面積的4%，區(qū)內(nèi)主要出露白堊紀(jì)晚白堊世火山巖、火山碎屑沉積巖，新近紀(jì)中新世粗碎屑巖，第四系全新世沖洪積物。

在雜巖體周邊出露中生代侏羅紀(jì)至早白堊世灰?guī)r下伏地層。礦區(qū)北東60 km、南西25 km方向各有一處巖溶地貌旅游景點(diǎn)，景點(diǎn)內(nèi)溶洞、地下暗河等巖溶特征地貌發(fā)育。

根據(jù)鉆孔揭露情況，礦區(qū)從下至上大致分為下部安山巖 (LA)、上部安山巖 (UA)、泥灰?guī)r-砂巖 (UCMA)、砂巖 (UCCM)。

1.2 礦體特征

礦區(qū)內(nèi)的含礦層位賦存在下部安山巖 (LA) 中，為淺成熱液型銅金礦床。礦體為隱伏礦體，賦存高程在-30 m～-470 m之間，埋深430～870 m。呈不規(guī)則的橢球體狀，向下部規(guī)模變小并呈分枝狀。走向NW340°，傾向SW32°。

主要金屬硫化物為黃鐵礦，含量占33.13%，硫化銅礦主要為銅藍(lán)，其礦物含量為9.5%，少量的硫砷銅礦和黃銅礦，其他金屬硫化物(方鉛礦和閃鋅礦等)含量較少。脈石礦物主要為石英，含量占28.88%，其次為明礬石，含量占11.10%。

含金礦物以多種形式存在，包括碲化物(如碲金礦)、針碲金銀礦和針碲金銅礦，并且主要被包裹在黃鐵礦中，但局部也發(fā)現(xiàn)少量包裹在銅藍(lán)、砷硫銅礦中。原生金不常見。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)特征

2.1 自然地理與氣象水文特征

本區(qū)屬塞爾維亞阿普塞尼山系中低山地形，地勢(shì)較平緩，高程220.0～420.0 m，最大高差200.0 m，地勢(shì)總體上北高南低，西高東低。區(qū)內(nèi)地表植被覆蓋較好。

表1 溪溝流量觀測(cè)統(tǒng)計(jì)

2.2 含水巖組水文地質(zhì)特征

根據(jù)測(cè)區(qū)出露的地層、巖石組合，結(jié)合巖石含水介質(zhì)的孔隙性質(zhì)及地下水的水力性質(zhì)，將本區(qū)巖石劃分為4個(gè)含水巖組，即松散巖類孔隙含水巖組、碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組、火山巖類裂隙含水巖組、碳酸鹽類溶蝕裂隙含水巖組(圖2)。

圖2 TMK銅金礦區(qū)域水文地質(zhì)圖

碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組：廣泛分布于本區(qū)的中、北部、西南和東南地區(qū)，是區(qū)域主要的含水巖組之一。主要由砂巖、粉砂巖、礫巖和泥灰?guī)r等組成。富水性弱—極弱。水化學(xué)類型 HCO3?SO4- Ca?Mg 型水或 HCO3?SO4- Ca?Na 型水。

火山巖類裂隙含水巖組：主要分布于本區(qū)的東、西部及南部地區(qū)，是本區(qū)主要的含水巖組之一。主要輝石角閃玄武安山巖、下部安山巖及巖漿巖脈(英安斑巖、閃長(zhǎng)巖)等組成。厚度大于3500.0 m，水位埋深變幅較大，一般約40 m，局部達(dá)200 m。富水性以弱為主，局部可達(dá)中等。水化學(xué)類型 HCO3?SO4- Ca?Mg 型水。

碳酸鹽類溶蝕裂隙含水巖組：主要分布于本區(qū)的北東、西南兩側(cè)。主要巖性為灰?guī)r、白云巖。淺部地下水化學(xué)類型為 HCO3?SO4- Ca?Mg 型水、深部為 SO4-Na 型水。沒有針對(duì)該含水巖組的地質(zhì)鉆探及水文地質(zhì)試驗(yàn)工程，含水巖組水文地質(zhì)特征及厚度不詳。

2.3 巖(礦)石含(隔)水特征

根據(jù)鉆探揭露，依據(jù)巖石富水性和地下水含水介質(zhì)等差異，礦區(qū)巖(礦)石含(隔)水特征可劃分為第四系松散巖類(Q)孔隙含水層、風(fēng)化裂隙透水層、砂巖 (UCCM) 風(fēng)化裂隙潛水含水層、泥灰?guī)r-砂巖 (UCMA) 隔水層、上部安山巖(UA)基巖構(gòu)造裂隙含水層、下部安山巖 (LA) 基巖構(gòu)造裂隙含水層、深部碳酸鹽 (J-K) 溶蝕裂隙含水層和隔水層(圖3)。

圖3 TMK銅金礦區(qū)水文地質(zhì)圖

風(fēng)化裂隙透水層：位于潛水含水層之上，頂中多為殘坡積物、強(qiáng)風(fēng)化物充填，下部為弱風(fēng)化帶，該層巖體內(nèi)部風(fēng)化裂隙發(fā)育，裂面多為砂性土充填。該層為下部風(fēng)化裂隙潛水含水層地下水的補(bǔ)給通道。

砂巖 (UCCM) 風(fēng)化裂隙潛水含水層：埋藏于潛水面至弱風(fēng)化層底界之間。埋深1.7～44.8 m，厚度為10.0～30.0 m，平均厚度20.6 m，水位高程約+355 m。斷裂構(gòu)造、節(jié)理裂隙多為高嶺土化泥質(zhì)或其他礦物充填，滲透系數(shù)為0.0002～0.0112 m/d，富水性弱—極弱。水化學(xué)類型為 HCO3?SO4- Ca?Mg 型水或 HCO3?SO4- Ca?Na 型水。

泥灰?guī)r-砂巖 (UCMA) 隔水層：厚度為78～498 m，平均厚度為203 m。巖心多新鮮，節(jié)理裂隙不發(fā)育，完整性較好，多呈特長(zhǎng)柱狀—長(zhǎng)柱狀。鉆孔揭露隔水層時(shí)，孔內(nèi)返水。斷裂構(gòu)造部位巖體多泥化，隔水。

上部安山巖 (UA) 基巖構(gòu)造裂隙含水層：埋藏于泥灰?guī)r-砂巖隔水層之下，厚度一般為20～60 m，平均厚度為38.7 m，水位高程約+23 m，滲透系數(shù)為0.0147～0.3536 m/d，平均0.263 m/d，富水性以弱為主，局部可達(dá)中等。水化學(xué)類型為 HCO3?SO4- Ca?Mg 型水。

下部安山巖 (LA) 基巖構(gòu)造裂隙含水層：埋深超過(guò)1500 m，多賦存于構(gòu)造斷裂帶區(qū)域，鉆孔最大揭露厚度45 m，巖體破碎、巖心呈褐—褐黃色，氧化作用強(qiáng)烈。因水位埋深大，沒有做相應(yīng)的分層水文試驗(yàn)，故該層含水層水文技術(shù)參數(shù)不詳。在本含水層界面之上與UA含水層之間隔水巖體厚度超過(guò)1000 m。

深部碳酸鹽(J-K)溶蝕裂隙含水層：礦區(qū)鉆孔未揭露，由涌水孔水質(zhì)檢測(cè)分析成果推斷而來(lái)，埋深超過(guò)2000 m，礦區(qū)北部鉆孔揭露為白色大理巖，因此，推斷深部碳酸鹽地下水為接觸變質(zhì)大理巖溶蝕裂隙水，巖溶管道水、地下暗河等巖溶地下水不發(fā)育。

隔水層：未揭穿深部碳酸鹽(J-K)溶蝕裂隙含水層，巖(礦)石隔水層水文地質(zhì)特征不詳。

2.4 斷裂構(gòu)造水文地質(zhì)特征

礦區(qū)構(gòu)造較發(fā)育，與區(qū)域構(gòu)造相一致，主要斷裂構(gòu)造為NW向、NE向及EW向，以NW向斷裂為主[1]。

礦區(qū)內(nèi)無(wú)大的地表水，頂部 UCCM 含水層富水性弱，透水性差，再加以其下為巨厚的 UCMA 隔水層，因此，礦區(qū)斷裂構(gòu)造總體富水性、導(dǎo)水性極弱—弱，局部可達(dá)中等。

NW向斷裂 主要有2條，即東斷裂(EF)、西斷裂(WF)，兩者控制礦體東、西兩側(cè)邊界，平面上相距200～280 m，大致呈“地壘”式組合。① 西斷裂(WF)出露于礦體西側(cè)，地表未見，均由鉆孔控制，兩端延伸長(zhǎng)度不明；走向340°～350°，走向長(zhǎng)大于400 m，傾向NE，傾角65°～85°，局部東傾；破碎帶寬3～5 m，以發(fā)育構(gòu)造角礫巖、碎裂巖為特征，膠結(jié)物為泥質(zhì)，較松散。斷裂構(gòu)造富水性、導(dǎo)水性極弱。② 東斷裂(EF)出露于礦體東側(cè)，地表未見，均由鉆孔控制，兩端延伸長(zhǎng)度不明，走向長(zhǎng)大于500 m，斷層走向335°～350°，傾向NE，傾角65°～85°，總體呈張性特征。破碎帶寬5～30 m，角礫多呈棱角—次棱角狀，磨圓度較差，大小混雜，角礫成分同兩側(cè)圍巖，膠結(jié)物為泥質(zhì)，較松散。斷裂構(gòu)造富水性、導(dǎo)水性極弱。

NE向斷裂 分布于銅金礦體南部，地表未出露，深部主要由鉆孔控制，走向長(zhǎng)度不明。在礦體東西兩側(cè)分別切割了NNW向的東斷裂(EF)和西斷裂(WF)。斷裂走向NE75°～85°，傾向南，傾角60°～76°，為正斷層，該組斷裂規(guī)模較小，破碎帶寬2.9～4.6 m。以發(fā)育構(gòu)造破碎帶為特征，破裂帶由碎裂巖組成，裂隙較發(fā)育，多具不規(guī)則狀，裂隙間多為巖粉充填，具高嶺土化，較松散。局部為構(gòu)造角礫巖，角礫成分與圍巖一致，呈棱角狀—次棱角狀，顯示為張性特征。受礦體上部 UCCM 含水層富水性弱、透水性差及 UCMA 隔水層影響，斷裂構(gòu)造在UA含水層之上導(dǎo)水性極弱，在UA含水系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)水性弱，局部可達(dá)中等。

EW向斷裂 見于礦體中部，鉆孔控制較少，鉆孔揭露見1～3 m的構(gòu)造角礫巖、碎裂巖等，顯示張性特征，膠結(jié)物多高嶺土化、碳酸巖化，局部為構(gòu)造角礫巖，角礫成分與圍巖一致，呈棱角狀—次棱角狀。在 UCMA 隔水層之上導(dǎo)水性極弱。在UA含水系統(tǒng)內(nèi)，受NW向斷裂擠壓影響，導(dǎo)水性極不均一，總體導(dǎo)水性弱，局部可達(dá)中等。

2.5 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件及礦區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)

2.5.1 硫化氫的成因分析

1)自然界中H2S的成因分類

自然界將H2S分為有機(jī)成因和無(wú)機(jī)成因兩大類以及5種成因類型。有機(jī)成因包括生物降解、微生物硫酸鹽還原、熱化學(xué)分解、硫酸鹽熱化學(xué)還原；無(wú)機(jī)成因即巖漿成因：①生物降解是在腐敗作用主導(dǎo)下形成硫化氫的過(guò)程；②微生物硫酸鹽還原作用是硫酸鹽還原菌利用有機(jī)質(zhì)或烴類還原硫酸鹽形成硫化氫的過(guò)程 (BSR)，BSR 作用需要滿足三個(gè)基本條件，即硫酸鹽還原菌、有機(jī)質(zhì)和硫酸鹽；③熱化學(xué)分解作用是含硫有機(jī)化合物在熱力的作用下，含硫雜環(huán)斷裂形成硫化氫的過(guò)程 (TDS)；④硫酸鹽熱化學(xué)還原作用是硫酸鹽與有機(jī)物或烴類發(fā)生作用，將硫酸鹽礦物熱化學(xué)還原成 H2S 和 CO2的過(guò)程 (BSR)，BSR 發(fā)生需要三大要素，即烴類、高硫酸鹽含量、溫度高于120℃ (也有認(rèn)為150℃)；⑤巖漿成因是由地球內(nèi)部S元素豐度高于地殼，通過(guò)巖漿活動(dòng)使地殼深部巖石熔融或侵入產(chǎn)生的H2S揮發(fā)分。

2)礦區(qū)H2S氣體的成因分析

礦區(qū)井巷掘進(jìn)過(guò)程中，出現(xiàn)涌水、涌氣現(xiàn)象?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)H2S氣體體積分?jǐn)?shù)達(dá)33×10-6，簡(jiǎn)易水文測(cè)量：水溫21℃，pH值6.0，TDS約為2400 mg/L，涌水量約為40 m3/h；3天后，H2S氣體基本消失，水溫上升至28.5℃，pH值升至9.4，TDS降至526 mg/L，涌水量穩(wěn)定在10 m3/h。查閱勘查報(bào)告資料，在勘查過(guò)程記錄有6個(gè)鉆孔穿透 UCMA 隔水層后，也出現(xiàn)大量 H2S 氣體涌出現(xiàn)象，體積分?jǐn)?shù)為(15～54)×10-6。最大氣體排出量約300 L/min，1個(gè)星期后，氣體體積分?jǐn)?shù)均小于0.8×10-6。礦區(qū)周邊兩豎井施工過(guò)程中，穿透 UCMA 隔水層時(shí)，也出現(xiàn)過(guò)短暫的涌氣現(xiàn)象。一度引發(fā)了H2S氣體成因觀點(diǎn)的大討論，水文地質(zhì)理論更傾向巖漿成因說(shuō)。

礦區(qū)內(nèi)H2S氣體極不可能為生物降解、微生物硫酸鹽還原、熱化學(xué)分解、硫酸鹽熱化學(xué)還原的成因原因：①H2S氣體異常區(qū)賦于400 m以下的UA含水層內(nèi)，深層介質(zhì)不適宜硫酸鹽還原菌的生長(zhǎng)和繁殖；② UA含水層內(nèi)缺乏原生生物、有機(jī)質(zhì)和烴類；③ 安山巖體內(nèi)部硫酸鹽含量較低；④ 礦區(qū)恒溫層溫度為11℃，地溫梯度2.1℃/hm，預(yù)測(cè)地下400 m處的溫度約19.4℃，缺乏熱化學(xué)分解、硫酸鹽熱化學(xué)還原作用所需的溫度條件；⑤水質(zhì)分析成果(表2)顯示，涌氣時(shí)間、水中Fe2+和Cu2+含量、礦化度等要比礦區(qū)地表水、其他各含水層地下水中相關(guān)離子含量高得多，說(shuō)明UA含水層是處于一個(gè)氧化環(huán)境，而非還原環(huán)境。

礦區(qū)內(nèi)H2S氣體系巖漿成因的依據(jù)：

礦區(qū)斜坡道涌水及相鄰礦區(qū)涌水水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果 (表2)，水中含有大量的硫磺 (分析認(rèn)為含有H2S氣體的地下水在常溫下的淅出)。涌水pH值≥10，礦區(qū)最深鉆孔 TC1500075 (傾角80°) 2219.0 m終孔處仍未穿透安山巖。礦區(qū)北部鉆孔揭露到大理巖，推斷深部碳酸鹽地下水為接觸變質(zhì)大理巖溶蝕裂隙水。TC1500075 鉆孔安裝有監(jiān)測(cè)器，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)孔內(nèi)不同深度的水壓及溫度，1740 m最深處監(jiān)測(cè)器測(cè)得的地溫為46.2℃。因此，賦存于深部碳酸鹽地下水內(nèi)的H2S氣體來(lái)自巖漿成因的可能性更大。

表2 水質(zhì)分析綜合統(tǒng)計(jì)成果

地下水的氧化作用與水中游離氧(O2)的關(guān)系極為密切，一般情況下，巖體的氧化程度隨著深度的增加而減弱，因?yàn)樽匀粭l件下地下水中的游離氧(O2)含量較低，且隨深度加深而逐漸減少，水中游離氧(O2)消耗后重新獲得補(bǔ)充的條件亦隨深度加深而逐漸降低[4-5]。但本礦區(qū)埋藏于400 m、1500 m之下的UA、LA含水層，其含水層內(nèi)巖石的氧化程度要比上部 UCCM 含水層內(nèi)的巖石氧化程度高得多 (圖4、圖5)。推測(cè)系賦存于大理巖溶蝕裂隙水內(nèi)的H2S氣體裹挾著地下水沿構(gòu)造裂隙向上漂移、改善著地下水中游離氧(O2)補(bǔ)充條件造成。

圖4 地表淺部40 m深處UCCM含水層氧化帶巖心

圖5 地下深部1700 m深處LA含水層氧化帶巖心

H2S氣體裹挾著地下水沿構(gòu)造裂隙向上漂移至上部安山巖(UA)處，受其上部 UCMA隔水層阻隔，沿UA內(nèi)部構(gòu)造裂隙氧化、溶蝕、運(yùn)移，最終也導(dǎo)致UA含水層內(nèi)巖體的劇烈氧化及H2S氣體的富集。

2.5.2 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件

本礦區(qū)內(nèi)地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件，除受地形、巖性、風(fēng)化作用及斷裂構(gòu)造等因素影響外，還受H2S氣體漂移運(yùn)動(dòng)的影響。

UCCM 風(fēng)化裂隙潛水 含水層接受大氣降水、雪水的入滲補(bǔ)給后，沿地表分水嶺向兩側(cè)徑流。主要排泄途徑：其一通過(guò)構(gòu)造裂隙向下徑流補(bǔ)給基巖構(gòu)造裂隙水；其二在礦區(qū)外圍低洼地段以下降泉的形式排出地表。

UA基巖構(gòu)造裂隙水 UA基巖構(gòu)造裂隙水通過(guò)構(gòu)造裂隙接受其下部含有H2S氣體地下水的補(bǔ)給后，受 UCMA 隔水層的影響主要在UA基巖構(gòu)造裂隙含水層內(nèi)徑流，少量在H2S氣體的作用下沿構(gòu)造裂隙向上徑流排泄。

LA基巖構(gòu)造裂隙水 多賦存于構(gòu)造區(qū)域，埋深較大，未穿透含水層。LA基巖構(gòu)造裂隙水通過(guò)構(gòu)造裂隙接受其下部 J-K 溶蝕裂隙水補(bǔ)給后，又通過(guò)構(gòu)造裂隙向上徑流、排泄，補(bǔ)給其上部的UA基巖構(gòu)造裂隙水。

J-K溶蝕裂隙水 礦區(qū)鉆孔未揭露，由涌水孔水質(zhì)檢測(cè)分析成果及礦區(qū)外圍鉆孔揭露推斷而來(lái)。推測(cè)其通過(guò)構(gòu)造接收遠(yuǎn)處巖溶水補(bǔ)給后，同樣又通過(guò)構(gòu)造裂隙向上徑流、排泄，補(bǔ)給其上部的LA基巖構(gòu)造裂隙水。

2.5.3 水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)

地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件及水質(zhì)分析成果表明，UA、LA、J-K 三含水層有共同的補(bǔ)給源，隸屬于同一個(gè)含水系統(tǒng)。該含水系統(tǒng)與地表淺部 UCCM 含水層水位高程相差約138 m，且井下開采巷道掘進(jìn)涌水排水期間，淺部 UCCM 含水層水位變化較小，說(shuō)明淺部 UCCM 含水層受其下部 UCMA 隔水層影響，不屬于下部 UA、LA、J-K 含水層所處的含水系統(tǒng)，兩含水系統(tǒng)水力聯(lián)系極弱。

因此，礦區(qū)內(nèi)在縱向上自上而下構(gòu)成：①UCCM 風(fēng)化裂隙潛水含水層、②UCMA 隔水層、③UA 基巖構(gòu)造裂隙含水層、④LA 基巖構(gòu)造裂隙含水層、⑤J-K 溶蝕裂隙含水層的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)(圖6)。

圖6 礦區(qū)縱向含水層結(jié)構(gòu)示意圖(A—A′)

2.6 礦床充水因素

大氣降水(含降雪) 礦區(qū)處于溫帶大陸性氣候，降水量685 mm，年蒸發(fā)量786 mm。冬季寒冷，相對(duì)較長(zhǎng)且降雪頻繁。大氣降水(含降雪)是區(qū)內(nèi)地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源，對(duì)礦床開采充水產(chǎn)生間接的影響。

地下水 ①UCCM風(fēng)化裂隙潛水，在礦體之間存在巨厚的 UCMA 隔水層，故 UCCM風(fēng)化裂隙潛水對(duì)礦床開采充水影響甚微；②UA基巖構(gòu)造裂隙水，賦存于礦體上部，受其上部 UCMA 隔水影響，具承壓水特征，為礦床開采直接充水水源；③ LA 基巖構(gòu)造裂隙水，賦存于礦體下部，具承壓水特征，通過(guò)構(gòu)造裂隙對(duì)礦床充水，在導(dǎo)水?dāng)嗔褬?gòu)造部位為礦床開采直接充水水源；④J-K 溶蝕裂隙水，賦存于礦體下部，具承壓水特征，通過(guò)構(gòu)造裂隙補(bǔ)給UA、LA 基巖構(gòu)造裂隙水，為礦床開采間接充水水源。

3 礦坑涌水量預(yù)測(cè)

3.1 礦床水文地質(zhì)概念模型建立

水文地質(zhì)邊界條件：礦床頂板雖然存在較厚的 UCMA 隔水層，但礦床頂板 UA 充水含水層及底板 LA 充水含水層補(bǔ)給源均來(lái)自礦床深部的 J-K 溶蝕裂隙含水層，具承壓性質(zhì)，仍可視為無(wú)限邊界。

含水介質(zhì)特征：主要充水含水層含水介質(zhì)為構(gòu)造裂隙及溶蝕裂隙的類型，概化為裂隙類型。

地下水動(dòng)力類型：充水含水層頂、底板充水，自天然條件下地下水動(dòng)力特征具承壓性質(zhì)。

3.2 礦坑涌水量估算

3.2.1 計(jì)算公式確定

根據(jù)概化后的地下水運(yùn)動(dòng)概念模型，可近似采用裘布依的穩(wěn)定流基本方程，計(jì)算公式采用承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓完整井裘布依公式[5-6]：

(1)

式中：Q為礦坑涌水量，m3/d；K為含水層滲透系數(shù)，m/d；M為含水層厚度，m；H為水位降深，m；r0為礦坑引用半徑，m；R0為礦坑引用影響半徑，m。

3.2.2計(jì)算參數(shù)的確定

滲透系數(shù)K：取UA含水層抽(壓)試驗(yàn)平均值，K=0.263 m/d；

水位高程：取UA含水層高程平均值(216 m)；

水位降深H值：水位高程與首采區(qū)高程(-120 m)的差值，H=336 m；

含水層厚度M值：礦區(qū)高程-120 m之上范圍內(nèi)鉆孔含水層平均厚度值，M=52.1 m；

引用半徑r0值：采用礦體在水平面的最大垂直投影來(lái)計(jì)算，r0=147.5 m；

3.2.3 計(jì)算結(jié)果

將上述參數(shù)代入式(1)，計(jì)算出首采區(qū)(高程-120 m)開采水平中段礦坑涌水量(表3)。

表3 礦坑涌水量估算結(jié)果

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

1)通過(guò)比對(duì)礦區(qū)地表水、上部各含水層地下水、巷道涌水、相鄰礦區(qū)涌水水化學(xué)類型特征及仔細(xì)觀測(cè)地質(zhì)勘查鉆孔巖心照片水文地質(zhì)特征，推測(cè)礦區(qū)涌水來(lái)自深部碳酸鹽溶蝕裂隙水、涌氣(H2S)系巖漿成因，H2S氣體通過(guò)斷裂構(gòu)造裂隙向上漂移極大地影響著礦區(qū)地下水氧化、溶蝕、運(yùn)移條件，是礦區(qū)深部地下水發(fā)育的重要影響因素。

2)礦區(qū)內(nèi)在縱向上自上而下構(gòu)成：UCCM 風(fēng)化裂隙潛水含水層、UCMA 隔水層、UA基巖構(gòu)造裂隙含水層、LA 基巖構(gòu)造裂隙含水層、J-K 溶蝕裂隙含水層的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)。UCCM 含水層與 UA、LA、J-K 含水層分屬于兩個(gè)不同的含水系統(tǒng)(兩含水系統(tǒng)水位高程相差約138 m)，含水系統(tǒng)間水力聯(lián)系極弱。UCCM 含水層對(duì)礦床充水影響甚微，UA、LA、J-K 含水層所屬含水系統(tǒng)內(nèi)的地下水為礦床直接或間接充水水源。

3)水文地質(zhì)勘探類型并非地質(zhì)勘查報(bào)告“頂板直接充水的水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單類型”，而是“礦床主要以頂板含水層充水為主，但在導(dǎo)水?dāng)嗔褬?gòu)造區(qū)域頂、底板聯(lián)合充水的水文地質(zhì)條件中等偏復(fù)雜類型”。

4.2 建議

由于礦床充水含水層埋藏深，無(wú)法進(jìn)行分層、多孔抽水試驗(yàn)，僅根據(jù)混合水文試驗(yàn)所得技術(shù)參數(shù)、采用“解析法”對(duì)首采區(qū)礦坑涌量進(jìn)行了估算，加以“解析法”本身存在缺陷：將預(yù)測(cè)中段至地下水位理想化為一個(gè)完整的含水巖體，致使下部預(yù)測(cè)中段含水巖體體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際含水巖體體積，忽略了斷裂構(gòu)造導(dǎo)水對(duì)礦坑涌水量的影響，將地下水含水介質(zhì)均質(zhì)化等，因此，礦坑涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果僅供參考。

故建議在未來(lái)礦山生產(chǎn)建設(shè)中，做好如下防治水工作：

1)建立完善礦井水文地質(zhì)基礎(chǔ)資料和圖件，按照《金屬非金屬礦冊(cè)安全規(guī)程》制定防治水方案，劃分出受斷裂構(gòu)造導(dǎo)水影響可能出現(xiàn)底板突水的危險(xiǎn)區(qū)域，實(shí)施重點(diǎn)防護(hù)。

2)建立各類水文地質(zhì)臺(tái)帳資料，用上一中段實(shí)測(cè)礦坑排水量數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)校核下一開采中段的礦坑涌水量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，以指導(dǎo)礦山井下排水工程設(shè)計(jì)。

3)采礦過(guò)程必須堅(jiān)持“有異必探、先探后掘、先探后采、先治后采”的原則。遇到斷層、破碎帶或富水帶時(shí)，要打超前探水孔或預(yù)先疏干，以防突水的危害。