新疆哈密东戈壁超大型钼矿床工程地质特征及矿山开发保护

张均直，崔蓓蕾，罗明伟，张 蓓，李大卓，杜春阳

(1.河南省地质调查院，河南 郑州 451000)

(2.河南省地质矿产勘查开发局第二地质勘查院，河南 许昌 461000)

1 区域、矿区及矿床地质概况

新疆哈密东戈壁超大型钼矿床自2006 年发现，经4 年多的普、详查及勘探，于2010 年11 月提交报告，并一次通过省部级评审;该矿床的发现与探明，是中央实施西部大开发战略的重大突破，也是西部6 省、自治区钼矿地质找矿的第一次。也给在戈壁荒漠地区多金属找矿实践提供了经验。矿床出露浅、地形平坦、水工环条件及开采条件简单，为大型机械化露天开采带来了方便。矿区位于天山山脉东段塔里木板块向准噶尔板块俯冲的仰冲带一侧，该区大陆地壳的演化是古生代陆缘增生-碰撞造山作用的结果(图1)。

受古生代末期全球大陆漂移的影响，吐哈盆地地幔柱开始大规模活动，早期形成且阶段性封闭的近东西向切壳深大断裂—康古尔塔格断裂、雅满苏断裂沙泉子断裂纷纷复活，地幔柱的上侵和演化结果形成古生代末期吐哈盆地强酸性岩浆岩大规模侵入［1］，在此过程中，花岗岩浆俘获基底太古界、元古界钼丰度值较高的地层发生熔融［2］后自身形成高钼熔浆期后热液继续上侵并贯入于石炭系的围岩内形成矿床。因此，东戈壁钼矿床主要工业矿体均产于地下深部隐伏花岗斑岩的上部外接触带，矿体形态与花岗斑岩顶面起伏形态相“整合”，为巨厚矿块体，矿床的赋矿地层及岩石为古生界石炭系下统干墩组，为夹层状产于其中，主要岩性为褐黄色-灰黑色变质含砾砂岩、砂岩、泥质砂岩—砂质泥岩、泥岩、凝灰岩、变安山岩。区内控矿斑岩体为华力西晚期［一套陆源碎屑岩-变火山岩夹变质火山碎屑岩组合，以陆源碎屑岩为主，变火山岩呈(227.6 ±1.3)Ma，锆石，U-Pb 法］侵入的全隐伏斑状花岗岩体，为全隐伏微型岩株，分布于矿区中部(图2)。

图1 东戈壁钼矿区域地质图

1 水文地质

1.1 区域水文地质

1.1.1 地形景观

区域上吐哈盆地东南部的低山丘陵—沙漠戈壁区，即库姆塔格沙垄。北部是东天山东段支脉常年积雪的喀尔里克山，呈北西西—南东东走向，主峰高达4 700 m，山前分布着宽广的倾斜平原，海拔多在1 500～1 800 m 之间。

1.1.2 地表水

图2 东戈壁钼矿区纵00 勘探线地质剖面图

该区地处亚欧大陆腹地，属典型的温带大陆性干旱气候，降雨量非常稀少，很难形成常年有水的河流，区域内地表水系极不发育，但多见有干沟(河)谷分布，是暴雨洪流的主要渠道。只有在强降暴雨时，方可形成地表暂时性河流。

1.1.3 哈密地区水资源情况

哈密地区水资源主要以天山冰川和地下水为主，有大小冰川226 条，冰川总面积180.9 km2，储量67.5 亿m3。水资源总量为16.97 亿m3，总用水量10.56 亿m3，占62.23%。其中地表水8.77 亿m3，用水量5.047 亿m3，占地表水总量的57.55%;地下水8.2 亿m3，用水量5.57 亿m3，占地下水总量的67.93%。

1.1.4 含、隔水层(组)

1.1.4.1 含水层(组)

根据区域地层岩石地下水的主要赋存特征，将含水层划分为:①第四系(Q)孔隙水含水层:主要分布在哈密盆地及山间洼地、干沟(谷)之中，厚度0.4～7.70 m。岩性多为基岩风化碎屑物及土黄色的亚砂土、亚粘土，局部夹有少量砾石，砾石多呈次棱角-次圆状，砾径一般在0.5～3.0 cm，结构松散多未胶结，孔隙发育，透水性良好。因其组成岩性及厚度的差异，富水性也明显存在差异，总体呈弱富水性。②风化基岩裂隙水含水层:广泛分布于地表及第四系沉积物以下，区域基岩强风化带厚度一般几米至十几米，地表裂隙较发育，具弱富水性。③下石炭统(C1)灰岩岩溶裂隙水含水层:主要分布在锅底坑西部及雅满苏铁矿到翠岭车站一带。岩性主要为碎屑凝灰岩、粉砂岩，局部夹厚层状灰岩。由于该区极端干旱，水的来源不足，水的本身溶蚀能力较差［3］，所以必须在比较纯的灰岩地段，岩溶裂隙发育且有地下水补给的情况下才能形成岩溶裂隙水。

1.1.4.2 隔水层(组)

区域内长城系星星峡组的片麻岩、蓟县系卡瓦布拉克组的片(麻)岩、青白口系天湖组斜长片麻岩、震旦系塔水组的变质碎屑岩、寒武系双鹰山组的炭质页岩、志留系黑尖山组的变质石英砂岩、石炭系的英安质凝灰岩、二叠系玄武质凝灰岩及凝灰质砾岩、新近系的砂质泥岩及粉砂岩等基岩，裂隙多为闭合型，富水性极弱，均可视为相对隔水岩层。

1.1.5 地下水的补给、迳流及排泄条件

在水文地质单元上，北部地区属喀尔里克山常年积雪区山前倾斜平原的一部分，南部是由基岩隆起形成的构造剥蚀丘陵山区，疏纳诺尔河隆起形成的分水岭［4］。地下水的形成主要依赖于北部融雪水迳流的侧向补给、东南部甘肃邻区地下水的迳流补给及有效的大气降水补给。

地下水以大气降水为主要补给来源，大气降水通过各类岩石的裂隙、孔隙、断裂破碎带渗入地下，在不同的地质构造及地形、地貌条件的控制下，进行垂直或水平运移。大部分地下水以蒸发的形式进行排泄，少部分地下水于深切沟谷处(即北部新近系所形成的陡坎)以泉的形式排泄。

1.2 矿区水文地质

1.2.1 概 况

矿区属典型的垄岗状低山丘陵荒漠戈壁区，地势总体由南向北逐渐变低，地形起伏变化不大。矿区最高处位于西南角的K008 控制点，标高956.46 m;最低侵蚀基准面位于东北边缘的河漫淮，标高878.15 m。相对高差78.31 m。区内水系极不发育，地表无常年性河流，只有在夏季暴雨时，才能在矿区东部及东北部的局部低洼、沟谷地段形成地表暂时性水流。

1.2.1.1 含水层

根据矿区地层岩石特征及地下水赋存条件，将含水层岩组划分为:①第四系(Q)孔隙含水层.主要分布于山坡、低洼及沟谷处，呈浑圆状或条带状展布，主要位于矿区的东南隅及东部边缘。第四系地层主要由全新统的风成砂及坡积物(Qhpl)组成，岩性多为砾石质的亚砂土、石英颗粒及基岩风化碎屑物、少量的亚粘土等，呈灰黄色、浅黄色;②基岩风化裂隙水组［5］;③石炭系(C)砂岩裂隙含水层.矿区内分布广泛，岩性主要为粉、细粒的变质砂岩(ZK0704 中:149.62～155.95 m 为细中砂岩，局部夹少量粗砂岩)，占总岩性的35%，钻孔揭露厚度2.15～125.50 m，平均厚度65.83 m，砂岩多与变质砂质泥岩、变质泥质砂岩呈互层状产出，多构成无明显水力联系的含水层(组)。钻孔岩心裂隙密度较发育，一般5～15 条/m，断层构造破碎带及其附近处，裂隙密度＞10 条/m。

1.2.1.2 隔水层

1.2.2 构造破碎带的富水性

经地表水文地质、工程地质测绘及钻孔揭露，矿区地表断裂构造及深部构造破碎带均较发育，构造破碎带多是由区域大断裂(如罗布泊—尾亚断裂、雅满苏大断裂、康古尔塔格断裂等)引起的，局部可见磨擦面(擦痕)及磨光面。岩性主要由破碎的变质泥质砂岩、变质砂质泥岩、变质砂岩角砾及少量的硅质成分组成，局部破碎带处可见断层泥。

1.2.3 矿床水文地质特征

矿床主要位于矿区中部(即地表石英脉密集地区)，矿体绝大部分位于风化带以下和斑状花岗岩体的上部。赋矿岩石多为石炭系干墩组的变质碎屑岩(即变质砂岩、变质泥质砂岩、变质砂质泥岩)，多属相对不透水岩组或隔水岩层。矿床充水的直接水源主要为大气降水和少量构造破碎带(构造角砾岩带)、砂岩中的裂隙水。

1.2.4 矿床充水因素分析

1.2.4.1 地表水对矿床充水的影响

矿区内地表水体极不发育。暴雨时节，大气降水可在地表暂时汇集，但大部分通过蒸发和随地势而流失［6］;另一部分则通过岩石裂隙渗入地下补给地下水。其次，矿体围岩均属相对不透水岩组或隔水岩层。故地表水对矿床充水的影响不大。

1.2.4.2 构造破碎带对矿床充水的影响

由于受区域大断裂的影响，矿区内自浅部至深部构造破碎带均较发育。

地表断裂构造带(F1～F6)主要分布在1—甲1异常区(即1 号主矿体位置)，多呈“S”形和不规则的脉状展布，宽度在1.2～30.0 m 之间，多为张性断裂。带内多见有棱角～次棱角状的石英和基岩碎屑分布，角砾大小0.5～8.0 cm 不等。

1.2.5 矿坑涌水量预测

1.2.5.1 露采矿坑境界的确定

根据矿体的地质特征及赋存条件，《新疆洛钼矿业有限公司东戈壁钼矿采选工程可行性研究报告》(以下简称《东戈壁钼矿可行性研究报告》)中推荐的开采方式为露天开采;确定的采场边坡参数:台阶高度为15 m，阶段坡面角70°，最终边坡角48°。

1.2.5.2 露采矿坑的充水条件

首采区矿坑位于矿区的中东部，即1 号矿体。附近无地表水体，大气降水和地下水充水是矿坑的充水来源。该区的气候特点，决定着不同季节降水量的大小，降水强度的差异决定着对采坑的危害程度。雨季大气降水和其所形成的地表迳流，直接流入矿坑，是矿区采坑的主要充水水源。

1.2.5.3 边界条件的确定

侵蚀基准面以上的矿体，主要充水因素为大气降水。矿区地形有利于自然排水，边界条件较简单。

侵蚀基准面以下的矿体，主要充水因素为基岩风化带和构造破碎带中的裂隙水。

1.2.5.4 矿坑涌水量计算方法的选择及计算结果

根据矿区实际情况，采用露天采矿场水均衡法计算涌水量，即:矿坑总涌水量(Q)=地下水涌水量(Q1)+大气降水流入矿坑水量(Q2)

式中:k 为渗透系数(m/d);ω 为过水断面面积(m2);I 为水力梯度;F 为露采矿坑汇水面积(m2);X 为大气日降水量(mm)。

参数的确定:渗透系数k:依据ZK0102 钻孔抽水试验资料，取0.0076 m/d。过水断面面积ω:含水层厚度(首采矿坑周边的钻孔揭露破碎带平均厚度)与其长度之积，1 700 m2。水力梯度I:采用首采矿坑外围钻孔(沿沟坡和矿坑直径方向)水力坡降的平均值:0.32。露采矿坑汇水面积F:为1 223 400 m2(用MAPGIS 软件在1∶1万地形地质及工程布置图上依据拐点坐标测得)。大气日降水量X:历年日最大降水量2.36 mm;日平均降水量最大值1.45 mm(根据哈密市气象站多年气象资料统计)。

计算结果:Q1=0.0 076 ×1 700 ×0.32=4.13(m3/d);Q2最大=1 223 400 ×0.002 36=2 887.22(m3/d);Q2正常=1 223 400 ×0.001 45=1 773.93(m3/d)。

矿坑日最大涌(排)水量2 887.22 m3/d，矿坑在有降雨期间，正常涌(排)水量1 773.93 m3/d，无降雨期间，矿坑涌水量仅4.13 m3/d。

1.2.5.5 涌水量预测及评述

由以上计算结果可以看出:矿坑内地下水涌水量极少，是次要的充水水源;降雨期间正常涌(排)水量取单年日平均降水量的最大值(2 887.22 m3/d)可以做为矿山一期开拓水平疏干排水设计的矿坑涌水量。当遭遇50 年一遇的暴雨时，计算的日最大涌水量要比实际的偏小。比如2007 年7 月及2010 年5 月发生的暴雨，日最大降水量均超过50 mm。

1.2.6 供 水

矿区内岩性多为变质碎屑岩，含水层较少，其富水性极差，水量极少，供水意义不大。距矿区东北部约70 km 的骆驼圈，山前洪积扇中含有丰富的地下水可做为供水水源。水化学类型为HCO3·SO4—Na·Ca 型，矿化度410 mg/L，水质良好，水量较充沛，可做为矿区正常生活用水。

矿区建成投产后，用水量较大。生产供水可从以下方式来考虑:(1)政府主导、工、矿企业联合融资建设水库。如:哈密市射月沟水库就是由8 家工、矿企业共同融资建成的，该水库位哈密市沁城乡东南约14 km，距离哈密市115 km，水库建设总投资1.2 亿元。目前，总库容677.9 万m3，年调节水量为2 566.8 万m3。向工、矿企业供水1 425 万m3。(2)政府、内地共同投资援疆的模式建设水库。如:哈密市四道沟水库就是用该方案建成的，该水库位于哈密市得外里克乡，距离哈密市80 km。工程总投资8 080万元。目前总库容570.47 万m3，年调节水量1 600 万m3。每年可向工、矿业供水730 万m3，向牧业灌溉及人蓄饮水供水400 万m3，向生态供水506 万m3。较好地解决了各行业之间用水困难的状况，从根本上解决了哈密资源性缺水问题。

2 工程地质

矿区地层走向以北东、近东西向为主，倾角平均在65°左右，总体为一倾向北西的单斜岩层，丘顶多呈浑圆状及鱼脊形。坡度多在10°～20°之间，局部地段稍陡，可达45°。矿体主要赋存于石炭系下统干墩组的变质碎屑岩中。

2.1 矿区工程地质特征

2.1.1 矿区各工程地质岩组特征

矿区工程地质岩组较单一，主要为第四系全新统风化残坡积物(Qhpl)岩组及石炭系下统干墩组下段(C1gd1)岩组。地表岩性主要为变质(泥质)砂岩、变质砂质泥岩及少量的凝灰岩、英安岩、辉绿岩。按矿区地层、矿体特征及岩石力学强度［7］，可分为以下工程地质岩组:(1)第四系松散残坡积物(Qhpl)岩组。主要分布于矿区的丘坡、地洼及沟谷处，呈浑圆状或条带状展布。岩性多为砾石质的亚砂土、石英颗粒及基岩砂、泥质的风化碎屑物。岩石属松散岩组类。对矿床的开采无影响。(2)石炭系下统干墩组下段(C1gd1)岩组。钻孔中见到的岩性主要为变质泥质砂岩、变质砂质泥岩、变质砂岩及斑状花岗岩。其中变质砂质泥岩、变质泥质砂岩占总岩性的56%，变质砂岩占35%，斑状花岗岩占6%。，岩石属块状岩组类。

2.1.2 矿体及顶、底板岩石工程地质特征

矿体主要呈细脉状、浸染状、薄膜状赋存于斑状花岗岩体的上部，变质泥质砂岩、变质砂质泥岩、变质砂岩及变质泥岩均可成为赋矿岩石［8］。构造破碎带(或构造碎裂岩，见图3、图4)亦多见有辉钼矿化或薄膜状辉钼矿。

矿体及矿体顶、底板岩石的单轴极限抗压强度多在40.00～67.60 MPa 之间，绝大部分岩石属于半坚硬～坚硬岩石类。矿区内岩体、矿体均较稳定，对矿床开采影响不大。

图3 KZK0004 构造破碎带中的辉钼矿化

图4 KZK0004 构造碎裂岩裂缝面上的辉钼矿

2.1.3 断裂及各级结构面工程地质特征

2.1.3.1 断裂及构造破碎带

矿区内断裂、构造破碎带较发育，属Ⅲ级结构面。主构造线位于矿区的中南部，展布方向以北东、北西、近东西向为主。主矿床位于矿区的中西部，区内主要有:F3(F2 为F3 的的分支)、F4 断裂。

2.1.3.2 F3 断裂

位于矿区中东部F1 断层东段南侧，主矿体的东部边缘，走向近东西向，倾角80°，长约450 m，宽3～6 m。带内岩性主要为硅化碎裂岩，岩石破碎强烈，多具硅化及褐铁矿化。已施工的钻孔中没见到F3断裂。该断裂规模不大，不会对矿体及岩体的稳定性产生影响［9］。

2.1.3.3 F4 断裂

位于矿区中部F1 断层的南侧，主矿体的南部边缘，力学性质属压扭性。走向80°左右，倾角78°。断裂破碎带长约800 m，宽4～8 m，呈舒缓波状延伸，地表覆盖严重，带内岩石强烈破碎，多具硅化。

2.1.3.4 节理、裂隙

区内Ⅳ级结构面主要为片理、裂隙，矿区内地表及浅部岩石片理化发育较强，组数较多，密度大。最发育的有两组，见表1，其力学性质多属压扭性，裂隙面多平直，延伸一般不长。

表1 主要片理产状要素表

在构造破碎带及其附近处构造裂隙较密集，且多呈网格状，多组裂隙的互相交错、穿插，破坏岩体的完整性，从而削弱了岩体的力学强度，降低了岩体的稳定性。该发育段对矿体及岩体的稳定性均有一定影响。

2.1.4 风化带特征

由于受气候、岩性及地貌特征的影响，矿区地表岩石极易风化、破碎。风化后的岩石多呈碎片状、碎屑状及砂土状。地表石英脉风化后多呈角砾状及碎块状，岩石力学强度较低，属软弱～半坚硬岩石类。

2.2 工程地质评价

2.2.1 风化带岩石工程地质评价

在强风化带内，岩石节理、裂隙均较发育，岩石破碎程度较强，力学强度低，局部硅化较强的岩石稍坚硬，稳固性稍好。该工程地质岩组在露采或坑采时，可能会发生坍塌、滑移、崩落等不良工程地质现象。雨季时，还可能会发生少量的漏水、滴水现象。

2.2.2 围岩工程地质评价

围岩岩体工程地质评价，采用岩体质量系数法和岩体质量指标法。

式中:Z-岩体质量系数;M-岩体质量指标;I-岩体完整系数;f-结构面摩擦系数;S-岩块坚硬系数;Rc-岩块饱和轴向抗压强度。

根据该矿区地质及围岩工程地质特征，按岩体质量将矿体及其顶、底板围岩的稳固性分为三大类:

(1)稳固性岩体:岩石主要为斑状花岗岩及变质砂岩。裂隙密度一般3～8 条/m，岩石坚硬，岩石质量指标(RQD)＞92%，岩体质量系数(Z)0.32～1.07，岩体质量等级:一般，不会发生矿山工程地质问题［10］。

(2)中等稳固性岩体:岩石主要为变质泥质砂岩及变质砂质泥岩及较破碎的变质砂岩。裂隙密度一般5～15 条/m，岩石半坚硬～坚硬，岩石质量指标(RQD)＞75%，岩体质量系数(Z)0.10～0.73，岩体质量等级:坏～一般，不易发生矿山工程地质问题。

(3)不稳固性岩体:由易风化的变质泥岩及构造碎裂岩、构造角砾岩组成。裂隙密度多＞15 条/m，含弱脉状裂隙水。由岩石物理力学试验可知:构造碎裂岩(或构造角砾岩)中岩石的单轴极限抗压强度在7.2～16.8 MPa 之间，属软弱岩石类。

2.2.3 露天采场边坡稳定性分析

组成露天采场边坡的岩性主要为变质砂岩、变质泥质砂岩及变质砂质泥岩，岩体结构面主要以节理、裂隙为主，浅部岩石风化强烈，西南部斑状花岗岩较多，岩矿石抗压强度均大于30 MPa，属块状岩类，属半坚硬～坚硬岩类，岩石整体稳固性较强。利用赤平极射投影对四个帮的边坡角进行稳定性定性分析。先假定北帮、西帮、南帮、东帮的边坡角各为60°。由以上初步分析，建议最终边坡角:北帮60°、西帮45°，南帮45°、东帮45°。

3 环境地质

3.1 自然环境地质

3.1.1 地 震

矿区位于哈密市雅满苏镇西约44 km，据邻近矿区资料和哈密地区地震局历史资料记载，1842 年6 月11 日，巴里坤附近发生7 级强烈地震，地震形成了近23 km 长的地震形变带;1914 年8 月5 日，巴里坤西发生7 级强烈地震。

3.1.2 地质灾害

矿区内的地质及地形特征不具备形成泥石流的条件。勘查区内岩石片理化普遍较强，地表岩石风化强烈，多呈粉砂、碎(岩)屑及碎块状。矿区东北部外生节理、裂隙较为发育，在个别陡坡地段(多集中在矿区东北部)，在遇强降暴雨时，因稳固性差，局部可能会沿片理面产生小滑体和崩塌现象，但对矿床的开采不产生影响。

3.2 生态环境地质

在未来的矿山建设和开采过程中，只要对地表剥离物及坑采废石的合理处置，对采坑进行及时的回填，不会产生次生地质灾害，更不会给该区域带来生态环境污染。

4 结语

4.1 矿山水文地质、工程地质和环境地质类型

矿床大部分位于侵蚀基准面以下，且附近无地表水体，矿区远离区域地下水的排泄。由于矿床本身多为不透水岩层，地下水补给条件较差。构造破碎带在有降雨时，富水性稍强。未来在矿山开采侵蚀基准面以下矿体时，矿坑内将不会出现太大的涌水量。大气降水为矿坑的主要充水水源。

矿床在未来开采过程中，局部破碎地段可能会产生地表变形［11］，但对地质环境的破坏影响不大;区内无污染源，无热害，无放射性元素，地表水含盐量稍高，地下水水质较好。

4.2 生产勘探与矿山开发的保护

(1)在将来进行生产勘探时［12］，要专门进行工程地质和边坡稳定性勘查。

(2)矿山建设、投产前，应进行矿山建设用地地质灾害危险性评估。

(3)露天开采时，应重视局部风化带及构造破碎带的影响;雨季时，应采取措施，防止大气降雨和构造破碎带中的裂隙水向露采矿坑内汇水。

(4)矿山在生产过程中，应重视对不稳定边坡的监理，并及时采取合适的工程技术治理措施，确保边坡的安全保护，从而保障矿山安全生产。

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