南非克莱克斯多普地区某金矿水文和工程地质特征分析

2021-04-20席鹏谭康雨张毅曾瑞垠黄建业

矿产勘查 2021年2期

席鹏谭康雨张毅曾瑞垠黄建业

（1.北京中资环钻探有限公司，北京 100012；2.中色地科矿产勘查股份有限公司，北京 100012）

0 引言

研究区位于南非西北省威特沃特斯兰德盆地西北边缘的克莱克斯多普地区，兰德盆地形成于太古宙晚期（吴兴源等，2015），距今大约2.72～3.06 Ga。盆地边缘含金地层由北东－南西延伸约300 km、沿北西至南东延伸约100 km。含金地层厚约6 km，主要由石英岩夹砾岩和页岩组成，含有少量火山岩单元。沉积岩缓倾于盆地中央，局部地区有变化。盆地东、西和南部均被太古宙、古生代和中生代火山岩和沉积岩所覆盖，最厚部位可达4 km。金（铀）矿化通常产于石英砾岩层内，金（铀）矿床主要分布于盆地的边缘部位，单层含矿层厚度一般未超过2 m。金矿的形成、分布与砾岩中黄铁矿、碳质关系密切（王杰等，2014）。本矿区采矿历史悠久，但深部尚未进行任何勘查活动，由此推测找矿前景较好（任军平等，2015）。

沿盆地东部、北部和西部边缘分布有多个独立的金矿矿集区，如埃温德矿集区、东兰德矿集区、中兰德矿集区、西兰德矿集区、卡尔顿维尔矿集区、克莱克斯多普矿集区、韦尔科姆矿集区等（中国科学院考察团，1998）（图1a），研究矿区位于克莱克斯多普金矿矿集区内。

1 区域水文地质

1.1 气候条件

该区属亚热带灌木稀树草原气候，受赤道低气压带和信风带南北移动、交替影响，旱、雨季节分明。5 月到10 月干旱少雨，土壤开裂、草木枯黄；11 月到次年4 月，降水量大，植被茂盛，遍地生长着较稠密的蒿草和灌木，夹杂着少量乔木。极端最低气温低于－4℃，极端最高气温在40℃左右，年平均气温21℃左右，年平均降雨量500 mm 左右。

1.2 地形地貌

区域海拔标高1200～1400 m，西有卡普高原，北为皮拉内山，东为德拉肯斯山脉，南有卡里山、斯尼乌山，中部由多个小凹陷盆地构成了1 个大型盆地，矿区所处盆地为其中之一。本区属南非高原的南部，地处内陆克拉通地块，除东部山区，其他地区散布着少量山地和个别低山丘陵外，地形高差变化小，开阔平坦，剥蚀、搬运作用较弱，延展数百千米，为准平原性高原。矿区地势平缓，地表均被第四系和植被覆盖，基岩露头较少。

1.3 水文概况

威特沃特斯兰德盆地总体地势由东向西平缓倾斜，大部分水系注入大西洋。研究区内主要河流为瓦尔河，发源于东部的德拉肯斯山脉北段西坡。兰德盆地为地表水汇聚中心，汇水面积超过5×104km2，在北侧有1 条由北至南汇入的斯昆河，途经斯昆河水库（图1b）。受地形地貌及气候的影响，水系发育很不均匀。东部受南印度洋暖湿气流和马达加斯加暖流的影响，再加上德拉肯斯山脉的阻挡，降水量大，河网密度高。由东向西深入内陆降水量逐级减少，河网密度逐渐变稀。

2 水文地质特征

2.1 含水层

区内第四系松散堆积层中少有冲洪积性孔隙含水层，多为残积孔隙含水。地表广泛出露，厚度一般20～30 m。由安山质熔岩全风化构成，粒度成分除含少量强风化安山质块石外，大都由细砂、粉砂及少量黏土、腐殖质构成。该层上部为透水层，下部为含水层。雨季接受大气降水入渗补给，地下水位较高，含水层厚度稍大，透水层厚度较薄。旱季地下水位下降，含水层厚度较薄，透水层厚度较大（莫涛，2018）。该含水层富水性弱。

基岩含水层主要为安山质熔岩风化裂隙含水层，位于孔隙含水层下部，有利于风化裂隙发育。裂隙网络的发育程度不同，充填物水赋存状态的差异，安山质熔岩风化裂隙含水层的富水性差异性较大，主要以弱为主，局部为中等或极弱，甚至充填胶结紧密而不含水。

2.2 隔水层

区内隔水层主要为第四系似硬结隔水层、安山质熔岩隔水层和石英岩隔水层（图2）。

第四系似硬结隔水层主要分布于矿区平坦地区，地层处第四系松散堆积透水层与安山质熔岩风化裂隙含水层之间。该层的硬结作用不是因上覆沉积物的重载荷压力下形成，而是通过沉积物干湿变化排除水分、减少孔隙、碎屑颗粒间的联系增强，加之风化沉积物部分分解再结晶的过程而产生。由于似硬结隔水层强度较高，可达软岩类别，遇水难以软化。同时拥有级配良、胶结好的物理性能，使其具有透水性弱，隔水性能较强的特点。该隔水层由于在坡角较大的斜坡地带，河床局地缺失，构成不了全矿区性隔水层。只能阻隔平坦地形区大气降水入渗补给安山质熔岩风化裂隙弱含水层地下水。

安山质熔岩隔水层上覆安山质熔岩风化裂隙弱含水层，下伏石英岩隔水层。安山质熔岩主要由斜长石、辉石、角闪石和少量石英组成，为坚硬岩，强度高，原生结构面不发育，有利于隔水层的构成和稳定。局部发育透镜状、片状、板状构造裂隙极弱含水层，但因连通性差，破坏不了隔水层的完整性，损害不了隔水层的隔水性能，隔水能力强。

图2 第四系松散堆积透水层、似硬结隔水层示意图

石英岩隔水层也是区域的主要隔水层，与上部的安山质熔岩隔水层呈不整合接触。石英岩强度高，具有刚硬性，有利于隔水层的构成。该隔水层原生结构面和构造裂隙较发育，但层面和裂隙面光滑顺直，起伏变化不大，开启度较小，一般被绿泥石、绢云母、白云母等充填胶结紧密，不利于地下水的活动，隔水性能强。

2.3 构造破碎带

本区位于卡普法尔（Kaapvaal）克拉通地区，长期未遭受剧烈造山运动影响，缺乏形成褶皱的地质内应力。矿区主要发育1 组北东—南西走向的正断层，倾向北西或南东，延伸数百米。该断层把岩层和层状矿体切割成地垒和地堑。断层中破碎带、构造裂隙发育一般，胶结紧密。采区各中段遇到该断层时，未见涌水、滴水现象，少见湿润现象。该断层不仅不是含水断层破碎带，还可以划分为隔水断层（王冠龙等，2014）。

2.4 地下水补给、径流和排泄

矿区地下水主要来源于大气降水补给。矿区地形平坦，第四系松散堆积层上部土质较疏松，植被较稠密，易接受大气降水入渗（马林霄等，2018），补给安山质熔岩风化裂隙弱含水层地下水。矿床开采后，排水疏干，造成局地地下水位下降。地下水除接受大气降水补给外，少量接受河流等地表水体补给（陈新攀等，2018）。

研究区为由东向西径流的瓦尔河地形总体西北高，东南低。地下水大体由西北向东南径流（唐艳和刘佳海，2020）。由于安山质熔岩风化裂隙含水层富水性弱且不均匀，甚至充填胶结裂隙紧密而不含水。富水性不匀影响径流量，不含水地带切割径流方向，形成平面绕流。矿区地下水以潜水为主，水位的高低一般随地形的高低而变化，没有统一的地下水潜水面，含水层富水性弱，不存在单一流向，主要由高地形区向低洼地形区径流（龙本力和张业果，2017）。

原始状态下，地下水以泄流的形式在瓦尔河及其支流洼地中排泄。地面的蒸发、植物的蒸腾以及植物地面的蒸散作用也是重要的排泄方式之一（李龙江和徐占军，1992）。

3 工程地质特征

第四系松散堆积土层：该层广泛分布于矿区各地，从上至下由草原耕植土逐渐转化为似硬结岩组。上部为耕植土层，不宜作任何建（构）物的基础或联合基础，土质不宜作回填土。下部土层经过了较长期脱水密实过程，强度较高，适宜作承载力要求不高的临时建（构）物联合基础、扩大基础、甚至基础。土质也可做建筑回填土，但不能做远久性、要求地基承载大的基础或联合基础。

第四系硬结岩组：该岩组位于第四系松散堆积土组下部，为安山质熔岩岩组的上覆岩组。由安山质熔岩残积形成，主要矿物成分基本与母岩一致，主要有斜长石、辉石、角闪石、石英、云母等，还有泥质、绿泥石、高岭石等软弱胶体、准胶体矿物。该岩组可作承载力要求不高的远久性建（构）筑物的基础和扩大基础。因为拥有较强的隔水性能，也可作废石堆、尾矿库的基础和基底。

安山质熔岩岩组：该岩组包括火山熔岩、火山砾岩、火山碎屑岩等，形成环境相近，岩体的基本质量、主要软弱结构面的几何、线状特征相似，坚硬程度变化不大，赋存位置相同，均位于矿床上部，且工程控制程度较低，难以划分。该区长期处于稳定的地质构造单元中，构造裂隙软弱面不发育。主要裂隙面以缓倾角为主，陡倾角较少，对岩体切割程度低，属块体状结构岩体和整体状岩体，即完整岩体。

石英岩组：该岩组包括砾岩、粗粒岩等沉积变质岩，为矿区主要的岩体。该岩体埋藏于深部，没有浅表层风化软弱结构面，中厚层至厚层状。矿区长期处于较稳定的构造单元中，层理、层面很平缓。该岩组构造软弱，结构面发育较稀疏，多以平缓为主，陡倾角较少。从结构面的发育密度、组数、产状和延伸程度的几何特征来看，结构面的发育程度较低。从结构面的张开度、粗糙度、充填情况和充填物水的赋存状态等线状特征来看，主要结构面的结合程度较高，因此石英岩组也属块状岩体。

4 矿床水文及工程地质条件分析

4.1 水文地质条件

矿山开采是验证矿区水文地质条件的最好手段，应充分利用矿山开采所暴露的地质环境问题进行分析，不断提高完善对矿区水文地质条件地认识（河北省地质局水文地质四大队，1978；朱昶等，2014；朱天林，2016），加强对矿山水文地质条件的研究，是有效预防矿山地质灾害、加强治理矿山环境的重要举措（邱长健，2017）。

该地区金矿山开采历史悠久，金矿体主要赋存于石英岩夹石英砾岩沉积层中，属于砾岩型金矿，隔水层为安山质熔岩和石英岩，水文特征具有埋深大，地下水动、静储量小的特点。与矿床地下水联系的静储量已完全消耗，矿坑排水以动储量为主，矿床疏干流场应属稳定流。矿山生产停产数年，部分井巷被淹没，理论上产生了新的地下水静储量，复产后会改变矿床疏干流场形态（张发旺等，2016），矿坑涌水仍以动储量为主。

金矿床在坑道开采过程中，施工的竖井井底排水形成了大降深（杨胜堂等，1992），理论上会产生紊流。由于矿区风化裂隙弱含水层富水性弱、连通性差、发育厚度小、赋存于上部，难以实现大面积疏干。当井底为变质石英岩隔水层，富水性更差、涌水量更小，即使有裂隙产生紊流，在井壁处造成涌水，也会产生较大流量。

研究区所采矿体均匀，埋藏较深，大气降水尚不能形成矿床充水水源。瓦尔河从东至西从矿区南界流过，距离各采区竖井及东西向展开的各中段距离较远，但有隔水性能强而完整的隔水层相隔，地表水与矿床的水力联系极弱，也难以构成矿床充水水源。大量被遗弃的老采空区充满积水，具体积水量不明，采坑巷道接近或崩落带到达积水部位，容易造成突水，对矿山生产、设备和人员安全造成巨大威胁。

研究区主要充水水源为安山质熔岩风化裂隙弱含水层地下水。该含水层分布面积广，但厚度较小，充水层的空隙性低，富水性以弱为主。地下水以静储量为主，动储量次之。该充水层有隔水性能强的熔岩隔水层相隔，为间接充水水源。矿区缺乏碳酸盐岩，不能形成岩溶通道，同时缺失孔隙含水层，构成不了孔隙充水通道。

4.2 工程地质条件

矿体围岩属坚硬岩，结构面发育程度较低，结合程度较高，根据建造特征和后期改造特点，可划分围岩的结构类型为块状或称为整体状围岩。

位于厚大而完整隔水层中的围岩，地下水动、静储量都很小，既无静储量的水头压强，也无动储量的冲积破坏，地下水对围岩稳定性的影响十分弱小。对于矿区块体状结构的刚脆性围岩，强度足以抵御御荷回弹和应力重分配所带来的附加应力，安山质熔岩岩组、石英岩岩组均为坚硬岩岩组，地表、井巷没有高残余应力的反应，又位处深部隔水层中，其围岩的稳定性主要受原生和构造较软弱面的发育和分布特征控制。

矿床开采平巷、采场面积大，体积较小。采矿工程轴线走向的低矮洞室群顶拱的稳定是关键。中等、陡倾角裂隙，在顶拱与层面、平缓倾角裂隙相遇，都能把顶拱围岩分割成菱形、三角形的独立块体，当独立块体小于洞跨时会形成分离体。这些被层面和构造软弱面所围限的分离体，无论拉应力集中或是压应力集中都会产生坍塌（王振臣，2019）。顶拱面与层面、主要构造裂隙软弱面小锐角相交时，近相交处，如有垂直工程轴线的构造裂隙软弱面发育，难以避免产生塌落。被平行工程轴线较小的中等倾角和较陡倾角裂隙软弱面交叉切割，交汇处在自由空间时，独立块体无论拉应力大小，摩擦阻力加顶托力大于自重力，基本能稳定；当交汇处在围岩中，失去顶托力，自重应力小于摩擦阻力时，也能暂时稳定，但属危险独立块体，当摩擦阻力小于拉应力时，独立矿块立即塌落。单组陡倾角构造裂隙软弱面发育密度较高的地段，会在井巷、采场顶拱形成“川”字形软弱结构面，构成的独立块体，在顶拱压应力集中的情况下，易造成顶拱坍塌（龙本力和胡大玲，2018）。