南非西格里夸兰盆地某铁锰矿水文地质条件及矿坑涌水量预测

秦磊谭康雨岳鹏军孙宁

（1.北京中资环钻探有限公司，北京 100012；2.中色地科矿产勘查股份有限公司，北京 100012）

0 引言

矿坑涌水量预测是矿产地质勘查综合研究的1项重要内容，也是制定矿山开采设计的主要依据之一（中华人民共和国地质矿产部，1991；中华人民共和国地质矿产部，1993；谢国军，2019）。大气降水、地表水与矿区地下水是否有水力联系、联系的密切程度以及其对矿坑充水的影响程度等，都是矿区水文地质研究中要解决的重要问题；矿坑涌水决于矿床水文地质条件的复杂程度，是矿山排水和矿床疏干设计的重要依据（林中湘和陈湘桂，2010）。在岩溶地区，地下水力联系较为密切，水文地质条件相对复杂，能否准确预测开采后的矿坑涌水量，关系着矿山生产建设工程和投资规模、矿石生产成本和矿山生产经济效益，还影响着矿山治水方案的确定（王大纯等，1995；刘春平和郑长城，2000）。因此，对矿山开采引起的地下水的涌水量预测进行研究具有重要的现实意义。

为合理评价南非西格里夸兰盆地Mukulu 铁锰矿矿床开采技术条件，笔者参与了该矿区地质核实及相关水文地质等工作。通过Mukulu 铁锰矿的野外工作和资料收集，对该矿区的水文地质条件进行了初步探讨，为该区进一步水文地质研究工作提供基础依据。

1 矿区地质概况

研究矿区位于西格里夸兰盆地（The Griqualand West Basin）北部的卡拉哈里（Kalagari）锰矿田西北缘（Hudson，2016），地处Mamatwan－Wessels 构造盆地的北部，中心地理坐标：南纬27°08′40″，东经22°49′50″。大地构造位置处于卡普瓦尔（Kaapvaal）克拉通西部与古元古代海斯（Kheis）褶皱－逆冲带的交界地带（图1）。工作区总体地形平坦，地势略呈西南高东北低，无大的高山与沟谷，海拔标高1045～1070 m，降水稀少，气候干旱，属热带草原气候。区域水系不发育，水文地质条件简单。

图1 西格里夸兰盆地区域地质简图

矿区地层自下而上主要有：古元古界波斯特马斯堡群（包括Ongeluk组、Hotazel组安山质火山熔岩、条带状含铁建造和Mooidraai 组白云岩）、古元古界上部奥利芬霍克超群（包括Mapedi 组页岩、石英岩和Lucknow 组页岩、砾岩、石英岩）、中生界卡鲁超群的德怀卡群、新生界卡拉哈里超群（含Gordonia组风成砂和Kalahari 组砾岩、钙质砾岩、红色粘土、含粘土钙质砾岩），各群之间主要呈不整合接触，其中Mooidraai 组与Hotazel 组呈整合接触。Hotazel 组条带状含铁（锰）建造为矿区主要赋矿层位。区内断裂构造发育，主要有2 种形式，一种为逆冲推覆构造，另一种为正断层构造。

矿区共分布16 条浅部矿体（分铁锰矿体和铁矿体），其中铁矿体共6 条，铁锰矿体共10 条；6 条深部矿体（分富锰矿体和铁锰矿体），其中富锰矿体共3 条，铁锰矿体共3 条（图2）。矿体主要赋存在条带状铁锰质石英岩内，均呈北西－南东方向展布，呈层状、似层状、透镜状产出，深部矿体走向约335°，总体倾向南西，平均倾角约9°。偶见分支复合，在走向和倾向上连续性较好。矿区浅部铁矿石的主要铁矿物为磁铁矿和赤铁矿（部分矿石以磁铁矿为主，部分以赤铁矿为主），按铁矿石的自然类型可分为磁铁矿石和赤铁矿石。矿区浅部和深部锰矿石的主要锰矿物为黑锰矿、铁锰矿、褐锰矿等氧化物－氢氧化物为主，锰矿石的自然类型为氧化锰矿石（图3）。

2 矿区水文地质特征

矿区处于信风带或者副热带高气压带的控制下，同时西部沿海有寒流经过，降温减湿，降水稀少，气候干旱，属热带草原气候（谭康雨等，2019）。该地区年平均降雨量约300 mm，主要集中在夏季，气温随着季节变化和昼夜交替变化很大。12 月至次年3 月是夏季，白天平均温度为18～39℃，夜间温度为14～26℃之间，其中1 月份最热最高日平均气温30℃，最高可达45℃。5 月至8 月为冬季，白天平均温度为4～26℃，夜间温度为－2～24℃，最低日平均气温1℃。

图2 西格里夸兰盆地某铁锰矿区水文地质剖面图

图3 锰矿石标本照片

矿区内无常年的河流，地形平坦，地势略呈西南高东北低，无大的高山与沟谷，海拔标高1045～1070 m，地表水在天然状态下流向是由西南向东北。矿区东北方位约6 km 有Kuruman 河和东部约4 km 处有Ga Mogara 河（图4），均为季节性河流，通常平均径流不到1 mm/a（WRC2005 数据库），只有在极端天气下形成径流。降雨量超过70 mm 情况下，在局部洼地中形成积水，但难以形成径流。

2.1 含水层

（1）第四系松散岩类孔隙水含水层

第四系松散岩类孔隙水含水层主要为风成砂，广泛分布于区内地表。厚度20～30 m，平均厚25 m，一般为透水而不含水，结构松散，透水性较强，雨季接受大气降水补给，通过蒸发和向基岩裂隙含水层下渗排泄（陈新攀等，2018）。

（2）基岩裂隙含水层（组）

主基岩裂隙含水层分布于矿区大部分地区，包括kalahari 组钙质砾岩、火山熔岩的风化裂隙含水层和构造裂隙含水层，钻孔水文地质观测资料水位埋深53～119 m，平均80 m。主要接受大气降水和第四系松散岩类孔隙水含水层补给，主要排泄方式为补给构造裂隙水。

风化裂隙含水层，单元涌水量0.006～0.09 L/s∙m，渗透系数0.0001～0.004 m/d，富水性弱；构造裂隙含水层，渗透系数0.11～0.17 m/d，导水系数0.22～0.34 m2/d，富水性弱至中等。

构造裂隙含水层，是由于不同岩性的风化、断裂和破裂而形成的，钻孔记录资料表明，大多数断裂受Hotazel 组影响。该含水层部分区域富水性受石英岩层和kalahari 组上层的风化层（包括粘土层以下的kalahari 组砾岩）影响，是当地居民生活用水的主要来源。

图4 西格里夸兰盆地某铁锰矿区水文地质简图

2.2 隔水层

通过钻孔岩芯可以看出，在kalahari 组红色粘土层（平均厚度5 m）以下，Lucknow 组、Mapedi 组的页岩、石英岩以及Hotazel 组条带状含铁建造，岩芯都较为完整，结构致密，裂隙基本不发育或者微，含（透）水较差，是良好的隔水地层（Damhuis，2014）。

2.3 矿区地下水的补给、径流、排泄关系

地下水的补给和排泄是地下水文的主要环节和地下水资源形成的基础，是水文地质学科研究的基础理论问题（王文科等，2018）。矿区地势起伏较小，地势较为平坦，不利于地表水径流。但矿区地表多为风成沙分布渗透性较强，在雨季，大气降水由风成沙渗透补给地下水，只有少部分蒸发。第四系松散岩类孔隙水含水层接受大气降水的入渗补给，松散岩类渗透性强，易接受降水的入渗补给，但储水能力较差，主要排泄方式为蒸发和向基岩裂隙含水层补给。基岩裂隙含水，主要接受大气降水和第四系松散岩类孔隙水含水层补给，并沿导水性较好的构造裂隙径流，主要排泄方式为人工取水和矿坑排水。

在矿区范围内，第四系松散岩类孔隙水层和基岩裂隙含水岩组之间有着密切的水力联系，相互贯通，相互转换，共同影响着矿坑水条件（马林霄等，2018）。矿区位于区域水文的补给区，所处水文地质单元最低侵蚀基准面位于矿区背部，标高966 m。

3 矿坑充水因素

矿坑涌（突）水是一个比较复杂的地质问题，严重影响着企业财产和矿工的生命安全；矿坑涌水量是确定矿床水文地质条件复杂程度的重要指标之一，是矿山开采开发重要影响因素（王士东等，2015）。

在矿坑涌水量预测过程中，不同的矿床开采方式，会显著影响到矿床的充水程度和进水条件。因此，在对矿坑涌水量进行预测过程中，除了将自然因素、地质条件以及水文条件考虑进去之外，还需要对矿坑的开采形式进行分析和研究。矿区初期采用露天开采方式进行开采，区内地表水欠发育。分析矿区水文地质条件可能成为矿坑充水因素为大气降水和地下水。

通过分析收集到的2012 年当地气象资料，冬季雨水缺乏，78%降水主要集中在10 月至次年3 月，最大降水量出现在1 月，年平均降水量约300 mm，日最大降水量为58 mm（2012 年1 月），年平均蒸发量为2500 mm/a（自邻近的DWA 库鲁曼气象站）（Damhuis and Marais，2014），未收集到水面蒸发量数据（图5）。可通过式（1）在采场及其影响范围的大气降水的汇集量：

式（1）中：Q降水表示采坑汇水量（m3/d）；L表示采场顶部长（m），4700 m；B表示采场顶部宽（m），4300 m；X表示日降水量（mm）（数据资料来源于矿区资料），在收集的2012 年当地气象资料中，日最大降水量为58 mm（2012 年1 月某日），将数据代入式（1）式中可得出Q降水为1172180 m3/d。

矿区属热带草原气候，降水稀少，气候干旱，无常年的河流，矿坑充水主要来源为大气降水；矿区东北方位约6 km 处Kuruman 河和东部约4 km 处Ga Mogara 河，通常平均径流不到1 mm/a（WRC2005 数据库），降雨量只有超过70 mm 情况下，才会在局部洼地中形成积水，基本不会形成有规律的径流，所以地表水不会成为矿坑直接充水水源。因此，在开采中后期矿坑主要充水来源主要考虑地下水和坑口范围的大气降水。

研究区邻区投产多年，在长期的顶板含水层滴淋水及大气降水等直接与间接影响下，产生不同程度的采空区老空水，可能给研究区构成水患威胁。

4 矿坑涌水量预测

图5 平均每月降雨量和蒸发量表（2012 年）（据Damhuis，2014）

在矿产资源开采过程中必须对矿坑涌水量进行精确计算，将影响矿坑涌水量预测的影响因素充分考虑进去，预测和分析矿井中的正常涌水量和最大涌水量，从而为矿井突然进水提供相应的地质材料支撑，为保证矿井安全、高效和科学生产奠定坚实基础（刘立强和郑龙日，2016）。矿坑涌水量的预测是对矿坑充水条件的定量描述，也是矿山开采设计中制定防、治水方案的依据（戴岩柯等，2010）。

该锰矿床自然充水通道为导水断层和含水层中的节理裂隙，水一般是沿导水断层和节理裂隙下渗到矿井中从而形成矿坑涌水（杨胜堂，2018）。

矿区主要含水层为第四系松散岩类孔隙水含水和基岩裂隙含水，开采基准面以上地下水充水矿坑的露天开采至侵蚀基准面后地下水疏干至坑底的地下水涌水量采用潜水稳定流“大井法”计算，计算公式为（郭海等，2016）：

式（2）中：Q1表示地下水疏干至坑底的地下水涌水量（m3/d）；K（渗透系数）值由钻孔抽水试验结果通过裘布衣公式计算（李路等，2020），K＝0.004 m/d；H表示抽水前含水层厚度，采用钻孔平均水位埋深210 m－80 m ＝130 m；S表示潜水层含水厚度（m）130 m；R表示影响半径（m），取矿体水平投影中走向上延伸最长长度的一半572.5 m；r0表示引用半径（m），r0＝，面积（F）＝1145×735 ＝841575 m2，r0＝517.70 m；R0＝R＋r0，表示引用影响半径（m）1089.9 m；将相应数据代入式（2）式可得出Q1＝570 m3/d。

通过以往模拟实验表明，深部矿体正常涌水量为900～950 m3/d。由于深部矿体范围大、服务年限长，随着开采沉陷的影响，断裂带导水越来越强，涌水量会有所增加，预测最大涌水量是正常涌水量的2.5 倍（Damhuis，2014）。预测深部矿体开采涌水量：正常涌水量950 m3/d，最大涌水量2400 m3/d。

5 结论

（1）矿区矿坑涌水主要为大气降水，特别是短时强降雨，由于矿区被第四系松散沉积物覆盖，透水性好，雨水渗入容易形成较大水量，在矿山开采中应当加强监测和防范。

（2）邻近矿山经过多年开采，采空区内老空水是影响本矿区开采的主要威胁。老空水涌水一般来势凶猛，酸性大、并含有害气体或携带块石，破坏性大，在矿山开采过程中应注意附近矿山采空区老空水的变化，及时评估其对矿坑涌水的影响。

（3）露天矿坑直接暴露面积较大，在强降雨季节大量地汇水汇入矿坑，影响爆破、岩矿装运效率和露天边坡的稳定性，必须建立完善的防排水体系，同时要坚持“预测预报、有掘必探、先探后掘、先治后采”的防治水原则，加强矿区水文地质工作，以确保安全生产。

（4）矿山开采是验证矿区水文地质条件的最好方式，应充分利用矿山开采所暴露的地质环境问题进行分析，不断提高科学防范矿区水文地质条件对矿山开采的影响。