南非加拉陶鉑族礦礦區水文地質特征淺析

陳新攀,周友清,彭 偉

(紫金礦業集團股份有限公司 礦產地質勘查院, 福建 廈門市 361009)

1 區域水文地質條件

1.1 地形地貌、氣候及地表水系

南非加拉陶鉑族礦區位于南非林波波省西北部的山麓丘陵地帶,由構造侵蝕中低山及丘陵盆地組成,地表植被較發育。地勢總體西高東低,西部、西北部山體陡峭,中東部低洼地帶為沖蝕堆積形成的Maandagshoek峽谷盆地,Moopetsi河流自西南向北東橫穿盆地。礦區西部山區最高點海拔高程1813.0 m,最低點海拔高程約968.0 m(位于礦區東北部Moopetsi河流支流河床,為區域最低侵蝕基準面標高),相對高差約845.0 m。

礦區所在區域為典型的南非高原炎熱干旱氣候區,夏季炎熱、冬季涼爽,夏季最高氣溫在28℃～38℃之間,極端最高氣溫45℃,冬季最低氣溫很少低于4℃,極端最低氣溫－3℃,年平均氣溫22℃。年降雨量在450～700 mm之間,降雨主要集中在10月到次年2月,約占全年降雨量的73%,6～9月降雨最少,24 h最大雨量110 mm,降水通常以暴雨的形式出現在夏季,并常伴有雷電大風。年蒸發量超過1650 mm,月蒸發量從不小于80 mm,月平均降雨量明顯低于月平均蒸發量,這意味著該區域降雨不足,因此,礦區所屬區域被列為農業干旱缺水地區。

區域地表水系在山前地帶(礦區及附近地區)呈樹枝展布,但地表溪溝都是季節性的(本次調查期間礦區內溪溝基本是干枯的)。據地質師Dr.Tawanda介紹大氣降水通常在地表形成短暫徑流,雨后很快枯竭,常年性有水流的地表溪溝分布于礦區外圍東北部、東南部的第四系地區,主要有位于礦區東北部的Moopetsi河和位于礦區東南部的Olifants河源頭支流。

1.2 區域含水巖組

羅卜嶺礦段根據區域出露的地層、巖石組合,結合巖石含水介質的孔隙性質及地下水的水力性質,將區域巖石劃分為2個含水巖組,即松散巖類孔隙含水巖組和巖漿巖類裂隙含水巖組。

(1)松散巖類孔隙水含水巖組。該含水巖組位于礦區的中東部地區,主要分布于溪溝兩側、峽谷沖洪積盆地的平緩地帶,出露面積約12.69 km2,占測區面積的39.1%。巖性為第四系沖、洪積之砂卵礫石層和砂質粘性土層。地下水力學性質多屬無壓水,水位埋深小于2 m,富水性弱,局部可達中等。地下水直接受大氣降水補給,滲流快,并季節性與地表水相互補給,與下伏基巖裂隙水水力聯系弱。

(2)巖漿巖類裂隙含水巖組。分布于礦區西部出露地表區域,出露面積約19.77 km2,占測區面積的60.9%,為本區主要含水巖組。巖性由布什維德火成雜巖體組成,巖石裂隙發育,以北東、北西向為主。富水性弱。

2 礦區水文地質條件

2.1 地下水補給、徑流和排泄條件

礦區內地下水的補給、徑流、排泄條件,主要受地形控制及風化、構造等因素影響。礦區的補給區主要在邊部的西部山區,補給區破碎帶的發育給地下水的運移提供了良好的通道,使深部的地下水得到了有效的補給。礦區排泄方向主要朝向北北東和北東向,局部向東南邊界排泄。風化帶裂隙潛水直接受大氣降水入滲補給。礦區大部分為補給區,徑流受風化～構造裂隙控制,以垂直徑流、上部快而下部慢為特征。因此,礦區內徑流區與補給區基本一致。風化帶裂隙潛水的主要排泄途徑：主要是通過斷裂帶向深部徑流補給基巖裂隙承壓水;極少部分在礦區外圍低洼處以下降泉的形式排出地表。

分布于礦區東部沖積峽谷盆地及溪溝兩岸的沖洪積層,為孔隙潛水,補給、徑流、排泄區基本一致,主要接受大氣降水補給,山前地帶部分接受風化裂隙潛水補給。在枯、平水期,地下水位一般高于河水位。反之,汛水期,沿溪溝地帶地下水部分接受河水補給。地下水徑流以水平運動為主,水力坡度近似地形坡度,一般以潛流形式向下游溪溝排泄。

2.2 地下水動態特征

區內地下水動態類型屬于蒸發型,大氣降水、蒸發及氣溫是影響地下水動態的主要因素。礦區地下水位隨蒸發量的加大及氣溫升高而明顯下降,并隨著干旱季節延長而緩慢下降,地下水位變幅比較平緩,年變幅不大,多小于6 m。

2.3 斷裂構造水文地質特征

根據恩科維公司提供的資料及礦區核查資料,礦區構造較簡單,主要見密集節理帶,規模較大的劃為斷層。按產狀,分為NNE－NE、NW－NWW二組,局部充填輝綠巖等超基性巖脈。導水性差,以不導水和局部導水為主,斷層破碎帶富水性弱,局部可達中等。

2.3.1 NNE－NE斷裂

(1)FD1斷層。出露于礦區中部,區內長約5 km,二端延出區外,由鉆孔GRT001等控制,破碎帶寬大于5 m,多為構造角礫巖或碎裂巖,具張性特征,據照片中次級構造顯示,該斷裂為正斷層;被輝綠巖脈充填,巖脈寬5～20 m,巖脈二側界面平整,顯示其沿剪切裂面(張扭性裂面)侵入,表明該斷裂早期為張性,后期張扭性特征。從航磁圖上看,該斷裂(巖脈)平面上略呈舒緩波狀,走向5°～30°,傾向南東,傾角50°～70°,該斷層為正斷層,造成礦體缺失,根據恩科維公司提供三維模型資料,斷層北側斷距約為50 m,南部斷距約為90 m。上盤強風化輝綠巖碎裂巖及下盤構造破碎帶受風化后,次生裂隙較發育,裂隙面曲折且粗糙,為泥質、鐵質半充填,斷層導水性弱～極弱,局部可達中等。向深處,裂隙發育及風化程度減弱,導水性差。FD1為礦區主要的導水斷裂。

(2)F11～F14斷裂。長約1～3 km,走向5°～35°,傾向北西,傾角50°～70°,以密集節理帶出現。多為解譯成果,斷裂構造水文地質特征不詳。

2.3.2 NW－NWW 斷裂

主要有F1～F10,共10條,長約1～3 km,走向280°～305°,傾向南西,傾角50°～70°,以密集節理帶出現,斷距極小,對礦體影響極小。巖心上,巖石多完整,局部見寬數十厘米至幾米的節理密集帶,部分為碎裂巖。多為解譯成果,斷裂構造水文地質特征不詳。

2.4 礦坑涌水量估算

2.4.1 水文地質模型

礦區內地勢總體較平坦。礦體埋深200～900 m,賦存標高750～－110 m,主礦體 MR、UG2均埋藏于當地侵蝕基準面之下,礦區內無地表水體,風化帶裂隙潛水、基巖裂隙承壓水是礦床的主要充水因素。礦區內不存在供水邊界和隔水邊界。故可以近似應用裘布依的穩定流基本方程,預測礦坑涌水量。

2.4.2 礦坑涌水量估算方法

(1)解析法。采用公式(1)進行計算：

式中,Q為礦坑涌水量,m3/d;K為含水層滲透系數,m/d;采用礦區內6個水文孔壓水試驗K值,加權含水層厚度計算求得K＝0.000712 m/d;H為水位降深,m;礦區42個鉆孔終孔穩定水位平均值與含水層底板標高差值,H＝328.0 m;M為含水層厚度,m;依據礦體埋深350.0 m之下礦床為原生礦,將350 m之上與靜止水位之間巖體概化為含水層,M＝328.0 m;r0為礦坑引用“大井”半徑,m;本礦床主礦體－110 m標高水平投影面積F＝14658925.88 m2,由公式r0＝ F/3.14計算得r0＝2160.66 m。R0為礦坑引用影響半徑,m;根據預測中段的水位降深值,采用公式R＝10s K計算影響半徑,與相應的礦坑引用半徑相加即為開采中段的引用影響半徑,得R0＝2248.73 m。

將上述計算參數代入式(1)得礦坑涌水量Q＝6030.55 m3/d。

(2)數值模擬法。英國Knight Piésold Consulting公司采用Visual Modflow(VMOD)Version 4.3軟件進行了地下水數值模擬及礦坑涌水量估算,涌水量預測結果見表1。

表1 礦坑涌水量計算

(3)計算結果及質量評述。運用解析法公式計算水文地質條件粗略概化礦山的涌水量,適用性較差,將產生較大誤差。故解析法計算結果僅供參改。地下水數值模擬法是根據礦區水文地質試驗獲得的水文地質參數,采用Visual Modflow(VMOD)Version 4.3軟件進行的礦坑涌水量估算,其參數來源可靠,計算公式不受邊界條件、井巷類型限制,避免了某些復雜水文參數的選取,其結果可靠,故建議以地下水數值模擬法計算數據結果作為今后礦山開采設計依據。

3 結 論

礦區地貌類型為侵蝕構造中低山及沖洪積峽谷盆地地貌,海拔高度一般為980～1800 m,最低侵蝕基準面標高為960.0 m。礦區范圍內無地表水體,礦體埋深200～900 m,均位于最低侵蝕基準面之下,地形不利于自然排水,大氣降水是地下水的主要補給來源。礦坑直接充水水源是基巖構造裂隙水,主要的雜巖體含水層富水性弱,局部可達中等。礦區主要斷裂構造富水性及導水性弱。采用地下水數值模擬法預測礦坑正常涌水量5270 m3/d。礦床水文地質邊界條件簡單,礦床水文地質條件屬以基巖構造裂隙充水為主的簡單類型。