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刚果( 金) 卡库拉铜矿水文地质特征分析及矿坑涌水量预测
2019-02-18
对刚果(金)卡库拉铜矿水文地质进行了论述,包括地形地貌、气候特征、地表水系和 区域含水岩组等区域水文地质特征;矿区水文地质特征:矿段含(隔) 水层特征、地下水补径排、断 裂构造水文地质特征、地下水动态以及矿坑涌水估算等方面,在此基础上,提出了适宜的井巷防治 水措施。
Serial No. 597 January. 2019 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 597期 2019 年 1 月第 1 期 刚果(金)卡库拉铜矿水文地质特征分析 及矿坑涌水量预测 陈新攀 紫金矿业集团股份有限公司矿产地质勘查院) ( ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 对刚果(金)卡库拉铜矿水文地质进行了论述,包括地形地貌、气候特征、地表水系和 区域含水岩组等区域水文地质特征;矿区水文地质特征:矿段含(隔)水层特征、地下水补径排、断 裂构造水文地质特征、地下水动态以及矿坑涌水估算等方面,在此基础上,提出了适宜的井巷防治 水措施。 关键词ꢀ 卡库拉ꢀ 岩层富水性ꢀ 矿坑涌水量ꢀ 水文地质特征ꢀ 水防治 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2019. 01. 007 ꢀ ꢀ 卡库拉铜矿位于刚果(金) 东部加丹加省卡莫 矿区所在区域地处赤道南侧,属于热带草原气 候,受赤道低压带和信风带的南北移动的交替影响, 一年之中干、湿季分明。 根据科卢韦齐(Kolwezi)气 象站多年气象资料,区内年平均气温 21. 2 ℃,最高 31. 9 ℃, 最 低 9. 4 ℃。 历 年 平 均 降 水 量 1 203. 02 mm,蒸发量 1 860 mm。 降水量年内分 布不均匀,降水主要集中在 11 月份至次年 3 月份, 占全年降水量的 85 % 以上;5 月份至 9 月份为旱 季,降水很少,月降水量不足 5 mm,几乎无降水,空 阿铜矿区南部,是继卡莫阿铜矿外发现的又一超大 型铜矿床,目前探明的铜资源量超过 1 000 万 t。 该 处位于赤道南侧,降水丰富;矿体位于侵蚀基准面之 下;地层富水性弱—中等;断裂构造对矿层开采影响 明显,矿坑直接充水水源是基岩构造裂隙水。 矿山 采用边井下开采方式,边开采边进行充填,以减少采 矿活动对上部地层的影响。 井巷抽排水应本着有疑 必探、先探后掘的原则,应重点关注 F1 断裂及断裂 两侧的节理裂隙密集带。 [ 1-2] 气干燥,干旱无雨,气温较低,植物多干枯 。 1 ꢀ 区域水文地质特征 区域内水系发育,溪沟在平面上多呈树枝状展 布。 西侧水系较东侧更为发育,为 Lufupa 河流域, 主要发育有 Kamoa、 Mukanga 和 Tchimbundji 等次级 1 . 1ꢀ 地形地貌、气候特征和地表水系 卡库拉铜矿位于刚果(金)东部的加丹加高原, 地貌类型为低缓丘陵区,总体地势中间高两边低,东 部地势高于西部,北部地势高于南部,地形十分平 缓。 海拔高度一般 1 300 ~ 1 400 m。 矿体埋深 150 河流;东侧为卢阿拉巴(Lualaba) 河流域,发育 Lui- [3-4] lu、Musonoie 河等次级河流 . 2ꢀ 区域含水岩组 根据区域出露的地层、岩石组合,结合岩石含水 。 1 ~ 1 098 m,均位于当地最低侵蚀基准面(1 295 m) 之下。 区内地形平缓,地表切割不明显,覆盖无数的 小溪和河流。 河床坡降极小,平面上水系发育形态 多呈树枝状—亚树枝状,水系末端多属季节性河流, 雨季流水、枯季断流。 因矿段沟谷大多平缓,堆积大 量较厚层松散沉积物,呈现山间堆积平地,坡降不明 显,地面水流侵蚀搬运作用不明显, 地表水系河 介质的孔隙性质及地下水的水力性质,将区域岩石 划分为 4 个含水岩组,即松散岩类孔隙含水岩组、碎 屑岩类裂隙含水岩组、变质岩类裂隙含水岩组和岩 浆岩类裂隙含水岩组。 ( 1)松散岩类孔隙水含水岩组。 由第四系黏 土、粉质黏土和粉砂组成,广泛分布于区内地表,厚 度小于 20 m。 在分水岭一带厚度较小,一般不超过 ( 蛇)曲明显,弯延曲折,多形成湿地或森林沼泽地。 1 m,具较大孔隙率,一般为透水而不含水。 在沟谷 ꢀ ꢀ 陈新攀(1987—),男,工程师,硕士,361000 福建省厦门市湖里 低洼地带、河漫滩一带湿地发育,厚度不一,而在卡 拉哈里沙漠沙子(Shrublands)和 Dilungus 灌木丛内, 区泗水道 599 号海富中心 B 栋 22 层。 3 1 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 一般为 10 ~ 20 m,局部达 30 m 以上。 岩土层主要 结构松散,透水性较强,赋存一定的孔隙水,地下水 水力性质多属无压水,水位埋深受季节影响变化较 大,地下水位在一定范围内波动,地下水潜水位线与 地形形态大致相同。 水质类型属 HCO3 ·SO4 -Ca· 水质类型以 HCO3 -Ca·Na 型为主。 地下水迳流以 水平运动为主,水力坡度近似地形坡度,通常以潜流 形式自山前向溪沟排泄。 (2)风化裂隙透水层。 该层厚度变化较大,顶 部多为残坡积物、强风化物覆盖,下部为弱风化带。 该层岩石裂隙较发育,裂隙以张开状为主,钻孔揭露 该层冲冼液严重漏失。 岩石上部氧化淋滤作用较强 烈,氧化作用彻底,下部相对较弱。 风化裂隙透水层 为下部潜水含水层地下水的补给通道。 [ 5] Mg 水,泉流量<1 L/ s,富水性弱 。 地下水直接受 大气降水补给,渗流较快,通常与地表水力联系密 切,并补给下伏基岩或季节性与地表水相互补给。 ( 2)碎屑岩类裂隙含水岩组。 由下孔德龙古群 ( Ki)砂岩、砾岩、页岩、泥岩,罗安群(R4. 2) 长石砂 (3)风化裂隙潜水含水层。 该层水主要赋存于 Ki1. 1. 3 杂砂岩体内,岩性复杂,主要为石英岩、细 粒砂岩、页岩,偶见基性岩。 该层地下水等水位线与 地形线基本一致,地下水大部分由矿段中部分水岭 线向南北两侧运移,于地势低处渗入溪沟形成地表 径流,小部分垂直下渗补给基岩裂隙含水层。 本层 含水层水质类型为 HCO3 -Ca·Na 型为主,均属弱富 水性。 岩风化裂隙含水层组成,广泛分布于全区,其中罗安 群(R4. 2)长石砂岩以穹丘形式呈北东至南西向出 露。 含水层透水性和富水性与母岩岩性有关,泥岩、 页岩风化呈粉砂充填或堵塞了风化裂隙,透水性较 差,地表第四系接受大气降水后,地下水下渗受阻, 在沟谷低洼地段形成湿地溢出地下水;粉砂岩,砂 岩、砾岩、杂砂岩风化呈散体砂状,富水性弱。 ( 3)变质岩类裂隙含水岩组。 位于区域的东北 (4)基岩构造裂隙(破碎带)含水层。 矿段内风 化裂隙含水层下部赋存有基岩构造裂隙(破碎带) 含水层,依据赋水岩性及破碎程度的差异,可分为 3 层:①Ki1. 1. 3 杂砂岩基岩构造裂隙含水层,该含水 岩组富水性受地层岩性、地质构造控制,含水层与岩 体内破碎密切有关,在钻探施工时表现为钻孔岩心 较破碎,裂隙发育,部分裂隙面微张,裂面多见褐黑 色的黄锰氧化物充填,矿段主要地下水赋存于该含 水岩组,富水性弱—极弱,水质类型为 HCO3 -Ca· Na 型为主;②Ki1. 1. 1 杂砂岩基岩构造裂隙含水层, 主要岩性为 Ki1. 1. 1 杂砂岩,由少砾石、粉砂质或泥 质、弱炭质的杂砂岩等组成,为矿段主要的赋矿岩 组,该岩组岩体总体裂隙发育程度比上层 Ki1. 1. 3 裂隙含水层差,是矿区另一主要地下水含水岩组,该 层岩心岩体完整性中等,部分岩心段节理裂隙不发 育,含水层富水性空间分布不均一,以极弱富水性为 主;③基底砂岩构造裂隙含水层,该层主要岩性为 R4. 2 长石砂岩(RFS),岩石胶结很好,在岩组顶部 基底砂岩与基底杂砂岩接触带厚 5 ~ 20 m,由部分 粘合、偶见断裂的多孔砂岩组成,具有较好的赋水条 角,主要由中元古代基巴拉基底(Kibaran)上段 Ka / Kb、Kb / Kc 地层组成,是一套经历多期变形变质的 较老侵入岩,多为花岗质变质火山—沉积岩序列。 该地层主要分布于卡莫阿矿区内东北部。 花岗质变 质火山岩风化裂隙较发育,透水性较好;页岩、泥岩 风化后,风化裂隙多为粉砂、泥质充填,透水性较差。 该层浅部风化裂隙发育,局部含一定风化带裂隙水, 富水程度差别较大,总体富水性弱。 ( 4)岩浆岩类裂隙含水岩组。 该层主要有岩浆 岩含水岩组,在矿区北东部和东部分布有两处基性 火山岩。 北东部基性火山岩,规模较大,呈带状产 出,北东走向,长约 7 km,宽约 0. 7 km;东部基性火 山岩, 规 模 较 小, 北 东 走 向, 长 约 1. 5 km, 宽 约 0. 4 km。 该层岩性主要为镁铁质火山岩,浅部风 化裂隙发育,局部含一定风化带裂隙水,岩体与围岩 接触带内裂隙相对发育,富水程度不一,差别较大, 总体富水性弱,局部可达中等。 2 2 ꢀ 矿区水文地质特征 . 1ꢀ 矿段含(隔)水层特征 2 根据岩石富水性和地下水含水介质等差异,矿 件,导水系数区间为 0. 5 ~ 50 m / d,基底砂岩深层 段含(隔)水层可划分为 5 类,即第四系松散岩类孔 隙含水层、风化裂隙水透水层、风化裂隙含水层、基 岩构造裂隙含水层及隔水层等。 有一个很重要的区域含水层,含水层由地下 120 m 左右不同风化和断裂程度的平面构成,卡莫阿穹丘 深层岩芯钻表明含水层的深度可能达到 350 m,含 水层下是巨大的砂岩,这部分砂岩含水层的导水系 ( 1)第四系松散岩类孔隙含水层。 主要赋水岩 2 土体为第四系松散沉积物,是矿区一个主要的潜水 含水层,该层为下部含水层源源不断地提供补给。 数很高(100 ~ 700 m / d),水质类型为 HCO3 -Ca· Mg 型为主。 3 2 ꢀ ꢀ 陈新攀:刚果(金)卡库拉铜矿水文地质特征分析及矿坑涌水量预测ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 1 月第 1 期 ( 5)隔水层。 主要岩性为 Ki1. 1. 2 杂砂岩,该 2. 3ꢀ 地下水动态特征 层岩心多呈层状,纹层状,多含 5% ~ 25% 的层状黄 铁矿,岩心层同下层杂砂岩的接触面通常以反复出 现的薄层(<20 cm)硅质砾岩为特征,下部岩心多出 现含页岩颗粒的泥岩层,该泥岩层阻水作用明显。 现阶段研究表明含黄铁矿的粉砂岩裂隙面积有限, 该岩组导水系数总体较弱;该层具有明显的隔水性, 在一定程度上可阻隔上层地下水进入到基底杂砂岩 含矿层。 区内地下水动态属降水入渗型,大气降水是影 响区内地下水动态的主要因素。 无论是第四系孔隙 含水层或是各类裂隙含水层,大气降水不可避免地 [ 6] 构成其主要补给来源 。 地下水的升降和泉流量 的大小与降水相关,且受降水强度的影响,最高水 位、最大流量出现在丰水期,最低水位、最小流量出 现在枯水期。 水位年变化幅度明显,变化幅度值受 地形、岩层透水性和第四系覆盖情况的影响,地下水 位变幅具有地形高处大于低处、强含水层大于弱含 水层、裸露区大于覆盖区、浅层地下水大于深层地下 水等特点。 2 . 2ꢀ 地下水补给、径流和排泄条件 矿区位于地表分水岭 ~ 河床范围内,故既是补 给区,也是径流区。 矿区地下水的补给方式主要为 大气降水入渗补给。 区内历年平均降水量 1 203. 02 mm,充沛的降水量为地下水的补给保证了地下水来 源。 降水入渗条件受地形、植被、地表岩性等因素的 影响,区内地表岩性主要为第四系粉砂、粉土、粉质 黏土和基岩全风化层等。 区内雨量充沛,降水入渗 条件较好。 地下水接受大气降水入渗补给后,依地 势从分水岭向沟谷汇聚,区内地下水的主要排泄方 式为河流基流、径流排泄、蒸发等。 在地下水径流过 程中,部分地下水溢出形成湿地,构成河流基流量。 2. 4ꢀ 断裂构造水文地质特征 卡库拉矿区经工程揭露发现,区内主要断裂为 West Scarp1 断裂,而该断裂在东西两侧各存在 1 条 次级断层 F1 和 F2 ,如图 1。 其中,F1 断层位于 West Scarp1 断层西约 150 m 处,为正断层,向西陡倾,倾 角约 75°,西部上盘断块下降,断距约 50 ~ 100 m 不 等;F2 断层在 West Scarp1 断裂东边,两者距离约 350 ~ 400 m, 向 西 陡 倾 约 75°, 东 部 下 盘 下 降 约 10 m,为逆断层。 [ 4] 图 1ꢀ 卡库拉铜矿Ⅱ-Ⅱ′剖面 ꢀ ꢀ (1) West Scarp1 断裂。 West Scarp1 断裂为区 断层有构造角砾岩分布,胶结特为泥质或岩粉胶结。 断层内可见构造角砾岩、碎裂岩等,胶结物以高岭土 类泥质胶结,断层性质显示为逆断层。 断层附近个 别岩心裂面见铁锰质氧化物,但氧化较弱,多数岩心 裂面见泥质充填,断层富水性、导水性极弱。 域 West Scarp1 断裂在矿区的延伸。 从卡库拉钻探 揭露来看,该断裂具有明显的导水特征,主要特征如 下:①受 West Scarp1 断裂影响,断裂带附近钻孔地 表弱风化带厚度明显加深,局部岩心风化带达到 1 32. 40 m ( DKMC-DD1106 ), 远 高 于 平 均 (3)F1 断层。 F1 断层位于 West Scarp1 左侧,二 者均为正断层。 从钻孔揭露来看,F1 断层具有与 West Scarp1 断裂相似的水文地质特征:即断层周围 钻孔地表弱风化带厚度明显加深;断裂带深部层位 岩心破碎,氧化作用明显,地下水活动痕迹明显。 该 断过导水性中等,局部较弱。 值 42. 91 m;②断裂带深部层位岩心破碎,多呈块 状、碎块状和碎屑状,裂面多见铁锰氧化物,岩心氧 化作用明显,地下水活动痕迹明显。 West Scarp1 断 裂为导水断层,导水性中等,局部较弱。 ( 2)F2 断层。 从钻孔揭露岩心来看,F2 断裂沿 3 3 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 3 ꢀ 矿坑涌水量估算 计算;其预测精度主要取决于参数精度,含水层划 [ 9] 3 . 1ꢀ 水文地质模型 分、生产矿井概化、公式选择等的合理性 。 解析 法的影响因素较多,计算结果的精度往往较差。 地 下水数值模拟法往往需要在矿区进行大量的水文地 质试验,从而获得较为精确的水文地质参数,其计算 通常不受边界条件和井巷类型的限制。 数值法计算 精 度 主 要 取 决 于 离 散 化 方 法 和 概 念 模 型 的 精 矿区范围内无大的地表水体,仅发育 1 条常年 流水溪沟。 矿体埋深埋深 150 ~ 1 098 m,均位于最 低侵蚀基准面以下,地形不利于自然排水。 卡库拉 矿区矿床水文地质模型是以西侧 West Scarp1 分支 F2 断裂为隔水边界,以南侧 Tchimbundji 河为定水 头供水边界,其他两侧为无限供水边界的含水层。 [ 9-10] 度 ,概念模型的精度主要取决于参数的选取。 3 . 2ꢀ 矿坑涌水量估算方法 本区数值模拟过程中实施了 12 个专门水文地质孔, 进行了相应的水文地质试验,参数精度较高。 故建 议以地下水数值模拟法计算数据结果作为今后矿山 开采设计依据。 [ 7] : ( 1)解析法。 计算公式 Q = 1 . 366K(2H - M)M , (1) (2) R0 lg r0 在实际计算中,影响矿坑涌水量因素很多,无论 是地下水数值模拟法,还是解析法,计算参数的选取 均存在一定的缺陷。 因此,在未来矿山建设及生产 中,应做好生产矿井涌水量长期动态观测工作,根据 上一中段实际观测的矿坑涌水量数据,及时对下一 中段的矿坑涌水量进行修正,以便更好地指导矿山 2 1 2 2 R = lg 2b2 b + b + r0 , 0 b1 3 式中,Q 为矿坑涌水量,m / d;K 为渗透系数,m/ d, 采用矿区内 12 个水文试验孔 K 值,加权含水层厚度 计算求得 K =0. 079 78 m/ d;H 为水位降深,首采区 [ 11-12] 3 4 个钻孔终孔稳定水位平均值与含水层底板标高 的生产建设 。 差值,H=202. 7 m;M 为含水层厚度,统计首采区范 围内 34 个 钻 孔 含 水 层 厚 度, 取 平 均 值 得 M 4ꢀ 防治水建议 根据卡库拉铜矿体的形态及埋深特点,为减少 矿体开采、井巷建设等采矿工程对上部地层的影响, 卡库拉矿区矿体设计采用向分层胶结充填采矿法进 行矿体开采。 下向分层胶结充填采矿法是矿岩破 碎、开采技术条件复杂的难采矿体最有效的采矿方 = 62. 44 m;r0 为矿坑引用“大井” 半径,m;R0 为引 用影响半径,由于断层走向与河流走向可简单概化 成二者相互垂直,稳定流边界条件系数采用直交供 水边界处理;b1 、b2 均为相关渗水距离,m。 量取主 矿体在 980 m 标高(首采区)水平投影面积 F,由公 [ 13] 法 。 [ 8] 卡库拉矿体赋存于 Ki1. 1. 1 杂砂岩中,该地层 式 由少砾石、粉砂质或泥质、弱炭质的杂砂岩、砂岩,粉 砂岩和多砾石、砂质的杂砂岩组成。 该层岩心岩体 完整性中等,岩心节理裂隙总体不发育,含水层富水 性空间分布不均一,以极弱富水性为主,因此,矿化 带内的地下水产水量十分有限。 本区的地下水防治 重点位于 F1 断裂及断裂两侧的构造裂隙密集带上, West Scarp1 断裂及左侧 F1 支断裂水活动特征明 显,为导水断层;从岩心揭露看,由于断裂倾角较陡 r0 = F / 3. 14 , 计算得 r0 =1 429. 41 m。 (3) 由 CAD 图量得 b1 =797. 87 m、b2 =314. 42 m;根 据公式 2 计算得 R0 = 0. 168 2。 将上述计算参数代 3 入式 1,计算得 Q=13 878. 0 m / d。 ( 2) 数值模拟法。 根据 Golder Associates 公司 014 年运用 VMOD 模拟系统预测所得的结果,地下 作业区 每 采 1 t 矿 石, 地 下 水 的 流 入 量 为 0. 2 2 ( 75°),断裂带的影响范围总体较小。 因此,本区断 3 [2] ~ 0. 5 m 。 卡库拉矿区初步设计年开采矿石量 裂导水的影响范围有限。 本着预测预报、有疑必探、 3 6 00 万 t,即预测矿坑最小涌水量 3 287. 67 m / d,最 [14] 先探后掘、先治后采的防治水原则 ,在断裂带影 3 大涌水量 8 219. 18 m / d。 响区域应进行超前探水,并在合适的位置设置一定 放水孔,降低含水层的静止水压,保证工作面的安 全;同时在所有井下作业区应设置一定数量水泵房, 满足地下施工的排水要求,确保各采掘作业面的安 ( 3)结果分析。 涌水量计算常用的方法主要为 比拟法、解析法和数值法等,前 2 种方法简便,数值 法比较复杂。 解析法主要将生产矿井概化为理想的 [ 14-15] “ 大井”通过裘布依公式、泰斯公式等进行涌水量的 全 。 (下转第 47 页) 3 4
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