内蒙古奈曼旗青龙山水泥用石灰岩矿山露天开采技术条件浅析

2016-10-15李华峰中国建筑材料工业地质勘查中心内蒙古总队内蒙古呼和浩特010010

中国非金属矿工业导刊 2016年3期

关键词：标高水文地质岩体

李华峰（中国建筑材料工业地质勘查中心内蒙古总队，内蒙古呼和浩特　010010）

【勘探技术】

内蒙古奈曼旗青龙山水泥用石灰岩矿山露天开采技术条件浅析

李华峰
（中国建筑材料工业地质勘查中心内蒙古总队，内蒙古呼和浩特010010）

综述了内蒙古奈曼旗青龙山水泥用石灰岩矿的开采技术条件，从矿区水文地质条件、工程地质条件、环境地质条件进行分析说明，并划分了其工程地质勘探类型。通过综合分析论证，最终确定了矿山开采技术条件为以简单水文地质问题为主的矿床，即Ⅲ-1型。

露天开采；大气降水；地下水；水泥用石灰岩

1　矿区水文地质

1.1地形地貌

内蒙古自治区奈曼旗横跨两个大地构造单元[1]。管家杖子至青龙山一线以南，属阴山纬向构造带的东端，以北为扭动构造挤压中的开鲁盆地。矿区位于松辽平原西侧，地形起伏较大，山体近东西向延伸，最高点海拔标高526m，最低点海拔标高342m，相对高差为184m，为低山丘陵地区。山脊背风处、山脚及其斜坡部位多为黄土堆积，厚度0.5～20m，冲沟较发育，地表支离破碎，形成风积地貌形态。

1.2水文气象

本区气候属大陆性半干旱性气候，夏季干燥炎热，冬季寒冷，多风少雨，昼夜温差大。据奈曼旗青龙山镇气象站1990～2015年的资料统计，年最高气温为7月份，平均27.8℃，年最低气温在1月份，平均为-12.4℃；年平均气温9.4℃。日平均降雨量为4.31mm，日最大降雨量为14.37mm，降雨主要集中在6～8月份，年平均蒸发量为2 100mm。霜冻期自10月份开始至翌年4月份解冻，冻土深度为1.5m。没有永久冻土层。风季自10月份至翌年5月末，多为西北风，初春风力最大，可达7～9级，夏季多为东南风。

1.3水文地质单元

矿区位于奈曼旗南部缓慢上升的低山丘陵基岩裂隙水部位，为地下裂隙水的补给区。含水层岩性为石灰岩、安山岩、片麻岩等，风化深度30～50m，富水性不均一。根据区域资料，在侵蚀基准面以上的岩溶、裂隙均是透水不含水层，而在侵蚀基准面以下或接近侵蚀基准面，均富存有较丰富的地下水。

矿区东、西两侧为松散层孔隙潜水区，主要分布在青龙山以西各大沟谷中，含水层岩性为松散的砂土及砂砾石层。

1.4 地下水补给、径流、排泄条件

基岩裂隙水主要靠大气降水补给，在山脚及地势低洼的沟谷地带侧向径流补给松散层孔隙潜水，矿区东、西两侧第四系孔隙潜水主要接受上部包气带水及基岩裂隙水的径流补给。地下水一部分沿沟谷向下游流走，另一部分以民用井抽水方式排出。随着季节的不同，地下水含量变化较大，雨季雨水较多，地下水补给来源充足，水量丰富；旱季干旱少雨，地下水埋深增大，水量贫乏。

1.5 地表水与地下水的关系

矿区及其附近无常年性地表水体，仅在矿区东西两侧有两条季节性河床，靠大气降雨补给，平时无水。矿区位于开鲁盆地的南缘，受哲盟东南隆起构造的影响，特别是新构造运动继承了隆起构造特点继续隆起，沿构造线方向形成南西至北东方向的分水岭。地下水主要靠大气降水补给，沿裂隙、断层发生地下径流，在地势较低的沟谷地带以泉的形式排出，转变成地表水。矿区水文地质特征见图1所示。

1.6含(隔)水层的岩性特征

(1) 第四系上更新统乌尔吉组松散岩类孔隙水。

呈不连续的透镜体分布于矿区沟谷地带及古河道上，覆盖厚度不一，在0.5～20m之间，最厚达50m。含水层岩性为粉砂、砾砂和砾石。含水层厚度为15m，静止水位埋深4.44m，水位降深7.96m时，涌水量为1.828L/S，单位涌水量为0.23L/s·m，影响半径为77.75m，渗透系数为1.59m/d，水化学类型为HCO3～Ca、Na型，pH值为8.30。

(2) 上石炭统灰岩裂隙水。

以中厚层结晶灰岩为主，溶蚀、裂隙较发育，溶蚀率7.79%，但发育不均匀，一般发育在230.08m (标高)以上和317.94m(标高)以下，溶洞直径一般0.50～1.30m，最大者4.30m。充填物和充填程度差异较大，多为泥质少量充填。直径在0.1～10mm之间的小溶洞多为钙质全充填。根据工程地质钻孔资料得知，在标高233.03m处，见有淋滤溶蚀现象。据水文孔抽水试验资料，孔深267.42m，含水层埋深36.53m，静止水位埋深65.27m，降深1.40m单位涌水量为0.19L/s·m，渗透系数为0.14m/d(见图2)。水化学类型为SO4·HCO3～Ca、Na型。pH值为8.50。该含水层为矿山开采时主要涌水含水层。

图1　矿区水文地质简图

1.7矿区涌水因素分析

该矿区主要矿层位于青龙山山脊上，最低开采标高为340m，最低侵蚀地准面为340m，地下水位埋深标高为380m，大部分矿体位于地下水面之上，但是在标高为340～380m之间的矿层中含有一部分的地下水，在开采时可能发生涌水事故，因此矿区的涌水因素要从地下水与地表水两个方面来考虑。

矿区附近无地表水体，地下水补给条件差，矿区自然排泄条件较好，在强降水季节不会发生矿坑涌水事故，但应注意的是在标高380m以下开采时矿区东、西两侧第四系孔隙水会涌入矿坑，建议矿山开采时在采坑四周修筑防洪围堰及排水沟或其他有效形式，做好防备工作。

图2　抽水试验Q -t、s -t曲线图

1.8矿区供水水源

矿区东西两侧古河道两岸发育有一、二级阶地，岩性为砂土、砂砾石层等，下部有弱透水层阻隔，构成了良好的贮水空间，接受大气降水及侧向基岩裂隙水的径流补给，水量较丰富，是区内较理想的供水水源。根据矿山需水量，经初步勘察，可满足矿山用水需要。

1.9水文地质勘查类型划分

含水层为裂隙、岩溶充水的水文地质条件中等的矿床，即第二类。

2　工程地质

2.1岩(土)体质量评价

(1) 第四系松散岩类：广泛分布于矿区山间沟谷、山前坡麓地带及东西侧属季节性河床内，一般厚度为2～10m，最大厚度可达30m以上。岩性以灰黄色粉砂、亚粉土、砾石、砂及亚砂土、淤泥等组成。疏松—半固结状态，多具柱状节理，含不规则姜块状钙质结核。砾石大小悬殊，磨圆程度较差，混杂堆积，受物源区基岩控制，砾石成分复杂。RQD值0～23%，岩体质量极劣。岩体质量系数(Z)为0～0.07，碎裂结构，岩体极坏。岩体质量指标(M)为0～0.03，岩体类型Ⅴ，质量坏。根据以上三种方法得出该层岩体质量极劣，是露天开采的主要剥离物。孔隙和垂直节理发育，遇水极易变形或坍塌，岩芯松散。

(2) 条带状白云质结晶灰岩：颜色为深灰色，结晶粒状结构，条带状构造。本岩性段为本次工作的目的层，由于风化剥蚀作用，保留厚度不等，最大339.5m。该矿层的平均RQD值为58.53%，岩石质量等级为Ⅲ，岩体完整性较差。岩石抗压强度34.4MPa、抗拉强度1.33MPa、抗剪强度4.09MPa、内摩擦系数0.81、软化系数为0.81，岩体质量系数(Z)为0.16，层状结构，岩体质量等级坏。岩体质量指标(M)为0.067，岩体类型Ⅳ级，岩体质量差。根据以上三种方法得出该层岩体质量劣，是矿体开采的破碎层。

(3) 薄层状结晶灰岩：颜色主要为深灰色，结晶粒状结构，薄层状构造。主要矿物成分为方解石，含少量泥质及粉砂等。本岩性段为本次工作矿层，最大厚度118m。该矿层的平均RQD值为76.34%，岩石质量等级为Ⅱ，岩体较完整。岩石抗压强度39.9MPa、抗拉强度1.29MPa、抗剪强度3.78MPa、内摩擦系数0.81、软化系数为0.85，岩体质量系数(Z)为0.25，层状结构，岩体质量等级一般。岩体质量指标(M)为0.10，岩体类型Ⅱ级，岩体质量良好。根据以上三种方法得出该层岩体质量等级为Ⅱ级，岩体完整坚硬，以Ⅲ、Ⅳ级结构面为主，亦存在Ⅱ级结构面延伸性较好。

(4) 中厚层结晶灰岩：颜色主要为深灰色，局部为浅灰色，结晶粒状结构，块状构造。本岩性段为本次工作的主要矿层，由于风化剥蚀作用，该岩性段保留厚度不等，最大厚度499m。该矿层的平均RQD值为92.63%，岩石质量等级为Ⅰ，岩石质量描述极好，岩体完整。岩石抗压强度45.4MPa、抗拉强度1.77MPa、抗剪强度4.64MPa、内摩擦系数0.81、软化系数为0.85，岩体质量系数(Z)为0.34，块状结构，岩体质量等级较好。岩体质量指标(M)为0.15，岩体类型Ⅱ级，岩体质量良好。根据以上三种方法得出该层岩体质量等级为Ⅰ级，岩体完整性极好，以Ⅳ、Ⅴ级结构面为主，少见Ⅱ、Ⅲ级结构面，层间有一定的结合力。

2.2边坡稳定性评价

最终边坡角确定：建议中段坡高＜10m，直线型边坡，最终边坡角＜60°；中段坡高＞10m，二级阶梯型坡面，最终边坡角＜50°。

根据矿区地形地貌及矿体、围岩产状，该石灰岩矿露天采矿应由东向西台阶式开采，即工作帮边坡倾向东，两个端帮边坡分别倾向北、南。露采边坡工作帮与弱软夹层、岩层等结构面反向外斜，结构面交线(可能滑动面)与边坡反向斜交，且内斜，倾角小于边坡角，属于较稳定结构。说明边坡岩体滑动的可能性小。但由于很多节理裂隙无序排列，局部岩体呈碎裂、块状结构，采矿过程中有蠕动、变形及崩落的可能性。

2.3工程地质勘探类型的划分

综上所述，矿区工程地质勘查类型属于层状、可溶岩类工程地质条件简单型，即第三—四类，第1型[3]。

3　环境地质

3.1环境地质现状

(1) 原生地质环境。

矿区位于松辽平原西侧，地形起伏较大，植被发育良好，主要以灌木、松树为主，天高气爽，环境优美。矿区周边除有两家小型采石场之外没有别的污染源，包气带地下水更换时间短，当地农民用于农田灌溉，水质受生活污水和农药影响较小。深部地下水水化学类型为HCO3～Ca型，矿化度＜1，水质良好，净化时间长，未受人类活动污染影响，是易做各种用途的良好水源。综上所述矿山原生环境地质良好。

(2) 地震。

近50年该地区没有发生过大的地震活动，属地质活动较稳定地区。

3.2矿山开采环境地质预测

露天开采时形成的废石(包括剥离土)和废弃的尾矿，不易分解出有害组分，在降水淋滤作用下不会产生污染地下水。矿坑只有在雨季有少量的水排出，平时没有水排出，且是间断的，矿坑排水不会造成严重的水体和土壤污染。疏干排水时不会引起地面塌陷沉降、山体开裂。

3.3防治建议

在开采时要对废石(剥离土)和废弃的尾矿进行合理的堆放和利用，以防下暴雨时为泥石流的发生提供物质来源。矿体基岩裸露，第四系覆盖较薄很少发生滑坡等地质灾害。但应注意崩塌的发生，主要分布于矿区的北西、南东两端，地层产状较陡，分化强烈，裂隙发育，岩石由于长期裸露直接受风蚀及雨水淋滤；再者矿山在生产过程中，须进行爆破、机械挖掘，使岩石结构变得疏松，原边坡稳定性受到破坏失去应力平衡，在重力作用下塌落形成崩塌地质灾害。3.4 矿区地质环境类型划分

矿区地质环境质量良好，附近无污染源，开采不易引发地面塌陷、滑坡等不良地质现象，矿区地质环境质量良好，属于第Ⅰ类。