塞尔维亚波尔州TMK铜金矿水文地质特征研究

周友清，高鹏浩，阙晓倩，彭 伟

(紫金矿业集团股份有限公司，福建 厦门 361015)

0 引言

矿区位于塞尔维亚波尔州 (Bor) 南部，距首都贝尔格莱德约250 km，距波尔市区约5 km，行政区划属波尔州管辖[1](图1)。矿区水文地质勘查工作由贝尔格莱德大学承担，执行的是加拿大 NI43-101 标准。矿区在2020年的开拓系统施工中，发生了涌水、涌气现象，特别是涌气 (H2S) 现象在一般矿区中比较少见。国内曾有过类似的报道和研究，认为其形成机制是气体 (H2S) 裹挟着地下水通过构造裂隙向上漂移，改善了深部地下水游离 (O2) 的补充条件，加速了深部地下水的氧化、溶蚀、运移速度[2-3]。艾秀峰[4]通过对某盆地的 CO2涌气的研究认为，CO2是以水溶离子相、水溶气相、连续气相赋存于地层裂隙，通过断裂运移，并具有形成高压气体的可能。为此，笔者通过对矿区地表、钻孔岩心含(隔)水性、巷道等水文地质特征进行了调查研究，结合相关技术文献资料，对矿区水文地质特征重新认识，以探究涌水、涌气发生的原因。研究认为，涌水来自深部碳酸盐类地下水、涌气 (H2S) 来自地壳内部的岩浆活动产生的挥发组分，并认为矿区水文地质条件，涌水量估算与前期水文地质勘查报告结论出入较大。研究成果对类似矿区的水文地质有一定的借鉴意义。

图1 矿区交通位置图(来自谷歌地图2019年4月)

1 矿区地质特征

1.1 矿区地质特征

矿区位于蒂莫克杂岩体 (或叫火山喷发盆地) 中部东侧，占杂岩体面积的4%，区内主要出露白垩纪晚白垩世火山岩、火山碎屑沉积岩，新近纪中新世粗碎屑岩，第四系全新世冲洪积物。

在杂岩体周边出露中生代侏罗纪至早白垩世灰岩下伏地层。矿区北东60 km、南西25 km方向各有一处岩溶地貌旅游景点，景点内溶洞、地下暗河等岩溶特征地貌发育。

根据钻孔揭露情况，矿区从下至上大致分为下部安山岩 (LA)、上部安山岩 (UA)、泥灰岩-砂岩 (UCMA)、砂岩 (UCCM)。

1.2 矿体特征

矿区内的含矿层位赋存在下部安山岩 (LA) 中，为浅成热液型铜金矿床。矿体为隐伏矿体，赋存高程在-30 m～-470 m之间，埋深430～870 m。呈不规则的椭球体状，向下部规模变小并呈分枝状。走向NW340°，倾向SW32°。

主要金属硫化物为黄铁矿，含量占33.13%，硫化铜矿主要为铜蓝，其矿物含量为9.5%，少量的硫砷铜矿和黄铜矿，其他金属硫化物(方铅矿和闪锌矿等)含量较少。脉石矿物主要为石英，含量占28.88%，其次为明矾石，含量占11.10%。

含金矿物以多种形式存在，包括碲化物(如碲金矿)、针碲金银矿和针碲金铜矿，并且主要被包裹在黄铁矿中，但局部也发现少量包裹在铜蓝、砷硫铜矿中。原生金不常见。

2 矿区水文地质特征

2.1 自然地理与气象水文特征

本区属塞尔维亚阿普塞尼山系中低山地形，地势较平缓，高程220.0～420.0 m，最大高差200.0 m，地势总体上北高南低，西高东低。区内地表植被覆盖较好。

表1 溪沟流量观测统计

2.2 含水岩组水文地质特征

根据测区出露的地层、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，将本区岩石划分为4个含水岩组，即松散岩类孔隙含水岩组、碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组、火山岩类裂隙含水岩组、碳酸盐类溶蚀裂隙含水岩组(图2)。

图2 TMK铜金矿区域水文地质图

碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组：广泛分布于本区的中、北部、西南和东南地区，是区域主要的含水岩组之一。主要由砂岩、粉砂岩、砾岩和泥灰岩等组成。富水性弱—极弱。水化学类型 HCO3•SO4- Ca•Mg 型水或 HCO3•SO4- Ca•Na 型水。

火山岩类裂隙含水岩组：主要分布于本区的东、西部及南部地区，是本区主要的含水岩组之一。主要辉石角闪玄武安山岩、下部安山岩及岩浆岩脉(英安斑岩、闪长岩)等组成。厚度大于3500.0 m，水位埋深变幅较大，一般约40 m，局部达200 m。富水性以弱为主，局部可达中等。水化学类型 HCO3•SO4- Ca•Mg 型水。

碳酸盐类溶蚀裂隙含水岩组：主要分布于本区的北东、西南两侧。主要岩性为灰岩、白云岩。浅部地下水化学类型为 HCO3•SO4- Ca•Mg 型水、深部为 SO4-Na 型水。没有针对该含水岩组的地质钻探及水文地质试验工程，含水岩组水文地质特征及厚度不详。

2.3 岩(矿)石含(隔)水特征

根据钻探揭露，依据岩石富水性和地下水含水介质等差异，矿区岩(矿)石含(隔)水特征可划分为第四系松散岩类(Q)孔隙含水层、风化裂隙透水层、砂岩 (UCCM) 风化裂隙潜水含水层、泥灰岩-砂岩 (UCMA) 隔水层、上部安山岩(UA)基岩构造裂隙含水层、下部安山岩 (LA) 基岩构造裂隙含水层、深部碳酸盐 (J-K) 溶蚀裂隙含水层和隔水层(图3)。

图3 TMK铜金矿区水文地质图

风化裂隙透水层：位于潜水含水层之上，顶中多为残坡积物、强风化物充填，下部为弱风化带，该层岩体内部风化裂隙发育，裂面多为砂性土充填。该层为下部风化裂隙潜水含水层地下水的补给通道。

砂岩 (UCCM) 风化裂隙潜水含水层：埋藏于潜水面至弱风化层底界之间。埋深1.7～44.8 m，厚度为10.0～30.0 m，平均厚度20.6 m，水位高程约+355 m。断裂构造、节理裂隙多为高岭土化泥质或其他矿物充填，渗透系数为0.0002～0.0112 m/d，富水性弱—极弱。水化学类型为 HCO3•SO4- Ca•Mg 型水或 HCO3•SO4- Ca•Na 型水。

泥灰岩-砂岩 (UCMA) 隔水层：厚度为78～498 m，平均厚度为203 m。岩心多新鲜，节理裂隙不发育，完整性较好，多呈特长柱状—长柱状。钻孔揭露隔水层时，孔内返水。断裂构造部位岩体多泥化，隔水。

上部安山岩 (UA) 基岩构造裂隙含水层：埋藏于泥灰岩-砂岩隔水层之下，厚度一般为20～60 m，平均厚度为38.7 m，水位高程约+23 m，渗透系数为0.0147～0.3536 m/d，平均0.263 m/d，富水性以弱为主，局部可达中等。水化学类型为 HCO3•SO4- Ca•Mg 型水。

下部安山岩 (LA) 基岩构造裂隙含水层：埋深超过1500 m，多赋存于构造断裂带区域，钻孔最大揭露厚度45 m，岩体破碎、岩心呈褐—褐黄色，氧化作用强烈。因水位埋深大，没有做相应的分层水文试验，故该层含水层水文技术参数不详。在本含水层界面之上与UA含水层之间隔水岩体厚度超过1000 m。

深部碳酸盐(J-K)溶蚀裂隙含水层：矿区钻孔未揭露，由涌水孔水质检测分析成果推断而来，埋深超过2000 m，矿区北部钻孔揭露为白色大理岩，因此，推断深部碳酸盐地下水为接触变质大理岩溶蚀裂隙水，岩溶管道水、地下暗河等岩溶地下水不发育。

隔水层：未揭穿深部碳酸盐(J-K)溶蚀裂隙含水层，岩(矿)石隔水层水文地质特征不详。

2.4 断裂构造水文地质特征

矿区构造较发育，与区域构造相一致，主要断裂构造为NW向、NE向及EW向，以NW向断裂为主[1]。

矿区内无大的地表水，顶部 UCCM 含水层富水性弱，透水性差，再加以其下为巨厚的 UCMA 隔水层，因此，矿区断裂构造总体富水性、导水性极弱—弱，局部可达中等。

NW向断裂 主要有2条，即东断裂(EF)、西断裂(WF)，两者控制矿体东、西两侧边界，平面上相距200～280 m，大致呈“地垒”式组合。① 西断裂(WF)出露于矿体西侧，地表未见，均由钻孔控制，两端延伸长度不明；走向340°～350°，走向长大于400 m，倾向NE，倾角65°～85°，局部东倾；破碎带宽3～5 m，以发育构造角砾岩、碎裂岩为特征，胶结物为泥质，较松散。断裂构造富水性、导水性极弱。② 东断裂(EF)出露于矿体东侧，地表未见，均由钻孔控制，两端延伸长度不明，走向长大于500 m，断层走向335°～350°，倾向NE，倾角65°～85°，总体呈张性特征。破碎带宽5～30 m，角砾多呈棱角—次棱角状，磨圆度较差，大小混杂，角砾成分同两侧围岩，胶结物为泥质，较松散。断裂构造富水性、导水性极弱。

NE向断裂 分布于铜金矿体南部，地表未出露，深部主要由钻孔控制，走向长度不明。在矿体东西两侧分别切割了NNW向的东断裂(EF)和西断裂(WF)。断裂走向NE75°～85°，倾向南，倾角60°～76°，为正断层，该组断裂规模较小，破碎带宽2.9～4.6 m。以发育构造破碎带为特征，破裂带由碎裂岩组成，裂隙较发育，多具不规则状，裂隙间多为岩粉充填，具高岭土化，较松散。局部为构造角砾岩，角砾成分与围岩一致，呈棱角状—次棱角状，显示为张性特征。受矿体上部 UCCM 含水层富水性弱、透水性差及 UCMA 隔水层影响，断裂构造在UA含水层之上导水性极弱，在UA含水系统内导水性弱，局部可达中等。

EW向断裂 见于矿体中部，钻孔控制较少，钻孔揭露见1～3 m的构造角砾岩、碎裂岩等，显示张性特征，胶结物多高岭土化、碳酸岩化，局部为构造角砾岩，角砾成分与围岩一致，呈棱角状—次棱角状。在 UCMA 隔水层之上导水性极弱。在UA含水系统内，受NW向断裂挤压影响，导水性极不均一，总体导水性弱，局部可达中等。

2.5 地下水补给、径流、排泄条件及矿区水文地质结构

2.5.1 硫化氢的成因分析

1)自然界中H2S的成因分类

自然界将H2S分为有机成因和无机成因两大类以及5种成因类型。有机成因包括生物降解、微生物硫酸盐还原、热化学分解、硫酸盐热化学还原；无机成因即岩浆成因：①生物降解是在腐败作用主导下形成硫化氢的过程；②微生物硫酸盐还原作用是硫酸盐还原菌利用有机质或烃类还原硫酸盐形成硫化氢的过程 (BSR)，BSR 作用需要满足三个基本条件，即硫酸盐还原菌、有机质和硫酸盐；③热化学分解作用是含硫有机化合物在热力的作用下，含硫杂环断裂形成硫化氢的过程 (TDS)；④硫酸盐热化学还原作用是硫酸盐与有机物或烃类发生作用，将硫酸盐矿物热化学还原成 H2S 和 CO2的过程 (BSR)，BSR 发生需要三大要素，即烃类、高硫酸盐含量、温度高于120℃ (也有认为150℃)；⑤岩浆成因是由地球内部S元素丰度高于地壳，通过岩浆活动使地壳深部岩石熔融或侵入产生的H2S挥发分。

2)矿区H2S气体的成因分析

矿区井巷掘进过程中，出现涌水、涌气现象。现场检测H2S气体体积分数达33×10-6，简易水文测量：水温21℃，pH值6.0，TDS约为2400 mg/L，涌水量约为40 m3/h；3天后，H2S气体基本消失，水温上升至28.5℃，pH值升至9.4，TDS降至526 mg/L，涌水量稳定在10 m3/h。查阅勘查报告资料，在勘查过程记录有6个钻孔穿透 UCMA 隔水层后，也出现大量 H2S 气体涌出现象，体积分数为(15～54)×10-6。最大气体排出量约300 L/min，1个星期后，气体体积分数均小于0.8×10-6。矿区周边两竖井施工过程中，穿透 UCMA 隔水层时，也出现过短暂的涌气现象。一度引发了H2S气体成因观点的大讨论，水文地质理论更倾向岩浆成因说。

矿区内H2S气体极不可能为生物降解、微生物硫酸盐还原、热化学分解、硫酸盐热化学还原的成因原因：①H2S气体异常区赋于400 m以下的UA含水层内，深层介质不适宜硫酸盐还原菌的生长和繁殖；② UA含水层内缺乏原生生物、有机质和烃类；③ 安山岩体内部硫酸盐含量较低；④ 矿区恒温层温度为11℃，地温梯度2.1℃/hm，预测地下400 m处的温度约19.4℃，缺乏热化学分解、硫酸盐热化学还原作用所需的温度条件；⑤水质分析成果(表2)显示，涌气时间、水中Fe2+和Cu2+含量、矿化度等要比矿区地表水、其他各含水层地下水中相关离子含量高得多，说明UA含水层是处于一个氧化环境，而非还原环境。

矿区内H2S气体系岩浆成因的依据：

矿区斜坡道涌水及相邻矿区涌水水质检测结果 (表2)，水中含有大量的硫磺 (分析认为含有H2S气体的地下水在常温下的淅出)。涌水pH值≥10，矿区最深钻孔 TC1500075 (倾角80°) 2219.0 m终孔处仍未穿透安山岩。矿区北部钻孔揭露到大理岩，推断深部碳酸盐地下水为接触变质大理岩溶蚀裂隙水。TC1500075 钻孔安装有监测器，长期监测孔内不同深度的水压及温度，1740 m最深处监测器测得的地温为46.2℃。因此，赋存于深部碳酸盐地下水内的H2S气体来自岩浆成因的可能性更大。

表2 水质分析综合统计成果

地下水的氧化作用与水中游离氧(O2)的关系极为密切，一般情况下，岩体的氧化程度随着深度的增加而减弱，因为自然条件下地下水中的游离氧(O2)含量较低，且随深度加深而逐渐减少，水中游离氧(O2)消耗后重新获得补充的条件亦随深度加深而逐渐降低[4-5]。但本矿区埋藏于400 m、1500 m之下的UA、LA含水层，其含水层内岩石的氧化程度要比上部 UCCM 含水层内的岩石氧化程度高得多 (图4、图5)。推测系赋存于大理岩溶蚀裂隙水内的H2S气体裹挟着地下水沿构造裂隙向上漂移、改善着地下水中游离氧(O2)补充条件造成。

图4 地表浅部40 m深处UCCM含水层氧化带岩心

图5 地下深部1700 m深处LA含水层氧化带岩心

H2S气体裹挟着地下水沿构造裂隙向上漂移至上部安山岩(UA)处，受其上部 UCMA隔水层阻隔，沿UA内部构造裂隙氧化、溶蚀、运移，最终也导致UA含水层内岩体的剧烈氧化及H2S气体的富集。

2.5.2 地下水补给、径流、排泄条件

本矿区内地下水的补给、径流、排泄条件，除受地形、岩性、风化作用及断裂构造等因素影响外，还受H2S气体漂移运动的影响。

UCCM 风化裂隙潜水 含水层接受大气降水、雪水的入渗补给后，沿地表分水岭向两侧径流。主要排泄途径：其一通过构造裂隙向下径流补给基岩构造裂隙水；其二在矿区外围低洼地段以下降泉的形式排出地表。

UA基岩构造裂隙水 UA基岩构造裂隙水通过构造裂隙接受其下部含有H2S气体地下水的补给后，受 UCMA 隔水层的影响主要在UA基岩构造裂隙含水层内径流，少量在H2S气体的作用下沿构造裂隙向上径流排泄。

LA基岩构造裂隙水 多赋存于构造区域，埋深较大，未穿透含水层。LA基岩构造裂隙水通过构造裂隙接受其下部 J-K 溶蚀裂隙水补给后，又通过构造裂隙向上径流、排泄，补给其上部的UA基岩构造裂隙水。

J-K溶蚀裂隙水 矿区钻孔未揭露，由涌水孔水质检测分析成果及矿区外围钻孔揭露推断而来。推测其通过构造接收远处岩溶水补给后，同样又通过构造裂隙向上径流、排泄，补给其上部的LA基岩构造裂隙水。

2.5.3 水文地质结构

地下水的补给、径流、排泄条件及水质分析成果表明，UA、LA、J-K 三含水层有共同的补给源，隶属于同一个含水系统。该含水系统与地表浅部 UCCM 含水层水位高程相差约138 m，且井下开采巷道掘进涌水排水期间，浅部 UCCM 含水层水位变化较小，说明浅部 UCCM 含水层受其下部 UCMA 隔水层影响，不属于下部 UA、LA、J-K 含水层所处的含水系统，两含水系统水力联系极弱。

因此，矿区内在纵向上自上而下构成：①UCCM 风化裂隙潜水含水层、②UCMA 隔水层、③UA 基岩构造裂隙含水层、④LA 基岩构造裂隙含水层、⑤J-K 溶蚀裂隙含水层的水文地质结构(图6)。

图6 矿区纵向含水层结构示意图(A—A′)

2.6 矿床充水因素

大气降水(含降雪) 矿区处于温带大陆性气候，降水量685 mm，年蒸发量786 mm。冬季寒冷，相对较长且降雪频繁。大气降水(含降雪)是区内地下水的主要补给来源，对矿床开采充水产生间接的影响。

地下水 ①UCCM风化裂隙潜水，在矿体之间存在巨厚的 UCMA 隔水层，故 UCCM风化裂隙潜水对矿床开采充水影响甚微；②UA基岩构造裂隙水，赋存于矿体上部，受其上部 UCMA 隔水影响，具承压水特征，为矿床开采直接充水水源；③ LA 基岩构造裂隙水，赋存于矿体下部，具承压水特征，通过构造裂隙对矿床充水，在导水断裂构造部位为矿床开采直接充水水源；④J-K 溶蚀裂隙水，赋存于矿体下部，具承压水特征，通过构造裂隙补给UA、LA 基岩构造裂隙水，为矿床开采间接充水水源。

3 矿坑涌水量预测

3.1 矿床水文地质概念模型建立

水文地质边界条件：矿床顶板虽然存在较厚的 UCMA 隔水层，但矿床顶板 UA 充水含水层及底板 LA 充水含水层补给源均来自矿床深部的 J-K 溶蚀裂隙含水层，具承压性质，仍可视为无限边界。

含水介质特征：主要充水含水层含水介质为构造裂隙及溶蚀裂隙的类型，概化为裂隙类型。

地下水动力类型：充水含水层顶、底板充水，自天然条件下地下水动力特征具承压性质。

3.2 矿坑涌水量估算

3.2.1 计算公式确定

根据概化后的地下水运动概念模型，可近似采用裘布依的稳定流基本方程，计算公式采用承压转无压完整井裘布依公式[5-6]：

(1)

式中：Q为矿坑涌水量，m3/d；K为含水层渗透系数，m/d；M为含水层厚度，m；H为水位降深，m；r0为矿坑引用半径，m；R0为矿坑引用影响半径，m。

3.2.2计算参数的确定

渗透系数K：取UA含水层抽(压)试验平均值，K=0.263 m/d；

水位高程：取UA含水层高程平均值(216 m)；

水位降深H值：水位高程与首采区高程(-120 m)的差值，H=336 m；

含水层厚度M值：矿区高程-120 m之上范围内钻孔含水层平均厚度值，M=52.1 m；

引用半径r0值：采用矿体在水平面的最大垂直投影来计算，r0=147.5 m；

3.2.3 计算结果

将上述参数代入式(1)，计算出首采区(高程-120 m)开采水平中段矿坑涌水量(表3)。

表3 矿坑涌水量估算结果

4 结论与建议

4.1 结论

1)通过比对矿区地表水、上部各含水层地下水、巷道涌水、相邻矿区涌水水化学类型特征及仔细观测地质勘查钻孔岩心照片水文地质特征，推测矿区涌水来自深部碳酸盐溶蚀裂隙水、涌气(H2S)系岩浆成因，H2S气体通过断裂构造裂隙向上漂移极大地影响着矿区地下水氧化、溶蚀、运移条件，是矿区深部地下水发育的重要影响因素。

2)矿区内在纵向上自上而下构成：UCCM 风化裂隙潜水含水层、UCMA 隔水层、UA基岩构造裂隙含水层、LA 基岩构造裂隙含水层、J-K 溶蚀裂隙含水层的水文地质结构。UCCM 含水层与 UA、LA、J-K 含水层分属于两个不同的含水系统(两含水系统水位高程相差约138 m)，含水系统间水力联系极弱。UCCM 含水层对矿床充水影响甚微，UA、LA、J-K 含水层所属含水系统内的地下水为矿床直接或间接充水水源。

3)水文地质勘探类型并非地质勘查报告“顶板直接充水的水文地质条件简单类型”，而是“矿床主要以顶板含水层充水为主，但在导水断裂构造区域顶、底板联合充水的水文地质条件中等偏复杂类型”。

4.2 建议

由于矿床充水含水层埋藏深，无法进行分层、多孔抽水试验，仅根据混合水文试验所得技术参数、采用“解析法”对首采区矿坑涌量进行了估算，加以“解析法”本身存在缺陷：将预测中段至地下水位理想化为一个完整的含水岩体，致使下部预测中段含水岩体体积远远高于实际含水岩体体积，忽略了断裂构造导水对矿坑涌水量的影响，将地下水含水介质均质化等，因此，矿坑涌水量预测结果仅供参考。

故建议在未来矿山生产建设中，做好如下防治水工作：

1)建立完善矿井水文地质基础资料和图件，按照《金属非金属矿册安全规程》制定防治水方案，划分出受断裂构造导水影响可能出现底板突水的危险区域，实施重点防护。

2)建立各类水文地质台帐资料，用上一中段实测矿坑排水量数据，实时校核下一开采中段的矿坑涌水量预测数据，以指导矿山井下排水工程设计。

3)采矿过程必须坚持“有异必探、先探后掘、先探后采、先治后采”的原则。遇到断层、破碎带或富水带时，要打超前探水孔或预先疏干，以防突水的危害。