廣東省云城區(qū)坳頭礦山工程開采技術(shù)條件研究

梁琳瑯

針對(duì)礦床的水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件及環(huán)境地質(zhì)條件進(jìn)行分析，論述礦床主要含水層水文地質(zhì)特征、礦區(qū)巖土體特征及礦山開采環(huán)境地質(zhì)評(píng)價(jià)，指出影響礦床開采的主要水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題；對(duì)礦床開采技術(shù)條件的復(fù)雜性做出評(píng)價(jià)。

1 水文地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

本區(qū)屬丘陵地貌，總體地形呈現(xiàn)中部高，東西兩側(cè)低，地形坡度為20°～35°，地形切割深度較深，以“V”型谷為主，由于坡降大，地形有利于大氣降水的自然排泄。區(qū)內(nèi)分水嶺呈北東向展布。礦區(qū)主要位于水文地質(zhì)單元的補(bǔ)給區(qū)，局部位于徑流區(qū)。礦區(qū)地形原始狀態(tài)四周高，中間為一槽谷地形，跨越地下水補(bǔ)給—徑流—排泄區(qū)。

1.2 氣象

調(diào)查區(qū)地處北回歸線以南，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，具有溫暖多雨、潮濕、日照充足的特點(diǎn)。據(jù)云浮氣象站的多年觀測(cè)資料：年平均氣溫21.6℃，極端最低氣溫-1.4℃（1967年1月17日），極端最高氣溫39.1℃（1998年8月4日），雨季多在4月～9月，洪水期多在每年5月～7月，旱季在11月～次年2月。多年平均降雨量1571.8mm，歷年最大年降雨量為2138.8mm（1981年），歷年最小年降雨量為881.1mm（1977年），日最大降雨量255.3mm（1976年9月20日），歷年最大一小時(shí)降水量70.0mm（1972年9月19日）。多年平均蒸發(fā)量1422.5mm，最大年蒸發(fā)量1805.3mm，最小年蒸發(fā)量1055.4mm。多年平均雨日數(shù)為191d，年平均雷暴日數(shù)75 天。風(fēng)季主要受臺(tái)風(fēng)影響，多發(fā)生在每年7月～9月，風(fēng)力一般在七級(jí)以下，常年多刮東南或東北風(fēng)，平均風(fēng)速1.2m/s，瞬時(shí)最大風(fēng)速達(dá)34.0m/s。

1.3 地表水

區(qū)內(nèi)地表水不發(fā)育，局部見有山溝溪流，流向受分水嶺的控制，自西向東流經(jīng)礦區(qū)，流量約為107m3/d；大部分地表水都匯入距礦區(qū)東南界線約1km 的三角湖村河，該河自西南向北東流，河床寬12m，水深0.30m ～1.0m，流量季節(jié)變化較大，流量約為26 萬(wàn)m3/d。水化學(xué)類型HCO3-Ca 型，pH 值8.01，溶解性總固體0.103g/L。

1.4 地下水

（1）巖溶裂隙含水層。巖溶裂隙含水層主要為泥盆系上統(tǒng)天子嶺組灰?guī)r裂隙發(fā)育段，區(qū)內(nèi)灰?guī)r裸露區(qū)溶槽、溶溝和溶蝕裂隙發(fā)育，但地勢(shì)較高，多為導(dǎo)水而不含水，往往成為深部地下水的補(bǔ)給通道。鉆探揭露表明，鉆孔見洞率為32.00%；溶洞高度0.43m ～46.49m，頂板標(biāo)高411.72m ～177.90m，底板標(biāo)高390.45 ～176.60，溶洞多為泥質(zhì)或砂質(zhì)充填，部分鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程有漏水現(xiàn)象，揭露深度內(nèi)正常地下水水位埋深2.80m ～143.80m，標(biāo)高388.63m ～203.44m 地下水水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca·Mg型。鉆孔揭露溶洞時(shí)均為全漏水，地下水水位均位于溶洞以下。該含水層中出露有2 個(gè)下降泉，流量為0.140L/s ～0.221L/s，泉1出露于采坑南部灰?guī)r巖壁，標(biāo)高265m，采坑底標(biāo)高261m，流量0221L/s。采場(chǎng)平水期測(cè)得地下水涌水量220m3/d，該含水層富水性弱。

本次施工抽水試驗(yàn)鉆孔由于鉆孔揭露的灰?guī)r新鮮、致密，裂隙不發(fā)育，抽水量小。新鮮灰?guī)r裂隙、巖溶不發(fā)育，可視為相對(duì)隔水層。進(jìn)行了鉆孔常水頭注水試驗(yàn)，據(jù)鉆孔注水試驗(yàn)結(jié)果，滲透系數(shù)0.0880m3/d ～1.306m3/d，平均為0.5260m/d。

（2）砂巖裂隙含水層。砂巖裂隙含水層分布在帽子峰組之中，巖性為變質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖，連續(xù)展布于礦區(qū)的南部及外圍四周，砂巖淺部風(fēng)化裂隙發(fā)育，含裂隙水，含水層厚度受巖石風(fēng)化裂隙發(fā)育的程度控制，其含水層底界與微風(fēng)化底界基本一致，含水層厚度12.00m ～71.05m。據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，泉水常見流量小于0.5L/s，總體富水性弱。

（3）殘坡積孔隙含水層。殘坡積孔隙含水層發(fā)育在溝谷山麓地段。分布在礦區(qū)山麓地帶的殘坡堆積孔隙含水層，厚度一般2.40 ～34.20，主要含砂巖碎屑砂質(zhì)粘土組成，滲透性好，富水性弱—中等。

1.5 構(gòu)造斷裂（層）含水性

據(jù)鉆孔及地面調(diào)查，礦區(qū)南部有一組斷層F1，寬度約7m，巖性為構(gòu)造角礫巖，角礫原巖為變質(zhì)砂巖、灰?guī)r，棱角狀、次棱角狀，多為鈣質(zhì)、硅質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度好，鉆進(jìn)到該層時(shí)未發(fā)生涌、漏水現(xiàn)象，巖面新鮮，地下水活動(dòng)跡象不明顯，富水性弱。

1.6 相對(duì)隔水層

局部山坡上分布的坡殘積層，巖性以粉質(zhì)粘土為主，且大部分位于地下水水位之上，可視為透水不含水層。分布于風(fēng)化帶以下的基巖新鮮完整，除了構(gòu)造破碎帶附近，巖石裂隙不發(fā)育，偶見充填或閉合裂隙，抽水試驗(yàn)鉆孔全孔均為新鮮完整的灰?guī)r，裂隙不發(fā)育，未發(fā)育溶洞，水量小，水位恢復(fù)慢，可視為相對(duì)隔水層。

1.7 地下水的補(bǔ)、徑、排條件

礦床處于區(qū)域水文地質(zhì)單元的補(bǔ)給區(qū)與徑流區(qū)，地下水主要接受大氣降水垂向直接補(bǔ)給。分布于區(qū)內(nèi)淺部的孔隙潛水主要接受大氣降水直接補(bǔ)給和溪溝水側(cè)向補(bǔ)給，該地下水與溪溝水的水力聯(lián)系較密切，既受溪溝水補(bǔ)給，同時(shí)也向溪溝水排泄?；鶐r裂隙、巖溶溶蝕裂隙潛水主要接受大氣降水的垂向補(bǔ)給，局部接受溪溝水的滲入補(bǔ)給，沿風(fēng)化裂隙、溶蝕裂隙下滲與運(yùn)移，形成地下徑流，流向與地形密切相關(guān)，總體與溪溝水流向基本一致，該類型的地下水具較明顯的徑流路途短的特點(diǎn)，往往在地形低洼處以散流或下降泉形式排泄。

1.8 礦床水文地質(zhì)特征及礦坑充水因素

礦體及其圍巖上部為基巖風(fēng)化裂隙與巖溶溶蝕裂隙潛水含水層，富水性弱，下部新鮮、完整的灰?guī)r與變質(zhì)砂巖完整致密，富水性總體弱，可視為相對(duì)隔水層。根據(jù)礦區(qū)、礦體規(guī)模、埋藏條件及礦床水文地質(zhì)特征，未來(lái)礦山宜用露天開采。未來(lái)礦坑充水因素主要為大氣降水直接充水，次為基巖風(fēng)化裂隙與巖溶溶蝕裂隙潛水的側(cè)向充水。

1.9 礦坑涌水量預(yù)測(cè)

1.9.1 邊界條件

礦床含水層為基巖風(fēng)化裂隙與巖溶溶蝕裂隙含水層，呈層狀分布，可視為無(wú)限補(bǔ)給邊界，開采時(shí)地下水從四周以平面流形式對(duì)礦坑充水。

1.9.2 預(yù)測(cè)深度

根據(jù)礦體的控制深度及含水層特征，未來(lái)礦床擬設(shè)最低開采標(biāo)高為140m，因此本礦床預(yù)測(cè)水平為140m 標(biāo)高。

1.9.3 預(yù)測(cè)方法

根據(jù)礦床開采方法和充水特征，大氣降水充水量采用面積法計(jì)算，地下涌水量采用比擬法計(jì)算。

1.9.4 參數(shù)的確定

（1）采礦場(chǎng)的面積（F）。以礦區(qū)露天采場(chǎng)邊界附近的次級(jí)分水嶺來(lái)確定礦區(qū)降雨匯水面積，采用地理信息系統(tǒng)從礦區(qū)水文地質(zhì)圖上量得結(jié)果為585165m2。

（2）降雨量（A）。據(jù)云浮市氣象局多年平均降雨量（A1）為1.5718m，日最大降雨量（A2）為0.2553m。

（3）時(shí)間（t）。參照云浮市云城區(qū)的多年平均年雨日為191天。

（4）正常降雨時(shí)的地表徑流系數(shù)（φ）。根據(jù)礦床水文地質(zhì)特征，采用《水文地質(zhì)手冊(cè)》經(jīng)驗(yàn)值，φ 為0.7。

（5）生產(chǎn)礦坑涌水量（Q）。礦區(qū)范圍內(nèi)存在一舊的露天開采采坑，據(jù)調(diào)查，采坑揭露的地下水最終匯入礦區(qū)東部的溪溝排出，Q1為220m3/d。

（6）礦坑水頭高度（H）。原礦山開采對(duì)礦區(qū)的含水層有一定的破壞，但地下水流場(chǎng)還總體保持原貌，所以生產(chǎn)礦坑水頭高度與新建礦坑水頭高度采用本次施工的鉆孔觀測(cè)的終孔靜水位標(biāo)高平均值：H1=H2=306.85m。

（7）礦坑水位降深值（s）。原生產(chǎn)礦坑水位降深值（s1）采用礦區(qū)潛水位平均標(biāo)高（306.85m）降至現(xiàn)狀采坑最低標(biāo)高（241.06m）之差值，結(jié)果為65.79m；新建礦坑水位降深值（s2）采用礦區(qū)潛水位平均標(biāo)高（306.85m）降至礦床擬設(shè)開采最低標(biāo)高（140m）之差值，結(jié)果為166.85m。

（8）礦坑引用半徑（r）。原生產(chǎn)礦山礦坑開采面積從礦區(qū)水文地質(zhì)圖上量得結(jié)果為F1=214200m2，未來(lái)采場(chǎng)降雨匯水面積F2=585165m2根據(jù)采坑形態(tài)，采用不規(guī)則圓形公式。

原礦山生產(chǎn)礦坑引用半徑計(jì)算結(jié)果為r1=261.18m，新建礦山礦坑引用半徑計(jì)算結(jié)果為r2=431.59m。

1.9.5 涌水量計(jì)算結(jié)果

（1）礦坑大氣降水正常充水量Q1為3370m3/d，最大日充水量Q2為104575m3/d。

（2）礦坑地下水涌水量為706m3/d。

1.10 礦區(qū)及周邊供水水源情況

礦區(qū)及周邊沒(méi)有較大地表水體分布，只有流量不大的小溪溝，根據(jù)采集的水樣水質(zhì)分析結(jié)果評(píng)價(jià)礦坑水環(huán)境質(zhì)量總體屬Ⅲ類，礦區(qū)內(nèi)的溪溝水水質(zhì)較好，但礦山開采后，大部分已轉(zhuǎn)為礦坑水，礦坑水可進(jìn)行綜合利用，可作為未來(lái)礦山開采時(shí)的工業(yè)用水水源，礦坑水如作生活用水需進(jìn)行除鐵錳水質(zhì)凈化處理。

1.11 小結(jié)

本礦床的水文地質(zhì)類型為以大氣降水和巖溶裂隙直接充水為主的巖溶充水礦床。礦體位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以上，開采礦坑水可自然排泄；構(gòu)造斷裂帶規(guī)模小、不具備溝通區(qū)域強(qiáng)含水層和大型地表水體的條件；殘坡積層厚度較薄，但分布較廣泛，礦坑疏干排水可能在小范圍內(nèi)引起一些小型巖溶塌陷的，但幾率較低。礦床的水文地質(zhì)邊界有巖溶裂隙弱—半透水邊界和礦體周邊的砂巖弱透水邊界，礦區(qū)水文地質(zhì)條件屬于簡(jiǎn)單類型。

2 礦區(qū)工程地質(zhì)

2.1 巖組的物理力學(xué)性質(zhì)及工程地質(zhì)特征

（1）松散巖組。分布于礦體及圍巖上部，巖性主要為殘坡積含砂巖碎屑砂質(zhì)粘土，呈散體結(jié)構(gòu)，以硬塑土狀為主，局部為堅(jiān)硬土狀，層厚分布不均，分布于山坡地段的厚度較大，而分布于溝谷一帶的厚度較薄，該層由于為散體結(jié)構(gòu)，工程物理力學(xué)性質(zhì)較差，遇水易軟化崩解，穩(wěn)固性差，并且厚度較大，如露天采場(chǎng)邊坡的坡角過(guò)陡在降水等外界因素影響下易出現(xiàn)邊坡崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

（2）破碎軟巖組。主要為礦體南部的中風(fēng)化的變質(zhì)砂巖，多為碎裂結(jié)構(gòu)，風(fēng)化裂隙較發(fā)育，裂隙多為泥質(zhì)、巖石較破碎，巖石質(zhì)量極劣的，巖體破碎；巖體質(zhì)量差，屬Ⅳ類，普遍較破碎、軟弱，穩(wěn)定性稍差。

（3）較完整較軟巖組。主要為礦體上部的微風(fēng)化變質(zhì)砂巖與局部的構(gòu)造角礫巖，風(fēng)化裂隙及構(gòu)造裂隙較發(fā)育，裂隙多為泥質(zhì)、鈣質(zhì)充填，巖石較完整。微風(fēng)化變質(zhì)砂巖巖石質(zhì)量中等的，巖體中等完整，巖體質(zhì)量中等，屬Ⅲ類；構(gòu)造角礫巖巖石質(zhì)量中等的，巖體中等完整，巖體質(zhì)量中等，屬Ⅲ類；該巖組巖石普遍較完整，穩(wěn)定性較好。

（4）較完整半堅(jiān)硬巖組。屬此類巖石主要為礦體及其圍巖的灰?guī)r、白云巖，以及圍巖的變質(zhì)砂巖，一般為層狀結(jié)構(gòu)，裂隙一般不發(fā)育，裂隙為充填閉合，巖石較完整。

灰?guī)r、白云巖巖石質(zhì)量好的，巖體較完整，巖體質(zhì)量良，屬Ⅱ類，普遍較完整，穩(wěn)定性好。變質(zhì)砂巖巖石質(zhì)量好的，巖體較完整，巖體質(zhì)量中等，屬Ⅲ類，普遍較完整，穩(wěn)定性好。

2.2 小結(jié)

本礦區(qū)的礦體及圍巖以較堅(jiān)硬巖組為主，穩(wěn)定性較好，但礦體上部分布的松散巖組及軟弱巖（中風(fēng)化巖），巖土體結(jié)構(gòu)松散，遇水較易發(fā)生軟化崩解，穩(wěn)定性較差，并且局部厚度較大；另外采場(chǎng)的開采臺(tái)階邊坡局部地段存在發(fā)育穩(wěn)定層理和裂隙結(jié)構(gòu)面，均對(duì)露天采場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性構(gòu)造較大的影響。綜合礦區(qū)工程地質(zhì)條件屬于中等類型。

3 礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)

3.1 礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

（1）區(qū)域穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。本區(qū)自明至清共發(fā)生地震22 次，民國(guó)時(shí)期2 次，建國(guó)后2 至4 級(jí)4 次左右，皆無(wú)傷亡。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015），本區(qū)防震設(shè)防烈度Ⅵ度區(qū)，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，區(qū)域地殼穩(wěn)定性為穩(wěn)定，地震對(duì)礦山開采影響一般不大。

（2）巖（礦）石放射性。據(jù)放射性測(cè)定：圍巖及礦體的內(nèi)照射指數(shù)IRa 為0.0 ～0.1，外照射指數(shù)Iγ 為0.0 ～0.4，符合建筑主體材料要求。圍巖及礦體的放射性對(duì)人體及周邊環(huán)境條件影響不大，礦石和廢石成分較穩(wěn)定，不易分解出有害組分，礦床開采除粉塵外，一般不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染。

3.2 水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

（1）地表水。水化學(xué)類型為HCO3-Ca 型，pH值為7.99 ～8.02，溶解性總固體為0.103g/L。根據(jù)相關(guān)區(qū)域規(guī)劃，礦區(qū)范圍內(nèi)地表水主要為水產(chǎn)養(yǎng)殖等漁業(yè)水域，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，礦區(qū)所在區(qū)域地表水環(huán)境質(zhì)量總體較好。

（2）地下水.礦區(qū)所采地下水樣，采用《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14848-2017）進(jìn)行評(píng)價(jià)。地下水質(zhì)量為Ⅰ類至Ⅳ類。

3.3 礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

（1）礦山廢水污染。隨著礦山的開發(fā)和投產(chǎn)，礦山將排放各種廢水包括有礦坑排水、廢石堆淋濾水和生活廢水等。這些廢水排量和成分各異，對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響各不相同。

礦坑排水主要是進(jìn)入礦坑的地下水，還有部分由地面送入的生產(chǎn)用水，它是礦山廢水中排量最大的廢水。由于地層和礦體的物質(zhì)浸出，礦坑排水的水質(zhì)特征是含較多雜質(zhì)和礦物質(zhì)，根據(jù)本礦區(qū)的地質(zhì)特征，其中含量較大隨礦坑充水時(shí)流入的泥質(zhì)物，其次是鈣元素；此外，礦坑排水還攜帶有一定量的掘進(jìn)、采礦時(shí)產(chǎn)生的巖粉、巖屑。礦坑排水進(jìn)入地表水體后，這些有害物質(zhì)都可能對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染：泥質(zhì)物因沉淀形成泥皮，封閉耕土、農(nóng)田的表面，影響降水下滲、土壤貧化；鈣元素提高了水質(zhì)硬度，使鍋爐結(jié)垢量增加。本礦區(qū)的鈣元素主要以結(jié)晶巖石形式存在，浸出率不高，加上礦坑疏干排泄過(guò)程中，地下水循環(huán)激烈，在地下已經(jīng)很快被稀釋，故預(yù)計(jì)鈣元素在礦坑排水中的含量不多，對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響程度輕微；礦坑排水中泥質(zhì)物、巖粉、巖屑的含量也不大，可采用沉淀后排放的方法。故預(yù)測(cè)礦坑排水對(duì)地質(zhì)環(huán)境的直接影響程度輕微。

由于本礦山的圍巖和礦石的化學(xué)性能較穩(wěn)定，廢石塊度較大，故入滲到廢石堆的大氣降雨和地下水所浸出的有害元素含量不多，故預(yù)測(cè)廢石堆淋濾水對(duì)環(huán)境污染輕微。

本礦山屬機(jī)械化生產(chǎn)礦山，人員不多，生活廢水有限；且生活廢水主要以易降解有機(jī)物為主，加上生活區(qū)遠(yuǎn)離村鎮(zhèn)，故預(yù)測(cè)生活廢水對(duì)環(huán)境的污染程度輕微。

（2）礦坑疏干引發(fā)地面塌陷。一般灰?guī)r區(qū)礦坑疏干引發(fā)地面塌陷是礦區(qū)對(duì)地質(zhì)環(huán)境影響較多發(fā)生的問(wèn)題。目前原礦山開采排水和本次勘探抽水試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)地面變形情況。

（3）覆蓋層面導(dǎo)致的地面塌陷。覆蓋層面的形態(tài)復(fù)雜，溶隙、溶溝縱橫交錯(cuò)，后期覆蓋的巖石多已風(fēng)化為殘坡積土，當(dāng)?shù)叵滤顒?dòng)和大氣降雨滲入時(shí)，會(huì)出現(xiàn)軟化、流失和土洞發(fā)育。一旦流失過(guò)量、土洞規(guī)模過(guò)大，上覆土體難以維持穩(wěn)定時(shí)，會(huì)出現(xiàn)突發(fā)性的地面塌陷。但本區(qū)巖溶率低，規(guī)模小，地面塌陷幾率小。

（4）礦坑排水疏干的導(dǎo)致地面塌陷。不整合巖溶面的滲透性明顯高于其他部位，成為了地下水向礦坑排泄的最主要通道。在礦坑疏干過(guò)程中，必然會(huì)造成不整合巖溶面中的泥質(zhì)物逐步流失。礦坑開拓越深、排水量和地下水滲流速度流也越大，土洞發(fā)育周期也越短，地面坍塌的可能性也就越大。

（5）廢石堆泥石流與邊坡失穩(wěn)。由于廢石逐年增加，如何保持廢石堆穩(wěn)定及預(yù)防礦山泥石流的發(fā)生，是礦山運(yùn)營(yíng)期的重要環(huán)境問(wèn)題。本礦山的廢石主要來(lái)自礦坑開拓、采準(zhǔn)期間的剝離廢石以及采礦期間分揀出來(lái)的夾石。目前水泥灰?guī)r礦山大多是利用閑置山間溝谷堆放廢石，一旦廢石邊坡失穩(wěn)并與松土混合，在雨季期間，可能會(huì)演化為泥石流，對(duì)下游構(gòu)成威脅。

（6）破壞地形地貌。礦床露天開采會(huì)對(duì)礦區(qū)地形地貌景觀產(chǎn)生破壞，破壞類型主要有開采挖掘、堆積壓占、廠區(qū)建設(shè)等。

3.4 小結(jié)

礦區(qū)處于地震基本烈度Ⅵ度區(qū)，區(qū)域地殼穩(wěn)定性為穩(wěn)定，礦坑水環(huán)境質(zhì)量一般較好，礦石不會(huì)析出對(duì)水土環(huán)境污染的重金屬元素，但是礦區(qū)面積較大，擬生產(chǎn)規(guī)模大，開采剝離量及排土量大且占地多，后期礦坑開采涌水量較大，采礦可產(chǎn)生局部地表變形，對(duì)環(huán)境地質(zhì)破壞較大。環(huán)境地質(zhì)條件屬中等。

4 結(jié)論

礦床水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，工程地質(zhì)條件中等，環(huán)境地質(zhì)條件中等，礦床開采技術(shù)條件屬工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)復(fù)合問(wèn)題的中等類型（Ⅱ-4）。