南非加拉陶铂族矿矿区水文地质特征浅析

陈新攀,周友清,彭 伟

(紫金矿业集团股份有限公司 矿产地质勘查院, 福建 厦门市 361009)

1 区域水文地质条件

1.1 地形地貌、气候及地表水系

南非加拉陶铂族矿区位于南非林波波省西北部的山麓丘陵地带,由构造侵蚀中低山及丘陵盆地组成,地表植被较发育。地势总体西高东低,西部、西北部山体陡峭,中东部低洼地带为冲蚀堆积形成的Maandagshoek峡谷盆地,Moopetsi河流自西南向北东横穿盆地。矿区西部山区最高点海拔高程1813.0 m,最低点海拔高程约968.0 m(位于矿区东北部Moopetsi河流支流河床,为区域最低侵蚀基准面标高),相对高差约845.0 m。

矿区所在区域为典型的南非高原炎热干旱气候区,夏季炎热、冬季凉爽,夏季最高气温在28℃～38℃之间,极端最高气温45℃,冬季最低气温很少低于4℃,极端最低气温－3℃,年平均气温22℃。年降雨量在450～700 mm之间,降雨主要集中在10月到次年2月,约占全年降雨量的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现在夏季,并常伴有雷电大风。年蒸发量超过1650 mm,月蒸发量从不小于80 mm,月平均降雨量明显低于月平均蒸发量,这意味着该区域降雨不足,因此,矿区所属区域被列为农业干旱缺水地区。

区域地表水系在山前地带(矿区及附近地区)呈树枝展布,但地表溪沟都是季节性的(本次调查期间矿区内溪沟基本是干枯的)。据地质师Dr.Tawanda介绍大气降水通常在地表形成短暂径流,雨后很快枯竭,常年性有水流的地表溪沟分布于矿区外围东北部、东南部的第四系地区,主要有位于矿区东北部的Moopetsi河和位于矿区东南部的Olifants河源头支流。

1.2 区域含水岩组

罗卜岭矿段根据区域出露的地层、岩石组合,结合岩石含水介质的孔隙性质及地下水的水力性质,将区域岩石划分为2个含水岩组,即松散岩类孔隙含水岩组和岩浆岩类裂隙含水岩组。

(1)松散岩类孔隙水含水岩组。该含水岩组位于矿区的中东部地区,主要分布于溪沟两侧、峡谷冲洪积盆地的平缓地带,出露面积约12.69 km2,占测区面积的39.1%。岩性为第四系冲、洪积之砂卵砾石层和砂质粘性土层。地下水力学性质多属无压水,水位埋深小于2 m,富水性弱,局部可达中等。地下水直接受大气降水补给,渗流快,并季节性与地表水相互补给,与下伏基岩裂隙水水力联系弱。

(2)岩浆岩类裂隙含水岩组。分布于矿区西部出露地表区域,出露面积约19.77 km2,占测区面积的60.9%,为本区主要含水岩组。岩性由布什维德火成杂岩体组成,岩石裂隙发育,以北东、北西向为主。富水性弱。

2 矿区水文地质条件

2.1 地下水补给、径流和排泄条件

矿区内地下水的补给、径流、排泄条件,主要受地形控制及风化、构造等因素影响。矿区的补给区主要在边部的西部山区,补给区破碎带的发育给地下水的运移提供了良好的通道,使深部的地下水得到了有效的补给。矿区排泄方向主要朝向北北东和北东向,局部向东南边界排泄。风化带裂隙潜水直接受大气降水入渗补给。矿区大部分为补给区,径流受风化～构造裂隙控制,以垂直径流、上部快而下部慢为特征。因此,矿区内径流区与补给区基本一致。风化带裂隙潜水的主要排泄途径：主要是通过断裂带向深部径流补给基岩裂隙承压水;极少部分在矿区外围低洼处以下降泉的形式排出地表。

分布于矿区东部冲积峡谷盆地及溪沟两岸的冲洪积层,为孔隙潜水,补给、径流、排泄区基本一致,主要接受大气降水补给,山前地带部分接受风化裂隙潜水补给。在枯、平水期,地下水位一般高于河水位。反之,汛水期,沿溪沟地带地下水部分接受河水补给。地下水径流以水平运动为主,水力坡度近似地形坡度,一般以潜流形式向下游溪沟排泄。

2.2 地下水动态特征

区内地下水动态类型属于蒸发型,大气降水、蒸发及气温是影响地下水动态的主要因素。矿区地下水位随蒸发量的加大及气温升高而明显下降,并随着干旱季节延长而缓慢下降,地下水位变幅比较平缓,年变幅不大,多小于6 m。

2.3 断裂构造水文地质特征

根据恩科维公司提供的资料及矿区核查资料,矿区构造较简单,主要见密集节理带,规模较大的划为断层。按产状,分为NNE－NE、NW－NWW二组,局部充填辉绿岩等超基性岩脉。导水性差,以不导水和局部导水为主,断层破碎带富水性弱,局部可达中等。

2.3.1 NNE－NE断裂

(1)FD1断层。出露于矿区中部,区内长约5 km,二端延出区外,由钻孔GRT001等控制,破碎带宽大于5 m,多为构造角砾岩或碎裂岩,具张性特征,据照片中次级构造显示,该断裂为正断层;被辉绿岩脉充填,岩脉宽5～20 m,岩脉二侧界面平整,显示其沿剪切裂面(张扭性裂面)侵入,表明该断裂早期为张性,后期张扭性特征。从航磁图上看,该断裂(岩脉)平面上略呈舒缓波状,走向5°～30°,倾向南东,倾角50°～70°,该断层为正断层,造成矿体缺失,根据恩科维公司提供三维模型资料,断层北侧断距约为50 m,南部断距约为90 m。上盘强风化辉绿岩碎裂岩及下盘构造破碎带受风化后,次生裂隙较发育,裂隙面曲折且粗糙,为泥质、铁质半充填,断层导水性弱～极弱,局部可达中等。向深处,裂隙发育及风化程度减弱,导水性差。FD1为矿区主要的导水断裂。

(2)F11～F14断裂。长约1～3 km,走向5°～35°,倾向北西,倾角50°～70°,以密集节理带出现。多为解译成果,断裂构造水文地质特征不详。

2.3.2 NW－NWW 断裂

主要有F1～F10,共10条,长约1～3 km,走向280°～305°,倾向南西,倾角50°～70°,以密集节理带出现,断距极小,对矿体影响极小。岩心上,岩石多完整,局部见宽数十厘米至几米的节理密集带,部分为碎裂岩。多为解译成果,断裂构造水文地质特征不详。

2.4 矿坑涌水量估算

2.4.1 水文地质模型

矿区内地势总体较平坦。矿体埋深200～900 m,赋存标高750～－110 m,主矿体 MR、UG2均埋藏于当地侵蚀基准面之下,矿区内无地表水体,风化带裂隙潜水、基岩裂隙承压水是矿床的主要充水因素。矿区内不存在供水边界和隔水边界。故可以近似应用裘布依的稳定流基本方程,预测矿坑涌水量。

2.4.2 矿坑涌水量估算方法

(1)解析法。采用公式(1)进行计算：

式中,Q为矿坑涌水量,m3/d;K为含水层渗透系数,m/d;采用矿区内6个水文孔压水试验K值,加权含水层厚度计算求得K＝0.000712 m/d;H为水位降深,m;矿区42个钻孔终孔稳定水位平均值与含水层底板标高差值,H＝328.0 m;M为含水层厚度,m;依据矿体埋深350.0 m之下矿床为原生矿,将350 m之上与静止水位之间岩体概化为含水层,M＝328.0 m;r0为矿坑引用“大井”半径,m;本矿床主矿体－110 m标高水平投影面积F＝14658925.88 m2,由公式r0＝ F/3.14计算得r0＝2160.66 m。R0为矿坑引用影响半径,m;根据预测中段的水位降深值,采用公式R＝10s K计算影响半径,与相应的矿坑引用半径相加即为开采中段的引用影响半径,得R0＝2248.73 m。

将上述计算参数代入式(1)得矿坑涌水量Q＝6030.55 m3/d。

(2)数值模拟法。英国Knight Piésold Consulting公司采用Visual Modflow(VMOD)Version 4.3软件进行了地下水数值模拟及矿坑涌水量估算,涌水量预测结果见表1。

表1 矿坑涌水量计算

(3)计算结果及质量评述。运用解析法公式计算水文地质条件粗略概化矿山的涌水量,适用性较差,将产生较大误差。故解析法计算结果仅供参改。地下水数值模拟法是根据矿区水文地质试验获得的水文地质参数,采用Visual Modflow(VMOD)Version 4.3软件进行的矿坑涌水量估算,其参数来源可靠,计算公式不受边界条件、井巷类型限制,避免了某些复杂水文参数的选取,其结果可靠,故建议以地下水数值模拟法计算数据结果作为今后矿山开采设计依据。

3 结 论

矿区地貌类型为侵蚀构造中低山及冲洪积峡谷盆地地貌,海拔高度一般为980～1800 m,最低侵蚀基准面标高为960.0 m。矿区范围内无地表水体,矿体埋深200～900 m,均位于最低侵蚀基准面之下,地形不利于自然排水,大气降水是地下水的主要补给来源。矿坑直接充水水源是基岩构造裂隙水,主要的杂岩体含水层富水性弱,局部可达中等。矿区主要断裂构造富水性及导水性弱。采用地下水数值模拟法预测矿坑正常涌水量5270 m3/d。矿床水文地质边界条件简单,矿床水文地质条件属以基岩构造裂隙充水为主的简单类型。