大冶鐵礦深部開采時環(huán)境地質問題與地質災害預測

曹中煌

(武鋼資源集團大冶鐵礦有限公司，湖北 黃石 435006)

湖北省黃石市鐵山礦床是全國著名的大型矽卡巖型鐵（銅）礦床，是武鋼的鐵礦石主要生產(chǎn)基地。礦山1958年7月開始大規(guī)模機械化開采，至今已有50年的歷史，露天開采已基本結束，資源量絕大部分消耗殆盡。為了企業(yè)的生存和持續(xù)發(fā)展，武鋼大冶鐵礦積極申報和組織實施了2004至2006年度國家危機礦山接替資源勘查試點項目，開展本次深部鐵礦詳查，取得了較好的深部找礦效果。2019年，大冶鐵礦深部開采工程見礦，即將進行大規(guī)模開采，本文就將深部開采時環(huán)境地質問題與地質災害預測展開闡述。

區(qū)域范圍鐵山盆地東西長5.5km，南北寬3.2km，地形為四面環(huán)山、東面為鄂東南佛教圣地三楚第一山——東方山，西界大冶八景之一“雉山煙雨”——白雉山，北界為四峰山，西南與大冶市曙光鄉(xiāng)毗鄰。區(qū)域上地貌特征屬剝蝕堆積垅崗緩丘地貌類型，大部分地段地形較為平緩，崗間溝谷呈樹枝狀分布，谷底寬闊平坦。

據(jù)搜集的黃石市氣象臺近10年氣象資料，鐵山區(qū)屬亞熱帶季風氣候區(qū)，四季分明，夏熱冬寒，雨量豐沛，年平均將水量1411.90mm，雨量多集中在4～8月，約占全年降水量的60%。

1 斜邊坡變形問題與地質災害預測

1.1 斜邊坡變形及形成原因

西露采坑分布于礦區(qū)西部，采坑呈一不規(guī)則狀橢圓形。北幫42-44線間88m水平及120m水平坡面發(fā)育多條裂縫，這些裂縫延長20m～35m，寬度5cm～50cm，可見深度10左右，在88m水平，裂縫走向N5°～10°E，裂縫斜切邊坡，在120m水平裂縫平行于邊坡走向，不穩(wěn)定邊坡長約150m，約占西露天采場所形成的邊坡體總長度（2620m）的5.7%，面積約3000平方米，約占西露采面積的1%，該位置為目前西露采邊坡的不穩(wěn)定地段（見圖1）。

圖1 西露采坑

東露采坑產(chǎn)生多次滑坡，部份已治理，部份基本治理，少量未治理，邊坡不穩(wěn)定位置均位于已產(chǎn)生滑坡位置及其影響范圍內，除經(jīng)治理已穩(wěn)定邊坡位置外，其它位置為不穩(wěn)定邊坡，其中象鼻山露采坑北幫19線東至21線間是4號及13號滑坡體的分布位置及影響范圍，不穩(wěn)定邊坡長度約120米；獅子山北幫西口滑坡由2、9、10、11、12、15、18號滑坡群組成，經(jīng)初步治理后目前較穩(wěn)定；尖山露采坑不穩(wěn)定邊坡（圖2）長約200m左右，分布在尖F9及F13斷層附近，整個東露天采坑不穩(wěn)定邊坡總長約320m左右，占東露采坑邊坡總長度（4400m）的7.2%。

圖2 尖山露采坑不穩(wěn)定邊坡

其形成原因可以歸結為如下幾點：第一，邊坡巖體結構及構造的復雜程度。邊坡北幫巖體較完整堅硬，較穩(wěn)定，局部有塊體破壞現(xiàn)象，淺層破壞受結構面控制。第二，大氣降雨。邊坡巖體受大氣降雨沖刷，雨水滲透入巖體裂隙，起著潤滑作用，這常常是引起邊坡不穩(wěn)定的一個重要原因。第三，采掘工藝對邊坡的影響。礦山曾采用無底柱分段崩落法開采，其開采地表錯動線已擴展到露采坑邊幫以外，受此影響，邊幫易產(chǎn)生開裂，部份地段可能發(fā)生滑坡及崩塌災害。

1.2 斜邊坡變形預測

關于大冶鐵礦邊坡穩(wěn)定問題，其曾組織多家科研設計院所進行過多次專題調查與科研。根據(jù)前人研究成果。

1.2.1 西露采坑

礦山曾采用無底柱分段崩落法開采，其開采地表錯動線已擴展到露采坑邊幫以外，受此影響，邊幫易產(chǎn)生開裂，部份地段可能發(fā)生滑坡及崩塌災害。

近年，由于西露采坑回填層被剝離，東、北兩側邊坡腳再次被揭露，每年都有大量散碎巖石垮落，地面塌陷及地表開裂變形也將逐漸增多，將直接威脅2號地表截水溝安全，影響自然景觀[1]。

1.2.2 東露采坑

尖山段邊坡的安全系數(shù)均大于臨界安全系數(shù)1.15，邊坡是穩(wěn)定的。礦山2002年結束露天開采，除早已出現(xiàn)的尖F9滑坡區(qū)處，其余整體邊坡尚屬穩(wěn)定[2]。

獅子山露天邊坡當坑采下降至-72m水平以下時，邊坡的安全系數(shù)將小于1.25，有整體邊坡失穩(wěn)的危險。其威脅對象主要影響礦山安全生產(chǎn)，破壞地表截排水系統(tǒng)，影響自然景觀。近年來，隨著邊坡底部不斷回填，目前坡腳標高位于+20m水平，邊坡較為安全。

象鼻山西側邊坡為閃長巖與大理巖破碎接觸帶（圖3），近年來，已經(jīng)不斷有大量散碎巖石垮落，隨著邊坡角不斷變緩，邊坡將逐漸趨于穩(wěn)定。

圖3 象鼻山西側破碎帶

2 地面塌陷問題與地質災害預測

2.1 巖溶塌陷及形成原因

巖溶塌陷的產(chǎn)生要有必定的地質結構條件和水動力條件，從過去已發(fā)生的巖溶塌陷可總結出大冶鐵礦礦區(qū)影響巖溶塌陷的因素主要有：第四系或強風化松散巖土層之下為裂隙、巖溶發(fā)育的強含水帶，塌陷強度與分布受強含水帶巖溶發(fā)育程度、滲透性能、富水性和構造接觸帶的控制；塌陷主要發(fā)生在疏排水初期或突水導致強含水帶地下水位猛然下降、地下水動力條件急劇變化的階段。

在覆蓋型巖溶分布區(qū)巖溶塌陷與不沉勻沉降還是可能發(fā)生，其原因為：其一，在土層可能存在尚未垮塌的隱伏土洞；其二，覆蓋型巖溶區(qū)具有雙層水文地質結構，上覆的第四系或風化破碎巖土中含有弱孔隙地下水，其與下伏巖溶含水帶存在密切水力聯(lián)系，下伏強含水層被疏干，使二者接觸界面構成了上覆土層的排水邊界，因滲透性能的巨大差異，松散層地下水緩慢下滲，孔隙水壓力逐漸消散，特別是在粘性土層中排水固結效應可持續(xù)多年，這可以導致土層壓密產(chǎn)生不均勻沉降；其三，在以砂性土為主的地段及在地面變形強烈區(qū)，上覆土層孔隙水滲流和大氣降雨沿地表開裂縫塌坑下滲的潛蝕作用始終存在，若潛蝕達到一定強度則可能形成土洞誘發(fā)塌陷；其四，巖溶發(fā)育與采空區(qū)效應相重疊的地方，地下水活動與采空變形相互疊加可形成混合型塌陷[3]。

2.2 采空區(qū)面塌陷與變形預測

目前，礦山開采已形成了相對穩(wěn)定的疏排漏斗，從80年代后再未產(chǎn)生過巖溶塌陷，表明巖溶地下水位可能已脫離了大理巖頂板，地下水的變動對上覆蓋層破壞動力趨弱，未來雖然隨著開采深度的加大，此區(qū)域地下水位可能會進一步下降，但產(chǎn)生大規(guī)模巖溶塌陷的可能性不大，有可能產(chǎn)生一些零星塌陷或是復活性塌陷。

根據(jù)礦山水文地質條件分析，隨著開采的延伸，將來疏排漏斗可能將主要向西部（敞開的水文地質邊界）繼續(xù)擴展，黃土橋及其以西覆蓋巖溶區(qū)產(chǎn)生巖溶塌陷的可能性較大。

經(jīng)調查，預測的地表移動區(qū)均位于礦界范圍內。其中該范圍內東采區(qū)尖林山主、副井一帶部份工業(yè)場地、尖林山一期龍洞溝斜坡道位于移動變形區(qū)內；鐵門坎西側1、2、3號截水溝部份位于預測的巖移錯動范圍內，界時西部截水溝將成為西采井下突水的一大隱患；目前礦區(qū)地面變形正處于不斷發(fā)展之中。

3 水土環(huán)境破壞及地質災害預測

3.1 對土地資源影響與破壞

礦山對土地資源的破壞方式是各類廢渣占地、露采坑占地和地表塌陷破壞。

根據(jù)未來采、選工程活動預測，礦山井下廢石排放量仍將維持在目前的水平（20萬噸/a），該部分廢石可作為建材充分利用，礦山現(xiàn)有的廢石堆放場已不再進行廢石堆放，可繼續(xù)進行恢復治理。

目前，深部開采已采用充填采礦法采礦，根據(jù)采空區(qū)地表變形預測評估，基本不會擴大采空區(qū)塌陷與地表變形區(qū)總面積，但淺部崩落開采已形成的采空區(qū)將會繼續(xù)變形（圖4、5）。

在預測變形區(qū)內，均為丘陵山地，均為林場，無農(nóng)田，采空區(qū)塌陷和地表變形對礦區(qū)土地資源破壞影響巨大。

圖4 龍洞塌陷區(qū)

圖5 尖林山塌陷區(qū)

3.2 水土流失與生態(tài)環(huán)境影響

礦山深部開采不建新的尾礦庫、廢石堆場和選廠，僅將白雉山尾礦庫加高，這些場地目前已破壞了原有植被，廢棄物堆放易造成水土流失，嚴重的水土流失使土壤肥力下降，理化性狀惡化，植被生長發(fā)育不良，生態(tài)景觀改變。

原地下開采導致的地面塌陷和地表移動變形未來會進一步擴大，除對礦山地表建筑構成一定威脅外，還與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境變化密切關聯(lián)，特別是在原崩落法開采范圍，地表變形、水土流失、土地荒漠勢必加劇，嚴重者造成土地分割破裂，坑洼縱橫，土壤水份流失，植被生長困難，洪水侵蝕與泥砂物質的流失又將危害井下生產(chǎn)。

4 結論

目前，大冶鐵礦深部開采已采用充填采礦法，可有效緩解地質環(huán)境問題。

但鑒于礦區(qū)地表生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，礦山應根據(jù)有關政策要求及早開展淺部生態(tài)環(huán)境恢復與治理工作，最大限度的避免環(huán)境進一步惡化，避免因淺部地質環(huán)境地質問題影響深部開采。