鄂尔多斯盆地北部某砂岩型铀矿地下水水位异常成因分析

王乐力，丁 叶，王 贵，刘正邦，高俊义，江国平，王亚奴，赵海军

(1.核工业二〇三研究所，陕西 咸阳 712000；2.核工业北京化工冶金研究院，北京 101149；3.核工业二〇八大队，内蒙古 包头 014010；4.中核内蒙古矿业有限公司，内蒙古 呼和浩特 010010)

鄂尔多斯盆地蕴藏着铀、油、煤和天然气等战略资源。其中，盆地东北部砂岩型铀矿自东向西呈带状展布，矿体具有规模大、连续性好、品位较高等特点，是中国目前规模最大的砂岩型铀矿带。许多学者从不同角度对鄂尔多斯盆地东北部铀矿带的特征、成因，以及铀的赋存状态等进行了较为全面的研究[1-8]，为铀矿勘查和区域地质研究提供了积极指导。

矿山采冶部门相关学者紧跟地质勘查成果和进展，相继在成矿带中多个矿床开展了矿石工艺矿物学、室内试验和现场试验等研究，得到相关工艺参数和技术路线，为矿床开发利用奠定了坚实的基础。

某矿床位于鄂尔多斯盆地东北部铀成矿带中部，矿体埋藏较深，规模较大，矿体厚3.35 m，铀品位0.054 2%，平米铀量3.71 kg/m2，铀矿化品质较好，该矿床适宜采用CO2+O2浸出工艺[9-10]。然而在现场条件试验的平稳运行期间，试验区北部WN1、WN2、WN3等观测孔含矿含水层水位出现异常波动，并呈现持续下降的趋势，下降幅度约每月1 m左右，长时间、大幅度的水位异常下降会对该矿床的开发方案产生重要影响。因此，从地质、水文地质条件以及水动力机制入手，揭示含矿含水层产生水位异常的原因，旨在为空间上异层叠置的铀矿和煤炭资源的开发提供技术支撑。

1 研究区概况

1.1 自然地理

研究区位于鄂尔多斯盆地北部伊盟隆起构造单元，区内地形切割强烈，沟谷纵横交错，切割坡面陡峻，多呈“V”字型，总体表现为高原地貌景观。区内年降雨量仅为190～400 mm，全年降水集中在7～9月，年蒸发量为2 000～3 000 mm，春、冬季多风。

研究区内赋存的地下水类型主要有松散岩类孔隙水和碎屑岩类裂隙孔隙水[11]165。松散岩类孔隙水主要分布于区内的沟谷中，为赋存于第四系全新统松散冲积物，主要接受大气降水和白垩系地下水侧向径流补给。碎屑岩类孔隙水在区内广泛分布，主要由下白垩统含水岩组及中侏罗统直罗组含水岩组组成，其中白垩统含水岩组主要接受大气降水补给，中侏罗统直罗组含水岩组通过白垩统含水岩组间接接受大气降水补给。

1.2 地质特征

研究区地层包括三叠系延长组、中侏罗统延安组和直罗组、下白垩统及第四系，其中，主要目的层中侏罗统直罗组与延安组呈平行不整合接触，与上覆下白垩统呈角度不整合接触[6]147。赋矿地层为中侏罗统直罗组，该层总体上向南西倾斜，倾角0～3°。中侏罗统直罗组根据沉积阶段划分为下段和上段，直罗组上段为干旱湖泊及曲流河杂色沉积，直罗组下段为典型的粗碎屑岩段，依据沉积体系又可将直罗组下段细分为下亚段和上亚段，均为重要的含铀地层。

研究区砂岩型铀矿主要赋存于中侏罗统直罗组下段下亚段中下部，矿体埋深315～630 m，平均埋深410 m，埋深受地形标高及地层产状影响明显，总体上表现为由东向西、由北向南埋深逐渐增大的规律。矿体总体上由北东向南西缓倾斜，倾角1～2°。矿体距下白垩统底板大约220 m。

1.3 水文地质特征

研究区含水层自下而上分别为中侏罗统碎屑岩类含水层、下白垩统碎屑岩类含水层和第四系松散岩类含水层[12]123。

中侏罗统碎屑岩类含水层包括延安组和直罗组2个含水亚组。中侏罗统含水层地下水主要受河流相砂体的展布和地层产状控制，区内地下水总体流向为从北东向南西的径流；但由于地层倾角较小，水动力相对较弱，径流缓慢，主要赋存层间承压水。层间承压水头自东向西、自北向南由低变高。

下白垩统碎屑岩类含水层在区内广泛分布，由砂岩、砂砾岩组成，粉砂岩、泥岩不发育，区域上没有稳定的隔水层。地下水以潜水为主，仅局部表现为承压水，富水性受地形影响较大。含水层厚度在区域上的变化趋势是自东向西、自北向南，厚度增大，富水性也随之增大，水位随地形而变化，单井涌水量可达140 m3/d。下白垩统碎屑岩类含水层主要接受大气降水补给，其径流、排泄条件受地貌、地层结构控制。

第四系松散岩类含水层主要分布于区内的沟谷洼地中，富水岩性以中细砂岩为主，含水层厚度变化较大，从几米至十几米不等，单井涌水量一般为10～500 m3/d。

2 矿床开发技术条件

2.1 地质条件

晚三叠世以来，鄂尔多斯盆地北部地区伴随北部河套地区的持续隆起，于三叠统延长组不整合面上部，先后沉积了中侏罗统延安组含煤碎屑岩系、直罗组以辫状河沉积为主的碎屑岩系和下白垩统含砾碎屑岩系，下白垩统与中侏罗统呈角度不整合接触。其中：中侏罗统直罗组下段为典型的粗碎屑岩段，直罗组下段下亚段为一套辫状河三角洲沉积体系[2]374，砂体厚度一般在27.40～94.00 m，平均66.80 m；底部为一套砂质砾岩，厚度一般在5～80 m，为该区主要赋铀层位。

研究区中侏罗统直罗组下段、下亚段主要由绿色、灰色中砂岩、中粗砂岩、粗砂岩及砂砾岩组成，具有下粗上细沉积韵律的特征。砂岩底部发育厚达20～30 m的砾岩层[6]151，砂岩以泥质胶结为主，固结程度低，胶结疏松，分选性中等，含水性及富水性好。砂岩中泥岩夹层和钙质砂岩夹层相对较薄，单层厚度一般在0.2～1.5 m。

2.2 水文地质条件

研究区中侏罗统直罗组下段、下亚段含矿含水层厚度明显受主河道砂体控制，总体上呈现出由河道中心向河道两侧逐渐变薄的特点，含矿含水层厚度一般在100.00～170.00 m，最小厚度71.0 m，最大厚度228.8 m，平均厚度131.0 m，变异系数19.7%，含水层厚度变化相对较小，稳定性较好。含矿含水层埋深258.30～578.30 m，受地质构造影响，总体表现出北东向南西逐渐增大的特点。直罗组下段、下亚段含矿含水层主要赋存孔隙承压水，地下水位埋深109.45 m，承压水头高度为169.55～177.00 m，如图1、表1所示。

表1 水文地质孔抽水试验结果Table 1 Hydrogeological hole pumping test results

1—直罗组上段含水层；2—直罗组下段下亚段含矿含水层；3—隔水层；4—矿体；5—直罗组下段、下亚段含矿含水层等水位线；6—钻孔及编号；7—地层代号。图1 某铀矿床B0号勘探线水文地质剖面示意图Fig. 1 Schematic diagram of the hydrogeological profile of the No. B0 of a uranium deposit

含矿含水层顶板为发育稳定、连续的泥岩、泥质粉砂岩层，底板为中侏罗统延安组含煤碎屑岩系，顶部第Ⅳ、Ⅴ旋回泥岩、粉砂岩，隔水性能稳定，上述隔水层有效隔断了直罗组下段、下亚段含矿含水层与上下含水层之间的水力联系。

水文地质试验表明：单孔涌水量83.64～217.20 m3/d，单位涌水量0.103 2～0.103 9 L/(s·m)，含矿含水层渗透系数0.553～0.880 m/d，导水系数44.41～72.55 m/d(表1)。含矿含水层孔隙发育，含水性、渗透性好，单孔涌水量较大。直罗组下段下亚段地下水由北东向南西径流，水力梯度约0.001 3(图2)。上述水文地质条件为矿床采用地浸技术开发提供了必要条件。

2.3 浸出条件

现场浸出试验采用一抽四注“五点型”井型结构，抽注孔间距25 m。试验区矿体平均厚度6.30 m，平均铀品位0.068 4%，平均平米铀量9.56 kg/m2。静水位埋深123 m，承压水头252 m，渗透系数0.88 m/d。

条件试验采用CO2+O2浸出工艺，2012年8月5日开始抽注浸出试验，浸出试验抽液量9.0～9.5 m3/h，经预氧化后注入300～450 mg/L O2、300 mg/L CO2、1.35 g/L NH4HCO3，浸出液铀质量浓度峰值71.7 mg/L，平均铀质量浓度45 mg/L，总体上呈现较好的浸出效果。

3 含矿含水层地下水水位异常动态

承压水头高度和含矿含水层渗透系数是地浸矿山开发的关键参数，稳定的承压水头高度是砂岩型铀矿采用地浸技术开发的前提条件。针对该研究区含矿含水层地下水水位进行了长期动态监测，其中：WN1、WN2、WN3为水文地质勘探孔(图2)，地质勘查单位在完成1个水文地质年监测后进行不定期监测[12]207。1-Z-0303、1-C-0103、1-4-2Z等为地浸试验钻孔，矿山开采单位一般根据地下水位变化情况进行监测。

1—水文地质孔；2—矿体范围；3—勘探线及编号；4—等水压线；5—地下水流向；6—水文地质孔及地下水位标高(m)；7—地浸采铀现场试验点。图2 某铀矿床直罗组下段下亚段含矿含水层等水位线Fig. 2 Ore-bearing aquifer contours in the lower sub-member of the lower Zhiluo Formation

监测结果表明：自2010年7月5日至2011年7月5日，WN1孔地下水水位埋深基本稳定在108.80 m左右。2011年8月至2013年7月未开展水位相关监测工作，地下水水位变化不详。2013年7月31日，监测获得WN1孔地下水水位埋深降至117.20 m，较2011年7月5日水位下降了8.39 m，对比2010年7月5日—2011年7月5日水文地质年数据，本次获得的WN1孔水位数据表现为异常动态变化。

为此，针对WN1、WN2、WN3和地浸试验钻孔进行了系统监测，截止2014年1月1日，WN1孔水位埋深下降至121.95 m，较2013年7月31日又下降4.75 m，累计下降13.14 m。结合WN2、WN3监测数据，研究区地下水水位呈现出总体下降的态势，WN1、WN2、WN3孔地下水水位自2013年7月31日至2014年1月1日平均每月下降约1 m(图3)。

图3 水文地质孔水位埋深与时间关系历时曲线Fig. 3 Duration curve of groundwater depth and time in the hydrogeological borehole

同时，对试验区钻孔进行了长期水位监测，共监测1-Z-0303、1-C-0103、1-4-2Z等钻孔12个，因地表起伏及地浸井场抽注系统影响，各监测孔初始水位差异性较大，水位埋深116.90～145.00 m不等。结果表明：各监测井地下水位埋深均有不同程度的下降，最大下降2.24 m，最小下降0.65 m(表2)，地下水水位埋深依然呈现总体下降趋势。

表2 试验区钻孔水位埋深统计Table 2 The depth of borehole water level in the test area

研究区含矿含水层地下水水位自2013年7月31日观测以来，表现为异常动态变化。截止2014年1月1日，含矿含水层地下水水位呈持续下降态势，地下水水位异常动态变化影响了研究区矿床开发方案的部署。

4 水位下降成因分析

4.1 地下水循环模式

中侏罗统直罗组下部延安组煤系，接受上覆下白垩统地下水在北部剥蚀区直接渗入补给，地下水径流与排泄与直罗组下段下亚段含水层基本一致，局部受微古地貌起伏变化控制。延安组煤系含水层顶板主要由泥岩、粉砂岩构成，在区域上发育较为稳定，为一套稳定的隔水层，延安组煤系含水层与上部直罗组下段下亚段含矿含水层无直接水力联系(图4)。

1—地层代号；2—下白垩统含水层；3—绿色砂岩；4—灰色砂岩；5—泥岩；6—煤层；7—角度不整合界线；8—平行不整合界线；9—直罗组下段下亚段层间氧化带前锋线；10—铀矿体；11—地下水等水位线；12—地下水流向。图4 鄂尔多斯盆地北部某铀矿床地下水循环模式示意图Fig. 4 Groundwater circulation pattern of a uranium deposit in the northern Ordos Basin

在地浸采铀实践过程中，由于地浸井场布置与主要矿体平面展布形态密切关联，地浸井场一般采用“五点型”“七点型”或“行列式”井型，在平面上呈连片集中布局，地浸井场范围随主要矿体平面展布形态逐渐拓展。

在抽注动力作用下，地浸井场范围内水动力场相对较强。而地浸井场一定范围之外，水动力场相对较弱，径流相对缓慢，地浸井场抽注体系对该区域地下水流场几乎没有影响。其次，地浸井场抽注液钻孔只揭露至直罗组下段下亚段含矿层底部，未揭穿延安组顶部隔水层，地浸井场钻孔工程对直罗组和延安组含水层系统不会产生沟通和相互影响。因此，地浸井场实际上是在研究区直罗组下段下亚段含水层局部范围内的一个内循环系统，在浸出作业控制条件下，地浸井场地下水水位、水动力场相对稳定。

4.2 地下水水位异常动态及成因

该铀矿床直罗组下段下亚段含矿含水层水位埋深异常下降等值线如图5所示。可以看出，截止2013年12月15日，WN1、WN3、WN2的地下水水位降深依次为3.77、4.92、5.23 m，地下水水位下降幅度自WN1孔3.77 m降至WN2孔5.23 m，趋势上水位降深自东向西逐渐增大。结合直罗组下段下亚段区域含水层地下水水动力特征，直罗组下段下亚段含水层地下水水位异常下降造成的水动力场由北东-南西向转变为北东、东-南西、西向。因此，认为直罗组下段下亚段含矿含水层地下水水位异常下降，可能与矿床西部与该含水层相关的水文地质工程疏放水相关联。

1—水文地质孔；2—矿体范围；3—勘探线及编号；4—含矿含水层水位下降等值线；5—含矿含水层水位下降趋势；6—水文地质孔及地下水位下降数值；7—地浸采铀现场试验点。图5 直罗组下段下亚段含矿含水层水位异常下降等值线Fig. 5 Contour of abnormal drop in water level of ore-bearing aquifers in the lower sub-member of the lower Zhiluo Formation

研究区直罗组下部延安组蕴藏着丰富的煤炭资源，受上部直罗组下段下亚段含水层影响，煤层开采时往往采用采前疏放和采后疏干等措施，来降低上部含水层的空间压力。直罗组下段下亚段含水层地下水水位异常下降，与研究区西侧直罗组下部延安组煤层井下疏放水工程密切关联。

随着煤层采区疏放水的进行，形成了以延安组煤层开采作业面为中心的地下水水位降落漏斗。伴随着煤层采区工作面的陆续展开和井下疏放水的持续进行，形成的降落漏斗致使直罗组下段下亚段含水层地下水水位持续下降。这种持续下降的态势对地浸井场承压水头稳定产生了直接威胁，而且井下疏干放水会破坏延安组煤系含水层顶板(直罗组下段下亚段含水层隔水底板)稳定性。随着煤层采区工作面的不断推进，煤层顶板不断垮落，新产生的垂向裂隙带不但破坏了直罗组下段下亚段砂岩型铀矿空间产出形态，而且产生的裂隙带穿过直罗组含水层顶板，进入上覆白垩系含水层[13-14]，在局部范围内导致白垩系含水层水位持续下降，诱发严重的生态环境问题。

5 结论

通过对研究区铀矿采区地下水位变化的分析发现，延安组煤炭资源开发时的疏放水作业造成了其上部直罗组下段下亚段含矿含水层水位持续下降，进而对其上部砂岩型铀矿矿体空间形态和含矿含水层水位稳定产生了不利影响。而砂岩型铀矿地浸井场是直罗组下段下亚段含水层局部范围内1个内循环系统，在浸出作业控制条件下，地浸井场地下水水位、水动力场相对稳定，溶浸作业不会对上下含水层产生影响。

针对空间上异层叠置的铀矿和煤炭资源在开发次序上应先上后下、先铀后煤；若煤层与铀矿同时开采，则煤层开采作业区与地浸开采作业区需设置一定的安全距离，同时为确保井场承压水头稳定，铀矿地浸井场作业区需配套相应的工程措施。