可溶巖礦區(qū)疏干排水引發(fā)環(huán)境地質(zhì)問題的預(yù)測(cè)

李康曉

(廣東省地質(zhì)局 704地質(zhì)大隊(duì), 廣東湛江市 524018)

可溶巖礦區(qū)疏干排水引發(fā)環(huán)境地質(zhì)問題的預(yù)測(cè)

李康曉

(廣東省地質(zhì)局 704地質(zhì)大隊(duì), 廣東湛江市 524018)

根據(jù)某礦區(qū)的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件,及預(yù)測(cè)的礦坑涌水量,預(yù)測(cè)了該礦區(qū)露天開采礦坑疏干地下水引發(fā)的環(huán)境地質(zhì)問題。

可溶巖礦區(qū);露天開采;地下水疏干;環(huán)境地質(zhì)問題

某礦區(qū)位于化州市 335°方向直距 54 km處,主要礦體為大理石,根據(jù)礦體產(chǎn)出的不同位置及其產(chǎn)出條件的差異,礦區(qū)分為秧地坡礦段、白石礦段和潭龍礦段。礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜,工程地質(zhì)條件中等 -復(fù)雜。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

礦區(qū)在區(qū)域水文地質(zhì)圖幅中位于山間平原與丘陵交接處,地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單、地下水補(bǔ)給條件相對(duì)較好,在區(qū)域水文地質(zhì)單元中屬于地下水補(bǔ)給區(qū),巖溶含水層的富水性較強(qiáng)。

礦區(qū)揭露的含水層有:第四系沖洪積 (Qapl)孔隙潛水含水層 (Ⅰ)、元古代云開巖群清垌巖組文樓巖段下段 (Jxqw1)大理巖巖溶 -裂隙承壓含水層(Ⅱ)。根據(jù)抽水試驗(yàn)結(jié)果,Ⅰ層含水層滲透系數(shù)計(jì)算值為 2.056～14.885 m/d,單位涌水量為 0.2074～0.5003 L/(s·m),該層具中等富水性、良透水 -強(qiáng)透水性。Ⅱ?qū)雍畬痈鶕?jù)巖溶、裂隙發(fā)育情況,剖面上劃分為相對(duì)強(qiáng)含水帶 (Ⅱ-1)及相對(duì)弱含水帶(Ⅱ-2),根據(jù)抽水試驗(yàn)結(jié)果,Ⅱ-1含水帶滲透系數(shù)計(jì)算值為 0.630～0.680 m/d,單位涌水量為0.342～0.769 L/(s·m),該層具中等富水性和半透水 -良透水性;Ⅱ-2含水帶滲透系數(shù)計(jì)算值為0.0009～0.0141 m/d,單位涌水量為 0.0009～0.0025 L/(s·m),具弱富水性、弱透水性 -隔水性。

礦區(qū) 3個(gè)礦段中,潭龍礦段礦體厚度穩(wěn)定,覆蓋層相對(duì)較薄且局部礦體露頭,地表為田地及山坡,剝離成本較低,容易開發(fā)利用,利于作為首采礦段。根據(jù)礦坑設(shè)計(jì)開采標(biāo)高、開采礦坑的水文地質(zhì)條件,選用穩(wěn)定流大井法及比擬法求得潭龍礦段的礦坑涌水量分別為:+5 m中段涌水量為 3101 m3/d,-35 m中段涌水量 3822 m3/d。

2 礦區(qū)工程地質(zhì)條件

根據(jù)礦體及圍巖的巖性、成因、物理力學(xué)性質(zhì)及埋藏分布條件等,將礦區(qū)巖土層劃分為第四系沖洪積松散巖類、基巖風(fēng)化坡殘積松散巖類、基巖風(fēng)化半固結(jié) -軟弱巖類及堅(jiān)硬 -半堅(jiān)硬巖類 4大類。

第四系沖洪積松散巖類是礦體覆蓋層,厚度變化大,土質(zhì)軟弱或松散,穩(wěn)固性差,易造成露采邊坡失穩(wěn)、塌方、逸水壓力破壞等不良工程地質(zhì)現(xiàn)象。

基巖風(fēng)化坡殘積松散巖類是礦體覆蓋層,厚度變化大,工程性質(zhì)中等,穩(wěn)固性一般。但該層遇水易軟化,濕化后力學(xué)強(qiáng)度明顯降低,易造成露采邊坡失穩(wěn)、塌方等不良工程地質(zhì)現(xiàn)象。

基巖風(fēng)化半固結(jié) -軟弱巖類在秧地坡礦段和白石礦段揭露,是礦體直接頂?shù)装濉Ｌ洱埖V段鉆孔未揭露該層,但礦坑放坡范圍內(nèi)局部可能涉及該層。該類巖呈半巖半土狀或碎石狀,散體或碎裂狀,穩(wěn)固性差,易造成露采邊坡沖蝕破壞、崩塌和局部滑坡等不良工程地質(zhì)現(xiàn)象;

堅(jiān)硬 -半堅(jiān)硬巖類又可分為可溶巖類和非可溶巖類。

可溶巖類為礦體,厚度大,巖石質(zhì)量中等,巖體中等完整,巖石抗壓強(qiáng)度高,但淺部巖溶較發(fā)育,易造成露采礦坑突水突泥,地下水下降引起周邊地面塌陷、地裂縫等不良工程地質(zhì)問題。非可溶巖類是礦體直接頂、底板,巖石質(zhì)量劣,巖體完整性差,巖石抗壓強(qiáng)度中等,巖石穩(wěn)固性一般,易造成露采邊坡出現(xiàn)掉塊和圍巖失穩(wěn)等不良工程地質(zhì)現(xiàn)象。

3 礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)問題預(yù)測(cè)

根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件、礦床開采方式及社群安全需要等,預(yù)測(cè)礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)問題有:巖溶性地面塌陷、地面沉降及地下水位下降。

3.1 巖溶性地面塌陷

潭龍礦段北東部 3個(gè)民采礦坑附近已出現(xiàn)地面塌陷共 9處,潭龍礦段擬采礦坑附近現(xiàn)有地面塌陷3處;據(jù)調(diào)查,民采礦坑現(xiàn)開采深度約 40～60 m,水位已疏干至礦坑底部。鉆探資料顯示,潭龍礦段礦體上覆土層厚度 4.37～52.32 m,平均 12.36 m;潭龍礦段抽水主孔W1處土層厚度 9.12 m,水位埋深2.56 m。在進(jìn)行上段強(qiáng)含水帶洗孔過程中,于 2009年 12月 28日早上 5點(diǎn)在鉆機(jī)前廠房靠近鉆孔位置出現(xiàn)地面塌陷,塌陷直徑約 2.50 m,深約 4 m,分析該塌陷原因是淺部溶洞發(fā)育,垂向上溶洞及第四系沖洪積層地下水連通性好,洗孔過程中造成負(fù)壓,致第四系松散層沉陷。

在山間平原區(qū)可溶巖覆蓋層厚度幾米至二十余米的地段,水位降深僅相當(dāng)于露采礦坑開采初期,即可導(dǎo)致可溶巖地面出現(xiàn)塌陷或地裂縫。在設(shè)計(jì)開采條件下,開采后期水位降深大于上述民采礦坑及抽水試驗(yàn)水位降深,且礦坑基本都位于平原、谷地及低階地地段,巖溶中等發(fā)育,局部強(qiáng)發(fā)育,故預(yù)測(cè)礦區(qū)長(zhǎng)期疏干地下水地段,覆蓋層厚度 <20 m時(shí)易形成地面塌陷,覆蓋層厚度 <10 m時(shí)極易形成地面塌陷;在可溶巖地下水疏干影響范圍內(nèi),村莊建筑物密集處 (有附加荷載及生活排水影響),覆蓋層厚度大于 20 m時(shí),局部亦有可能發(fā)生地面蹋陷。

因地面塌陷與地下水下降有密切關(guān)系,故水位降深至巖溶相對(duì)強(qiáng)含水帶 (即發(fā)育有溶洞的含水帶)底板時(shí),地下水影響帶可作為地下水主要下降帶;開采巖溶相對(duì)弱含水帶的礦體時(shí),地下水影響帶雖有所擴(kuò)大,但擴(kuò)大地帶的水位降幅已顯著變小,故以終采水位降深引起的地下水影響帶邊緣至地下水主要下降帶邊緣的地段作為地下水次要下降帶。在長(zhǎng)期大量疏干情況下,礦坑水力性質(zhì)可視為潛水,故地下水疏干影響半徑采用庫薩金經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算而得。各項(xiàng)參數(shù)取值及地下水下降帶定值見表1。

表1 礦坑疏干地下水下降帶的定值

根據(jù)地下水下降條件及可溶巖和其上覆土層的埋藏分布條件,根據(jù)塌陷發(fā)育程度將地面塌陷地帶劃分為如下 2類。

(1)地面塌陷主要發(fā)育地帶。沿礦體走向的東北及西南方向,礦坑邊緣至外圍 780 m范圍;東南面礦坑邊緣至可溶巖地表投影線范圍;西北面至山坡坡麓邊緣且覆蓋層厚度小于 20 m的范圍;

(2)地面塌陷次要發(fā)育地帶。沿礦體走向的東北及西南方向,礦坑之外 780 m至 1370 m之間的范圍;西北面礦坑邊緣至坡麓邊緣且覆蓋層厚度大于20 m而小于 30 m的范圍。東南面已進(jìn)入非可溶巖,一般不會(huì)形成地面塌陷。

由地面塌陷衍生的局部地表水?dāng)嗔?或地表水溝通淺部與深部含水層,都可能對(duì)礦山生態(tài)環(huán)境和礦坑充水造成不良影響。

3.2 地面沉降

礦區(qū)沖洪積層分布地段村莊較多,村莊規(guī)模較大,民房幾乎全為天然淺基礎(chǔ)。已有的秧地坡礦段南面平福坳村及潭龍礦段北東部秧地頭村小型露天開采和地下淺部開采,已引發(fā)鄰近局部民房出現(xiàn)不同程度的地基變形、房屋拉裂。本次勘查白石礦段抽水試驗(yàn)孔W4的位置,土層厚度 21.70 m,在大理巖上段強(qiáng)含水帶進(jìn)行抽水 (靜水位埋深 2.00 m),當(dāng)水位降深 11.38 m、涌水量 644 m3/d時(shí),該孔西北方向距抽水孔 30～50 m的瓜田出現(xiàn)了 2條地裂縫,其長(zhǎng)分別為 15～18 m,寬 1～2 cm,地裂縫兩側(cè)帶寬10～40 cm。

地面沉降與地下水位下降及地面塌陷有密切聯(lián)系,故預(yù)測(cè)在地面塌陷主要發(fā)育地帶較易發(fā)生有害的地面沉降,在地面塌陷次要發(fā)育地帶不易發(fā)生地面沉降或地面變形輕微。

3.3 地下水位下降

礦坑疏干造成的地下水位下降,可對(duì)地質(zhì)環(huán)境或生態(tài)環(huán)境造成不良影響。

(1)地下水位主要下降帶。該帶范圍與預(yù)測(cè)地面塌陷分析計(jì)算的地下水位主要下降帶范圍相同。該帶地下水位下降可能引發(fā)地面塌陷和地面變形外,易造成民井干枯。

(2)地下水位次要下降帶。在礦坑終采疏干影響帶之內(nèi)、地下水主要下降帶之外的范圍。該帶地下水位下降一般不會(huì)造成地質(zhì)環(huán)境惡化,但對(duì)淺小的民井供水可能會(huì)造成一定的影響。

[1] 陳余道.環(huán)境地質(zhì)學(xué)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2004.

[2] 常士驃,張?zhí)K民,等.工程地質(zhì)手冊(cè) [M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[3] 李康曉,等.廣東省化州市文樓礦區(qū)大理巖礦露天開采項(xiàng)目水文地質(zhì)工程地質(zhì)補(bǔ)充勘查報(bào)告[R].廣東:廣東省地質(zhì)局 704地質(zhì)大隊(duì),2009.

[4] 夏玉成,孫學(xué)陽,等.煤礦區(qū)構(gòu)造控災(zāi)機(jī)理及地質(zhì)環(huán)境承載能力研究[M].北京:科學(xué)出版社,2008.

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[6] 辛小毛.大水金屬礦山防治水綜合技術(shù)方法的研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2009,(2):78～81.

2010-07-25)

李康曉 (1985-),男,廣東廉江人,助理工程師,主要從事水工環(huán)地質(zhì)工作,Email:kangxiao5891@163.com。