馬城鐵礦礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)研究

張坤

(華北有色工程勘察院有限公司,石家莊 050021)

馬城鐵礦礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)研究

張坤

(華北有色工程勘察院有限公司,石家莊 050021)

馬城鐵礦為大水礦山，礦山地質(zhì)條件復(fù)雜。礦山為地下開采，采用嗣后充填采礦法。在研究礦區(qū)水文地質(zhì)條件和開采可能引發(fā)的地面塌陷的基礎(chǔ)上，提出相應(yīng)的防治措施及監(jiān)測(cè)方法，以保證礦山生產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)效益。

礦山環(huán)境；大水礦山；地面塌陷；地下水

馬城鐵礦位于河北省灤南縣、灤縣、昌黎縣三縣交界處，西起馬城-薛各莊營(yíng)南北一線以東，東至灤河西岸，北起史莊，南至南坨子。礦區(qū)北距灤縣火車站15 km，南距京唐港52 km，平(泉)青(龍)大(清河)省級(jí)公路從礦區(qū)西側(cè)通過，交通便利。

馬城鐵礦過去由于屬于大水礦區(qū)，采用露天開采對(duì)當(dāng)?shù)厮h(huán)境影響比較大，需占用大量土地和搬遷多個(gè)村莊，一直被河北省列為限制開發(fā)的礦山。近年來(lái)，隨著采礦技術(shù)的發(fā)展，鐵精粉價(jià)格的增高，改為地下開采方式，采用充填采礦方法等有效措施后，解決了上述困擾這一大水礦區(qū)開發(fā)的難題。

該礦山開采方式為地下開采，為避免破壞礦體以上的第四系隔水層，阻止第四系大量涌入井下，避免出現(xiàn)塌陷或大幅度的不均勻沉降, 避免造成上部第四系水灌入采區(qū)，破壞水環(huán)境，同時(shí)危及村莊的安全，并根據(jù)礦床賦存條件，設(shè)計(jì)采用充填采礦方法。

1 礦山地質(zhì)環(huán)境背景

1.1 自然地理

1.1.1 氣象

礦區(qū)屬于北溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，具有冬干夏濕，季風(fēng)顯著之特點(diǎn)，冬季多西北風(fēng)，夏季為偏南風(fēng)，春秋兩季是冬季風(fēng)和夏季風(fēng)的過渡季節(jié)，風(fēng)向多變，天氣變化頻繁，風(fēng)隨季節(jié)變化顯著，全年溫度變幅大。氣溫、降水量、蒸發(fā)量年際變化圖見圖1。

1.1.2 水文

根據(jù)灤縣水文觀測(cè)站1984～2008年25年資料統(tǒng)計(jì)，灤河多年平均實(shí)測(cè)徑流量為22.514 7×108m3/a，年平均水位21.61 m，汛期最高水位26.38 m(1984年8月1日)，最低水位20.96 m(1998年4月13日)，最大流量9 200 m3/s(1994年),最小流量0.225 m3/s(2001年)。最近15年徑流量呈快速減小趨勢(shì)(圖2)。

1.2 地形地貌

礦區(qū)位于京山鐵路以南的山前傾斜平原區(qū)，地處灤河沖積扇的頂部，地形平坦開闊，為灤河一級(jí)階地，地面標(biāo)高15～20 m，北高南低，坡降為0.7～0.8‰。階地臺(tái)面北窄南寬，為一扇形(圖3)。馬城一線東西寬13 km，長(zhǎng)凝一線東西寬23 km，在一級(jí)階地臺(tái)面上，自然村星羅棋布，坑塘洼地分散其間。

礦區(qū)北部的巖山至高點(diǎn)標(biāo)高為173.6 m，東北部的龍山標(biāo)高142.1 m，兩山之間相距5 000余米，為灤河進(jìn)入礦區(qū)的咽喉要道。河床最低處標(biāo)高為12.1 m，東西兩側(cè)的二級(jí)階地前緣清晰，蜿蜒南去，高出一級(jí)階地臺(tái)面5～12 m。

1.3 地層巖性與地質(zhì)構(gòu)造

1.3.1 地層巖性

礦區(qū)地層為雙層結(jié)構(gòu)，基底為太古界地層，蓋層為第四系。地層由老到新分述如下：

圖2 灤縣灤河水文觀測(cè)站洪水期、枯水期流量曲線圖Fig.2 Flows of Luanhe River in flood and dry seasons

圖3 馬城鐵礦地貌素描圖Fig.3 Geomorphology of the Macheng iron mine

(1) 太古界單塔子群白廟子組

太古界單塔子群白廟子組主要巖性為黑云變粒巖、黑云角閃變粒巖、斜長(zhǎng)角閃巖、角閃斜長(zhǎng)片麻巖、黑云角閃斜長(zhǎng)片麻巖夾磁鐵石英巖。

(2) 第四系地層

第四系地層厚60～170 m，為河床、河漫灘沖洪積物。從北向南逐漸增厚，主要由粘土、粉質(zhì)粘土、砂層、礫卵石層及淤泥質(zhì)粉砂層組成。其中砂礫卵石層穩(wěn)定，厚度較大。

1.3.2 地質(zhì)構(gòu)造

礦區(qū)地處陰山-天山緯向構(gòu)造帶東段——燕山南亞帶山海關(guān)臺(tái)拱西南邊緣，西南為薊縣坳陷，南為黃驊坳陷。區(qū)內(nèi)由一系列近東西向構(gòu)造組成，北面為喜峰口斷裂，南面為固安-昌黎斷裂，中部為成生于太古界早期至今仍在活動(dòng)的青龍河斷裂，同時(shí)有許多張性、壓扭性斷裂與其垂直或斜交。

1.4 水文地質(zhì)條件

1.4.1 礦區(qū)含水層

礦區(qū)含水層主要分為兩大部分：一是第四系孔隙含水層，二是基巖風(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂隙承壓弱含水層。根據(jù)第四系含水層結(jié)構(gòu)特征、巖性差異及透水性強(qiáng)弱程度，將第四系孔隙含水層劃分為兩個(gè)中等、三個(gè)極強(qiáng)含水層，見剖面示意圖4，現(xiàn)分述如下：

(1) 下部砂層中等孔隙水含水層

位于第三隔水層之下，厚3.00～33.00 m，含水層由細(xì)砂、粗砂礫石、亞砂土等組成。單層厚度和巖相變化比較明顯，各層之間有粘土、粉質(zhì)粘土相隔，但不連續(xù)。

圖4 礦區(qū)第四系含水、隔水層剖面示意圖Fig.4 Sections of aquifer and water-resistant strata in the quaternary system

(2) 第三砂礫卵石極強(qiáng)孔隙水含水層

本層屬上更新統(tǒng)下段底部粗砂礫卵石極強(qiáng)含水層。層位較穩(wěn)定，厚度較大，平均厚15.75 m，巖性松散，不含泥質(zhì)，透水性極強(qiáng)，為礦區(qū)主要含水層之一。

(3) 第二砂礫卵石極強(qiáng)含水層

本層屬上更新統(tǒng)下段的上部粗砂礫卵石極強(qiáng)含水層，厚度大，范圍廣，平均厚19.88 m，巖性松散，不含泥質(zhì)，透水性極強(qiáng)。

(4) 第一砂礫卵石極強(qiáng)含水層

本層屬全新統(tǒng)中段砂礫卵石極強(qiáng)含水層，巖性松散，不含泥質(zhì)，以粗砂礫石為主，平均厚14.3 m，透水性極強(qiáng)。

(5) 上部砂層中等孔隙含水層

包括全新統(tǒng)上段的粉細(xì)砂、中細(xì)砂、亞砂土等，平均厚6.50 m，結(jié)構(gòu)松散，透水性好。

基巖風(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂隙承壓弱含水層埋藏在百余米厚的第四系松散沉積物之下，其巖性主要為黑云變粒巖、混合巖、混合花崗巖、黑云斜長(zhǎng)片麻巖等。

1.4.2 礦區(qū)隔水層

礦區(qū)隔水層主要有4層。第一隔水層介于第一和第二粗砂礫卵石極強(qiáng)含水層之間，平均厚5.80 m，主要由粘土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土構(gòu)成，最厚18.50 m，最薄1.00 m，層位穩(wěn)定。第二隔水層介于第二和第三砂礫卵石極強(qiáng)含水層之間，平均厚4.93 m，最厚7.50 m，最薄1.00 m，主要由粘土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土構(gòu)成，層位穩(wěn)定。第三隔水層位于第三砂礫卵石含水層之下，屬中更新統(tǒng)上段的頂板，平均厚5.87 m，主要由淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粘土構(gòu)成，層位穩(wěn)定。第四隔水層位于-500 m標(biāo)高以下，為太古界變質(zhì)巖類，主要為黑云變粒巖、混合巖、混合質(zhì)變粒巖、片麻巖等，巖芯完整呈長(zhǎng)柱狀。節(jié)理裂隙不發(fā)育，可視為相對(duì)隔水層。

1.4.3 地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件

該礦區(qū)地下水的補(bǔ)給來(lái)源，主要有以下三個(gè)途徑：

(1) 大氣降水的入滲

大氣降水是礦區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源，因礦區(qū)地形平坦開闊，地表廣泛分布著粉細(xì)砂和亞砂土，有利于大氣降水的滲入。

(2) 側(cè)向徑流補(bǔ)給

在該區(qū)的西部、北部及東部邊緣地帶均有區(qū)域地下徑流匯入礦區(qū)，雖然礦區(qū)邊沿地帶水力坡度比較平緩，但因過水?dāng)嗝娲?，含水層厚度大，透水性能良好，滲透系數(shù)平均在300 m/d，補(bǔ)給量大。

(3) 灤河的補(bǔ)給

灤河河水與礦區(qū)地下水聯(lián)系密切，特別是表層及第一砂礫卵石含水層的補(bǔ)給，表現(xiàn)較為明顯，在天然狀態(tài)下補(bǔ)給量不大，主要對(duì)礦區(qū)地下水水位、水量起著調(diào)節(jié)作用。

礦區(qū)地下水排泄形式和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，主要分為垂向排泄和側(cè)向排泄。

(1) 垂向排泄

①植被蒸騰

礦區(qū)地下水水位埋藏較淺，一般在2.80 m左右，特別是洪水期，埋深僅為2.43 m；包氣帶巖性屬粉細(xì)砂和亞砂土，有助于毛細(xì)水上升，再加上夏季植被茂盛，氣候炎熱，蒸騰作用十分強(qiáng)烈。

②泉群排泄

主要是通過泉、塘、洼地及河流排泄地下水，其中包括老龍灣、金子地、新灤河。老龍灣和金子地底部直接坐落于第一砂礫卵石層之上，雖深部被泥砂淤積，但與地下水聯(lián)系非常密切，實(shí)為礦區(qū)內(nèi)地下水的天然排泄點(diǎn)。

③人工抽水

礦區(qū)地下水水位埋藏較淺，有利于農(nóng)灌取水，由于農(nóng)用機(jī)井逐年增多，農(nóng)灌耗水量也越來(lái)越大。

(2) 側(cè)向排泄

礦區(qū)含水層分布較廣，特別是礦區(qū)南部，含水層厚度有增無(wú)減，從等水位線圖上看(圖5)，礦區(qū)范圍內(nèi)地下水沿含水層向南部運(yùn)動(dòng)，以側(cè)向徑流的方式補(bǔ)給區(qū)域地下水。

1.5 礦體地質(zhì)特征

馬城鐵礦床屬于大型鞍山式沉積變質(zhì)貧鐵礦床，全區(qū)共分為14個(gè)礦體，依次編號(hào)為Ⅰ～ⅩⅣ，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ號(hào)礦體最大，為主礦體，其資源量占全區(qū)總資源量的84.43%。礦體的空間分布如下圖6所示。

2 礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與治理恢復(fù)工程

2.1 地面塌陷

礦山為地下開采，采用嗣后充填采礦法，地表塌陷區(qū)內(nèi)僅產(chǎn)生微弱變形及沉降，經(jīng)計(jì)算最大下沉值為280 mm，礦區(qū)地下水位埋深較大，不會(huì)出現(xiàn)塌陷積水現(xiàn)象，不影響農(nóng)田正常耕種，地表原有的植被亦可正常生長(zhǎng)。礦山嚴(yán)格按照開采設(shè)計(jì)進(jìn)行規(guī)劃開采，做好采空區(qū)充填工作。提高充填質(zhì)量，保證充填物接頂，尤其在充填村莊下部采空區(qū)時(shí)應(yīng)提高灰漿比，降低充填材料的沉縮率，或適當(dāng)留設(shè)保安礦柱，保證塌陷區(qū)內(nèi)建筑物變形控制在Ⅰ級(jí)變形破壞之內(nèi)，減小沉降值及地表變形，保護(hù)上部建筑物。

詳細(xì)論證充填料漿的充填質(zhì)量，首先開采耕地下方礦體，監(jiān)測(cè)巖石移動(dòng)界線范圍內(nèi)巖土體的變形，待充填技術(shù)成熟后再規(guī)劃開采村莊下部礦體。

2.2 含水層

馬城鐵礦位于灤河沖積扇頂部，灤河沖洪積物所形成的第四系堆積物直接覆蓋于鐵礦體之上，第四系分布廣、厚度大、富水性好、透水性強(qiáng)，厚大的第四系含水層彼此相連，形成天然的“地下水庫(kù)”，并且第四系含水層與灤河水力聯(lián)系密切，灤河河水可源源不斷補(bǔ)給第四系，第四系地下水是礦坑充水水源。

第四系底部為基巖風(fēng)化帶，基巖風(fēng)化帶分布范圍廣，厚度為41.6～74.1 m，透水性、富水性較弱，除個(gè)別地段存在“天窗”和人為通道外(以往未封閉鉆孔)，基巖風(fēng)化帶成為阻隔第四系地下水向礦坑運(yùn)移的關(guān)鍵層位。礦床開采條件下水文地質(zhì)模型如下圖7所示。

圖5 第四系地下水等水位線及流向略圖Fig.5 Water contour and flow direction of the groundwater in the quaternary system

圖6 馬城鐵礦礦體三維立體圖Fig.6 Tri-dimensional stereo of the ore body

本礦山采用不破壞頂板的膠結(jié)充填法采礦，可以有效地控制地面塌陷，也可避免第四系孔隙水大量涌入井下。在礦山開采過程中，礦體與第四系含水層底板接觸部位保留有一定厚度的礦(巖)柱，加之第四系含水層與基巖含水層之間有較完整的隔水層，其間水力聯(lián)系較弱，可以防止對(duì)第四系含水層的破壞。

含水層的防治工程包括第四系孔隙水含水層防治工程和基巖裂隙水含水層的防治工程。

2.2.1 第四系含水層防治工程

本區(qū)第四系覆蓋層較厚，含水層平均厚度占地層平均厚度的60%有余，水量豐富，透水性極強(qiáng)，在礦山開采中對(duì)第四系地下水采取保護(hù)措施。主要防治工程如下：

(1) 留設(shè)保安礦柱

根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)條件和工程地質(zhì)條件，在礦山開采過程中預(yù)留一定厚度的礦(巖)層作為護(hù)頂保安礦柱。

(2) 注漿封堵

礦區(qū)第四系孔隙含水層水量豐富，外圍水資源充沛，第四系底板與基巖面沒有穩(wěn)定的隔水層存在，局部有“天窗”，同時(shí)存在20世紀(jì)70年代施工的20個(gè)以上未封鉆孔，形成天然和人為通道，對(duì)基巖含水層進(jìn)行補(bǔ)給，是礦床充水不可忽視的因素。

在礦山開采過程中，根據(jù)地下水、涌水量等監(jiān)測(cè)情況，布置適當(dāng)?shù)奈锾焦ぷ?，查明風(fēng)化殼巖石的破碎程度等地質(zhì)情況，進(jìn)行針對(duì)性注漿封堵措施等，防止第四系地下水下滲。因此在開采過程中，除按設(shè)計(jì)留設(shè)護(hù)頂保安礦柱保護(hù)第四系底部隔水層之外，視實(shí)際情況進(jìn)行必要的注漿封堵。

圖7 礦床開采條件下水文地質(zhì)模型Fig.7 Hydro-geological model under mining conditions

2.2.2 第四系含水層防治工程

礦山平硐、斜井、巷道施工，以及地下開采主要在完整基巖中進(jìn)行，因基巖裂隙水滲透系數(shù)較小，在施工及采礦過程中涌水量不大，其防排措施主要采用直接排水方案。

但為了礦山安全生產(chǎn)和防止溝通第四系含水層，對(duì)基巖構(gòu)造裂隙水做好防治工作。首先應(yīng)布置適當(dāng)?shù)奈锾焦ぷ鞑榍鍞鄬蛹皵鄬佑绊憥恢谩⒎植技巴杆芰?，然后視不同的地質(zhì)情況采取不同的防治措施，對(duì)透水能力較小的斷層及斷層影響帶采用施工進(jìn)程中壁后注漿進(jìn)行止水；對(duì)透水能力較大的斷層及斷層影響帶，可以在地下工程施工前，在其上部通過鉆孔注漿的方法進(jìn)行防滲加固。

3 礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)工程

在礦山開采過程中為切實(shí)加強(qiáng)礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)，應(yīng)建立健全礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)機(jī)制和礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警機(jī)制，建立專職礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)，設(shè)專職管理人員，負(fù)責(zé)企業(yè)礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作，對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)統(tǒng)一管理。

3.1 地面變形監(jiān)測(cè)

礦山進(jìn)入正常生產(chǎn)后，在地表塌陷區(qū)監(jiān)測(cè)巖土體錯(cuò)動(dòng)，監(jiān)測(cè)其最大下沉值、傾斜變形值、曲率變形值等，以及對(duì)地表建筑物的影響破壞程度，繪制下沉等值線圖、水平變形分布圖等，劃分均勻下沉區(qū)、移動(dòng)區(qū)和輕微變形區(qū)，為同類礦山的開采積累經(jīng)驗(yàn)并提供技術(shù)依據(jù)。監(jiān)測(cè)方法為：沿近似平行礦體走向布置4條鉛直監(jiān)測(cè)線，間距500 m，垂直礦體走向布置10條鉛直監(jiān)測(cè)線，間距500 m。監(jiān)測(cè)線的長(zhǎng)度應(yīng)超過巖石錯(cuò)動(dòng)界線100 m，監(jiān)測(cè)線上監(jiān)測(cè)點(diǎn)的間距100 m，可埋設(shè)水泥樁作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，利用水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)水泥樁的位移及下沉值，監(jiān)測(cè)時(shí)間每7 d一次，3個(gè)月為一周期，雨季加密。

3.2 地下水監(jiān)測(cè)

對(duì)第四系孔隙水地下水水位、水量以及礦井涌水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如發(fā)現(xiàn)礦坑涌水量突然增大、孔隙水水位超常下降，應(yīng)及時(shí)查明原因，并采取針對(duì)性措施。選取礦區(qū)內(nèi)及周邊有代表性的水井和鉆孔作為地下水觀測(cè)孔，第四系孔隙水觀測(cè)孔不少于10個(gè)，基巖裂隙水觀測(cè)孔不少于10個(gè)，觀測(cè)周期每天一次，如發(fā)現(xiàn)水位異常須加密觀測(cè)次數(shù)。

4 結(jié)論與建議

(1) 馬城鐵礦為大水礦山，礦山地質(zhì)條件復(fù)雜。在開采之前應(yīng)詳細(xì)查明礦區(qū)水文地質(zhì)條件，特別是基巖水文地質(zhì)條件；詳細(xì)查明基巖風(fēng)化帶、斷裂帶的分布情況；詳細(xì)查明全風(fēng)化帶、斷裂帶及其影響帶的隔水、透水情況及開采條件下的透水情況。

(2) 建議礦山對(duì)井下采區(qū)與第四系和地表水體之間有水力聯(lián)系的斷層采取堵水措施，截?cái)嗑虏蓞^(qū)第四系水與地表水體的通道，并在開采過程中加強(qiáng)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)變化監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)采取注漿封堵措施予以解決。對(duì)于未封口鉆孔，在設(shè)計(jì)及開采過程中必須高度重視，采取必要封堵等防范措施。

(3) 建議礦山進(jìn)行采礦方法研究，對(duì)設(shè)計(jì)推薦的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，特別是應(yīng)加強(qiáng)對(duì)充填體的穩(wěn)定性研究工作，礦柱的留設(shè)和回采的可行性研究工作等，以保證礦山生產(chǎn)安全，充分利用礦產(chǎn)資源，提高礦山經(jīng)濟(jì)效益。

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GEOLOGICAL ENVIRONMENT PROTECTION OF THE MACHENG IRON MINE

ZHANG Kun

(North China Engineering Investigation Institute Com. Ltd., Shijiazhuang 050021,China)

The mine has complex geological conditions with flood. It is extracted underground and with the method of subsequent filling. Appropriate control measures and monitoring methods are proposed to ensure the production safety and economic benefits, based on the research of hydrogeological conditions.

mine environment; flooded mine; ground subsidence; groundwater

1006-4362(2014)01-0059-07

2013-10-30 改回日期： 2014-02-21

TD167

A

張坤(1981- )，女，河北定州人，工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害治理設(shè)計(jì)、施工和地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估方面的工作。