可溶岩矿区疏干排水引发环境地质问题的预测

2010-11-15李康晓

采矿技术 2010年6期

关键词：溶岩岩类矿段

李康晓

(广东省地质局 704地质大队, 广东湛江市 524018)

可溶岩矿区疏干排水引发环境地质问题的预测

李康晓

(广东省地质局 704地质大队, 广东湛江市 524018)

根据某矿区的水文地质、工程地质条件,及预测的矿坑涌水量,预测了该矿区露天开采矿坑疏干地下水引发的环境地质问题。

可溶岩矿区;露天开采;地下水疏干;环境地质问题

某矿区位于化州市 335°方向直距 54 km处,主要矿体为大理石,根据矿体产出的不同位置及其产出条件的差异,矿区分为秧地坡矿段、白石矿段和潭龙矿段。矿区水文地质条件复杂,工程地质条件中等 -复杂。

1 矿区水文地质条件

矿区在区域水文地质图幅中位于山间平原与丘陵交接处,地层岩性及地质构造简单、地下水补给条件相对较好,在区域水文地质单元中属于地下水补给区,岩溶含水层的富水性较强。

矿区揭露的含水层有:第四系冲洪积 (Qapl)孔隙潜水含水层 (Ⅰ)、元古代云开岩群清垌岩组文楼岩段下段 (Jxqw1)大理岩岩溶 -裂隙承压含水层(Ⅱ)。根据抽水试验结果,Ⅰ层含水层渗透系数计算值为 2.056～14.885 m/d,单位涌水量为 0.2074～0.5003 L/(s·m),该层具中等富水性、良透水 -强透水性。Ⅱ层含水层根据岩溶、裂隙发育情况,剖面上划分为相对强含水带 (Ⅱ-1)及相对弱含水带(Ⅱ-2),根据抽水试验结果,Ⅱ-1含水带渗透系数计算值为 0.630～0.680 m/d,单位涌水量为0.342～0.769 L/(s·m),该层具中等富水性和半透水 -良透水性;Ⅱ-2含水带渗透系数计算值为0.0009～0.0141 m/d,单位涌水量为 0.0009～0.0025 L/(s·m),具弱富水性、弱透水性 -隔水性。

矿区 3个矿段中,潭龙矿段矿体厚度稳定,覆盖层相对较薄且局部矿体露头,地表为田地及山坡,剥离成本较低,容易开发利用,利于作为首采矿段。根据矿坑设计开采标高、开采矿坑的水文地质条件,选用稳定流大井法及比拟法求得潭龙矿段的矿坑涌水量分别为:+5 m中段涌水量为 3101 m3/d,-35 m中段涌水量 3822 m3/d。

2 矿区工程地质条件

根据矿体及围岩的岩性、成因、物理力学性质及埋藏分布条件等,将矿区岩土层划分为第四系冲洪积松散岩类、基岩风化坡残积松散岩类、基岩风化半固结 -软弱岩类及坚硬 -半坚硬岩类 4大类。

第四系冲洪积松散岩类是矿体覆盖层,厚度变化大,土质软弱或松散,稳固性差,易造成露采边坡失稳、塌方、逸水压力破坏等不良工程地质现象。

基岩风化坡残积松散岩类是矿体覆盖层,厚度变化大,工程性质中等,稳固性一般。但该层遇水易软化,湿化后力学强度明显降低,易造成露采边坡失稳、塌方等不良工程地质现象。

基岩风化半固结 -软弱岩类在秧地坡矿段和白石矿段揭露,是矿体直接顶底板。潭龙矿段钻孔未揭露该层,但矿坑放坡范围内局部可能涉及该层。该类岩呈半岩半土状或碎石状,散体或碎裂状,稳固性差,易造成露采边坡冲蚀破坏、崩塌和局部滑坡等不良工程地质现象;

坚硬 -半坚硬岩类又可分为可溶岩类和非可溶岩类。

可溶岩类为矿体,厚度大,岩石质量中等,岩体中等完整,岩石抗压强度高,但浅部岩溶较发育,易造成露采矿坑突水突泥,地下水下降引起周边地面塌陷、地裂缝等不良工程地质问题。非可溶岩类是矿体直接顶、底板,岩石质量劣,岩体完整性差,岩石抗压强度中等,岩石稳固性一般,易造成露采边坡出现掉块和围岩失稳等不良工程地质现象。

3 矿区环境地质问题预测

根据矿区水文地质、工程地质条件、矿床开采方式及社群安全需要等,预测矿区环境地质问题有:岩溶性地面塌陷、地面沉降及地下水位下降。

3.1 岩溶性地面塌陷

潭龙矿段北东部 3个民采矿坑附近已出现地面塌陷共 9处,潭龙矿段拟采矿坑附近现有地面塌陷3处;据调查,民采矿坑现开采深度约 40～60 m,水位已疏干至矿坑底部。钻探资料显示,潭龙矿段矿体上覆土层厚度 4.37～52.32 m,平均 12.36 m;潭龙矿段抽水主孔W1处土层厚度 9.12 m,水位埋深2.56 m。在进行上段强含水带洗孔过程中,于 2009年 12月 28日早上 5点在钻机前厂房靠近钻孔位置出现地面塌陷,塌陷直径约 2.50 m,深约 4 m,分析该塌陷原因是浅部溶洞发育,垂向上溶洞及第四系冲洪积层地下水连通性好,洗孔过程中造成负压,致第四系松散层沉陷。

在山间平原区可溶岩覆盖层厚度几米至二十余米的地段,水位降深仅相当于露采矿坑开采初期,即可导致可溶岩地面出现塌陷或地裂缝。在设计开采条件下,开采后期水位降深大于上述民采矿坑及抽水试验水位降深,且矿坑基本都位于平原、谷地及低阶地地段,岩溶中等发育,局部强发育,故预测矿区长期疏干地下水地段,覆盖层厚度 <20 m时易形成地面塌陷,覆盖层厚度 <10 m时极易形成地面塌陷;在可溶岩地下水疏干影响范围内,村庄建筑物密集处 (有附加荷载及生活排水影响),覆盖层厚度大于 20 m时,局部亦有可能发生地面蹋陷。

因地面塌陷与地下水下降有密切关系,故水位降深至岩溶相对强含水带 (即发育有溶洞的含水带)底板时,地下水影响带可作为地下水主要下降带;开采岩溶相对弱含水带的矿体时,地下水影响带虽有所扩大,但扩大地带的水位降幅已显著变小,故以终采水位降深引起的地下水影响带边缘至地下水主要下降带边缘的地段作为地下水次要下降带。在长期大量疏干情况下,矿坑水力性质可视为潜水,故地下水疏干影响半径采用库萨金经验公式计算而得。各项参数取值及地下水下降带定值见表1。

表1 矿坑疏干地下水下降带的定值

根据地下水下降条件及可溶岩和其上覆土层的埋藏分布条件,根据塌陷发育程度将地面塌陷地带划分为如下 2类。

(1)地面塌陷主要发育地带。沿矿体走向的东北及西南方向,矿坑边缘至外围 780 m范围;东南面矿坑边缘至可溶岩地表投影线范围;西北面至山坡坡麓边缘且覆盖层厚度小于 20 m的范围;

(2)地面塌陷次要发育地带。沿矿体走向的东北及西南方向,矿坑之外 780 m至 1370 m之间的范围;西北面矿坑边缘至坡麓边缘且覆盖层厚度大于20 m而小于 30 m的范围。东南面已进入非可溶岩,一般不会形成地面塌陷。

由地面塌陷衍生的局部地表水断流,或地表水沟通浅部与深部含水层,都可能对矿山生态环境和矿坑充水造成不良影响。

3.2 地面沉降

矿区冲洪积层分布地段村庄较多,村庄规模较大,民房几乎全为天然浅基础。已有的秧地坡矿段南面平福坳村及潭龙矿段北东部秧地头村小型露天开采和地下浅部开采,已引发邻近局部民房出现不同程度的地基变形、房屋拉裂。本次勘查白石矿段抽水试验孔W4的位置,土层厚度 21.70 m,在大理岩上段强含水带进行抽水 (静水位埋深 2.00 m),当水位降深 11.38 m、涌水量 644 m3/d时,该孔西北方向距抽水孔 30～50 m的瓜田出现了 2条地裂缝,其长分别为 15～18 m,宽 1～2 cm,地裂缝两侧带宽10～40 cm。

地面沉降与地下水位下降及地面塌陷有密切联系,故预测在地面塌陷主要发育地带较易发生有害的地面沉降,在地面塌陷次要发育地带不易发生地面沉降或地面变形轻微。