老挝东泰钾盐矿水文地质特征分析及防治水方案探究

杨小三，张宪峰，张志远，陈文霞，熊玉强*

(1.中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东 济南 250013；2.山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队， 山东 济南 250014；3.蒙阴县自然资源和规划局，山东 蒙阴 276200)

0 引言

钾是我国最为紧缺的战略性矿产资源之一。我国所需钾矿资源70%以上依赖进口。近年来，在我国实施“走出去”战略指导下，多个企业走向国外，开展钾盐的勘探开发业务[1]。老挝由于距离中国较近，且钾盐储量丰富，成为我国钾盐“走出去”战略的主要根据地，分析老挝东泰钾盐矿矿区地质特征和水文地质特征，探讨含水层特征，分析水害类型，寻找切实可行的防治水措施，保障老挝钾盐矿安全开采，具有深远的战略意义。

1 矿区地质概况

东泰钾盐矿区位于呵叻高原北部，沙空那空盆地东南边缘，构造上属于枢纽向北扬起的复式向斜构造，具边缘沉积相(图1)[2-3]。矿区地层主要为新生代地层，主采矿层位于农波组下段下盐层[4]，各地层简述见表1。

2 矿区水文地质特征

2.1 含水层及特征

矿区主要含水层为第四系松散岩类孔隙含水层、碎屑岩类裂隙含水层。

(1)第四系松散岩类孔隙含水层

主要分布于湄公河、色邦非河沿岸，厚度一般0～10.4m。上部由土黄色、棕褐色、紫红色粉砂质黏土组成，局部含砂、砾；中部为紫红色、黄褐色、桔红色含黏土铁锰结核，下部为黄褐色、红褐色、杂色复成分砂砾石含泥质，砾石为次棱角状[5]。

根据矿区抽水试验及其周围农诺拗陷、肯可克、万象盆地等地抽水试验资料(表2)，单井涌水量介于3.37～17.14m3/h，单位涌水量介于0.00295～2.12L/s·m，富水性弱—中等。

1—玄武岩；2—马哈沙拉堪组和可能更新的地层；3—班纳尤组；4—普潘组；5—普拉维汉组及少夸组；6—普坎东组；7—普坎东—普潘组不分；8—古生代地层；9—研究区；10—有盐钻孔；11—有盐+光卤石钻孔；12—有盐+光卤石+钾石盐钻孔；13—主要断层；14—背斜(向西倾伏)图1 呵叻高原及老挝邻区构造略图

表1 矿区地层划分表

表2 第四系松散岩类孔隙含水层抽水试验结果表

(2)农波组泥岩裂隙含水层

该含水层在区域内普遍存在，可分为上泥岩层上盐层含水岩组、中泥岩裂隙含水层和下泥岩裂隙含水层。

上泥岩层由红褐色、青灰色泥岩和砂质泥岩组成，偶见含膏泥岩；上盐层岩性主要为灰黑色或灰白色石膏、硬石膏，并含有不定量的泥质；中泥岩层由红褐色、灰绿色、黄褐色、青灰色、棕褐色的泥岩组成，普遍含石膏；下泥岩层由褐色、灰色、灰绿色、棕褐色和紫红色的泥岩组成，其中局部含有粉砂、石膏及岩盐夹层[6-7]。

该裂隙含水层具有较稳定的厚度，总体裂隙不发育，单位涌水量0.0042～0.1167L/s·m，富水性弱—中等。根据相邻矿段施工及开采经验，在强风化带和构造破碎带，富水性及透水性增强。该裂隙含水层一般为咸水—卤水，矿化度1.155～328.085g/L不等，属Cl-Na型水，水质较差。

(3)白垩纪参朋组砂岩含水层

白垩系参朋组出露于他曲的南东部，为浅海相和海陆交相沉积，厚度约500～550m，岩性为砂砾岩、粉砂岩、钙质黏土岩夹薄层灰岩和灰岩透镜体，区内仅个别钻孔揭露该层，缺乏富水性资料，据肯可克地区抽水试验资料，砂岩单位涌水量q=0.0000026L/s·m。本层上部有巨厚层岩盐与矿层相隔，对矿床开采基本无影响(图2)。

1—第四系松散岩层含水层(富水性弱—中等)；2—上泥岩层与上盐层含水岩组(富水性弱，局部泥岩破碎带富水性强)；3—中泥岩层含水层(富水性弱)；4—中岩层隔水层；5—下泥岩层含水层(富水性弱—中等)；6—钾石盐矿；7—光卤石矿；8—下盐层隔水层；9—上泥岩、上盐层含水层静水位等值线；10—中泥岩含水层静水位等值线；11—下泥岩含水层静水位等值线；12—地质钻孔位置；13—抽水试验孔位置图2 老挝东泰钾盐矿A-A'水文地质剖面图

2.2 隔水层及特征

矿区隔水层主要为农波组岩盐隔水层，由中盐层、下盐层组成。中盐层岩性主要为青灰色、灰白色石盐，局部夹泥膏岩或含石盐的石膏岩；下盐层一般分为两层，上部为钾盐带，主要由钾石盐、光卤石和石盐组成，下部为青灰色、灰白色石盐层，上层钾盐带局部缺失。中盐层、下盐层对于饱和的卤水为隔水层，但遇淡水极易溶解，因此中盐层、下盐层为相对隔水层，对淡水不起阻隔作用。

2.3 矿区含水层之间的水力联系

(1)上泥岩与上盐层的水力联系

上泥岩裂隙含水层接受第四系或大气降水补给后，通过裂隙补给上盐层，二者存在互相补给的作用，具有紧密的水力联系。

矿区北侧有一土法盐场，系采用卤水熬制食用盐，为人工开挖揭露，通过勘查时采样分析，其主要化学成分与上盐层所含地下水基本一致而略有降低(表3)，说明其来源于上盐层或上泥岩层与上盐层接触带，通过断裂上升至地表，上升过程中与上部淡水混合而淡化。

上述现象说明上泥岩层地下水与上盐层地下水存在紧密的水力联系，表现为上泥岩层地下水通过下渗补给上盐层含水层，上盐层地下水则通过断裂、裂隙或毛细作用补给上泥岩层。两层水虽然含盐量不同，但可认为是同一层，只是含盐量具有分带性，自上而下呈现淡—微咸—咸—盐—卤水的特点。在上泥岩层裂隙不发育地段，接触带或上盐层地下水通过断裂带上升至地表处，形成含盐量较高的盐泉等。

表3 东泰矿区北侧盐泉与各层地下水水质对比表

(2)中泥岩与下泥岩的水力联系

由于较致密的上盐层石膏及中盐层岩盐的阻隔，裂隙水向下的补给较为微弱，中泥岩层和下泥岩层裂隙水相对封闭，只在局部地段缺失某些地层时与上部含水层有一定的水力联系。但通过试验资料发现，二者之间也存在较为微弱的水力联系。

3 矿井充水因素分析

3.1 充水水源

(1)大气降水

大气降水为矿井水的主要来源，是矿井淡水突入的主要影响因素。从含水层的补给来源来看，它会对第四系孔隙水或上泥岩-上盐层含水岩组等主要含水层进行直接或间接补给，使其具有持续出水性，对矿井充水产生威胁。在某些低洼地段，持续降雨导致地面积水，当积水超过井口标高时就会对矿井产生倒灌威胁。

(2)地表水

地表水主要是指区内及周围发育的河流，矿区内地表水主要是湄公河，水塘、排水沟、废水池、雨季稻田存水，天然状态下对矿山没有威胁，但是采矿工程，采矿冒落带沟通地表水时，都将对矿山造成影响，甚至产生不可估量的灾难。

(3)地下水

第四系松散岩类孔隙水：区内第四系松散岩类孔隙水主要赋存在湄公河洪积层以及南部近色邦非河的冲积层，初步评价其富水性一般为弱—中等。该层下部一般有厚度较大的三层泥岩与矿层相阻隔，天然情况下，该含水层不会对矿井产生直接充水。但当矿山开采揭露断裂带且断裂带沟通该含水层与下伏基岩时，断裂带将成为该含水层导水通道，会对矿井产生间接充水。

上泥岩—上盐层裂隙水：富水性弱—中等，受所处构造部位及石膏层厚度控制，在破碎带或背斜轴部地段富水性强，如斜坡道、风井揭露该层水时，水量均较大，给井建工程造成很大影响，对矿山生产影响也不小。天然状态下，该含水岩组与矿床之间存在中泥岩层—中盐层—下泥岩层，不会对矿井产生充水，若矿山工程、采空冒落带沟通该含水层时，则会对矿井产生间接充水。该层水为不饱和盐水，对岩盐、钾石盐、光卤石具有强溶蚀性。一旦该类水进入易溶层，将会产生盐溶，形成溶洞，造成重大安全隐患。

中泥岩及下泥岩层裂隙水：该类地下水主要富集于中泥岩层与中盐层接触带，也称为“盐上卤水层”，其富水性还受所处构造位置控制，差异较大，富水性弱—中等。矿区内大部分与矿床没有直接接触，一般不会对矿床产生直接充水，但若中盐层缺失或断裂沟通含水层，中泥岩层裂隙水可通过下泥岩层裂隙对矿井产生间接充水。若中盐层、下泥岩层局部缺失，该含水层成为矿床的直接顶板，将会对矿井产生直接充水。

封存水：封存水包括盐层封存水及矿层封存水。盐层封存水属于饱和盐水，NaCl处于饱和状态，但MgCl2、KCl不饱和，该类型水对岩盐没有溶蚀作用，但对光卤石及钾石盐具有溶蚀作用[8]，应阻止该类水进入矿层。钾石盐及光卤石矿层的封存水为高镁饱和卤水，对矿层及岩盐基本没有溶蚀作用。封存水一般水量不是很大，合理配置排水设备，一般不会对矿山开采产生大的影响[9]。

石盐溶蚀后溶洞存水：目前矿区已投产开采，具现场资料显示，开采过程中尽管采用多种防治水手段，仍有部分水源通过斜井斜坡道流至更深的位置，其中当水源流经盐层时，不饱和水会溶蚀盐层，长期以往将产生大型的溶洞，且溶洞内存水严重，成为矿井新的充水水源，为矿井开采带来隐患。

3.2 充水通道

(1)断裂构造

虽然矿区内2条较大的断裂不含水、不透水，但是由于矿区内褶皱及断裂构造发育，可能存在含水或导水断裂，断裂带延伸深度及富水情况尚难确定，不排除部分断裂带成为充水通道的可能。

(2)斜井、竖井工程

斜井、竖井工程均需揭露各含水层，每一含水层均会对井筒造成充水。施工结束后虽严格注浆止水，但随着时间增长，受地下水盐分的侵蚀、注浆材料性能的弱化或采矿振动等影响，局部层位可能发生突水、涌水现象，淡水或微咸水水体涌入井筒内，威胁矿层及开采工作的安全性。

(3)采矿工程

矿层开采过程中，采空区周围岩层因失去支撑，而使原始应力状态发生变化，导致顶板破坏，形成开裂或垮塌，产生冒落带和导水裂隙带。裂隙水可能会在承压作用下在薄弱带突出涌入矿井，造成充水威胁。

(4)封闭不良钻孔

所有钻孔在施工结束后均应按规范和规定封孔，但考虑到矿区地层中存在多套易溶盐层的特殊性，封孔质量不合乎要求的钻孔中会产生缝隙，从而转变为矿井突水的人为导水通道。

4 防治水方案探究

4.1 矿井生产前防水措施

(1)由于老挝雨季降雨量大，井口在建设选址时需尽量避免地势低洼处，且井口地面要尽可能高于周围地表最大存水高度，以防雨季雨水倒灌。

(2)井筒施工下掘之前，井筒周围直径30m内浇筑混凝土地坪，用以防止雨水和生产生活涌水下渗，地坪厚度需大于20cm。

(3)井筒周围30m直径内需修建排水沟，将周围地表水引流至附近河沟内。

(4)为确保井筒施工建设安全，在施工前，需进行预注浆工作，采用帷幕注浆的方式，根据不同地段确定适当的注浆深度，钻机与注浆泵相结合，钻一个钻孔注一个孔的水泥浆[10-17]。

4.2 矿井生产过程中的防治水措施

(1)建立供排水管控系统，杜绝跑冒滴漏。供、排水管线应架高处理，做到可观、可控；对矿井内明水及时收集、及时处理，杜绝明沟渗漏，若有渗漏，应做防渗处理。

(2)建立完整的地表变形监测网络，水准基点应设立于采矿影响范围之外，检测范围应大于采空区及岩移范围，采用二等水准监测，监测频率不少于每月一次。产生地面变形时，应加密到每天一次，若产生地裂缝应及时对裂缝进行处理，可采用灰土堵漏处理，严防地表水进入矿井；井下亦应进行及时封堵。

(3)探、堵、截、封、导相结合，针对井下不同突水情况，采取不同的防治水措施。

超前探水，如遇井筒涌水量较大无法正常掘进作业时，采用工作面预注浆的方式进行堵水施工。

斜井竖井工程揭露的各岩层接触位置，采取井筒壁后注浆措施，在巷道壁后形成水泥封闭环，封堵导水通道，达到堵水的目的。

如斜井内涌水量较大，可采取斜井上地表分段注浆的方式，封堵水源下渗[18-20]。

斜井内每隔100m，设置截水沟，截水沟做好防渗防漏措施，截流上方来水，经导水管道集中排出井上。

井下遇溶洞或由于开采导致不饱和水下渗溶蚀形成的溶洞，应先探明溶洞大小，采取充填尾盐或注浆的方式填充溶洞，以防影响巷道安全。

及时检查历史地质钻孔，对未严格封孔的钻孔，重新按要求严格封孔。

5 结论

(1)老挝东泰地区多雨，矿井水充水水源主要有大气降水、地表水、地层间裂隙水、封存水和开采后溶蚀溶洞存水，充水通道主要为采矿工程对地层产生的扰动、泥岩裂隙及各岩层接触带间裂隙。

(2)矿区生产前，从井筒选址，井上工程布置，都需做好防治水措施，井筒周围采取预注浆的方式进行堵水。生产过程中，要建立完善的供排水系统，建立地面变形检测系统，结合“探、堵、截、封、导”等方法，采取开挖截水沟、井筒壁后注浆、溶洞充填注浆等方式做好防治水工作。