南非克萊克斯多普地區某金礦水文和工程地質特征分析

席鵬譚康雨張毅曾瑞垠黃建業

（1.北京中資環鉆探有限公司，北京 100012；2.中色地科礦產勘查股份有限公司，北京 100012）

0 引言

研究區位于南非西北省威特沃特斯蘭德盆地西北邊緣的克萊克斯多普地區，蘭德盆地形成于太古宙晚期（吳興源等，2015），距今大約2.72～3.06 Ga。盆地邊緣含金地層由北東－南西延伸約300 km、沿北西至南東延伸約100 km。含金地層厚約6 km，主要由石英巖夾礫巖和頁巖組成，含有少量火山巖單元。沉積巖緩傾于盆地中央，局部地區有變化。盆地東、西和南部均被太古宙、古生代和中生代火山巖和沉積巖所覆蓋，最厚部位可達4 km。金（鈾）礦化通常產于石英礫巖層內，金（鈾）礦床主要分布于盆地的邊緣部位，單層含礦層厚度一般未超過2 m。金礦的形成、分布與礫巖中黃鐵礦、碳質關系密切（王杰等，2014）。本礦區采礦歷史悠久，但深部尚未進行任何勘查活動，由此推測找礦前景較好（任軍平等，2015）。

沿盆地東部、北部和西部邊緣分布有多個獨立的金礦礦集區，如埃溫德礦集區、東蘭德礦集區、中蘭德礦集區、西蘭德礦集區、卡爾頓維爾礦集區、克萊克斯多普礦集區、韋爾科姆礦集區等（中國科學院考察團，1998）（圖1a），研究礦區位于克萊克斯多普金礦礦集區內。

1 區域水文地質

1.1 氣候條件

該區屬亞熱帶灌木稀樹草原氣候，受赤道低氣壓帶和信風帶南北移動、交替影響，旱、雨季節分明。5 月到10 月干旱少雨，土壤開裂、草木枯黃；11 月到次年4 月，降水量大，植被茂盛，遍地生長著較稠密的蒿草和灌木，夾雜著少量喬木。極端最低氣溫低于－4℃，極端最高氣溫在40℃左右，年平均氣溫21℃左右，年平均降雨量500 mm 左右。

圖1 蘭德盆地區域地層及礦田分布（a）和克萊克斯多普地區地質簡圖（b）（修改自張毅等，2019）

1.2 地形地貌

區域海拔標高1200～1400 m，西有卡普高原，北為皮拉內山，東為德拉肯斯山脈，南有卡里山、斯尼烏山，中部由多個小凹陷盆地構成了1 個大型盆地，礦區所處盆地為其中之一。本區屬南非高原的南部，地處內陸克拉通地塊，除東部山區，其他地區散布著少量山地和個別低山丘陵外，地形高差變化小，開闊平坦，剝蝕、搬運作用較弱，延展數百千米，為準平原性高原。礦區地勢平緩，地表均被第四系和植被覆蓋，基巖露頭較少。

1.3 水文概況

威特沃特斯蘭德盆地總體地勢由東向西平緩傾斜，大部分水系注入大西洋。研究區內主要河流為瓦爾河，發源于東部的德拉肯斯山脈北段西坡。蘭德盆地為地表水匯聚中心，匯水面積超過5×104km2，在北側有1 條由北至南匯入的斯昆河，途經斯昆河水庫（圖1b）。受地形地貌及氣候的影響，水系發育很不均勻。東部受南印度洋暖濕氣流和馬達加斯加暖流的影響，再加上德拉肯斯山脈的阻擋，降水量大，河網密度高。由東向西深入內陸降水量逐級減少，河網密度逐漸變稀。

2 水文地質特征

2.1 含水層

區內第四系松散堆積層中少有沖洪積性孔隙含水層，多為殘積孔隙含水。地表廣泛出露，厚度一般20～30 m。由安山質熔巖全風化構成，粒度成分除含少量強風化安山質塊石外，大都由細砂、粉砂及少量黏土、腐殖質構成。該層上部為透水層，下部為含水層。雨季接受大氣降水入滲補給，地下水位較高，含水層厚度稍大，透水層厚度較薄。旱季地下水位下降，含水層厚度較薄，透水層厚度較大（莫濤，2018）。該含水層富水性弱。

基巖含水層主要為安山質熔巖風化裂隙含水層，位于孔隙含水層下部，有利于風化裂隙發育。裂隙網絡的發育程度不同，充填物水賦存狀態的差異，安山質熔巖風化裂隙含水層的富水性差異性較大，主要以弱為主，局部為中等或極弱，甚至充填膠結緊密而不含水。

2.2 隔水層

區內隔水層主要為第四系似硬結隔水層、安山質熔巖隔水層和石英巖隔水層（圖2）。

第四系似硬結隔水層主要分布于礦區平坦地區，地層處第四系松散堆積透水層與安山質熔巖風化裂隙含水層之間。該層的硬結作用不是因上覆沉積物的重載荷壓力下形成，而是通過沉積物干濕變化排除水分、減少孔隙、碎屑顆粒間的聯系增強，加之風化沉積物部分分解再結晶的過程而產生。由于似硬結隔水層強度較高，可達軟巖類別，遇水難以軟化。同時擁有級配良、膠結好的物理性能，使其具有透水性弱，隔水性能較強的特點。該隔水層由于在坡角較大的斜坡地帶，河床局地缺失，構成不了全礦區性隔水層。只能阻隔平坦地形區大氣降水入滲補給安山質熔巖風化裂隙弱含水層地下水。

安山質熔巖隔水層上覆安山質熔巖風化裂隙弱含水層，下伏石英巖隔水層。安山質熔巖主要由斜長石、輝石、角閃石和少量石英組成，為堅硬巖，強度高，原生結構面不發育，有利于隔水層的構成和穩定。局部發育透鏡狀、片狀、板狀構造裂隙極弱含水層，但因連通性差，破壞不了隔水層的完整性，損害不了隔水層的隔水性能，隔水能力強。

圖2 第四系松散堆積透水層、似硬結隔水層示意圖

石英巖隔水層也是區域的主要隔水層，與上部的安山質熔巖隔水層呈不整合接觸。石英巖強度高，具有剛硬性，有利于隔水層的構成。該隔水層原生結構面和構造裂隙較發育，但層面和裂隙面光滑順直，起伏變化不大，開啟度較小，一般被綠泥石、絹云母、白云母等充填膠結緊密，不利于地下水的活動，隔水性能強。

2.3 構造破碎帶

本區位于卡普法爾（Kaapvaal）克拉通地區，長期未遭受劇烈造山運動影響，缺乏形成褶皺的地質內應力。礦區主要發育1 組北東—南西走向的正斷層，傾向北西或南東，延伸數百米。該斷層把巖層和層狀礦體切割成地壘和地塹。斷層中破碎帶、構造裂隙發育一般，膠結緊密。采區各中段遇到該斷層時，未見涌水、滴水現象，少見濕潤現象。該斷層不僅不是含水斷層破碎帶，還可以劃分為隔水斷層（王冠龍等，2014）。

2.4 地下水補給、徑流和排泄

礦區地下水主要來源于大氣降水補給。礦區地形平坦，第四系松散堆積層上部土質較疏松，植被較稠密，易接受大氣降水入滲（馬林霄等，2018），補給安山質熔巖風化裂隙弱含水層地下水。礦床開采后，排水疏干，造成局地地下水位下降。地下水除接受大氣降水補給外，少量接受河流等地表水體補給（陳新攀等，2018）。

研究區為由東向西徑流的瓦爾河地形總體西北高，東南低。地下水大體由西北向東南徑流（唐艷和劉佳海，2020）。由于安山質熔巖風化裂隙含水層富水性弱且不均勻，甚至充填膠結裂隙緊密而不含水。富水性不勻影響徑流量，不含水地帶切割徑流方向，形成平面繞流。礦區地下水以潛水為主，水位的高低一般隨地形的高低而變化，沒有統一的地下水潛水面，含水層富水性弱，不存在單一流向，主要由高地形區向低洼地形區徑流（龍本力和張業果，2017）。

原始狀態下，地下水以泄流的形式在瓦爾河及其支流洼地中排泄。地面的蒸發、植物的蒸騰以及植物地面的蒸散作用也是重要的排泄方式之一（李龍江和徐占軍，1992）。

3 工程地質特征

第四系松散堆積土層：該層廣泛分布于礦區各地，從上至下由草原耕植土逐漸轉化為似硬結巖組。上部為耕植土層，不宜作任何建（構）物的基礎或聯合基礎，土質不宜作回填土。下部土層經過了較長期脫水密實過程，強度較高，適宜作承載力要求不高的臨時建（構）物聯合基礎、擴大基礎、甚至基礎。土質也可做建筑回填土，但不能做遠久性、要求地基承載大的基礎或聯合基礎。

第四系硬結巖組：該巖組位于第四系松散堆積土組下部，為安山質熔巖巖組的上覆巖組。由安山質熔巖殘積形成，主要礦物成分基本與母巖一致，主要有斜長石、輝石、角閃石、石英、云母等，還有泥質、綠泥石、高嶺石等軟弱膠體、準膠體礦物。該巖組可作承載力要求不高的遠久性建（構）筑物的基礎和擴大基礎。因為擁有較強的隔水性能，也可作廢石堆、尾礦庫的基礎和基底。

安山質熔巖巖組：該巖組包括火山熔巖、火山礫巖、火山碎屑巖等，形成環境相近，巖體的基本質量、主要軟弱結構面的幾何、線狀特征相似，堅硬程度變化不大，賦存位置相同，均位于礦床上部，且工程控制程度較低，難以劃分。該區長期處于穩定的地質構造單元中，構造裂隙軟弱面不發育。主要裂隙面以緩傾角為主，陡傾角較少，對巖體切割程度低，屬塊體狀結構巖體和整體狀巖體，即完整巖體。

石英巖組：該巖組包括礫巖、粗粒巖等沉積變質巖，為礦區主要的巖體。該巖體埋藏于深部，沒有淺表層風化軟弱結構面，中厚層至厚層狀。礦區長期處于較穩定的構造單元中，層理、層面很平緩。該巖組構造軟弱，結構面發育較稀疏，多以平緩為主，陡傾角較少。從結構面的發育密度、組數、產狀和延伸程度的幾何特征來看，結構面的發育程度較低。從結構面的張開度、粗糙度、充填情況和充填物水的賦存狀態等線狀特征來看，主要結構面的結合程度較高，因此石英巖組也屬塊狀巖體。

4 礦床水文及工程地質條件分析

4.1 水文地質條件

礦山開采是驗證礦區水文地質條件的最好手段，應充分利用礦山開采所暴露的地質環境問題進行分析，不斷提高完善對礦區水文地質條件地認識（河北省地質局水文地質四大隊，1978；朱昶等，2014；朱天林，2016），加強對礦山水文地質條件的研究，是有效預防礦山地質災害、加強治理礦山環境的重要舉措（邱長健，2017）。

該地區金礦山開采歷史悠久，金礦體主要賦存于石英巖夾石英礫巖沉積層中，屬于礫巖型金礦，隔水層為安山質熔巖和石英巖，水文特征具有埋深大，地下水動、靜儲量小的特點。與礦床地下水聯系的靜儲量已完全消耗，礦坑排水以動儲量為主，礦床疏干流場應屬穩定流。礦山生產停產數年，部分井巷被淹沒，理論上產生了新的地下水靜儲量，復產后會改變礦床疏干流場形態（張發旺等，2016），礦坑涌水仍以動儲量為主。

金礦床在坑道開采過程中，施工的豎井井底排水形成了大降深（楊勝堂等，1992），理論上會產生紊流。由于礦區風化裂隙弱含水層富水性弱、連通性差、發育厚度小、賦存于上部，難以實現大面積疏干。當井底為變質石英巖隔水層，富水性更差、涌水量更小，即使有裂隙產生紊流，在井壁處造成涌水，也會產生較大流量。

研究區所采礦體均勻，埋藏較深，大氣降水尚不能形成礦床充水水源。瓦爾河從東至西從礦區南界流過，距離各采區豎井及東西向展開的各中段距離較遠，但有隔水性能強而完整的隔水層相隔，地表水與礦床的水力聯系極弱，也難以構成礦床充水水源。大量被遺棄的老采空區充滿積水，具體積水量不明，采坑巷道接近或崩落帶到達積水部位，容易造成突水，對礦山生產、設備和人員安全造成巨大威脅。

研究區主要充水水源為安山質熔巖風化裂隙弱含水層地下水。該含水層分布面積廣，但厚度較小，充水層的空隙性低，富水性以弱為主。地下水以靜儲量為主，動儲量次之。該充水層有隔水性能強的熔巖隔水層相隔，為間接充水水源。礦區缺乏碳酸鹽巖，不能形成巖溶通道，同時缺失孔隙含水層，構成不了孔隙充水通道。

4.2 工程地質條件

礦體圍巖屬堅硬巖，結構面發育程度較低，結合程度較高，根據建造特征和后期改造特點，可劃分圍巖的結構類型為塊狀或稱為整體狀圍巖。

位于厚大而完整隔水層中的圍巖，地下水動、靜儲量都很小，既無靜儲量的水頭壓強，也無動儲量的沖積破壞，地下水對圍巖穩定性的影響十分弱小。對于礦區塊體狀結構的剛脆性圍巖，強度足以抵御御荷回彈和應力重分配所帶來的附加應力，安山質熔巖巖組、石英巖巖組均為堅硬巖巖組，地表、井巷沒有高殘余應力的反應，又位處深部隔水層中，其圍巖的穩定性主要受原生和構造較軟弱面的發育和分布特征控制。

礦床開采平巷、采場面積大，體積較小。采礦工程軸線走向的低矮洞室群頂拱的穩定是關鍵。中等、陡傾角裂隙，在頂拱與層面、平緩傾角裂隙相遇，都能把頂拱圍巖分割成菱形、三角形的獨立塊體，當獨立塊體小于洞跨時會形成分離體。這些被層面和構造軟弱面所圍限的分離體，無論拉應力集中或是壓應力集中都會產生坍塌（王振臣，2019）。頂拱面與層面、主要構造裂隙軟弱面小銳角相交時，近相交處，如有垂直工程軸線的構造裂隙軟弱面發育，難以避免產生塌落。被平行工程軸線較小的中等傾角和較陡傾角裂隙軟弱面交叉切割，交匯處在自由空間時，獨立塊體無論拉應力大小，摩擦阻力加頂托力大于自重力，基本能穩定；當交匯處在圍巖中，失去頂托力，自重應力小于摩擦阻力時，也能暫時穩定，但屬危險獨立塊體，當摩擦阻力小于拉應力時，獨立礦塊立即塌落。單組陡傾角構造裂隙軟弱面發育密度較高的地段，會在井巷、采場頂拱形成“川”字形軟弱結構面，構成的獨立塊體，在頂拱壓應力集中的情況下，易造成頂拱坍塌（龍本力和胡大玲，2018）。

5 結論

（1）礦區含水巖組富水性較弱，但區內構造較發育，一定程度上連通了地下各含水體，因此在礦山開采過程中應避開斷裂帶。

（2）由于長時間停產，遺棄的老采空區積水嚴重，采坑巷道接近積水崩落部位時，易對礦山生產、設備和人員安全造成巨大威脅，因及時排險并及時排水。

（3）礦山開采過程中應合理預留安全礦柱，巖層軟弱部位及時進行加固等措施，以免發生工程地質問題進而引發安全生產事故。

（4）在礦山生產的全周期，加強礦山水文地質監測，提高科學防范礦山地質災害的能力十分重要。