大冶市劉家畈礦區(qū)鐵礦水文工程地質(zhì)條件及地面塌陷預(yù)測分析

朱 豐

（湖北永業(yè)行評估咨詢有限公司，湖北 武漢 430000）

1 礦區(qū)概況及基本特征

大冶市劉家畈礦區(qū)現(xiàn)設(shè)置的采礦權(quán)人有3家，分別是大冶市陳貴劉家畈礦業(yè)有限公司、大冶市靈鄉(xiāng)鎮(zhèn)正興礦業(yè)有限責(zé)任公司、湖北華靈集團(tuán)礦業(yè)有限公司普慶鐵礦。礦區(qū)為構(gòu)造剝蝕地形，地形西高東低，北西部為山丘，最高峰達(dá)309m；南部為起伏不大的殘丘；中部為開闊的河谷洼地，地面標(biāo)高35～40m。本區(qū)雨量充沛，平均年降雨量為1321.4mm，降雨多集中在3月—8月，日最大降雨量達(dá)248.3mm。由于劉家畈礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，工程地質(zhì)條件中等，且3家礦山緊緊相鄰，礦山的開采曾導(dǎo)致過地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害，文章簡要分析了本礦區(qū)的水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件并對地面塌陷進(jìn)行了預(yù)測。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

2.1 含、隔水層（組）特征

（1）第四系孔隙水含水層。主要成因為沖洪積層及洪坡積層。沖洪積層鉆孔單位涌水量為0.362L/（s·m），滲透系數(shù)為6.55927m/d，富水性中等，潛水性質(zhì)，水化學(xué)類型為HCO3—Ca型水，總固體為0.18～0.19g/L。洪坡積層厚度一般＜5m，民井提水試驗涌水量為0.001～0.053L/s，富水性較弱，水化學(xué)類型為HCO3—Ca型水。

（2）白堊系下統(tǒng)、侏羅系上統(tǒng)裂隙含水層?？蓜澐譃槎€含水帶：其一為富水性弱的裂隙含水帶，即巖石風(fēng)化帶，最大埋深標(biāo)高為6.64～70.86m，鉆孔單位涌水量為0.1091L/（s·m），滲透系數(shù)為0.14711m/d，水化學(xué)類型為HCO3-Ca型水，總固體為0.28g/L。其二為富水性微弱的裂隙含水帶：位于巖石風(fēng)化帶之下，該帶富水性微弱，鉆孔單位涌水量0.00718L/（s·m），滲透系數(shù)為0.00437m/d，水化學(xué)類型為HCO3-Ca型水，總固體為0.17～0.25g/L。

（3）三疊系下統(tǒng)巖溶裂隙含水層。三疊系下統(tǒng)大冶組灰?guī)r，是礦體的主要圍巖。產(chǎn)狀與上覆地層近似，向北西傾斜，傾角為40～55°，巖性為灰?guī)r。該層巖溶發(fā)育弱，以溶蝕裂隙為主，溶孔少見。該層巷道內(nèi)巖溶發(fā)育較弱，含水介質(zhì)以溶蝕裂隙為主，局部見小溶孔。周邊無泉水出露。

（4）隔水巖組。燕山期石英閃長巖為礦體的主要底板隔水層。淺部含有風(fēng)化裂隙水，民井涌水量為0.001～0.042L/s，富水性微弱，水化學(xué)類型為HCO3-Ca-Mg型淡水。深部裂隙不發(fā)育，靠近礦體裂隙發(fā)育，但均被鐵質(zhì)、鈣質(zhì)等充填，可視為隔水層。

2.2 地下水補徑排條件

礦區(qū)地下水受大氣降雨量補給，地下水流向受地貌形態(tài)控制，總的流向為北東向。侏羅-白堊系三疊系下統(tǒng)裂隙水，高于第四系沖洪積孔隙水，前者主要以地下徑流排泄于第四系沖洪積孔隙潛水含水層，而后者所蘊藏的地下水又能直接補給小溪。第四系沖洪積孔隙水與地表水聯(lián)系極為密切，而與深部侏羅-白堊系、三疊系下統(tǒng)裂隙水的聯(lián)系較差。

2.3 礦坑充水因素及礦坑涌水量

目前礦區(qū)正常生產(chǎn)時的排水量約為1536m3/d。其中大冶市陳貴鎮(zhèn)劉家畈礦業(yè)有限公司目前-290m中段礦坑排水量為736m3/d；大冶市靈鄉(xiāng)鎮(zhèn)正興礦業(yè)有限責(zé)任公司目前-305m中段礦坑排水量為600m3/d；湖北華靈集團(tuán)礦業(yè)有限公司普慶鐵礦目前-440m中段礦坑排水量為200m3/d。

根據(jù)礦區(qū)現(xiàn)有涌水量情況對礦區(qū)未來涌水量進(jìn)行了預(yù)測。采用水文地質(zhì)比擬法估算得湖北華靈集團(tuán)礦業(yè)有限公司普慶鐵礦Ⅶ號礦體-470m中段開采時礦坑正常涌水量為350m3/d；另外二家采礦權(quán)人均已開拓到礦體最低中段，直接按目前的排水量。本次礦坑涌水量計算值為1686m3/d，礦區(qū)最大涌水量為5058m3/d。

2.4 礦床水文地質(zhì)勘查類型

劉家畈礦區(qū)的礦體賦標(biāo)高在當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下，主要充水含水層（碎屑巖、大理巖裂隙含水層）富水性弱，次要充水層（砂礫孔隙含水層）仍可在局部地段構(gòu)成井巷圍巖，富水性中等。第四系沖洪積孔隙水與地表水聯(lián)系極為密切，而與深部侏羅-白堊系、三疊系下統(tǒng)裂隙水的聯(lián)系較差。據(jù)上述情況和《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》（GB 12719—1991）可知，本礦床屬于以裂隙水和巖溶裂隙水為主的、水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度為復(fù)雜的裂隙充水礦床。

3 工程地質(zhì)條件

礦區(qū)巖土體劃分為第四系松散巖類工程地質(zhì)巖組、軟—較堅硬碎屑巖工程地質(zhì)巖組、較堅硬—堅硬碳酸鹽巖工程地質(zhì)巖組、較堅硬的巖漿巖工程地質(zhì)巖組四個工程地質(zhì)巖組。

3.1 第四系松散巖類工程地質(zhì)巖組（Ⅳ）

為各種成因的黏土、亞黏土夾碎石、砂礫石層、采礦廢渣組成，其結(jié)構(gòu)松散，工程地質(zhì)性狀差。另外，地下工程穿越處均需支護(hù)。

3.2 軟—較堅硬碎屑巖工程地質(zhì)巖組（Ⅲ）

巖性為火山碎屑巖、凝質(zhì)碎屑巖、砂礫巖及頁巖，為礦區(qū)的主要上覆地層巖性。巖層淺部呈松散結(jié)構(gòu)，向深部呈軟硬相間結(jié)構(gòu)，巖石工程性質(zhì)較差。較深部的砂頁巖中節(jié)理裂隙發(fā)育，抗壓強度為116～157MPa，工程地質(zhì)性狀較好。

3.3 較堅硬—堅硬碳酸鹽巖工程地質(zhì)巖組（Ⅱ）

巖性為灰色、灰白色，薄層、中厚層狀，層理清晰?；?guī)r均變成大理巖，細(xì)粒狀結(jié)構(gòu)，為礦體的主要圍巖。大理巖的整體性較好，抗壓強度為116～74.2MPa，工程地質(zhì)性狀較好。

3.4 較堅硬的巖漿巖工程地質(zhì)巖組（Ⅰ）

巖漿巖工程地質(zhì)巖組主要分布于礦體底板，巖石整體性較好，抗壓強度為115MPa，工程地質(zhì)性狀較好。局部地帶有微綠泥石化、碳酸鹽化或透輝石化現(xiàn)象，節(jié)理較為發(fā)育，局部較為破碎，有可能引起冒頂、片幫災(zāi)害。c為裂隙折算系數(shù)，本礦取2；h1為冒落帶高度，m；h2為導(dǎo)水裂隙帶高度，m。

圖1 巖層移動帶劃分圖

③預(yù)測分析結(jié)果：礦體地下開采導(dǎo)致地面塌陷的可能性為中等，三帶高度計算表如表1所示。

表1 三帶高度計算表

3.5 工程地質(zhì)條件評價

礦體頂、底板圍巖主要有矽卡巖化石英閃長巖、大理巖、透輝石矽卡巖。局部地段巖石易松散、破碎，有可能引起冒頂、片幫災(zāi)害外，礦山大部分地帶工程地質(zhì)條件較好，頂板圍巖抗壓強度74.2～116.12MPa，底板圍巖抗壓強度114.5～157.22MPa。因此，礦區(qū)工程地質(zhì)條件為中等。

4 地面塌陷預(yù)測

4.1 地面塌陷現(xiàn)狀

本區(qū)地面塌陷產(chǎn)生于1997年8月—1998年5月，共見3個塌坑，其中1個位于張家會灣，2個位于萬家灣。位于張家會灣的塌坑長20m、寬8m、深1.5m，塌坑長軸角度的75°；位于萬家會灣的塌坑直徑為2～16.5m，深度為0.3～5m。

4.2 地面塌陷預(yù)測

（1）地下采空區(qū)引發(fā)地面塌陷預(yù)測分析。①巖層移動帶的劃分：對地下開采的礦床，當(dāng)?shù)V體采出后，在地下形成空區(qū)，覆巖層失去支撐，巖層的原始狀態(tài)發(fā)生破壞，使巖層變形、移動和冒落。隨著開采面積的不斷擴大，巖層的移動將波及地表，使其產(chǎn)生開裂和塌陷，以至成為大氣降水滲入坑道的良好通道。根據(jù)覆巖破壞程度的不同，可分為冒落帶Ⅰ、導(dǎo)水裂隙帶Ⅱ及整體移動帶Ⅲ，如圖1所示。

②冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶最大高度的計算方法：

式中：m為礦層開采厚度，m；k為巖石松散系數(shù)，本礦頂板為大理巖、閃長巖，取1.5；a為礦層傾角，°；

（2）礦山開采疏排水對地表下沉的影響分析。疏排水造成地表下沉的主要原因是地下水水位降低引起土體壓密固結(jié)。根據(jù)《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則地下水環(huán)境》（HJ 610—2011）來估算其影響半徑。

式中：R為影響半徑，m；S為水位下降值，m；H為潛水含水層厚度，m；K為滲透系數(shù)，m/d。

礦區(qū)范圍內(nèi)主要影響含水層為侏羅-白堊系下三疊裂隙含水巖組，該含水層滲透系數(shù)K為0.14711，含水層厚度為76.92m，而水位最大降值S為58.50m，故影響半徑約為394m。因此預(yù)測礦山開采疏排水有導(dǎo)致地面沉降的可能性，從而可能誘發(fā)地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害。結(jié)合礦區(qū)的水文地質(zhì)條件及工程地質(zhì)條件，預(yù)測礦區(qū)的開采有引發(fā)或加劇地面塌陷、地面沉降地質(zhì)災(zāi)害的可能性，其影響程度為中等。

5 結(jié)論

通過分析大冶市劉家畈礦區(qū)鐵礦水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件，對該區(qū)鐵礦的開采引發(fā)地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了預(yù)測，預(yù)測評價認(rèn)為該區(qū)建設(shè)有誘發(fā)地面塌陷的可能性，礦山應(yīng)嚴(yán)格按照審批通過的礦山開發(fā)利用方案及初步設(shè)計開采，做好水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘查工作，以預(yù)防該類地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。