林碧美

(广东省核工业地质局二九二大队,广东河源 517001)

粤东北某铀矿床矿坑涌水量预测方法研究

林碧美

(广东省核工业地质局二九二大队,广东河源 517001)

介绍某铀矿床各含水层的特征,分析矿坑充水因素,深入探讨前人矿坑涌水量预测中存在的问题。通过研究RQD与深度的关系及RQD与渗透系数的关系,对水文地质比拟法预测矿坑涌水量的公式进行修正,并建立了适合该矿床矿坑涌水量预测的水文地质比拟法。

铀矿床;RQD;矿坑涌水量

0 引言

正确预测矿坑涌水量是矿区水文地质工作的核心问题之一,它是矿山建设设计部门制定疏干措施的主要依据。预测结果正确与否,直接关系到矿井能否安全、正常地生产。有的矿坑投入生产后的实际涌水量超过勘探报告预测值的数百倍之多,迫使建成的开拓井巷搁置起来,不敢开采;有的本来可以开采的矿山(段),却因为预测的涌水量过大,而错误地被放弃。正确预测矿坑涌水量的核心是查明水文地质条件和选用合适的预测方法。目前,中国常用的矿坑涌水量预测方法主要有水文地质比拟法、水均衡法、解析法和数值模拟法[1-3]。本文以粤东北某铀矿床为例,通过对其水文地质条件分析,利用不同深度岩石的RQD,探索地对水文地质比拟法进行修正,建立适合该矿床的矿坑涌水量预测方法。

1 区域及矿床地质特征

1.1 区域地质概况

研究区位于仁差盆地南段麻楼逆冲推覆构造带东段,基底由寒武、泥盆、石炭系浅变质岩和燕山早期花岗岩组成。盖层主要由上白垩统火山岩组成,其次为古近系沉积岩。地层产状平缓,倾角10°～15°,为开阔的箕状向斜盆地。仁差盆地断裂构造十分发育,以NNE向组为主,次为EW向和NWW向组。鹧鸪隆断裂、猪麻坝断裂及麻楼断裂规模较大,活动强烈,形成大的硅化带、破碎角砾岩带,具长期性和继承性,为控盆、控岩、控矿构造。中生代以来,岩浆活动频繁,早期形成了仁差盆地东部的大神坝花岗岩岩体及盆地西部的桂坑花岗岩体晚期形成了厚达2 000余米的火山熔岩、火山碎屑岩,至晚白垩世末火山活动尾声有次流纹斑岩、花岗斑岩、辉绿岩及闪长岩侵入。

1.2 矿床地质

矿床位于主产矿岩体—次流纹岩体中段。岩体呈狭长的带状、岩墙状产出,上界面产状平直,下界面呈不规则锯齿状或舌状体隐伏于地下。岩体东段、中段出露高,剥蚀深,分相明显;西段则出露低,有顶盖相及上覆岩层保留,自东向西侧伏。岩石呈灰紫色,多斑结构,流纹状构造。斑晶主要为钾长石(正长石、透长石)、石英,其次还有少量斜长石、黑云母,基质为长英质,副矿物有锆石、磁铁矿、磷灰石、金红石、白铁矿等。次流纹斑岩按长石斑晶大小划分为边缘相、过渡相、中间相,矿床大部分集中于次流纹斑岩体上界边缘相—过渡相,即细斑、中斑状次流纹斑岩中。矿床内构造按产状、规模分为两组,即NWW向和NNE向组,晚期构造活动不强烈,对矿体完整连续性无明显破坏作用。矿石矿物主要为沥青铀矿,含铀量均在3.0×10-6～12.4×10-6之间,伴生矿物为赤铁矿、软锰矿、硬锰矿、黄铜矿、方铅矿、闪锌矿等。

2 矿床水文地质条件

2.1 含水层特征

该铀矿床水文地质条件较简单,矿区岩层有次流纹斑岩、寒武系变质岩、泥盆系石英砂岩、辉绿岩,除泥盆系石英砂岩及次流纹斑岩含水性较好外,其它岩层较差。

(1)次流纹斑岩 岩体含水性主要受构造或裂隙影响,构造或裂隙发育的地方含水性强,为矿区主含水层。经斜井及坑道证实,岩体有不均匀的滴水点,但滴水强度一般较小,为数秒至数分钟一滴。因有部分风化裂隙水渗入,浅部岩石含水性比深部略好。

(2)寒武系变质岩 岩石片理发育,为软弱岩层,透水性极差,不含水,可视为隔水层。极个别破碎带中见微弱滴水点出露。

(3)泥盆系石英砂岩 岩石坚硬致密,性脆,裂隙发育,多为无充填物的张裂隙,为含水层。含水性好,分布较为均匀。滴水点分布较多,与次流纹斑岩共同构成了矿区的主含水层。

(4)辉绿岩 主要为橄榄辉绿岩含水,岩石坚硬,性脆,碳酸盐细脉发育。含水与岩石破碎程度有关,岩石破碎时,碳酸盐细脉及微裂隙发育,则水从微裂隙渗出,多呈潮湿及不均匀滴水状态,可视为隔水层。

2.2 构造含水性特征

大构造含水性非常差,极个别构造及裂隙微弱含水。构造规模均较小,为小裂隙发育。构造及裂隙含水性、渗透性均很差,仅F8含水、透水性较好,其他构造及裂隙多数为干燥状或微弱含水。

2.3 矿坑涌水量影响因素分析

(1)降雨 大气降水为该矿床地下水的主要补给来源,钻孔的水位和已掘斜井、坑道均表明地下水水位随降雨情况而发生变化。图1为斜井XJ-1观测流量与降雨量关系图,很好地显示了降雨对矿坑涌水量的影响,表明矿坑涌水量随降雨量的增加而增加,特别是降雨持续时间越长对矿坑涌水影响越大,但在影响时间上一般滞后3～5 d。同时,通过长期观测(斜井、坑道)还表明:随着矿井深度的增加,降雨影响幅度明显递减。

图1 斜井XJ-1观测流量与降雨量关系图Fig.1 The relation map about observation discharge of inclined shaft XJ-1 and rainfall

(2)构造 区内地下水主要赋存于构造和次一级裂隙中,为大气降水补给地下水提供了通道。但由于构造规模小,且为压扭性,多充填晚期物质(构造泥、高岭土等),透水性差。

(3)河流 矿床附近分布有两条溪流,流量小,总平均流量0.186 t/s。根据对钻孔地质编录、坑道和斜井的长期观测,表明河流无法直接补给矿体范围内的地下水,无直接的水力联系。

综上所述,降雨是未来矿坑涌水的主要影响因素,构造和次一级裂隙是降雨入渗的主要通道,地表河流可沿构造及裂隙入渗补给地下水,但因补给强度不大无法对矿坑涌水形成威胁。

3 比拟法预测矿坑涌水量

有关文献将坑探工程誉为直接观察矿床含水层及工程地质特征的“窗口”[4],因其能直接观察到含水层的厚度、涌水量及其在水平和垂直方向上的变化。因此,通过坑探工程往往能对矿床充水特征做出准确的评价。特别是以小构造和裂隙为雨水下渗主要通道的地区,此类地区,其渗透系数在各方向上差别很大,利用抽水试验数据来预测矿坑涌水量难以取得准确数据,应尽量取得坑探工程的水文地质条件参数。基于以上原因,本文利用坑探工程实测参数进行矿坑涌水量预测,现选取381.5 m标高的坑道KD-1、KD-2的实测数据,采用水文地质比拟法对280 m标高主要矿体所在位置进行矿坑涌水量预测。

在280 m标高处已施工一斜井(水位降深117.77 m)作为验证工程,为与斜井实测数据相比较,假设预测开采面积为3 641.65 m2(斜井的实际开采面积)。计算公式如下:

将表1数据代入式(1):

经长期观察,施工斜井的实际最大涌水量为58.432 t/d,计算预测值为207.35 t/d,两者相差3.5倍。预测值与实测值相差如此之大,说明直接利用比拟法对矿坑涌水量进行预测其结果不可靠,应对该公式进行修正。因研究区矿坑涌水的补给源为降雨,且小构造和裂隙为雨水下渗主要通道,笔者认为造成此种结果的原因主要为忽视了渗透系数随深度变化这一重要规律。为此,本文利用极易获取的RQD(岩石质量指标)资料探讨渗透系数随深度变化的规律,进而建立适合本地区的水文地质比拟法矿坑涌水量预测公式。

表1 坑道实测数据Table 1 Observation datas of tunnel

4 利用RQD预测矿坑涌水量

4.1 利用RQD与平均渗透系数关系

RQD是指岩石质量指标,其定义为长度>10 cm的柱状岩心长度与本回次进尺的百分比。研究表明RQD及渗透系数,在同一深度均具有很大离散性,同一深度范围内RQD可以从0变化到100%,渗透系数的变化也有2～3个数量级。但是,也表现出了一定的规律性。随着深度的增加,RQD越来越多的数据集中于100%附近,在渗透系数与深度散点图上,渗透系数趋于减小。图1显示,深度>10 m以上,渗透系数均值随深度的减小非常明显,RQD均值随深度的增加也非常明显。该规律的成因是结构面频率随深度的减小,会引起RQD整体上随深度增加和渗透系数整体上随深度减小。在图1不同深度RQD均值的基础上,拟合了11～80 m范围内RQD和深度(h)的关系[5],可得:

图2给出了研究人员根据渗透系数均值和RQD均值的散点图及拟合曲线。发现渗透系数均值与RQD均值有如下关系公式(见图3):

将式(2)、(3)联合可得平均渗透系数与深度的关系(见图3):

4.2 比拟法公式的修正

平均渗透系数与深度(可转换为水位降深)的关系,已经通过RQD与深度的关系间接确定。假设式(1)的修正系数为α,则公式为:

再次假设α只和K有关,即α=K/K1。那么不同深度矿坑涌水量的公式为:

图2 RQD与平均渗透系数随深度变化图Fig.2 Map ofRQDand average per meability coefficient changingwith depth

图3 RQD与K关系拟合图Fig.3 The relation map ofRQDandK

式中:S为预测处水位降深;S0为已知坑探工程的水位降深。

利用新建立的修正公式(6),对不同深度的矿坑涌水量进行预测,为便于比较,预测区设计面积均假设为3 641.65 m2,其他数据可见表1。

表2 矿坑涌水量预测结果Table 2 Result ofwater yield prediction ofmine

280 m标高处(水位降深117.77 m)施工斜井经长期观测,实际最大涌水量为58.432 t/d,从表2可知,利用修正后的比拟法计算得其最大涌水量为43.52 t/d,结果与实际值很接近,相对误差为26%。可见修正后的公式更可靠,比未作修正的公式更适用于研究区。

5 结论

(1)研究区铀矿床水文地质条件较简单,矿区岩层中泥盆系石英砂岩及次流纹斑岩含水性较好。

(2)大气降水为该矿床地下水的主要补给来源,矿坑涌水量随降雨量的增加而增加,特别是降雨持续时间越长对矿坑涌水影响越大,雨水下渗的主要通道为小构造和裂隙。

(3)计算得知,直接利用水文地质比拟法对矿坑涌水量进行预测其结果不可靠。通过研究RQD与深度的关系及RQD与渗透系数的关系,对水文地质比拟法预测矿坑涌水量的公式进行了修正,结果表明修正后的公式可靠,比未作修正的公式更适用于研究区。

[1] 刘喜信,荆龙华.矿坑涌水量的计算方法[J].黑龙江科技学院学报,2005,15(02):147-150.

[2] 赵海清,李向国,李学勤.矿坑涌水量分析[J].西部探矿工程,2006,18(01):89-90.

[3] 黄卓广,黄钟焕,黄梅新.比拟法在矿区矿坑涌水量预测应用实例[J].西部探矿工程,2006,119(03):93-94.

[4] 薛孝先.铀矿床水文地质勘探论文集[C].北京:原子能出版社,1994:116-121.

[5] 蒋小伟,万力,等.利用RQD估算岩体不同深度的平均渗透系数和平均变形模量[J].岩土力学,2009,30(10):3 163-3 166.

(责任编辑:潘 潇)

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,助理工程师,硕士,水文地质专业,从事矿产水文地质、工程水文地质工作。E-mail:lbmaniu@163.com