塔木素铀矿床地下水类型研究

雷明信 ，霍晨琛 ，徐 强 ，王合祥 ，门 宏

（1. 中核矿业科技集团有限公司，石家庄 050021；2. 核工业二〇八大队，内蒙古 包头 014010）

众所周知，地下水类型可按照埋藏条件、含水层空隙性质划分为不同类型[1]。 据此可将地下水分为包气带水、 潜水和承压水。 按含水介质（空隙）的类型，可将地下水分为孔隙水、 裂隙水和岩溶水[2]。 一般来说，孔隙水赋存于松散层中，它具有统一的地下水位。 裂隙水赋存于基岩裂隙中，除风化裂隙水外，裂隙水一般没有统一的地下水位。 裂隙水的存在、 类型、 运动、 富集等与裂隙发育程度、性质及成因密切相关[3]。 矿床地下水类型为孔隙水时，采用高压喷射注浆法或降水疏干法进行防治水[4]；地下水类型为裂隙水时，矿床地下水的补给径流通道较集中、 进水断面较狭窄，适用注浆防渗帷幕进行防治水[5]。

塔木素铀矿床含矿含水层为砂岩，砂砾岩和粗砂岩，地下水具有统一的承压水位，承压水头高，当开采最深部矿体时，水位降深将达518 m，采用GMS 水文地质软件对开采最深部矿体时矿坑涌水量进行计算，矿坑平均涌水量将达32 000 m3/d[6]。 因此，地下水对矿床开发影响大。 前人认为含矿含水层岩石胶结较好，密度较大，含矿含水层岩石平均密度为2.27 g/cm3，因而一直将塔木素铀矿床地下水定为裂隙水。 而矿床地下水的类型在矿床开发时对制定防治水的规划非常重要，为了给塔木素铀矿床开发时制定防治水的方案提供依据，需要对该矿床含矿含水层地下水的类型进行进一步研究。

1 矿床水文地质条件

1.1 矿床地质构造

根据地面物探资料。 在矿区范围内推断存在6 条断裂（图 1），走向为北东-南西向。其中Ft1位于矿区北西部，规模较小，Ft3位于矿区北东部，规模也较小；而 Ft2、 Ft4、 Ft5贯穿整个矿区，Ft6位于矿区南东侧。 Ft1、 Ft4断层为正断层，其余均为逆断层[7]。

1.2 地下水特征

1.2.1 地下水埋藏条件及承压性

矿区地势总体北西高、 南东低。 一般海拔标高 1 270～1 330 m，相对高差约 60 m。矿床地层属典型的泥-砂-泥结构，顶板和底板为泥岩或粉砂质泥岩，中间为砂岩、 砂砾岩、 粗砂岩结构，其上部覆盖层平均厚度为428 m 的泥岩和粉砂质泥岩。 地下水除在Ft4断裂附近可能存在第四系孔隙水的补给外，矿床范围内大部分地下水处于封闭状态。 地下水的承压水位标高在1 269～1 277 m，含矿含水层的顶板标高在900 m 左右，承压水头在 370 m 左右（图 2）[8]。

1.2.2 地下水补给、 径流和排泄条件

含矿含水层的隔水顶板底标高在820～970 m 左右，由于隔水顶板为泥岩或粉砂质泥岩，隔水顶板厚度大 （平均 428 m），分布稳定，大气降水难以成为含矿含水层地下水补给来源，第四系孔隙潜水只有通过导水断裂构造对矿床含矿含水层的地下水进行补给，含矿含水层地下水的主要补给来源是地下水的侧向径流补给。

图1 塔木素铀矿区物探推断断裂分布图Fig. 1 Fault distribution deduced by geophysical exploration in Tamusu uranium mineralization area

图2 塔木素铀矿床H52 号线水文地质剖面图Fig. 2 Hydrogeological profile of Line H52 of Tamusu uranium deposit

矿床含矿含水层地下水的总体方向由北东向南西径流。 地下水在径流过程中，在矿区南西部遇到断裂构造的阻隔，沿断裂构造上涌，形成串珠状湖泊。

1.2.3 地下水的动态特征

含矿含水层埋藏于400 m 以下，其上部有泥岩、 粉砂质泥岩作为隔水层，从2016年11月到 2019年01月，对 9 个水文地质孔进行了2 个水文年的动态观测，绘制了水位动态变化图（图3）。 从图3 中可以看出，矿床地下水有统一的水位且水位动态较稳定，矿床内地下水位高差仅6 m 左右，没有出现裂隙水更强烈的不均匀性和各向异性。 与季节变化没有明显关系。

图3 塔木素铀矿床地下水位长期观测动态变化图Fig. 3 Dynamic change of groundwater level by Long-term observation in Tamusu uranium deposit

表1 水文孔裂隙统计Table 1 Statistics of fractures in hydrological boreholes

表2 含矿含水层岩石的物理性质Table 2 Physical properties of ore-bearing aquifer rocks

2 含矿含水层岩石特征

2.1 含矿含水层裂隙发育程度

矿床含矿含水层为下白垩统巴音戈壁组上段（K1b2）碎屑岩类含水岩组，为判断矿床含矿含水层地下水是以孔隙水为主还是以裂隙水为主，在施工的6 个水文地质钻孔过程中对采取的岩心进行了编录，并对其含矿含水层节理和裂隙进行了详细统计、 观察和描述。从表1 可知，6 个水文地质孔的过滤器段岩石裂隙发育程度低，为不发育～很不发育。

2.2 含矿含水层岩石的物理性质

矿床含矿含水层岩性以砂岩、 砂质砾岩为主，节理几乎不发育，通过对11 组矿床含矿含水层岩石进行物理性质测试，砂砾岩平均孔隙率试验结果如表2 所示。 从表2 可以看出，在44 组孔隙率数据中，含矿含水层天然密度在 2.15～2.28 g/cm3，平均孔隙率在14.93%～19.31%，平均孔隙率大于15%的超过65.9%，说明含矿含水层虽然裂隙不发育，但孔隙却比较发育。

孔隙率表示孔隙发育程度，而孔隙发育程度又决定岩土储水能力，在一定条件下，还控制着岩土滞留、 释出和传输水的能力。矿床含矿含水层岩石个体孔隙率范围在8.68%～25.57%之间，节理裂隙很少发育甚至不发育。 因此，该矿床含矿含水层地下水类型是以孔隙水为主的承压水。

3 水文地质试验中地下水变化特征

3.1 抽水试验时地下水水位变化

为了较准确地求得含矿含水层的渗透系数，共进行5 组抽水试验，每组抽水试验由一个抽水孔和一个观测孔组成，抽水孔与观测孔的距离一般为25 m，每孔抽水时进行三次降深，当一个抽水孔中的三次降深结束后，抽水孔与观测孔进行互换再进行试验。 在进行抽水试验时，采取抽水孔与观测孔的动水位同时观测，现将抽水试验时一个试验段水位降深观测结果列于表3。

从表3 可以看出，任何一组抽水试验中，不论抽水孔与观测孔是东西向排列还是南北向排列，在进行抽水试验时，观测孔水位随抽水孔水位的下降而同步下降，说明两孔之间的地下水水力联系密切。 另外，将抽水孔与观测孔进行互换后，有些抽水孔涌水量和水位降深差异较大，这主是是由于井的结构不同造成的。 完整井在抽水试验时水位降深小而涌水量大，非完整井抽水时降深大而涌水量小。 ZHD-1 与 ZHD-2 均为非完整井，因而两井互换后，水位降深和涌水量相差较小。同时还可以看出，以 ZKH36-12、 ZKH24-20为抽水孔进行抽水试验时，当水位降深20 m和23.28 m，单孔涌水量分别为1 019 m3/d 和1 126 m3/d，从而证明若矿床采用常规方法开采最下部中段时，地下水位降深至少为518 m，采用GMS 软件预测的矿坑平均涌水量为32 000 m3/d 是符合矿床实际情况的。

表3 抽水试验时水位降深观测表Table 3 Depth change of the water level during pumping test for boreholes

3.2 抽水试验结束时地下水水位监测

2018年9月 9 日在 ZKH60-32（补）孔抽水试验结束后，立即对所有水文孔的水位进行测量，结果表明，有8 个水文地质孔的水位较其平均水位均有不同程度的下降，这8 个水文地质孔的孔位、 距抽水孔的距离及水位下降情况（表4、 图4），其中水位下降最大的是 ZKH58-44 孔，该孔距 ZKH60-32 （补）孔304 m，水位下降达3.63 m。 影响距离最远的是 ZKH24-20 （观） 孔，影响距离达 1 853 m，水位下降2.45 m。 说明在进行抽水试验时，矿床内地下水水力联系密切，地下水具有孔隙水的特征。

表4 ZKH60-32 （补） 钻孔抽水时观测孔水位下降情况Table 4 water level decline of borehole ZKH60-32 （Bu） during pumping test

图4 ZKH60-32 （补） 孔抽水时观测孔水位图Fig. 4 Water level diagram of observation boreholes ZKH60-32 （Bu） during pumping test

3.3 示踪试验中荧光素钠浓度变化

为了研究矿床含矿含水层孔隙连通情况，在ZKHD-1 及ZKHD-2 钻孔中进行了示踪试验，ZKHD-1 钻孔为投源孔，ZKHD-2 钻孔为抽水孔，两个钻孔相距25 m，两个水文地质孔均为非完整井，过滤器安装位置位于含矿含水层中。 示踪剂采用荧光素钠。 2018年7月5 日开始示踪试验，将荧光素钠浓度为10 g/L 的液体采用高压水泵一次性注入ZKHD-1 钻孔500 m 处，示踪剂投放完成后，采用空气压缩机在ZKHD-2 钻孔进行全天候不间断抽水作业。 7月11 日开始取样监测，监测结果表明，ZKHD2 井检测到注入荧光素钠示踪剂出现，示踪剂突破时间是7月26日。 其后，荧光素钠浓度呈现缓慢上升趋势，到了8月8 日后开始进入试剂浓度的快速上升期，至9月2 日出现浓度峰值 2.561 mg/L后，随后荧光素钠浓度开始下降，10月1 日以后下降变得很缓慢。 示踪剂浓度随时间变化曲线（图 5）。

图5 ZKHD-2 孔示踪剂浓度随时间变化图Fig. 5 Changes of tracer concentration with time in borehole ZKHD-2

4 矿床地下水类型讨论

含矿含水层岩心编录表明，岩心上的裂隙为不发育和很不发育。 另外，岩石的物理性质表明，虽然岩石的密度较大，平均孔隙率为 16.19%，但其大于 15%的孔隙率占65.90%，测得岩石的最大孔隙率达25.57%，说明含矿含水层岩石虽然裂隙不发育，但孔隙比较发育，地下水通过孔隙建立了水力联系。

在抽水试验中，观测孔水位与抽水孔水位同步下降，而且在抽水试验结果后的水位观测结果表明，有8 个不同方向的观测孔中水位出现下降情况，没有出现裂隙水更强烈的不均匀性和各向异性，裂隙岩层一般不容易形成统一水力联系含水层情况[9]，而且抽水孔对地下水位的影响距离最远可以达到1 853 m。这些观测孔与抽水孔之间均没有断裂构造穿过，因此不可能存在构造裂隙带导水情况。另外，即使在含矿含水层中存在裂隙，裂隙的延伸也不可能达到1 853 m 远的距离。 抽水引起观测孔水位下降的解释只能是观测孔与抽水孔之间通过孔隙沟通了地下水的水力联系。 说明含矿含水层连通性好，含矿含水层地下水在空间分布上连续均匀，含水系统内部水力联系良好，地下水具有孔隙水的特征。含矿含水层是以孔隙连通为主的含水层。

示踪试验结果表明，在投源孔与抽液孔25 m 范围内，从投源到突破时间长达15 d。抽水孔示踪剂浓度逐渐增大，没有出现示踪剂浓度突然增大的现象，说明投源孔与抽水孔两孔之间裂隙不发育，但孔隙较发育而且连通性好，不存在高渗透带，地下水符合低渗透性的孔隙水特征，即岩石的连通类型主要为孔隙而不是裂隙[10]。

岩心编录、 岩心物理性质测试、 抽水试验时的水位观测和示踪试验表明，含矿含水层地下水均表现出了孔隙水的特征。 因此，含矿含水层地下水类型是以孔隙水为主的裂隙孔隙承压水。

5 结论

1） 含矿含水层地下水具有统一的地下水位，且不受大气降水的影响，地下水承压水头高。

2） 通过岩心编录和物理性质测试，含矿含水层裂隙不发育而孔隙较发育，地下水通过孔隙建立了水力联系。

3） 水文地质抽水试验证明，含矿含水层地下水水力联系密切，矿区内的断裂构造对地下水的水力联系影响不明显。 示踪试验表明，含矿含水层孔隙连通性好。 因此，矿床含矿含水层地下水类型是以孔隙水为主的裂隙孔隙承压水。