采空塌陷對礦區(qū)地下水補徑排條件的影響分析——以粵西某鎢錫多金屬礦區(qū)為例

徐社美

(廣東省地質(zhì)調(diào)查院，廣東 廣州510080)

采空塌陷對礦區(qū)地下水補徑排條件的影響分析
——以粵西某鎢錫多金屬礦區(qū)為例

徐社美

(廣東省地質(zhì)調(diào)查院，廣東 廣州510080)

以粵西某鎢錫多金屬礦區(qū)為例，探討因采空塌陷導致礦區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，進而影響礦區(qū)地下水補徑排條件的變化。調(diào)查研究結(jié)果表明礦區(qū)大量民采形成的采空區(qū)、民窿的出現(xiàn)破壞了巖層的完整性，改變了含水巖組的結(jié)構(gòu)和特征，增加了大氣降水的入滲通道和地下水的徑流通道，增強了采空以上含水層之間的水力聯(lián)系，改變了地下水的補給、徑流和排泄條件。同時由于徑流途經(jīng)和排泄方式的改變，地下水水位降低，底層民窿口涌水常見，同時由于民采民窿排水設(shè)計方案的不合理加上采空形成的頂壁坍塌的阻隔作用，在民窿部分地段內(nèi)往往形成積水。接著從開采技術(shù)安全的角度闡述了查明采空塌陷、民窿分布和特征的重要性，并探討了礦區(qū)采空塌陷、民窿調(diào)查工作方法。

采空;民窿;礦區(qū)水文地質(zhì);地下水補給;徑流;排泄

采空和民窿是固體礦產(chǎn)礦區(qū)常見的問題。長期以來大量的民采活動在礦區(qū)往往形成大量的采空和民窿，這些采空和民窿的出現(xiàn)，對礦區(qū)地下水的補給、徑流、排泄條件影響明顯，使得礦區(qū)水文地質(zhì)條件復雜化，威脅今后礦區(qū)安全開采。因而需要對礦區(qū)采空、民窿開展調(diào)查研究，查明其分布和特征，為礦山開采設(shè)計提供依據(jù)。

1 礦區(qū)地質(zhì)背景情況介紹

礦區(qū)位于云浮市西側(cè)約7～24 km。地處大紺山地區(qū)，行政區(qū)劃屬于云浮市。按照一個完整的水文地質(zhì)單元統(tǒng)計，礦區(qū)工作面積約3 km2。

礦區(qū)地貌屬于中低山，為基巖山區(qū)，坡面坡度30°～60°不等，地形切割較深，季節(jié)性溝谷發(fā)育。上半年雨水充足，下半年干旱少雨，因多年封山育林，區(qū)內(nèi)植被發(fā)育，草木茂盛，通行通視條件一般。

礦區(qū)內(nèi)出露的地層及其巖性主要有:

1)元古界云開巖群(PtY)的黑云母片麻巖、混合巖，局部夾黑云母變粒巖、云母石英片巖，夾變質(zhì)火山巖(斜長角閃巖)層，該巖性地層在礦區(qū)中西部大量出露(圖1);

2)元古界沙灣坪組(Pts^)，地層產(chǎn)狀紊亂，褶皺、斷裂較發(fā)育。其巖性組合以變粒巖、片巖及變質(zhì)石英砂巖等為主，多呈互層產(chǎn)出，主要出露于礦區(qū)東側(cè);

3)三疊系小云霧山組(Txy)，為一套內(nèi)陸山間湖泊相含煤碎屑巖建造，巖性為礫巖、砂巖、粉砂巖、頁巖夾煤線(包)等，小范圍出露于礦區(qū)南;

4)第四系地層(Q)，主要分布在山前沖洪積地帶，溪溝兩側(cè)。主要分布于礦區(qū)南。

此外，礦區(qū)東北和西南出露有燕山期花崗巖。

區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂構(gòu)造發(fā)育，礦區(qū)處于大紺山穹窿狀旋轉(zhuǎn)構(gòu)造之中，以元古代深變質(zhì)片麻巖、混合巖、片巖為核心，環(huán)狀構(gòu)造圍繞核心展布。

2 礦區(qū)開采現(xiàn)狀及采空塌陷情況

根據(jù)調(diào)查訪問，工作礦區(qū)自民國年間開始一直存在大量民采活動，六七十年代當?shù)毓缭M行過集中開采，一直到近十幾年前該礦區(qū)民采活動一直泛濫，開采方式主要為爆破，規(guī)模較大;近十多年來由于政府對炸藥的管制，民采活動逐漸消失，偶爾有少量的間歇性開采，作業(yè)人數(shù)少，作業(yè)方式簡單以人工挖鑿為主，規(guī)模小。

由于礦區(qū)礦體主要由石英細脈、網(wǎng)脈及蝕變圍巖組成或賦存于硅化蝕變破碎帶中［1］，民采活動主要沿脈進行。長期以來的高強度民采活動，造成了對礦體圍巖頂?shù)装宓钠茐?，地表出露礦體區(qū)域直接被采空，礦體埋藏在地表以下的區(qū)域，民窿開采改變了巖體原有的應(yīng)力條件，隨著長時間的雨水入滲、風化剝蝕及原有的支架的腐朽坍塌，在礦區(qū)形成了大量的采空塌陷和民窿。調(diào)查發(fā)現(xiàn)礦區(qū)地表大小民窿幾十座，規(guī)模較大的有10多座。采空塌陷幾十處，采空、民窿主要沿礦體方向分布(圖1)。研究發(fā)現(xiàn)礦區(qū)采空和民窿具有以下特點:

1)民窿普遍延伸較長，規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復雜，同一民窿出現(xiàn)有多處穿脈、沿脈窿。采坑往往延伸幾百米以上。

2)開采作業(yè)方式不規(guī)范，坑底坑洼不平、易在部分地段形成積水，民窿兩壁及頂部參差不齊，支護材料和方式簡單，支護效果較差，易腐朽，頂壁坍塌在民窿內(nèi)多見。

3)不同標高民窿之間，連通性較好，地下水水位埋深大，上部民窿總體少見有積水和涌水。底層窿道積水和窿口涌水多見。

3 采空、民窿對礦區(qū)水文地質(zhì)條件的改變和影響

由于礦區(qū)大量民窿和采空塌陷的出現(xiàn)，破壞了巖石地層的完整性，改變了含水巖組的結(jié)構(gòu)和特征，增加了進水通道，增強大氣降水的入滲。改變了地下水徑流方式和排泄途徑。降低地下水水位，增強不同含水層之間的水力聯(lián)系。地下水的補徑排條件發(fā)生了變化。礦區(qū)水文地質(zhì)條件變得的復雜。主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

3.1 增加大氣降水對礦區(qū)地下水的補給

礦區(qū)為基巖山區(qū)，地下水主要為基巖裂隙水。主要含水層為風化裂隙破碎帶。在沒有出現(xiàn)采空塌陷、民窿前，大氣降水對礦區(qū)地下水的補給方式主要為，降雨部分通過地面入滲補給地下水，超過入滲能力的部分以形成地表徑流，沿山坡坡面匯入溪溝，形成地表溪流。當?shù)叵滤坏陀谙獪纤粫r，溪水補給地下水(圖2)。

圖1 礦區(qū)民窿民窿及采空塌陷分布圖

大面積或多處點狀采空塌陷和民窿的形成，破壞了賦存地下水的巖層巖組。改變了大氣降水對礦區(qū)地下水的補給方式和強度。在地表、地下形成多處“天窗”，［2］增加了進水通道。增強了地表滲透性，不僅增加大氣降水滲入地下水數(shù)量，從另一個層面來說，由于大量“天窗”的出現(xiàn)，使得地表徑流形成的機會變小，即使形成地表徑流，相當一部分徑流水直接經(jīng)采空區(qū)進入民窿，補給地下水。增加降水對地下水的補給。另外，民采形成的豎井連通了上下含水巖組，增強含水層之間的水力聯(lián)系，上部潛水含水層的水可沿豎井進入下部潛水含水層。高水頭壓力承壓含水層中的水經(jīng)其補給流入上部潛水含水層或低水頭壓力的承壓含水層。

3.2 改變礦區(qū)地下水的徑流途徑

采空塌陷和民窿的存在增加了地下水的導水通道。對地下水進行分流。

采空、民窿標高以上，原來主要經(jīng)由孔隙、裂隙或溶洞由高水位向低水位運動的地下水。由于民窿的存在，相當一部分地下水進入其內(nèi)，在上下民窿連通性較好的情況下，上層民窿中的水進入下層民窿，并最終在底部民窿進行匯集、經(jīng)由民窿口往外排泄。若民窿彼此連通性較差，地下水便經(jīng)上下民窿的坑口向外排泄［3］。此外，由于民采在窿道排水設(shè)計方面的缺陷、支架年久失修或雨水沖刷引起的民窿頂壁的坍塌，民窿特別是下層民窿部分地段往往形成積水，積水情況和水量取決于民窿的位置標高、揭露含水巖組的富水性、補給情況、窿道的地形、民窿的封閉性及與上下民窿之間的連通程度等。

同時由于坑口排泄、民窿積水等排泄方式的存在，大大降低了礦區(qū)地下水水位，地下水水位往往降至最低民窿標高以下，地下水流線亦發(fā)生變化(圖2)。

圖2 采空前后地下水補給、徑流、排泄變化對比圖

3.3 改變了礦區(qū)地下水的排泄方式

采空和民窿的存在大大改變了礦區(qū)地下水排泄，包括地下水的排泄途徑和方式、排泄條件和排泄量。天然狀態(tài)下礦區(qū)地下水的排泄方式是:通過泉、沿基巖裂隙向河流排泄、蒸發(fā)、蒸騰等。

采空、民窿的存在改變了地下水的排泄途徑和排泄方式:主要是增加了民窿涌水、窿內(nèi)積水等排泄方式和排泄途徑。同時新的排泄方式的出現(xiàn)也會對原有的排泄方式進行改變，在補給量無法維持多種排泄方式的情況下，有些排泄方式會減少或消失其排泄量也會發(fā)生變化。主要表現(xiàn)為地下水對溪溝的排泄減少、泉出露標高的降低、泉點數(shù)量和流量的減少。

在采空、民窿的影響下，根據(jù)地面調(diào)查結(jié)果，礦區(qū)地下水的排泄方式有蒸發(fā)、蒸騰、向溪溝排泄、窿內(nèi)積水、窿口涌水等方式。

4 采空塌陷和民窿調(diào)查工作方法和內(nèi)容

由于采空塌陷、民窿的存在，礦區(qū)地下水補給、徑流、排泄條件發(fā)生了改變。一方面增加了礦區(qū)水文地質(zhì)條件的復雜程度。另一方面，采空民窿的存在也增加了礦區(qū)開采的難度和成本。民窿部分地段由于有積水和存在支護，會影響開采安全。

為準確查明礦區(qū)水文地質(zhì)條件、正確劃分開采技術(shù)條件類型。為將來礦區(qū)開采提供指導和依據(jù)，需要對采空塌陷、民窿的基本情況的進行調(diào)查。要求基本查明其位置、分布、延伸、延深、涌水、積水、支護等情況，并評價其穩(wěn)定性。工作方法和工作內(nèi)容如下:

1)進入民窿進行實地調(diào)查和編錄，查明民窿分布位置、延伸、延深、涌水情況、涌水量大小、積水位置;

2)劃分民窿巖組，觀察描述軟弱夾層、風化帶、構(gòu)造破碎帶、蝕變帶分布、產(chǎn)狀;系統(tǒng)采取巖(礦)石物理力學試驗樣;統(tǒng)計節(jié)理裂隙;［4］詳細描述地下水活動對井巷圍巖穩(wěn)固性的影響及工程地質(zhì)問題發(fā)生的位置、不穩(wěn)定地段掘進與支護方法。民窿變形地段必要時設(shè)置工程地質(zhì)觀測點，進行長期觀測［5］。

3)繪制不同標高民窿結(jié)構(gòu)圖、在圖上標示出采空塌陷區(qū)、不穩(wěn)定地段、積水點位置和積水情況。同時進行地表采空塌陷調(diào)查。因廢棄、冒落塌陷、封閉、積水等因影響而無法進入實地勘察的民窿調(diào)查，則通過調(diào)查訪問當?shù)夭傻V人員，并結(jié)合以往的調(diào)查資料進行分析。

4)建立地下水動態(tài)觀測系統(tǒng)，進行地下水動態(tài)觀測、水患預(yù)報，防范積水通過斷層、采空通道相互溝通。并制定相應(yīng)的探、防、堵、截、排綜合防治措施［6］。

5 結(jié)語

大量民采活動形成的塌陷和民窿對礦區(qū)含水巖組造成了很大的破壞，極大地的改變了礦區(qū)地下水的補給、徑流和排泄條件。不僅使礦區(qū)的地下水大大降低，在采空民窿內(nèi)形成積水和涌水，且易在礦床的開采過程中造成突水和涌水等安全隱患。因此，在礦區(qū)水文地質(zhì)勘查過程中，需要詳細查明采空塌陷和民窿的位置、規(guī)模、積水涌水情況，并詳細繪制不同標高采空、民窿結(jié)構(gòu)圖，以便為下一階段工作如礦床開采方案的制定和實施提供依據(jù)。

［1］郭敏，曾鈞躍，吳遠明，徐社美，等.廣東省云浮市大金山地區(qū)鎢錫多金屬礦勘查2011年度工作設(shè)計.廣州;廣東省地質(zhì)調(diào)查院.2011.

［2］王大純，張人權(quán)，等.水文地質(zhì)學基礎(chǔ)［M］.北京:地質(zhì)出版社.1995.

［3］李治軍，遲寶明，周彥章，等.基巖裂隙充水礦床水化學特征分析及充水因素判定——以山東招遠夏甸金礦床為例［J］.工程勘察.2007，10.

［4］GB12719—1991.礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范［S］.

［5］金一萍，林毓皋.從內(nèi)蒙土貴烏拉礦區(qū)水文地質(zhì)條件來談民窿水文地質(zhì)資料的利用［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì).1958(3).

［6］李世峰，金瞰昆，劉素娟.礦井地質(zhì)與礦井水文地質(zhì)［M］.徐州，中國礦業(yè)大學出版社.2009，10.

P641.72

B

1004－1184(2012)03－0047－03

2012－03－30

部省合作項目《廣東省云浮市大金山地區(qū)多金屬礦勘查項目》

徐社美(1980－)，男，江西新建人，碩士，工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查、礦區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查研究等工作。