甘肃某金属矿山环境地质问题预测分析
2019-02-10袁胜,梁奔
袁 胜,梁 奔
(江西省地质环境调查研究院,江西 南昌 330096)
矿山环境地质问题预测分析是防治矿山环境地质问题发生的基础,也是矿山开发利用的基础。合理的矿山环境地质问题预测可以有效的清除或者治理潜力的地质灾害风险,提高矿山安全生产[1]。此外,随着矿山的开发与利用,可能引发不同程度的环境地质问题,基于此,本文简要的分析该矿床的环境地质问题,为后期提出合理的治理措施奠定基础。
1 矿区基本概况
矿区位于肃北县,大地构造位置处于塔里木陆块区,敦煌陆块,柳园裂谷区,区内构造复杂,断裂发育[2]。矿区区域构造活动强烈,岩浆活动频繁,构造演化经五台~蓟县期至燕山期漫长发展史,已褶皱的地层受后期构造运动的强烈影响,致使区内褶皱发育,断层交织。区内次级断裂构造十分发育,以东西向为主,该组断裂控制了区内火山岩及沉积建造的分布,为区内主要的导矿构造;北东~南西向次之,该组断裂控制了测区内矿产及含矿岩脉的分布,为区内主要的容矿构造,矿区周边尚未发现新构造运动迹象。矿区地貌上属低山丘陵区,低山与山间洼地相间分布是其显著特征,属低山丘陵地形,海拔1670m~1782m,比高60m~100m,无常年性河流,只有干沟。矿体位于当地侵蚀基准面以下,矿区无常年性地表水体,矿床主要充水含水层为辉长岩和花岗岩,富水性弱,地下水补给条件差,大气降雨与矿区地下水联系较为密切,矿体顶板有厚度不等的第四系松散层覆盖,水文地质边界清楚,水文地质类型为裂隙充水的水文地质条件简单矿床。此外,根据地震资料显示,矿区所在区域地震动峰值加速度<0.05g,对应的地震基本烈度值<Ⅳ,且无大震发生历史,仅发生小于3级地震7次,因此认为该矿区范围发生大震的概率小。
2 矿区环境地质现状
矿区正处于勘查阶段,基本处于天然状态,无固定人群居住和土地开发利用活动。地形地貌主要受岩性和构造控制,同时也受季节性降水的影响,在第四系覆盖较厚的地区,分布有较多冲沟,但下切深度都很小,平均约20cm。矿区地形地貌上属于低山丘陵,地形平缓,相对高差小,自然形成的崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害基本没有。尽管矿区地表有较厚的第四系覆盖,但其富水性弱,其下伏变质岩系、接触破碎岩组等富水性弱,钻孔提水试验及简易水文观测表明,变质岩系仅为滴水状、渗水状汇集。根据矿区环境地质判别依据“依据包括:①水文地质条件简单,为弱裂隙充水矿床,矿坑最大涌水量小于50m3/h,矿坑主要为顶板裂隙充水,边界条件清楚,无老窿水,无地表水体,地下水与大气降水联系不密切;②废石、矿渣或矿坑水有害组分少,含量低,堆渣条件好,矿渣堆稳定,不易污染水、土环境;③矿区以东西向构造为主,断层构造不发育,矿体中有侵入接触破碎岩组,富水性弱,易发生工程地质问题,其他节理、裂隙对采矿也有一定影响;④矿区工程地质条件中等,可溶岩类不发育,地表第四系松散层厚度大于5m,矿体顶、底板岩性为砂碎石、角砾岩,岩体质量“极差”,为Ⅴ级;⑤矿井开采方式、方法合理,计划采用充填法开采,首采段深度将达200m,采空区被及时充填;⑥现状条件下地质环境问题少,危害小。”认为矿区地质环境条件复杂程度整体上应属简单类型。
此外,虽然矿区整体地势比较平坦,相对高差小,但待采矿体所处的位置位于矿区中部,可能会遇到洪水淹没问题。北山地区降雨集中在7月份~9月份,雨季淹没矿带具有突发性,故在开采过程中要预防洪水淹没问题。矿区各类岩石中含有As、Pb等金属元素,分别以单质、硫化物、氧化物形式存在,对周围环境及人群有一定危害。
3 矿山开采地质环境预测评估
根据矿体赋存特征、矿体类型、矿区水文地质工程地质条件,开采方式,地形地貌,结合矿区人居环境、土壤环境、地下水环境,及国内类似开采矿山常出现的地质环境问题对矿区地质环境进行定性预测[3]。
3.1 地裂缝及山体开裂问题
矿床顶底板为纤闪石化细粒辉长岩,与矿体呈渐变关系。因此,矿体及顶底板岩性在工程地质岩组中属于辉长岩组,包括辉长岩、钛磁铁矿化辉长岩、钛磁铁矿体,根据已有钻孔资料统计发现,该组岩层的RQD统计平均值39.63%,地层完整性差。此外,辉长岩体受矿化影响,岩体较易破碎。岩体力学参数测试辉长岩组饱和状态单轴抗压强度平均值16.49MPa(三组,最大值25.3MPa,最小值3.46MPa);干燥状态单轴抗压强度平均值26.03MPa(三组,最大值34.4MPa,最小值10.2MPa);天然状态抗剪强度参数:C=1.79MPa(三组,最大值2.89MPa,最小值1.15MPa),φ=34°15′(三组,最大38°36′,最小31°29′);软化系数平均值0.57<0.75,属遇水软化或易风化岩体。
矿体以井下开采为主,随着开采平硐掘进,由于上覆顶板岩层受力状况的改变,使得上覆岩层弯曲变形、破裂,进而引起地裂缝等问题。引起地裂缝范围主要位于开采平硐的周围10m范围内,可采用支护掘进的方式进行治理,即及时的在坑道内设置支护装置,尽可能的减少上覆岩层的受力变化。随着采矿活动的持续进行,上覆岩层在持续的上覆压力作用下为了达到新的应力平衡,压力逐渐向平硐上方集中,致使平硐上方岩层受力增加而发生弯曲、变形、破裂等现象,进而可引发地面塌陷、山体开裂等问题。此外,开采条件下,由于底部采空区的存在和采矿方式的影响,地表可能出现地面塌陷;开采条件下,由于矿体围岩(辉长岩)原本就比较破碎,受底部采矿爆破及地表开山修路影响,可能出现山体开裂。
3.2 环境污染问题
开采条件下,将产生大量固体废弃物并堆放于地表,如堆放地点和堆放形式不当,遇暴雨季节,在降水淋滤作用下将发生次生地质灾害(滑塌等)、重金属污染等。开采条件下,选矿、采矿将产生大量液体废弃物,一些有毒元素将污染地表土壤,以及浅层地下水,进而影响植物生长,但本区植被稀少,预计废水污染影响较小。此外,矿区所在区域无地表季节性水系,地下水的主要补给来源为大气降水,矿区范围内地形变化较小,第四系松散堆积物较厚,导致地表水体下渗较快,随着开采废弃物的堆放,对地下水水质的影响较大。超基性岩、基性岩中富含较多的Cr、Co、Ni、As、Pb等金属元素,在开采条件下,矿石与水的接触界面相对明显增大,使得交代作用更加强烈,进而使得地表水体中的Cr、Co、Ni、As、Pb等金属元素显著增加,随着地表排泄系统的排水,可能引起地表农田、水系的污染。
3.3 洪水淹没加剧问题
前文已述及,虽然矿区整体地势比较平坦,相对高差小,但待采矿体所处的位置位于矿区中部,可能会遇到洪水淹没问题,北山地区降雨集中在7月份~9月份,雨季淹没矿带具有突发性。在开采条件下,随着开采平硐掘进以及开采空洞的形成,使得上覆岩层出现地面裂缝、地面塌陷等环境地质问题,这些裂缝、塌陷不仅增加了地表水体对地下水体的补给量,更是使得地下水补给通道显著增多,透水性能明显增强,可能引起洪水淹没问题加剧,对矿区正常开采造成不利影响。
3.4 井下生产水渗漏问题
井下生产水渗漏问题是影响井下生产安全的主要因素之一。在井下巷道掘进过程中,破坏了原来的导水通道或者使得巷道附近的岩石裂隙密度增加,使得地表补给水沿着导水通道或者密集裂隙面下渗,形成渗漏问题。此外,随着各项采矿活动进行,不可避免的产生大量的生产废水。上述水除了一部分随着巷道排水系统排至矿坑外,其余部分水体沿着坑道内部不同类型的结构面运移,在持续的运移过程中可能将产生岩体软化、结构面滑移等采矿工程地质问题。
3.5 巷道顶板冒落、片帮问题
当矿体采动后,则在采动之处形成了一个低压自由空间,从而破坏了原来的静力平衡状态,引起四周岩体压力向此自由空间的顶底板及四壁集中。当采空区进一步扩大,压力拱的曲率已不能满足外压力的平衡时,则压力拱将被破坏,上覆质量极劣岩体将向下冒落。随着时间的推移,采矿区范围越来越大,矿业活动产生的应力会加剧松动的岩石冒落。由于应力集中,加之岩体层理、裂隙发育,极易沿软弱结构面产生片帮,危及采矿人群。
4 结语
综上所述,矿体处于当地侵蚀基准面以下,无常年性地表水体,充水含水层富水性弱,地下水补给条件差,为裂隙充水的水文地质条件简单矿床。尽管矿区地表有较厚的第四系覆盖,但其富水性弱,其下伏变质岩系、接触破碎岩组等富水性弱,钻孔提水试验及简易水文观测表明,变质岩系仅为滴水状、渗水状汇集,认为矿区地质环境条件复杂程度整体上应属简单类型。尽管矿区环境地质问题属于简单类型,但是随着开采活动,可能出现地裂缝及山体开裂、环境污染、洪水淹没加剧、井下生产水渗漏、巷道顶板冒落、片帮等问题,应加强上述方法的防治工作。