贵州省松桃县孟溪镇木耳溪锰矿水文地质条件研究及涌水量预测

2022-11-22张学东林日松

中国金属通报 2022年7期

关键词：涌水量大塘粘土

张学东，林日松

木耳溪锰矿区内地质研究程度较高，成果丰硕，如周琦、杜远生、袁良军等专家学者从地质特征、成矿作用、成矿规律、成矿模式、找矿方向、矿床成因等地质角度对该矿床进行研究，但对开采技术条件方面的研究较少。

本次研究工作通过水文地质调查及水文地质钻探、抽水试验等方法，结合前人研究成果，从水文地质角度，对木耳溪锰矿水文地质条件进行研究，丰富了该方面的研究成果；对该区水文地质工作具有较大的参考价值。

1 区域地质背景

1.1 区域地质概况

木耳溪锰矿大地构造位置属于扬子陆块江南复合造山带黔南坳陷区铜仁复式褶皱变形区内，它是一个以中、新元古界浅变质岩系为基底的复杂褶皱带。

区域内出露地层由老到新主要有青白口系下江时期、南华系、震旦系及寒武系等，区内锰矿赋存于南华系下统大塘坡组第一段含锰岩系底部黑色薄层炭质页岩中。

区域地层分述如下：

青白口系清水江组。可分四段：第一、二段为一套灰、灰绿色夹大量火山碎屑岩的变质砂岩、变质粉砂岩及粉砂质板岩；二段底部以一层厚约30m岩性稳定，颜色特殊的紫红色板岩与一段分界，一段厚488m，二段厚222m；第三段为浅灰色块状石英岩状砂岩，含砾石英砂岩夹薄层灰绿色、紫红色变质粉砂岩及火山灰凝灰岩，见大型交错层，该段石英岩状砂岩为稳定标志层，厚80m～100m；第四段为暗绿色厚层绿泥含长砂岩、次硬砂岩及灰色薄-中层变质粉砂岩、板岩夹少许石英岩状砂岩、灰绿色凝灰岩，厚度：60m～121m。

南华系中统：本区分为富禄组、大塘坡组；富禄组下部为灰-浅灰色中厚层状砾砂质粘土岩、含砾砂岩及层纹状娟云母细砂岩间夹细晶白云岩透镜体；底部以白云岩或砾岩与下伏清水江组，呈角度不整合接触；中上部为灰色、灰绿色厚层块状长石岩屑杂砂岩、石英细砂岩及含砾岩屑杂砂岩等，颗粒有向上变粗之趋势；顶部为深灰色含砾砂岩夹薄层炭质页岩、含砾纹层粘土岩、粉砂质粘土岩、岩屑杂砂岩及含长石英砂岩，该组地层横向上可变为砂砾质白云岩或白云质砂砾岩。厚度：1.17m～416.34m。

大塘坡组：根据岩性特征，分为二段。

第一段：习称“含锰岩系”。为黑色炭质页岩，有时夹炭质菱锰矿、白云岩、硅质岩及凝灰岩透镜体。厚度：0m～56.53m。

第二段：下部为灰色薄层含炭质、粉砂质条带状页岩，含星点状黄铁矿，上部为灰色薄层粘土岩、层纹状粉砂质页岩夹少许粉砂岩，产藻类、凝源类和菌类化石。厚度：100m～300m。

南华系上统南沱组：下部为灰绿色、黄灰色块状含砾粉砂岩、含砾粉砂质粘土岩、含砾粉砂质页岩，间夹1层～2层层纹状粘土岩，局部夹白云岩透镜体；中部为灰绿色、黄绿色块状含砾砂岩、砂质砾岩，砾石多，砾径大；上部主要为黄灰绿色含砾粘土岩、含砾粉砂岩，时夹粘土岩薄层，砾石少而细。厚度：44.91m～339.27m。

震旦系下统陡山沱组：下部灰色厚层-块状微晶白云岩、石英、白云石及方解石等不规则团块及网脉发育；中部为灰色、浅灰色薄-中层含砂质、泥质条带状泥晶白云岩；中上部为黄灰色薄层含砂质、泥质、硅质带状粘土岩；上部为灰色中-厚层微-细晶白云岩及厚层条带状泥晶白云岩；顶部偶见砾屑白云岩。厚度：24.74m～42.02m。

震旦系下统—寒武系纽芬兰统：

灯影组：浅灰色至深灰色厚层状细晶白云岩、粉晶白云岩，顶部偶夹炭质页岩、条带状泥晶粉晶白云岩。厚度：24m～136m。

寒武系纽芬兰统—寒武系第二统牛蹄塘组：

中上部为黑色炭质页岩夹灰绿色含炭质粉砂岩和粉砂质泥岩；下部为黑色炭质页岩，偶夹黑色硅质页岩，且底部产0m～0.39m厚磷块岩。厚度：57m～170m。

寒武系第二统：九门冲组和变马冲组；

九门冲组：下部为黑色炭质页岩，含断线状、星点状黄铁矿；中部为灰-黄灰色薄层粉砂质页岩、粉砂质粘土岩，粉砂岩夹薄层泥晶灰岩透镜体；上部为灰-深灰色中至厚层粉晶灰岩、夹粉砂质页岩及粉砂质炭质粘土岩。厚度：20m～78.11m。

变马冲组：下部为深灰色、灰黑色炭质页岩夹灰色薄层细粒云母质砂岩，炭质页岩中含星点状、线状黄铁矿，具水平层理，含海棉骨针化石；上部为黄灰色、黄色中至厚层砂岩、石英砂岩。厚度：170.18m～180.45m。

1.2 矿区地质特征

（1）地层。研究区内出露的地层有南华系中统富禄组、大塘坡组、南华系上统南沱组；震旦系陡山沱组、寒武系纽芬兰统至震旦系上统灯影组；寒武系牛蹄塘组、九门冲组、寒武系第二统变马冲组及第四系。南华系中统大塘坡组为锰矿含矿层。

（2）区域构造。研究区的大地构造位置属于扬子陆块江南复合造山带黔南坳陷区铜仁复式褶皱变形区内，区内经历多次构造运动，褶皱、断裂较发育，主构造线方向呈北北东向、北东向展布。主要断裂为木耳压扭性断层，该断层从矿区北西角穿过。

2 区域水文地质概况

区内气候属中亚热带季风气候，冬冷夏热，春温秋爽，四季分明，气候宜人，雨量充沛，热量丰富。据气象资料，区内年均降水量为1386.45mm，月最大降水量为1194mm，日最大降水量为101mm，5月份～7月份为雨季，降水量达898mm，12月至翌年2月为旱季。年均气温为10℃，月均最高气温为25℃，月均最低气温为2℃，1月～2月有霜冻。全年无霜期大约291天。

区内位于贵州高原北东部，地势总体南西高，北东低，地形切割中等，为中低山地貌，区域上属于长江流域沅江水系松桃河干流坪南河支流的径流区，流经矿区的河流有木耳河和大屋河，最后汇集到矿区中部的道塘水库。

根据区域水文地质图，区内地下水从南西向北东方向径流。

3 研究区水文地质特征

根据地层、岩性、构造、地下水形成条件及赋存特征，将区内地下水划分为基岩裂隙水、碳酸盐岩岩溶裂隙水及第四系孔隙水三种类型。

3.1 地层的含（隔）水性

（1）南华系（Pt32）。富禄组（Pt32bf）：顶部为黑灰色中厚层含炭质砂岩、冰碛砾岩及黑色炭质页岩；底部为中层含砾绿泥石夹长石砂岩，厚度＞100m，未见底。含基岩裂隙水，富水性弱，该地层中地下水水位标高813.60m～845.98m，地下水埋深50.70m～66.85m，该层位于锰矿体之下，为矿层的底板直接充水含水层。

大塘坡组第一段（Pt32bd1）：习称为“含锰岩系”，下部为黑色含锰炭质页岩，中上部为灰黑色、黑色炭质页岩，夹1层～3层灰绿—深灰色含黄铁矿、炭质有机质粘土岩。厚0m～25m。含基岩裂隙水，富水性极弱，该地层中地下水水位标高824.98m～839.32m，地下水埋深275.44m～289.78m，位于锰矿体之上，为矿层的顶板直接充水含水层。

大塘坡组第二段（Pt32bd2）：下部为灰色、深灰色薄层夹中厚层含炭质粉砂质粘土岩，以密集平直层纹及黑灰相间的条带状构造发育为特征;中部为灰色薄层夹中厚层粉砂质粘土岩、层纹状粉砂质粘土岩。上部为灰色、深灰色薄层层纹状粉砂质粘土岩，顶面起伏不平。厚170m～217m。该层含基岩裂隙水，富水性弱。该地层中地下水水位标高428.12m～824.98m，地下水埋深7.46m～275.44m，位于锰矿体之上。

南沱组（Pt32cn）：下部为黄绿、黄灰色块状含砾粉砂岩、含砾粉砂质页岩；中部为灰绿、黄绿色含砾砂岩；上部为灰绿、黄灰色含砾粘土岩、含砾砂岩夹黄灰色、深灰色粘土岩。该层含基岩裂隙水，富水性弱。该地层中地下水水位标高813.60m～845.98m，地下水埋深50.70m～66.85m，位于锰矿体之上。

（2）震旦系（Pt3

3）。陡山沱组（Pt33d）：下部灰色厚层块状微晶白云岩，石英及方解石脉发育；中部为炭质页岩、含硅质岩、砂质页岩及黄灰色、黄色砂质粘土岩；上部为灰色薄～中层泥粉晶白云岩间夹砂泥质粘土岩，白云岩稍有硅化。该层为碳酸盐岩岩溶裂隙水及基岩裂隙水组合，富水性中等。

灯影组（Pt33bЄdy）：浅灰色至深灰色厚层状细晶白云岩、粉晶白云岩，顶部偶夹炭质页岩、条带状泥晶粉晶白云岩。该层为碳酸盐岩岩溶裂隙水及基岩裂隙水组合，富水性中等。

（3）寒武系（Є）。牛蹄塘组（Є1-2n）：中上部为黑色炭质页岩夹灰绿色含炭质粉砂岩和粉砂质泥岩；下部主要为黑色炭质页岩。该层含基岩裂隙水，富水性弱。

九门冲组（Є2jm）：底部为磷矿层，厚一般0.15m～0.40m；下部为黑色炭质页岩，含星点状细粒黄铁矿；中部为灰、黄灰色粉砂质页岩、薄层粉砂岩；上部为灰、深灰色中至厚层粉晶灰岩、夹粉砂质页岩、粘土岩和炭质粘土岩。

变马冲组（Є2b）：下部为深灰色、灰黑色炭质页岩夹灰色薄层细粒云母质砂岩；上部为黄灰色、黄色中至厚层砂岩、石英砂岩，该层含基岩裂隙水，富水性弱。

（4）第四系（Q）。主要分布在斜坡、河谷及山间低洼地带，岩性为粘土、亚粘土、砾等。地下水类型主要为孔隙水，在调查区内未发现泉点。

3.2 构造水文地质特征

研究区断层发育按走向划分，为北东向、北西向及近南北向断层，主要断层有道塘正断层（F1）及木耳断层（F2）等。

道塘正断层（F1）：位于矿区中部斜穿道塘水库，总体呈北东向（45°～225°）延伸，倾向南东，倾角83°，长约1.8km，为正断层，断距20m～35m。破碎带宽约8m，胶结较好，导水性弱。该断层位于矿区中部，深部距离矿体最近距离342m，未切割锰矿层，对矿床充水的可能性小。

木耳断层（F2）：该断层为研究区内的一级断裂，从矿区北西角干田湾附近穿过，总体呈北东向（64°～244°）延伸，倾向南东，倾角74°，为正断层，该断层位于矿区的北西角，远离矿床，对矿床充水的可能性小。

3.3 地表水与地下水的变化特征

（1）地表水：矿区内地形切割中等，沟谷发育，在雨季，沟谷溪流水主要汇入矿区中部的道塘水库。大气降水有小部分沿基岩裂隙补给地下水，另外大部分补给地表水。河水、溪沟水一般在暴雨后短时间内流量暴涨，雨后水位迅速下降，枯水期流量明显变小，流量变幅较大。

（2）地下水：矿区内地下水主要以基岩裂隙水的形式存在，在低洼、裂隙发育地带，以泉点出露。

3.4 矿体与当地最低侵蚀基准面及地下水位的关系

为当地最低侵蚀基准面为480m，资源储量算量标高465m，研究区内大部分矿体位于当地最低侵蚀基准面以上。

3.5 地下水的补给、径流、排泄

研究区内地下水补给来源主要为大气降水及研究区中部的道塘水库，地表水经地下径流之后，以泉点形式排出地表，再补给地表水。道塘水库是矿区的补给来源也是排泄通道。

4 矿床充水因素分析

4.1 充水水源

（1）直接充水来源。研究区内的直接充水水源是矿体顶板大塘坡组第一段（Pt32bd1）的基岩裂隙水，是矿床充水的直接含水层。

（2）间接充水水源。地下水：大塘坡组第二段（Pt32bd2）的基岩裂隙水是矿床的间接充水水源。地表水：道塘水库位于矿区的中部，资源估算范围边界与水库的达到正常蓄水位时，距矿床最近距离为93m，开采深部的矿体时，水库的水将会通过构造、裂隙向矿床充水。老窑、采空区积水：研究区内目前无老窑及采空区。

4.2 充水通道

对锰矿床起充水作用的通道主要构造裂隙、冒落带裂隙及岩石裂隙。

构造裂隙：对锰矿充水有明显影响的构造裂隙主要发育在大塘坡组第二段（Pt32bd2），受风化程度的影响，其导水性随深度的加大而变弱，因此为浅部锰矿矿床充水的直接通道。

冒落带：开采时产生的冒落带裂隙起到主要的导水作用，使锰矿巷道与上覆含水层、地表水等沟通，从而使各类水源渗入或涌入矿井。

岩石裂隙：开采过程中，形成采空区，岩石裂隙中的水体对矿床充水。

按《矿区水文地质工程地质勘探规范》中的“冒落带、导水裂隙带最大高度经验公式”估算：锰矿层平均厚度0.84m，假定其累计采厚为2.0m。锰矿层的倾角小于54°，顶板为炭质页岩、炭质粘土岩，计算得出：冒落带最大高度为8.0m，导水裂隙带最大高度为35.53m，采矿影响顶板总高度为43.53m。根据钻孔资料，上覆隔水层厚度大于130m，远大于导水裂隙带的高度，地表水体不会通过导水裂隙带直接对矿坑充水。

4.3 充水方式

研究区主要充水层富水性弱，充水通道以岩石原生节理、裂隙、断裂裂隙及开采造成的冒落带裂隙为主，充水方式以顶板渗水、滴水、淋水为主。

5 水文地质类型

根据资料，区内矿体大部分位于当地侵蚀基准面以上，小部分矿体位于最低侵蚀基准面以下，上覆层较厚且地形有利于自然排水，直接充水含水层为大塘坡组第一段（Pt32bd1）所含的基岩裂隙水，其富水性较弱，间接充水含水层为大气降水的入渗，根据规范，将矿床水文地质勘探类型划分为：以顶板直接进水为主的裂隙充水矿床，水文地质类型属第二类，水文地质条件为第二型，水文地质条件复杂程度为中等。