谦比希铜矿床水文地质特征和防治水对策

樊 勇， 张东红， 钱 涵， 赵兴国， 徐京苑

(1.中国恩菲工程技术有限公司, 北京 100038； 2.中色非洲矿业有限公司, 赞比亚 基特韦市)

1 前言

谦比希铜矿位于赞比亚谦比希构造盆地的北缘至北东缘，按照相对位置分为主、西矿体和东南矿体。主、西矿体沿单斜地层呈近东西向相邻分布，东南矿体位于主、西矿体东南5km。目前，主、西矿体利用同一套提升运输系统联合开采。主矿体1965年建成露天矿，1974年井下矿投产，1987年进入停产维护，2003年复产至今；东南矿体2013年开始建设，目前基建基本结束，已进入试生产阶段。

作为世界著名的大水矿山，其水文地质条件、在生产实践中遇到各类技术问题颇具代表性，在设计、生产过程中所采用的防治水措施也可作为同类大水矿山水害治理的成功范例，为实现大水难采矿山安全、高效开采提供有益的借鉴。

2 矿区水文地质特征

区内地面起伏较平缓，地形坡度一般2%～4%，相对高差不大于50m。平缓的地形条件十分有利于降水的入渗。区内植被发育，以灌木和密集的草地为主。低洼地区及河、溪两岸喜水植物十分繁茂。茂密的植被是增加降水入渗补给地下水的又一个有利因素。本区年平均降雨量1 181mm，年最大降雨量1 659mm，年最小降雨量630mm，月最大降雨量489mm。当地典型降雨过程为每次降雨量20～40mm，长历时的大暴雨很少出现，此类降雨过程容易入渗补给地下水。综合来看，平缓的地形、茂密的植被、丰沛的降水和适中的降雨强度均有利于地下水获得充分的补给来源。这些条件是导致区域地下水十分丰富的重要因素。

2.1 主、西矿区水文地质特征

矿区自下而上的地层分布及其富水性如下。

(1)基底片岩、石英岩及花岗岩侵入体形成广泛、连续的隔水层。重要的控制性开拓工程均位于此层中，只有在一些构造带附近或局部受古风化带影响的区域，含有限的构造裂隙水。

(2)含矿的下罗恩亚群由砾岩、砂板岩、页岩或片岩，以及矿层以上互层分布的砂质泥岩与石英岩组成，夹有少量碳酸盐岩。该层通常为富水性弱至中等的含水层。但其富水性可随着褶皱变形程度的增加而明显增强。铜矿层中层间滑动和褶皱是常见的构造现象，常成为不同构造单元之间的过渡带或滑动带。该层控制的地下水量占比不大，但矿山大部分开拓工程都与其有关。因此，也将其划为含水层。值得关注的是，在该层顶部有一段厚度20m左右的“上部石英岩”，岩石坚硬、完整，在没有构造破坏的情况下形成很好的隔水层。

(3)上罗恩亚群下部以白云岩为主，上部为白云岩与泥页岩互层，总厚度可达700m。中下部普遍含有石膏，其易溶性使含水层孔隙发育，可达10%或更高。溶蚀强烈的地段，含水层往往呈现砂状白云岩，是最主要的含水层位。上中部断续分布有顺层侵入的辉长岩床，厚度数十米至200m以上。辉长岩床一般可起隔水作用，但由于其面积有限，仅可看作为局部隔水层。

(4)穆瓦夏亚群岩性为含炭质页岩和白云岩。其白云岩部分也构成含水层，一般富水性弱至中等，局部溶洞发育，强富水。

(5)昆都仑古群岩性为页岩、灰岩及其底部的冰碛砾岩。它主要分布于沉积盆地的中部，覆盖其它地层。当其较薄时构成风化裂隙含水层；页岩和冰碛砾岩厚度较大时构成相对隔水层。

(6)残积层和风化带含水层厚度一般20～60m，最厚处可超过100m，多数富水性不强。

2.2 东南矿区水文地质特征

由于埋藏深度大、地表水文地质条件复杂，东南矿体直到近年来才开发建设。矿体及地表水系分布情况如图1所示。

图1 东南矿区矿体及地表水系分布平面图

Mwambashi河是卡富埃河的支流，自西向东经过谦比希盆地后汇入卡富埃河。该河流域面积760km2，平均流量3.4～9.6m3/s，最大流量36.7m3/s。

受古沉积环境影响，东南矿体分布范围广，形态复杂。主矿体长7km，一般宽500～800m，其北侧另有2个小矿体。北段矿体位于河流之间，地形相对较高，矿体上方水系不发育，地表排水条件较好，矿体埋深700～1 000m。选取0线以北的北矿段为首期开采范围，使河流对开采的影响程度最小。南矿段部分矿体埋藏较浅，矿层距含水层较接近，与南矿段矿体伴生的生物礁白云岩[1]也可成为含水层之一。Mwambashi河、Ichimpe溪在该矿段上方流过，河流渗漏可能成为矿床充水的补给源。这部分矿体留待后期开采。

东南矿区首期开采区可明确划分出浅部含水层和深部隔水层，两者厚度大致相当。浅部含水层包括穆瓦夏亚群和上罗恩亚群上部地层。深部隔水层包括上罗恩亚群下部地层(包括在主、西矿区为主含水层的含石膏燧石白云岩)、下罗恩亚群和基底。上罗恩亚群上部岩溶发育段是强富水段，强富水段岩芯照片如图2所示。

上罗恩亚群构造角砾白云岩及下罗恩亚群岩石完整坚硬，构成隔水层。隔水层典型的岩芯照片如图3所示。

基底卢富布片岩、石英岩、片麻状花岗岩构成矿体底板隔水层。基底地层在矿区的东北部和东部出露地表，构成区域隔水边界。首期开采区地层产状特征及含水层- 隔水层分布典型剖面如图4所示。

图2 上罗恩亚群强富水含水层的岩芯照片

图3 隔水层典型的岩芯照片

图4 首期开采区地层产状及含水层- 隔水层剖面

矿山在2008—2013年详查期间开展的各含水层(带)抽水试验结果(见表1)表明，与主、西矿体涌水量所反映出的地层渗透性相比，东南矿区的含水层渗透系数明显偏小。

表1 各含水层(带)抽水试验试段数和试验结果统计表

东南矿区首期开采区矿层平缓，构造活动相对较弱，含矿地层连续完整。整体上，该区域为构造变形很小的“完整地块”，不存在构造因素造成的强径流带。

首期开采区含矿层本身及其大部分上覆地层的产状平缓，地层倾角为0°～15°，此与主矿体地层自基底向盆地中心陡倾斜的构造特征明显不同。主矿体的强烈褶皱导致强含水层发育深度超过1 000m，而东南矿区首期开采区域，顺层侵入的辉长岩体的挤压作用是影响地层导水性的重要因素。辉长岩体的外接触带成为强含水层位。当辉长岩体较薄时，它直接构成含水层的一部分。这种影响主要在浅部，深部构造活动微弱。

钻孔揭露的穆瓦夏亚群的灰岩、白云岩含水层厚度一般50～100m；上罗恩亚群上部的互层状白云质泥岩、白云岩含水层厚度100～250m。两主要含水层之间为相对隔水层，且有相当部分为辉长岩侵入体。含水层及其与矿体关系的三维立体模型如图5所示。

图5 首期设计范围含水层与矿体的空间关系

矿体及顶底板隔水层均为坚硬岩组，岩石抗压强度Rc=73.8～131.8MPa、RQD=95%，良好的工程地质性质有利于开采过程中矿层顶板的保护。如果矿床开采不破坏其完整性，则上部含水层中的地下水就不会大量进入矿坑。

勘探期间的水文观测结果显示，东南矿区地下水位趋势与地形基本一致。说明主、西矿区大量排水对本区没有明显影响，矿坑排水的影响范围是有限的。基建期一些钻孔水位有缓慢下降，但幅度仅为数米，表明深部导水构造出水的影响范围有限，与浅部含水层之间的水力联系不密切。

3 防治水对策

谦比希铜矿主、西矿区和东南矿区水文地质条件复杂、涌水量大，必须采取适宜的防治水措施，减少矿坑涌水量，降低矿山排水成本，保障矿山安全开采，并更好地保护区域地下水环境。除常规以疏干为主的治水措施外，本文还研究了通过改变采矿方法、集中涌水区域的封堵等措施达到综合治水目的。

3.1 改变采矿方法

谦比希构造盆地有大面积可溶岩含水层分布，且主矿体上部地层褶皱变形强烈，大部分矿体的顶板工程地质条件较差，采场顶板稳固性不好，浅部地层及褶皱情况如图6所示，矿体代表性剖面如图7所示。这些条件都明显提高了地层的导水性，因此主矿体开采时矿坑涌水量很大。

早期开采过程中，井下采用分段崩落法开采，必须提前大规模疏干。疏干工程一般低于开采中段100m，在开采前一年左右开始疏干放水。因矿坑涌水量大，矿岩稳固性差，导致采矿成本过高，1987年进入停产维护。1998年国内企业接管后，开展了大量的水文地质和防治水研究以及采矿方法研究。调查和研究发现，矿层及其上部地层由浅部的复杂褶皱向深部逐步转变为单斜构造，但对地下水的影响依然重要。从地层很强的导水性和较高的水温(40℃)来看，可能与Junping REN[2]等人提到的Lufilian构造弧的活化或更近期的构造活动有关。矿层上部距离矿体70m左右的“燧石白云岩”为最强含水层。而矿层上部40m左右的“上部石英岩”则有可能构成较好的隔水层。恢复生产后，部分矿段沿用分段崩落法开采，另一部分改为充填法开采。

图6 谦比希主矿体浅部地层及褶皱情况(Modified from L.N. Greyling1 2005)

充填法开采不会大规模破坏矿体顶板地层，在提高矿石回采率的同时，大幅度降低贫化率。“上部石英岩”在不被破坏的情况下，可以防止“燧石白云岩”强含水层中的地下水进入采场。矿床疏干工作只对“上部石英岩”以下的矿层及其直接顶板进行疏干，放水孔不必穿透“燧石白云岩”强含水层。这大大降低了开采对疏干放水强度的要求，降低了疏干工程的投入，也相应减少了排水量。

上述措施保证了主矿体在较短时间内恢复生产，并持续生产到现在。开采深度由恢复生产时的400～500mL达到732～865mL。矿坑涌水量则由复产初期的36 000m3/d增加到47 000m3/d。沿走向长度占小半的崩落法采区的涌水量占矿坑总涌水量的2/3；而沿走向长度占大半的充填法采区涌水量仅占总涌水量的1/3。

与主矿体相邻的西矿体水文地质条件与主矿体类似。根据主矿体开采的经验，西矿体开采全面推广了充填法。疏干工作仅针对“上部石英岩”以下的矿体含水层。此外，还引进了更先进的膏体充填法来进一步提高充填质量，更好地保护顶板隔水层。膏体充填具有不分层、不离析、不脱水、接顶率高的优点。膏体充填材料的性状及充填体强度对比情况如图8所示。

图8 膏体充填材料的性状(左)及充填体强度对比(右)

目前西矿体开拓和疏干深度已到达500mL。尽管开采范围的走向长度与主矿体相当，但其总涌水量不到10 000m3/d。有选择性地进行疏干和充填法采矿相结合达到了良好效果。通过采用先进的开采技术和精细的疏干工程布置，在大幅度降低矿床疏干排水成本的同时，更好地保护了周边的地下水环境。

目前主矿体探明资源大部分已采完，由于涌水量大，剩余资源继续开采的难度大、成本高。与其相邻的西矿体开采深度相对较浅，承担大部分产量任务。但矿坑涌水绝大部分来自主矿体，水量大且排水扬程高，排水成本成了主、西矿区生产的沉重负担。由此可以看出，采用膏体充填采矿方法，可以很好地保护矿体顶板，这是减少矿坑涌水量、推迟矿坑涌水增加的重要措施。

3.2 竖井工作面探水和注浆

东南矿区共掘进四条竖井。基岩风化带中掘进涌水量一般小于10m3/h，最大的突水点为北风井深度36.9m处，涌水量39.2m3/h。

深度200m以上的白云岩含水层是竖井掘进的主要充水因素。采用井筒工作面探水+预注浆方式治理涌水。探水孔揭露的最大涌水量达200～300m3/h，平均50m3/h。一些探水孔涌出白云质砂，岩石软硬相间，富含石膏和滑石。主井历经半年注浆治水，消耗水泥1 500t才通过含水层。现在看来，采用地表预注浆措施可能更适于此类水文地质条件。

南风井560～680mL斜坡道下向掘进过程中，矿层底板的爆破孔出现涌水，注浆消耗水泥20t，注浆过程显示浆液很难注入地层。斜坡道绕道后继续掘进，未再见涌水。

3.3 断层裂隙带探测

根据目前的认识，东南矿体首期开采区可能是被周边一些褶皱/断裂围限的“完整地块”。地块内部地层平缓，构造变形轻微，富水性弱。从区域构造环境分析，首期开采区的东南侧和东北侧可能存在一定规模的褶皱或断裂构造，即“完整地块”的边界断裂(或褶皱)。这两区域应为今后探水工作重点关注的区域。

针对裂隙带探水时，要考虑探水孔方向与裂隙带的关系。应使探水孔与裂隙带大角度斜交以取得更好的探测效果。

3.4 老钻孔处理

早先勘探时期探矿一般不对钻孔进行封孔。对于东南矿区这样不进行大规模疏干的矿山，此类老钻孔可能构成沟通浅部含水层的导水通道。为此，对老钻孔专门透孔并注浆封孔。由于土地使用权的限制，部分老钻孔没能实施注浆封孔，条件具备时应考虑继续封闭这些钻孔。

4 结论

(1)平缓的地形、茂密的植被、丰沛的降水和适中的降雨强度均有利于地下水补给，这些条件是导致该地区地下水十分丰富的重要因素。

(2)铜矿层上盘围岩大部分为白云岩或白云质粉砂岩。长期的风化和淋滤作用形成了广泛连续的含水层，其静储量十分丰富，这使得新建矿山早期疏干十分困难。

(3)地层强烈变形使得可溶岩溶蚀作用增强，形成强含水层。同时，泥板岩、钙质砂岩和粉砂岩，长石石英岩等富水性较弱的碎屑岩地层也因构造变形强烈而成为较强含水层。褶皱强度对含水层区域性的面状导水性影响深远。断层构造起到连通和加强导水性的作用，其影响呈线性分布，形成强径流带。

(4)含水层分布面积是影响矿坑总涌水量的重要因素。矿坑总涌水量在很大程度上取决于含水层的面积，含水层面积大有更多机会涵盖地表河流系统，增加常年性补给源。

(5)随着开采深度的增大，地下水对矿山建设和开采成本的影响越发明显。矿床勘探和设计中应更加注重研究地下水的分布，充分利用含水层和隔水层的空间关系，合理开展疏干设计，在满足采矿安全的前提下，尽量降低排水成本。