江蘇金壇花山建筑用玄武巖礦地質特征及開采技術條件

丁心科，童家琨，王樹槐，樊小軍，朱 敏，汪晨星，杜尊龍，宋 成，吳天足

(1.浙江省久核地質生態(tài)環(huán)境規(guī)劃設計有限公司，浙江 湖州 313000；2.地災防治與生態(tài)環(huán)境修復技術研究(創(chuàng)新)中心，浙江 湖州 313000)

玄武巖因其質輕多孔、質地堅硬、抗折抗壓性強、耐磨性好，吸水率低等優(yōu)點，廣泛應用于建筑行業(yè)中，也是修筑鐵路及公路最好的基石，同時也是重要的“鑄石”和玻璃絲布原料[1-7]?；ㄉ降V區(qū)位于江蘇省南部金壇市薛埠集鎮(zhèn)東北約3km處，為寧、滬、杭三角地帶之中樞，交通極為便利，隨著國家戰(zhàn)略《長三角地區(qū)一體化發(fā)展三年行動計劃(2018-2020年)》的實施，必將拉動市場對建筑用高品質石材的消費需求[8-9]。因此，亟需對花山礦區(qū)建筑用玄武巖礦地質特征和開采技術條件進行研究分析，為礦山開采和技術經(jīng)濟評價提供依據(jù)，提高礦山企業(yè)經(jīng)濟效益和更好的服務地方經(jīng)濟發(fā)展[10-13]。

1 礦區(qū)地質概況

礦區(qū)地層屬揚子地層區(qū)，下?lián)P子地層分區(qū)，常州—宣城地層小區(qū)[14]。出露地層有志留系、三疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系。其中古近系漸新統(tǒng)三垛組下段是花山建筑用玄武巖的賦存層位。

礦區(qū)地處茅山隆起和茅東坳陷地帶。茅山隆起主要有古生代地層組成，褶皺軸總體呈北北東向展布；斷層以北東向為主，主要斷層有茅西斷裂、茅東斷裂等。茅東坳陷西側以茅東斷裂為界、北以九里—榮炳斷層為界，東界為金壇—南渡斷層。南界為吉山—社頭隆起[15]。

礦區(qū)位于我國東部沿海大陸邊緣構造活動帶南段西側(即內帶)，經(jīng)歷了晚侏羅世、早白堊世、古近紀和新近紀火山噴發(fā)、巖漿侵入活動。古近紀和新近紀玄武巖漿呈多旋回噴發(fā)—侵入。本區(qū)燕山晚期侵入巖有安山玢巖、閃長玢巖、石英二長巖、細?；◢弾r、花崗斑巖等。

1.1 礦區(qū)地層

礦區(qū)地層較為單一，除第四系(Q)外，其余均為古近系漸新統(tǒng)三垛組下段(E3s1)(見圖1)，其特征如下。

圖1 花山礦區(qū)地質簡圖

(1)古近系漸新統(tǒng)三垛組下段(E3s1)。

礦區(qū)由古近紀漸新世玄武質巖漿寧靜式噴發(fā)(溢流)為主形成橄欖玄武巖。根據(jù)地表觀察及前人鉆孔揭露情況，自下而上可分為三個巖性層。第一層(E3s1-1)：為灰白、灰紫及灰綠和咖啡等雜色泥巖、鈣質泥巖、粉砂質泥巖等，總體層狀構造不明顯(局部可見微層理)、泥質結構為主，主要由粘土礦物和碳酸鹽礦物組成，局部富含介形蟲化石。第二層(E3s1-2)：中下部為深灰—灰黑色橄欖玄武巖，研究區(qū)普遍分布，與下伏第一層(E3s1-1)呈噴發(fā)不整合接觸，底部偶見有氣孔(杏仁)狀構造；上部風化強烈。第三層(E3s1-3)：淺綠、淺藍、青灰等雜色泥巖，鈣質泥巖，主要由粘土礦物及碳酸鹽礦物組成。零星見于研究區(qū)西北角，厚度不詳。

(2)第四系(Q)。

以殘坡積物為主，由植物根系、腐植土、粘土、亞粘土及玄武巖碎塊組成。廣泛分布于地表，在山體部位厚0.5～1.5m，坡腳可達4m以上，平原區(qū)厚度大幅增加。

1.2 礦區(qū)構造

礦區(qū)位于茅東直溪橋古近紀—新近紀斷陷盆地的南西緣。根據(jù)地表及鉆孔揭露成果分析，礦區(qū)三垛組下段第二層(E3s1-2)橄欖玄武巖與第一層(E3s1-1)泥巖、鈣質泥巖大致組成一總體向北緩傾的單斜構造，傾角3～10°。區(qū)內未見斷裂構造，但節(jié)理(裂隙)發(fā)育，按其傾角大小歸為緩傾斜和中等傾斜—陡傾斜節(jié)理兩類。

(1)緩傾斜節(jié)理：廣泛發(fā)育于橄欖玄武巖層中，尤以其頂?shù)撞堪l(fā)育，節(jié)理傾角3～25°，并以3～8°為主，沿走向與傾向延伸3～5m后常有變化，據(jù)花山北坡宕口壁觀察，節(jié)理傾向與玄武巖層面基本一致。在新鮮橄欖玄武巖層中，節(jié)理面較緊閉，而在近地表或半風化巖層中(由于風化節(jié)理面清晰)，節(jié)理中常有2～3cm厚的巖粉和少量鐵質、泥質，局部可見擦痕。通過在宕口壁統(tǒng)計，在近地表達30條/m。

(2)中等傾斜—陡傾斜節(jié)理：傾角＞25°的節(jié)理，以走向300～320°為主，30～50°方向次之(圖2)。據(jù)其成因，又可細分為張扭性節(jié)理、壓扭性節(jié)理和部分不規(guī)則節(jié)理。

圖2 節(jié)理走向玫瑰花圖

1.3 礦體特征

玄武巖呈似層狀，產狀平穩(wěn)，大致向北緩傾，傾角3～10°，東西走向長約2.8km，南北寬約1km。鉆孔控制厚度1.92～32.60m。礦體形態(tài)不甚規(guī)則，礦床規(guī)模達中型。

1.4 礦石質量

礦石為橄欖玄武巖，巖石中礦物成分主要有橄欖石、中—拉長石和含鈦普通輝石。橄欖石呈深綠—黃綠色，近地表及裂隙面附近常呈褐色，玻璃光澤，?？梢娯悮顢嗫?，晶體不規(guī)則粒狀為主，粒徑0.5～2.0mm不等，含量5%～20%，局部有綠泥石化；中—拉長石呈無色—灰白色，細柱狀，晶體在0.2～2.0mm，含量30%～55%，部分被方沸石交代；含鈦普通輝石呈深灰—黃綠色，短柱狀、粒狀，晶體＜1mm者居多，含量20%～35%；礦石中另有部分鉀長石(＜5%)，不透明礦物(＜5%)和磷灰石。

玄武巖內節(jié)理(裂隙)切割和破壞了巖石的完整性，造成礦區(qū)內玄武巖易風化，尤其是兩組節(jié)理交匯處更易風化。因此，在地表玄武巖普遍風化強烈?？傮w上，礦層上部(1/3)為強風化—半風化，礦層中部(1/3)為弱風化，礦層下部(1/3)為微風化、弱蝕變—未風化玄武巖。

1.5 礦體頂、底板和夾石

礦體頂板為強風化層，覆蓋層為第四系亞粘土和以往開采時剝離的碎土石。礦體底板為三垛組下段第一層(E3s1-1)灰白、灰紫及灰綠和咖啡等雜色泥巖、鈣質泥巖、粉砂質泥巖等(其巖石成分詳見表1)。該層頂部泥巖中含少量橄欖玄武巖團塊，其大小5～20cm不等，一般呈棱角—次棱角狀，未經(jīng)磨圓。礦體夾石主要為沿裂隙分布的風化物。

表1 礦體及頂?shù)装鍘r石成分 (單位：%)

2 礦床開采技術條件

2.1 水文地質

礦區(qū)水文地質類型屬裸露型大氣降水補給的以裂隙為主的充水礦床。周邊無大的地表水體，主要含水層受地形影響，含水性較弱。水文地質條件較簡單。

2.1.1 含水與隔水巖組特征

礦區(qū)位于直溪橋凹陷中南部，水文地質條件與區(qū)域基本一致。據(jù)含水層的巖性、時代、成因及埋藏條件，劃分為兩個含水巖組和一個隔水巖組。

(1)第Ⅰ含水巖組：為第四系全新統(tǒng)(Q4)孔隙潛水含水層。結構松散，孔隙度較大，分布在研究區(qū)周邊。研究區(qū)周邊民井水位埋深0.61～4.10m，涌水量 2.07 ～ 3.46t/d。

(2)第Ⅱ含水巖組：為三垛組下段玄武巖孔隙承壓含水層。玄武巖結構致密、堅硬。節(jié)理、裂隙比較發(fā)育，多充填方解石和粘土礦物。含水層頂板出露地表，最小鉆厚度1.92m，最大鉆厚度32.60m，平均鉆厚17.46m。

(3)隔水巖組：三垛組下段鈣質泥巖、泥巖，巖性較軟，結構致密，層位穩(wěn)定，構成玄武巖礦體底板。據(jù)鄰區(qū)抽水試驗，水量很小，可視為隔水層。

2.1.2 地下水的補給、徑流、排泄條件

礦區(qū)位于直溪橋凹陷中南部，地下水主要接受大氣降水、大凹水塘、地表水和附近農田水的滲入補給。區(qū)內年降雨量1 112.36mm，地表以亞粘土、亞砂土、碎石為主，大氣降水通過補給第四系上部孔隙潛水含水巖組及人工堆層，滲透玄武巖孔隙裂隙巖組，礦區(qū)南高北低，地下水流向由南向北方向，以人工開采和垂直蒸發(fā)形式排泄。

2.1.3 礦坑充水因素分析

引起玄武巖礦充水的主要因素是充水水源和充水通道。研究區(qū)雖劃分兩個含水巖組，但富水性極弱，且礦區(qū)礦體構造簡單，未見破碎帶，所見節(jié)理裂隙多呈閉合狀，或被充填，互不貫通，故裂隙不導水，不能作為充水通道。

玄武巖礦體地處低緩山地，開采范圍南側山脊線標高在50～60m，最高點標高69.6m，當?shù)刈畹颓治g基準面9m，相對最大高差60.6m?；ㄉ匠时本從隙傅墓铝⑸襟w，外圍谷地，池塘都低于最低侵蝕基準面，地表徑流流入谷地和池塘，自然排水條件好?，F(xiàn)開采最低標高低于9m，需人工排水。

花山中部的大凹水塘，蓄水量211萬km3，開采其附近塊段，經(jīng)自然疏干后對開采無影響。

礦區(qū)位于茅山東側自低丘向平原過渡地帶，地形起伏不大，其北坡坡腳標高10m左右，可視為最低侵蝕基準面。

區(qū)內未見斷裂構造，除第四系外，主要為古近系三垛組下段第二三層，其中第二層為賦礦層位，橄欖玄武巖較致密，但各類節(jié)理裂隙較發(fā)育，具一定空隙，屬裂隙含水層。而第一層的泥巖、鈣質泥巖裂隙不發(fā)育，可視為隔水層。由于隔水層的存在，阻斷了礦體與地下水的水力聯(lián)系，礦床充水因素主要為大氣降水。

2.1.4 采場充水和涌水量預測

(1)大氣降水充水量預測。

根據(jù)礦區(qū)水文地質條件，礦層頂、底板為隔水層，礦充水的主要來源為大氣降水。根據(jù)玄武巖充水因素分析，采場內大氣降水充水量計算公式為：

式中：Q1--預計采場大氣降水充水量(m3/d)；

F--大氣降水匯水面積(m2)；

A--大氣降水(mm)。

大氣降水(A)取自氣象資料中日最大降水量234mm；大氣降水匯水面積(F)根據(jù)地形地質圖上玄武巖礦層開采區(qū)面積為756 453m2。計算得出：未來采場日最大充水量為177 010m3/d。

(2)地下水涌水量計算。

礦層含水層根據(jù)礦區(qū)泉水q1流量觀測結果，流量為0.3L/s，日流量25.92m3/d，屬于中等富水性含水層(潛水)，礦層一般為地表露天開采，開采過程中潛水位隨之下降，因此研究區(qū)內開采宕口玄武巖礦層的涌水量可忽略不計。目前研究區(qū)實際抽水量約1 000m3/d。

綜上所述，研究區(qū)水文地質邊界條件清楚、簡單，水文地質勘查類型屬簡單型。

2.2 工程地質

2.2.1 礦體礦石條件

礦區(qū)玄武巖礦體呈似層狀產出，產狀平緩。礦石為塊狀玄武巖，堅固性系數(shù)f=8～12。屬半堅硬—堅硬類巖石，穩(wěn)定性較好。

2.2.2 頂、底板巖石

礦體底板為三垛組下段第一層，巖性為泥巖、鈣質泥巖。其結構較松軟，穩(wěn)定性中等。礦體頂板為以往開采時剝離的碎石土和第四系亞粘土等。結構松散，穩(wěn)定性較差。

2.2.3 軟弱結構面的分布特征

軟弱結構面的分布是影響邊坡穩(wěn)定性的主導因素，研究區(qū)的主要軟弱結構面有層面和節(jié)理面。

(1)軟弱巖層層面對采場邊坡穩(wěn)定性起主要控制作用，研究區(qū)礦體底板三垛組下段第一層(E3s1-1)泥巖、鈣質泥巖、粉砂質泥巖等與玄武巖的接觸面屬于軟弱面，抗剪強度低，遇水易軟化，工程地質性能差，最易導致邊坡滑移和崩塌等地質災害。

(2)研究區(qū)橄欖玄武巖中各種成因和不同產狀的節(jié)理發(fā)育，它們均不同程度地切割和破壞了巖石的完整性。節(jié)理面將巖體切成不同形狀和大小的巖塊，在坡角臨空時，易產生崩落和滑動等不穩(wěn)定現(xiàn)象。在開采中可通過適當放緩臺階坡面角和增加安全平臺寬度；完善坡面環(huán)形排水系統(tǒng)，防止大氣降水和地表水流滲入；建立邊坡防護帶來提高邊坡穩(wěn)定性。

礦床巖組結構較簡單，大規(guī)模開采的露采邊坡有沿軟弱層或不利結構面局部滑移的可能，一般不會出現(xiàn)復雜工程地質問題。工程地質條件較好。

2.3 環(huán)境地質

該礦床為露天開采，環(huán)境污染主要為礦山開采過程中產生的噪聲、粉塵等。礦區(qū)剝離量大，現(xiàn)全部排放于研究區(qū)南部，堆放有序。

開采時注意灑水防塵，開采中嚴格按規(guī)范操作，嚴格監(jiān)測和采取相應的預防措施，不會引發(fā)諸如地面塌陷、沉降、大面積滑坡及泥石流等大的環(huán)境地質災害問題。研究區(qū)環(huán)境地質條件屬簡單型。因此，研究區(qū)屬于開采技術條件簡單的Ⅰ類礦床。

3 結論

花山建筑用玄武巖礦位于茅東直溪橋古近紀—新近紀斷陷盆地的南西緣，礦體為玄武質巖漿寧靜式噴發(fā)(溢流)為主形成的橄欖玄武巖。礦區(qū)總體覆蓋層厚，礦石質量差，僅中下部礦層礦石質量較好。水文地質條件簡單，巖層穩(wěn)定性好、工程地質條件好，環(huán)境地質條件簡單，屬開采技術條件簡單的礦床。隨著國家經(jīng)濟發(fā)展進入新常態(tài)和產業(yè)結構調整，目前建筑石料市場低迷，礦山企業(yè)應堅持環(huán)保優(yōu)先，在保護環(huán)境中優(yōu)先開發(fā)覆蓋層薄、玄武巖層厚，礦石質量好的優(yōu)質石材，節(jié)約和合理利用資源。