ME  >> Vol. 7 No. 2 (April 2019)

    三山岛金矿水文地质条件分析
    Analysis of Hydrogeological Conditions of Sanshandao Gold Mine

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作者:  

王元魁:山东黄金矿业(莱州)有限公司三山岛金矿运营管理部,山东 莱州

关键词:
水文地质构造涌水量防治水Hydrogeology Structure Water Inflow Water Control

摘要:

三山岛金矿是全国第一个海底金矿,相对其他矿山而言,水文地质研究显得尤为重要,本文从构造、基岩等各个方面对三山岛金矿的水文地质条件进行研究。总结出井下涌水量情况、含水层特点、井下水来源补给情况以及防治水的措施等。

Sanshandao gold deposit is the first submarine gold deposit in China. Compared with other mines, hydrogeological research is particularly important. This paper studies the hydrogeological condi-tions of Sanshandao gold deposit from the aspects of structure, bedrock and so on. This paper summarizes the situation of underground water inflow, the characteristics of aquifer, the supply situation of underground water source and the measures to prevent and control water.

1. 自然地理概况 [1]

矿区位于北、南、西三面环海东南与陆地相连的“舌”状岛屿上。岛内有相连的三个山包,最高点为67.14米,矿体埋藏于三个山包东南侧的山脚下。统观区内地形,南高、北低,东高、西低,略向北西倾斜,地面标高1~6米。

矿区西南约6公里的仓上北西近海处,地面隆起,标高30米;东北侧十几公里的海上山包,标高22米;东南侧4公里的单山,标高41.8米。

王河是区内唯一间歇性河流,源于莱州市东南大泽山白云洞水库,河长48公里,流域面积376平方公里,经矿区南侧入渤海。河流干枯期较长,夏季连续水流不超过10天。

区内属暖温带东亚季风区大陆性气候。夏季以东南风为主,冬季多西北风。据莱州市气象站1959~1989年31年的气象资料统计:年平均气温12.5℃,最高38.9℃,最低−17℃;年平均降水量595.77毫米,最大1204.8毫米,最小313.8毫米,降雨多集中在7~9月份,占全年降雨的60%以上,最长连续降雨日数为4天,降水208.8毫米;年最大蒸发度2379毫米,最小1779.2毫米;平均相对湿度63.87%;区域性最大积雪深度200毫米;最大冻土深度680毫米,解冻期为2月下旬至3月上旬。百年一遇海啸侵袭标高为3.95米。

2. 地层及构造

2.1. 地层

区内出露地层主要是第四系冲洪积砂砾石、粘质砂土和海积砂,最大厚度50米,伏于该层之下的太古界胶东群岩性为:斜长角闪岩、黑云母片岩、黑云母变粒岩。地层总体走向北东–南西向,倾向南东。山包上出露的为燕山期花岗岩。

2.2. 构造

矿区构造形迹主要有北东向及北西向两组,其中走向40˚、倾向南东、倾角45˚的F1断裂和走向20˚的F2断裂,还有本次调查新发现的北西向的F3断裂,F3断裂:总体走向325˚~335˚、倾角较陡,均在85˚以上,在倾向上呈舒缓波状,时而倾向北东,时而倾向南西。

3. 构造对水文地质、工程地质条件的控制 [2]

构造不仅控制着金矿的成生,同时也严格控制水文地质、工程地质条件。F1主断裂属压扭性质,挤压带岩石紧密,中心部位稳定分布15~30厘米的断层泥,具有阻水性。F3、F4、F5三条北西向断裂经历了扭、张、张扭的破坏,造成沿北西向断裂带张性裂隙发育,充填程度差,导水性能强的特点,形成一条北西–南东方向的带状强含水带,这条带状强含水带是矿床充水的主要威胁。其它方向的裂隙,对不同块段的地下水起着勾通作用。三条北西向断裂横跨各条巷道,松散的破碎带给巷道开拓带来了隐患。

4. 含水层(带、块段)、隔水层及其特征

区内可分第四系含水层、隔水层和基岩含水带(块带),其富水、隔水特征如下。

4.1. 第四系孔隙含水层

除三个山包外,第四系广泛分布,从山脚向东南逐渐变厚,最厚50米,岩性可分四层,自上而下,一、三层为含水层;二、四层为隔水层。

第一含水层主要为中、粗砂,局部有细砂、砾石,向下有机质增多,含贝壳、海螺及灰色泥质物,厚度3.50~17.09米,平均厚9.93米,含孔隙潜水,因泥质物不均,富水性各异。

第二含水层(承压水)为中、粗砂,埋藏在棕黄色粘质砂土和含钙质结核的砂质粘土、粘质砂土之下,分布于32 (1660)线以东、40 (1900)线7孔以南和20 (1300)线16孔西南,该层不连续,24 (1420)~32 (1660)线缺失,含水层岩性为中、粗砂,厚度3~4米,最大11.90米,最小0.50米,水质类型Cl SO 4 2 ∙ - Na+∙Mg2+型,矿化度60 (2500)线47.7克/升,40 (1900)线22.4克/升,接受南部基岩裂隙水及第一含水层、海水补给。

4.2. 基岩含水带(块段)

基岩含水带(块段)是研究矿区水文地质条件的重点。

区内基岩主要有太古界胶东群的斜长角闪岩、黑云母片岩、黑云母变粒岩和燕山期花岗岩,除三个山包出露的花岗岩外,其余全被0~50米的第四系覆盖。

受构造的影响,致密、坚硬的岩石产生裂隙或破碎,从而为地下水的储存和运移开辟了空间。在不同部位,岩石受力不均一,所产生的裂隙或破碎程度亦不均匀,致使富水性和地下水的运移复杂化,形成了含水不均的脉状裂隙水。这种裂隙水的存在,在平面上受断裂走向及断裂带宽度所控制,在剖面上将随断裂的倾向及发育深度而变化。根据F1主断裂的阻水性质,可将本区地下水分为F1断裂下盘水和上盘水。由于F3、F4、F5三条北西向断裂的破坏,F1断裂上、下盘各自的富水性并不均匀。因此,按富水程度将F1断裂下盘分为强含水带(I)、中等含水块段(II)和不含水块段(III);将F1断裂上盘分为弱含水带(IV)和极弱含水块段(V)。分述如下。

4.2.1. F1断裂下盘含水带(块段) [3]

I带——强含水带:位于F1主断裂下盘(北西侧)的34 (1720)~36 (1780)勘探线之间(F3断裂影响带)和40 (1900)~42 (1960)线之间(F4、F5两断裂间)。这两条北西–南东展布的带状块段合称I带。

此带北西端基岩出露地表并延至渤海,向南东呈45˚斜面被埋藏于F1主断裂之下(F1主断裂倾角45˚),带宽120~130 m,北西端略宽。含水带厚度依从F3、F4、F5三条断裂的发育深度,现尚未查明。含水带岩性为花岗岩、蚀变花岗岩、绢英岩化花岗岩、绢英岩等。岩石裂隙发育且为开型,裂隙面有铁质沉淀,有密集的流失孔。钻孔单位涌水量最大1.0629升/秒∙米。

在同一带内,富水性并不均一,如40 (1900)/ZK7孔单位涌水量0.1436升/秒∙米,而40 (1900)/ZK59孔的单位涌水量1.0629升/秒∙米,坑道内涌水点多集中在北西向断裂面及北西向裂隙,远离断裂面涌水点则少。就是同一断裂的不同部位,随其断裂开启程度不同,涌水量也不相同。如−240 m巷道F4断裂处,巷道北西侧断裂面有泥质物、糜棱岩等充填,故无涌水现象,而南东壁断裂面呈开启型或仅有很疏松的角砾充填,巷道开拓时曾涌水。又如各巷道开拓至F3断裂时,涌水量也不相同(见表1)。

Table 1. Water inflow at the opening F3 fault in each middle section

表1. 各中段开拓F3断层处涌水量

II块段——中等含水块段:位于42 (1960)线北东、F1断裂下盘和I带所夹部分块段。北西端局部基岩裸露并延伸渤海,向南东隐伏于F1断裂之下,顶面呈45˚斜面延伸。主要岩性为花岗岩、蚀变花岗岩、绢英岩化花岗岩、绢英岩等。裂隙面黄铁矿明显,局部有开口裂隙及不连续的流失孔。坑道内观察,北西、北东东向裂隙均有,但其规模、数量远不如I带,涌水点、涌水量也少。钻孔抽水单位涌水量为0.0463升/秒∙米。

III块段——不含水块段:位于34 (1720)线南西、F1断裂下盘。北西端岩石出露地表并伸向渤海,其余地区隐伏于第四系或F1断裂之下;向南东也是呈45˚角斜下延伸。主要岩性有花岗岩、蚀变花岗岩、绢英岩化花岗岩、绢英岩等。岩石裂隙不发育,偶遇裂隙也多为闭型或被泥质硅质充填,钻孔单位涌水量为0.0092升/秒∙米。已开拓的巷道均较干燥,仅局部见滴水、渗水现象,故将此块段视为无水块段。

4.2.2. F1断裂上盘含水带(块段)

IV带——弱含水带:位于F1断裂上盘(南东侧) 34 (1720)~36 (1780)线之间(F3断裂影响带)和40 (1900)~42 (1960)线间(F4、F5两断裂间)的两条北西–南东展布的带状块段。埋藏于0~50 m第四系之下。底面随F1断裂45˚角向南东延伸。岩性为胶东群老地层、花岗岩等,钻孔单位涌水量为0.039升/秒∙米。

V块段——极弱含水块段:F1断裂上盘出Ⅳ带的所有地段。伏于0~50 m第四系之下,底面呈45˚角向南东斜下延伸。岩性为胶东群老地层、花岗岩等,含水性极弱,钻孔抽水试验,单位涌水量为0.0144升/秒∙米。

矿体赋存于F1断裂下盘蚀变带,坑道及系列构筑物均在下盘。由上述分析可知,F1断裂下盘34 (1720)线南西块段(III)为无水区;I带为强含水带,是坑道充水的主要威胁;II块段亦有一定水量流入坑道。F1断裂上盘的IV带和V块段的地下水受F1断裂的阻隔,水量也不大,对坑道充水不会造成威胁。

5. 各坑道间的水力联系

矿山的各坑道都揭露了断裂F3、F4、F5,其性质为张扭性,断裂两侧裂隙发育,大都为张开型,为地下水的运动提供了良好的通道,使各坑道间存在着密切的水力联系 [4] 。

5.1. 垂直方向上的水力联系

三山岛金矿建设中,随着开采深度的增加,各中段巷道的水量不断变化,当下一中段开拓中出现涌水,上一中段的涌水量则明显减少,以致干枯。

如1986年7月,−105 m中段42 (1960)线掌子面发生涌水,Q = 1920立方米/日,−70 m中段的705、706、708及−70 m干线各出水点全部干枯;

还有1986年6月29日,−150 m中段向北掘进遇到F3断裂时,产生冒顶、塌帮及涌水现象,导致斜坡道−130 m处水量明显减少,−135 m出水点干枯;

1986年9月14日,−150 m中段主井石门处涌水,导致−105 m中段出水点全部干枯;

1988年2月29日,−195 m中段42 (1960)线附近涌水,3月8日发现−150 m中段40 (1900)线钻孔由喷水变为无水,3月9日正式将−150 m中段1880、1900、1920、1940、1960线各涌水孔全部打开,除个别孔涌水外,其他由原来的涌水变为无水;

1988年11月,粉矿回收斜坡道−320 m处突水,水量3633立方米/日,导致−195 m中段40 (1900)~42 (1960)线间干枯,−240 m中段42 (1960)线附近水量减少,1940线钻孔喷水距离由原来的5 m减少到2 m。

充分证实了地下水沿构造裂隙在垂直方向上有着密切的水力联系。

5.2. 同一中段内的水力联系

坑道水不仅在垂直方向上有联系,在水平方向上沿裂隙也发生联系。

如−105 m中段42 (1960)线附近突水后,导致巷道南西方向的F3断裂处及40 (1900)线附近的涌水点水量明显减少。

1988年4月−195 m中段3号溜井巷道两次涌水,水量由943立方米/日增至3079立方米/日,此时南东方向3号溜井巷道与主巷道交会处涌水点基本干枯;3号溜井巷道与主巷道交会处涌水时,使南西方向的F4断裂处涌水点基本干枯。

再如−150 m中段F4断裂出水点干枯也是因为巷道向北东方向掘进遇有新的涌水点所致。

这种水平截流现象说明坑道地下水在水平方向上有密切的水力联系。

6. 坑道涌水量的变化特征

矿山自80年开始建设,随着开拓深度的增加和水平巷道的延伸,排水量不断地发生变化,从排水量的变化曲线图看:掘进中遇到大的突水以后,总排水量有明显的增加,随着时间的延长,水量又逐渐减少。1989年1月以来,水量有逐渐减少的趋势。经过多年涌水量观测,坑道涌水量随季节、海潮影响而变化很小。

三山岛金矿矿体位于F1断裂下盘的构造影响带内,34 (1720)~42 (1960)线间发育着数条次一级的北西向断裂与F1断裂交会,构成了金矿独特的水文地质块段。矿床内裂隙发育,多为张开型,为地下水的赋存和运移创造了良好的条件。矿山建设中多次发生涌水,影响了矿山建设,证实了该区段是强富水的。

42 (1960)线以北裂隙亦较发育,但多被充填,也有张开型,其涌水点或涌水量都不如34 (1720)~42 (1960)线之间。34 (1720)线以南,裂隙不发育或有充填型及闭合型,巷道较干燥,开拓时仅见滴水或流量甚微的淋水现象。

通过调查认为34 (1720)~42 (1960)线间为富水性最强的区段,42 (1960)线以北次之,而34 (1720)线以南无水。坑道不同区段的涌水点及涌水量的不同与水文地质条件分区相吻合。

7. 水质变化特征

三山岛金矿从勘探到矿山建设开采,至本次调查,在各不同工作阶段都取得了大量的水质分析资料。大量的水质分析资料表明,矿床水位高矿化度的Cl - K+∙Na+型水,矿化度高于海水(海水矿化度26~30克/升),只有个别低于海水。

据矿区勘探时的水分析资料看:地下水的矿化度在矿床中段高,北东、南西两端偏低。40 (1900)~44 (2020)线附近,矿化度56.6~61.1克/升;20 (1300)~28 (1540)线附近,矿化度10.0~42.5克/升;48 (2140)~54 (2320)线,矿化度29.0~59.9克/升;64 (2620)线附近又偏高为60.4~60.8克/升。

矿山长期大量排水,不仅破坏了地下水的天然流场,同时水质也发生了变化。通过对水质资料的分析,三山岛金矿水的矿化度有如下特征(见表2)。

7.1. 从矿坑水的上下位置来看,水的矿化度随着深度的增加而增高

如1760线各中段水的矿化度(见下表2):−240 m中段水的矿化度最高,一般大于40克/升,最高75.17克/升。在同一中段的同一位置上的探矿孔,在垂直方向上呈扇形分布,其水的矿化度同样有上低下高的特点(见表3)。

Table 2. Mineralization of water in the middle sections of Line 1760

表2. 1760线各中段水的矿化度

Table 3. Mineralization table of borehole water with fan-shaped distribution

表3. 扇形分布钻孔水的矿化度表

7.2. 在水平方向上,离断裂带F1近的,水的矿化度高,反之距F1断裂远的则矿化度低

如−250 m中段3号穿脉巷中放水孔垂直于F1断裂方向排列,其矿化度变化(见表4)。

Table 4. Mineralization table of No. 3 through vein drainage hole in −250 m middle section

表4. −250 m中段3号穿脉放水孔矿化度表

表5中两个出水点不仅矿化度不同,水温度也有差异。离F1近的−240 m中段13孔矿化度、水温都高于远离F1的−250 m中段五叉路口水点(见表5)。

Table 5. Mineralization table of two borehole water in the middle section of −240 m and −250 m

表5. −240 m、−250 m中段两钻孔水的矿化度表

7.3. 随着矿山开采大量排水时间的延长,矿坑水的矿化度有逐渐变小的趋势

−70 m中段11号水点,1981年7月11日取样矿化度为52.65克/升,同年11月25日为48.67克/升,1984年7月20日则为40.99克/升,1986年5月为31.02克/升,虽有下降趋势,但仍高于海水。

8. 结论与建议

8.1. 结论

三山岛金矿坑道主要充水地段为I带,即F1主断裂下盘的F3、F4、F5三条北西向断裂带。坑道进水方向主要为北西、南东向,其次为北东向。坑道充水水源为现代海水、封存的古海水,另有微量大气降水、第四系孔隙水的渗入补给。在矿山长期排水状态下,矿坑水的矿化度将会逐渐降低,但降速是相当缓慢的。各涌水点的矿化度将逐渐趋于海水矿化度,个别点也有可能低于海水的矿化度。

8.2. 建议

继续加强地表、坑道水位、水量、水质、水温等动态观测。选择较稳定的涌水点,观测要持久,以保证资料的连续性。在矿坑长期排水状态下,继续分析研究充水水源及水文地质条件或地下水流场的变化。在60 (2500)~64 (2620)线间第四系隔水底板缺失处建立第四系地下水长期观测孔。在F1主断裂上盘建立观测孔,掌握上盘水位动态,进一步了解F1主断裂的阻水性能。可进行专门性地下水同位素研究,并要保证有尽可能多的涌水点资料,进而研究矿坑水水源及其变化。可继续做地下水连通试验,确定各方向地下水进入矿坑的速度。监测坑道涌水量与季节变化、海潮的关系。预测下一水平坑道涌水量可采用类推法。超前疏干时,在保证采场疏干的前提下,对个别涌水点能堵即堵,可节约排水经费。

文章引用:
王元魁. 三山岛金矿水文地质条件分析[J]. 矿山工程, 2019, 7(2): 112-118. https://doi.org/10.12677/ME.2019.72016

参考文献

[1] 山东省地质矿产局. 三山岛金矿水文地质条件研究报告[R]. 1991.
[2] 高松, 张军进, 等. 三山岛北部海域金矿区水文地质特征分析[J]. 黄金科学技术, 2016, 24(1): 11-16.
[3] 陈兵宇, 等. 三山岛金矿水文地质特征及深部涌水量预测[J]. 价值工程, 2014(28): 95-96.
[4] 张玉泉. 三山岛金矿开拓时期的水文地质研究[J]. 勘察科学技术, 1990(3): 43-45.