林碧美

(廣東省核工業(yè)地質(zhì)局二九二大隊(duì),廣東河源 517001)

粵東北某鈾礦床礦坑涌水量預(yù)測(cè)方法研究

林碧美

(廣東省核工業(yè)地質(zhì)局二九二大隊(duì),廣東河源 517001)

介紹某鈾礦床各含水層的特征,分析礦坑充水因素,深入探討前人礦坑涌水量預(yù)測(cè)中存在的問(wèn)題。通過(guò)研究RQD與深度的關(guān)系及RQD與滲透系數(shù)的關(guān)系,對(duì)水文地質(zhì)比擬法預(yù)測(cè)礦坑涌水量的公式進(jìn)行修正,并建立了適合該礦床礦坑涌水量預(yù)測(cè)的水文地質(zhì)比擬法。

鈾礦床;RQD;礦坑涌水量

0 引言

正確預(yù)測(cè)礦坑涌水量是礦區(qū)水文地質(zhì)工作的核心問(wèn)題之一,它是礦山建設(shè)設(shè)計(jì)部門制定疏干措施的主要依據(jù)。預(yù)測(cè)結(jié)果正確與否,直接關(guān)系到礦井能否安全、正常地生產(chǎn)。有的礦坑投入生產(chǎn)后的實(shí)際涌水量超過(guò)勘探報(bào)告預(yù)測(cè)值的數(shù)百倍之多,迫使建成的開(kāi)拓井巷擱置起來(lái),不敢開(kāi)采;有的本來(lái)可以開(kāi)采的礦山(段),卻因?yàn)轭A(yù)測(cè)的涌水量過(guò)大,而錯(cuò)誤地被放棄。正確預(yù)測(cè)礦坑涌水量的核心是查明水文地質(zhì)條件和選用合適的預(yù)測(cè)方法。目前,中國(guó)常用的礦坑涌水量預(yù)測(cè)方法主要有水文地質(zhì)比擬法、水均衡法、解析法和數(shù)值模擬法[1-3]。本文以粵東北某鈾礦床為例,通過(guò)對(duì)其水文地質(zhì)條件分析,利用不同深度巖石的RQD,探索地對(duì)水文地質(zhì)比擬法進(jìn)行修正,建立適合該礦床的礦坑涌水量預(yù)測(cè)方法。

1 區(qū)域及礦床地質(zhì)特征

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于仁差盆地南段麻樓逆沖推覆構(gòu)造帶東段,基底由寒武、泥盆、石炭系淺變質(zhì)巖和燕山早期花崗巖組成。蓋層主要由上白堊統(tǒng)火山巖組成,其次為古近系沉積巖。地層產(chǎn)狀平緩,傾角10°～15°,為開(kāi)闊的箕狀向斜盆地。仁差盆地?cái)嗔褬?gòu)造十分發(fā)育,以NNE向組為主,次為EW向和NWW向組。鷓鴣隆斷裂、豬麻壩斷裂及麻樓斷裂規(guī)模較大,活動(dòng)強(qiáng)烈,形成大的硅化帶、破碎角礫巖帶,具長(zhǎng)期性和繼承性,為控盆、控巖、控礦構(gòu)造。中生代以來(lái),巖漿活動(dòng)頻繁,早期形成了仁差盆地東部的大神壩花崗巖巖體及盆地西部的桂坑花崗巖體晚期形成了厚達(dá)2 000余米的火山熔巖、火山碎屑巖,至晚白堊世末火山活動(dòng)尾聲有次流紋斑巖、花崗斑巖、輝綠巖及閃長(zhǎng)巖侵入。

1.2 礦床地質(zhì)

礦床位于主產(chǎn)礦巖體—次流紋巖體中段。巖體呈狹長(zhǎng)的帶狀、巖墻狀產(chǎn)出,上界面產(chǎn)狀平直,下界面呈不規(guī)則鋸齒狀或舌狀體隱伏于地下。巖體東段、中段出露高,剝蝕深,分相明顯;西段則出露低,有頂蓋相及上覆巖層保留,自東向西側(cè)伏。巖石呈灰紫色,多斑結(jié)構(gòu),流紋狀構(gòu)造。斑晶主要為鉀長(zhǎng)石(正長(zhǎng)石、透長(zhǎng)石)、石英,其次還有少量斜長(zhǎng)石、黑云母,基質(zhì)為長(zhǎng)英質(zhì),副礦物有鋯石、磁鐵礦、磷灰石、金紅石、白鐵礦等。次流紋斑巖按長(zhǎng)石斑晶大小劃分為邊緣相、過(guò)渡相、中間相,礦床大部分集中于次流紋斑巖體上界邊緣相—過(guò)渡相,即細(xì)斑、中斑狀次流紋斑巖中。礦床內(nèi)構(gòu)造按產(chǎn)狀、規(guī)模分為兩組,即NWW向和NNE向組,晚期構(gòu)造活動(dòng)不強(qiáng)烈,對(duì)礦體完整連續(xù)性無(wú)明顯破壞作用。礦石礦物主要為瀝青鈾礦,含鈾量均在3.0×10-6～12.4×10-6之間,伴生礦物為赤鐵礦、軟錳礦、硬錳礦、黃銅礦、方鉛礦、閃鋅礦等。

2 礦床水文地質(zhì)條件

2.1 含水層特征

該鈾礦床水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單,礦區(qū)巖層有次流紋斑巖、寒武系變質(zhì)巖、泥盆系石英砂巖、輝綠巖,除泥盆系石英砂巖及次流紋斑巖含水性較好外,其它巖層較差。

(1)次流紋斑巖 巖體含水性主要受構(gòu)造或裂隙影響,構(gòu)造或裂隙發(fā)育的地方含水性強(qiáng),為礦區(qū)主含水層。經(jīng)斜井及坑道證實(shí),巖體有不均勻的滴水點(diǎn),但滴水強(qiáng)度一般較小,為數(shù)秒至數(shù)分鐘一滴。因有部分風(fēng)化裂隙水滲入,淺部巖石含水性比深部略好。

(2)寒武系變質(zhì)巖 巖石片理發(fā)育,為軟弱巖層,透水性極差,不含水,可視為隔水層。極個(gè)別破碎帶中見(jiàn)微弱滴水點(diǎn)出露。

(3)泥盆系石英砂巖 巖石堅(jiān)硬致密,性脆,裂隙發(fā)育,多為無(wú)充填物的張裂隙,為含水層。含水性好,分布較為均勻。滴水點(diǎn)分布較多,與次流紋斑巖共同構(gòu)成了礦區(qū)的主含水層。

(4)輝綠巖 主要為橄欖輝綠巖含水,巖石堅(jiān)硬,性脆,碳酸鹽細(xì)脈發(fā)育。含水與巖石破碎程度有關(guān),巖石破碎時(shí),碳酸鹽細(xì)脈及微裂隙發(fā)育,則水從微裂隙滲出,多呈潮濕及不均勻滴水狀態(tài),可視為隔水層。

2.2 構(gòu)造含水性特征

大構(gòu)造含水性非常差,極個(gè)別構(gòu)造及裂隙微弱含水。構(gòu)造規(guī)模均較小,為小裂隙發(fā)育。構(gòu)造及裂隙含水性、滲透性均很差,僅F8含水、透水性較好,其他構(gòu)造及裂隙多數(shù)為干燥狀或微弱含水。

2.3 礦坑涌水量影響因素分析

(1)降雨 大氣降水為該礦床地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源,鉆孔的水位和已掘斜井、坑道均表明地下水水位隨降雨情況而發(fā)生變化。圖1為斜井XJ-1觀測(cè)流量與降雨量關(guān)系圖,很好地顯示了降雨對(duì)礦坑涌水量的影響,表明礦坑涌水量隨降雨量的增加而增加,特別是降雨持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)對(duì)礦坑涌水影響越大,但在影響時(shí)間上一般滯后3～5 d。同時(shí),通過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)(斜井、坑道)還表明:隨著礦井深度的增加,降雨影響幅度明顯遞減。

圖1 斜井XJ-1觀測(cè)流量與降雨量關(guān)系圖Fig.1 The relation map about observation discharge of inclined shaft XJ-1 and rainfall

(2)構(gòu)造 區(qū)內(nèi)地下水主要賦存于構(gòu)造和次一級(jí)裂隙中,為大氣降水補(bǔ)給地下水提供了通道。但由于構(gòu)造規(guī)模小,且為壓扭性,多充填晚期物質(zhì)(構(gòu)造泥、高嶺土等),透水性差。

(3)河流 礦床附近分布有兩條溪流,流量小,總平均流量0.186 t/s。根據(jù)對(duì)鉆孔地質(zhì)編錄、坑道和斜井的長(zhǎng)期觀測(cè),表明河流無(wú)法直接補(bǔ)給礦體范圍內(nèi)的地下水,無(wú)直接的水力聯(lián)系。

綜上所述,降雨是未來(lái)礦坑涌水的主要影響因素,構(gòu)造和次一級(jí)裂隙是降雨入滲的主要通道,地表河流可沿構(gòu)造及裂隙入滲補(bǔ)給地下水,但因補(bǔ)給強(qiáng)度不大無(wú)法對(duì)礦坑涌水形成威脅。

3 比擬法預(yù)測(cè)礦坑涌水量

有關(guān)文獻(xiàn)將坑探工程譽(yù)為直接觀察礦床含水層及工程地質(zhì)特征的“窗口”[4],因其能直接觀察到含水層的厚度、涌水量及其在水平和垂直方向上的變化。因此,通過(guò)坑探工程往往能對(duì)礦床充水特征做出準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。特別是以小構(gòu)造和裂隙為雨水下滲主要通道的地區(qū),此類地區(qū),其滲透系數(shù)在各方向上差別很大,利用抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)礦坑涌水量難以取得準(zhǔn)確數(shù)據(jù),應(yīng)盡量取得坑探工程的水文地質(zhì)條件參數(shù)?；谝陨显?本文利用坑探工程實(shí)測(cè)參數(shù)進(jìn)行礦坑涌水量預(yù)測(cè),現(xiàn)選取381.5 m標(biāo)高的坑道KD-1、KD-2的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),采用水文地質(zhì)比擬法對(duì)280 m標(biāo)高主要礦體所在位置進(jìn)行礦坑涌水量預(yù)測(cè)。

在280 m標(biāo)高處已施工一斜井(水位降深117.77 m)作為驗(yàn)證工程,為與斜井實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比較,假設(shè)預(yù)測(cè)開(kāi)采面積為3 641.65 m2(斜井的實(shí)際開(kāi)采面積)。計(jì)算公式如下:

將表1數(shù)據(jù)代入式(1):

經(jīng)長(zhǎng)期觀察,施工斜井的實(shí)際最大涌水量為58.432 t/d,計(jì)算預(yù)測(cè)值為207.35 t/d,兩者相差3.5倍。預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相差如此之大,說(shuō)明直接利用比擬法對(duì)礦坑涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)其結(jié)果不可靠,應(yīng)對(duì)該公式進(jìn)行修正。因研究區(qū)礦坑涌水的補(bǔ)給源為降雨,且小構(gòu)造和裂隙為雨水下滲主要通道,筆者認(rèn)為造成此種結(jié)果的原因主要為忽視了滲透系數(shù)隨深度變化這一重要規(guī)律。為此,本文利用極易獲取的RQD(巖石質(zhì)量指標(biāo))資料探討滲透系數(shù)隨深度變化的規(guī)律,進(jìn)而建立適合本地區(qū)的水文地質(zhì)比擬法礦坑涌水量預(yù)測(cè)公式。

表1 坑道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Table 1 Observation datas of tunnel

4 利用RQD預(yù)測(cè)礦坑涌水量

4.1 利用RQD與平均滲透系數(shù)關(guān)系

RQD是指巖石質(zhì)量指標(biāo),其定義為長(zhǎng)度>10 cm的柱狀巖心長(zhǎng)度與本回次進(jìn)尺的百分比。研究表明RQD及滲透系數(shù),在同一深度均具有很大離散性,同一深度范圍內(nèi)RQD可以從0變化到100%,滲透系數(shù)的變化也有2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。但是,也表現(xiàn)出了一定的規(guī)律性。隨著深度的增加,RQD越來(lái)越多的數(shù)據(jù)集中于100%附近,在滲透系數(shù)與深度散點(diǎn)圖上,滲透系數(shù)趨于減小。圖1顯示,深度>10 m以上,滲透系數(shù)均值隨深度的減小非常明顯,RQD均值隨深度的增加也非常明顯。該規(guī)律的成因是結(jié)構(gòu)面頻率隨深度的減小,會(huì)引起RQD整體上隨深度增加和滲透系數(shù)整體上隨深度減小。在圖1不同深度RQD均值的基礎(chǔ)上,擬合了11～80 m范圍內(nèi)RQD和深度(h)的關(guān)系[5],可得:

圖2給出了研究人員根據(jù)滲透系數(shù)均值和RQD均值的散點(diǎn)圖及擬合曲線。發(fā)現(xiàn)滲透系數(shù)均值與RQD均值有如下關(guān)系公式(見(jiàn)圖3):

將式(2)、(3)聯(lián)合可得平均滲透系數(shù)與深度的關(guān)系(見(jiàn)圖3):

4.2 比擬法公式的修正

平均滲透系數(shù)與深度(可轉(zhuǎn)換為水位降深)的關(guān)系,已經(jīng)通過(guò)RQD與深度的關(guān)系間接確定。假設(shè)式(1)的修正系數(shù)為α,則公式為:

再次假設(shè)α只和K有關(guān),即α=K/K1。那么不同深度礦坑涌水量的公式為:

圖2 RQD與平均滲透系數(shù)隨深度變化圖Fig.2 Map ofRQDand average per meability coefficient changingwith depth

圖3 RQD與K關(guān)系擬合圖Fig.3 The relation map ofRQDandK

式中:S為預(yù)測(cè)處水位降深;S0為已知坑探工程的水位降深。

利用新建立的修正公式(6),對(duì)不同深度的礦坑涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè),為便于比較,預(yù)測(cè)區(qū)設(shè)計(jì)面積均假設(shè)為3 641.65 m2,其他數(shù)據(jù)可見(jiàn)表1。

表2 礦坑涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果Table 2 Result ofwater yield prediction ofmine

280 m標(biāo)高處(水位降深117.77 m)施工斜井經(jīng)長(zhǎng)期觀測(cè),實(shí)際最大涌水量為58.432 t/d,從表2可知,利用修正后的比擬法計(jì)算得其最大涌水量為43.52 t/d,結(jié)果與實(shí)際值很接近,相對(duì)誤差為26%?？梢?jiàn)修正后的公式更可靠,比未作修正的公式更適用于研究區(qū)。

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)鈾礦床水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單,礦區(qū)巖層中泥盆系石英砂巖及次流紋斑巖含水性較好。

(2)大氣降水為該礦床地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源,礦坑涌水量隨降雨量的增加而增加,特別是降雨持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)對(duì)礦坑涌水影響越大,雨水下滲的主要通道為小構(gòu)造和裂隙。

(3)計(jì)算得知,直接利用水文地質(zhì)比擬法對(duì)礦坑涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)其結(jié)果不可靠。通過(guò)研究RQD與深度的關(guān)系及RQD與滲透系數(shù)的關(guān)系,對(duì)水文地質(zhì)比擬法預(yù)測(cè)礦坑涌水量的公式進(jìn)行了修正,結(jié)果表明修正后的公式可靠,比未作修正的公式更適用于研究區(qū)。

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(責(zé)任編輯:潘 瀟)

Research of Water Yield Prediction of Mine about a Uran ium Deposit in Northeast of Guangdong Province

LIN Bimei
(The292th B ridage,Guangdong Nuclear Industry Geological Bureau,Heyuan,Guangdong517001)

This paper Introduces characteristics of the aquifer about a uranium deposit and analyzes the factors of water filling.It also researches on the existing problems of water yield prediction of mine.Based on studying the relationship betweenRQDand depth,RQDand permeability coefficient,the author revises the formula of water yield of mine which predicted by the hydrogeological analogue method in order to suit for this deposit.

uranium deposit;RQD;water yield ofmine

P641.4+1;P619.14

A

1671-1211(2010)03-0293-04

2010-05-19;改回日期:2010-06-02

林碧美(1981-),男,助理工程師,碩士,水文地質(zhì)專業(yè),從事礦產(chǎn)水文地質(zhì)、工程水文地質(zhì)工作。E-mail:lbmaniu@163.com