大冶铁矿深部开采时环境地质问题与地质灾害预测

曹中煌

(武钢资源集团大冶铁矿有限公司，湖北 黄石 435006)

湖北省黄石市铁山矿床是全国著名的大型矽卡岩型铁（铜）矿床，是武钢的铁矿石主要生产基地。矿山1958年7月开始大规模机械化开采，至今已有50年的历史，露天开采已基本结束，资源量绝大部分消耗殆尽。为了企业的生存和持续发展，武钢大冶铁矿积极申报和组织实施了2004至2006年度国家危机矿山接替资源勘查试点项目，开展本次深部铁矿详查，取得了较好的深部找矿效果。2019年，大冶铁矿深部开采工程见矿，即将进行大规模开采，本文就将深部开采时环境地质问题与地质灾害预测展开阐述。

区域范围铁山盆地东西长5.5km，南北宽3.2km，地形为四面环山、东面为鄂东南佛教圣地三楚第一山——东方山，西界大冶八景之一“雉山烟雨”——白雉山，北界为四峰山，西南与大冶市曙光乡毗邻。区域上地貌特征属剥蚀堆积垅岗缓丘地貌类型，大部分地段地形较为平缓，岗间沟谷呈树枝状分布，谷底宽阔平坦。

据搜集的黄石市气象台近10年气象资料，铁山区属亚热带季风气候区，四季分明，夏热冬寒，雨量丰沛，年平均将水量1411.90mm，雨量多集中在4～8月，约占全年降水量的60%。

1 斜边坡变形问题与地质灾害预测

1.1 斜边坡变形及形成原因

西露采坑分布于矿区西部，采坑呈一不规则状椭圆形。北帮42-44线间88m水平及120m水平坡面发育多条裂缝，这些裂缝延长20m～35m，宽度5cm～50cm，可见深度10左右，在88m水平，裂缝走向N5°～10°E，裂缝斜切边坡，在120m水平裂缝平行于边坡走向，不稳定边坡长约150m，约占西露天采场所形成的边坡体总长度（2620m）的5.7%，面积约3000平方米，约占西露采面积的1%，该位置为目前西露采边坡的不稳定地段（见图1）。

图1 西露采坑

东露采坑产生多次滑坡，部份已治理，部份基本治理，少量未治理，边坡不稳定位置均位于已产生滑坡位置及其影响范围内，除经治理已稳定边坡位置外，其它位置为不稳定边坡，其中象鼻山露采坑北帮19线东至21线间是4号及13号滑坡体的分布位置及影响范围，不稳定边坡长度约120米；狮子山北帮西口滑坡由2、9、10、11、12、15、18号滑坡群组成，经初步治理后目前较稳定；尖山露采坑不稳定边坡（图2）长约200m左右，分布在尖F9及F13断层附近，整个东露天采坑不稳定边坡总长约320m左右，占东露采坑边坡总长度（4400m）的7.2%。

图2 尖山露采坑不稳定边坡

其形成原因可以归结为如下几点：第一，边坡岩体结构及构造的复杂程度。边坡北帮岩体较完整坚硬，较稳定，局部有块体破坏现象，浅层破坏受结构面控制。第二，大气降雨。边坡岩体受大气降雨冲刷，雨水渗透入岩体裂隙，起着润滑作用，这常常是引起边坡不稳定的一个重要原因。第三，采掘工艺对边坡的影响。矿山曾采用无底柱分段崩落法开采，其开采地表错动线已扩展到露采坑边帮以外，受此影响，边帮易产生开裂，部份地段可能发生滑坡及崩塌灾害。

1.2 斜边坡变形预测

关于大冶铁矿边坡稳定问题，其曾组织多家科研设计院所进行过多次专题调查与科研。根据前人研究成果。

1.2.1 西露采坑

矿山曾采用无底柱分段崩落法开采，其开采地表错动线已扩展到露采坑边帮以外，受此影响，边帮易产生开裂，部份地段可能发生滑坡及崩塌灾害。

近年，由于西露采坑回填层被剥离，东、北两侧边坡脚再次被揭露，每年都有大量散碎岩石垮落，地面塌陷及地表开裂变形也将逐渐增多，将直接威胁2号地表截水沟安全，影响自然景观[1]。

1.2.2 东露采坑

尖山段边坡的安全系数均大于临界安全系数1.15，边坡是稳定的。矿山2002年结束露天开采，除早已出现的尖F9滑坡区处，其余整体边坡尚属稳定[2]。

狮子山露天边坡当坑采下降至-72m水平以下时，边坡的安全系数将小于1.25，有整体边坡失稳的危险。其威胁对象主要影响矿山安全生产，破坏地表截排水系统，影响自然景观。近年来，随着边坡底部不断回填，目前坡脚标高位于+20m水平，边坡较为安全。

象鼻山西侧边坡为闪长岩与大理岩破碎接触带（图3），近年来，已经不断有大量散碎岩石垮落，随着边坡角不断变缓，边坡将逐渐趋于稳定。

图3 象鼻山西侧破碎带

2 地面塌陷问题与地质灾害预测

2.1 岩溶塌陷及形成原因

岩溶塌陷的产生要有必定的地质结构条件和水动力条件，从过去已发生的岩溶塌陷可总结出大冶铁矿矿区影响岩溶塌陷的因素主要有：第四系或强风化松散岩土层之下为裂隙、岩溶发育的强含水带，塌陷强度与分布受强含水带岩溶发育程度、渗透性能、富水性和构造接触带的控制；塌陷主要发生在疏排水初期或突水导致强含水带地下水位猛然下降、地下水动力条件急剧变化的阶段。

在覆盖型岩溶分布区岩溶塌陷与不沉匀沉降还是可能发生，其原因为：其一，在土层可能存在尚未垮塌的隐伏土洞；其二，覆盖型岩溶区具有双层水文地质结构，上覆的第四系或风化破碎岩土中含有弱孔隙地下水，其与下伏岩溶含水带存在密切水力联系，下伏强含水层被疏干，使二者接触界面构成了上覆土层的排水边界，因渗透性能的巨大差异，松散层地下水缓慢下渗，孔隙水压力逐渐消散，特别是在粘性土层中排水固结效应可持续多年，这可以导致土层压密产生不均匀沉降；其三，在以砂性土为主的地段及在地面变形强烈区，上覆土层孔隙水渗流和大气降雨沿地表开裂缝塌坑下渗的潜蚀作用始终存在，若潜蚀达到一定强度则可能形成土洞诱发塌陷；其四，岩溶发育与采空区效应相重叠的地方，地下水活动与采空变形相互叠加可形成混合型塌陷[3]。

2.2 采空区面塌陷与变形预测

目前，矿山开采已形成了相对稳定的疏排漏斗，从80年代后再未产生过岩溶塌陷，表明岩溶地下水位可能已脱离了大理岩顶板，地下水的变动对上覆盖层破坏动力趋弱，未来虽然随着开采深度的加大，此区域地下水位可能会进一步下降，但产生大规模岩溶塌陷的可能性不大，有可能产生一些零星塌陷或是复活性塌陷。

根据矿山水文地质条件分析，随着开采的延伸，将来疏排漏斗可能将主要向西部（敞开的水文地质边界）继续扩展，黄土桥及其以西覆盖岩溶区产生岩溶塌陷的可能性较大。

经调查，预测的地表移动区均位于矿界范围内。其中该范围内东采区尖林山主、副井一带部份工业场地、尖林山一期龙洞沟斜坡道位于移动变形区内；铁门坎西侧1、2、3号截水沟部份位于预测的岩移错动范围内，界时西部截水沟将成为西采井下突水的一大隐患；目前矿区地面变形正处于不断发展之中。

3 水土环境破坏及地质灾害预测

3.1 对土地资源影响与破坏

矿山对土地资源的破坏方式是各类废渣占地、露采坑占地和地表塌陷破坏。

根据未来采、选工程活动预测，矿山井下废石排放量仍将维持在目前的水平（20万吨/a），该部分废石可作为建材充分利用，矿山现有的废石堆放场已不再进行废石堆放，可继续进行恢复治理。

目前，深部开采已采用充填采矿法采矿，根据采空区地表变形预测评估，基本不会扩大采空区塌陷与地表变形区总面积，但浅部崩落开采已形成的采空区将会继续变形（图4、5）。

在预测变形区内，均为丘陵山地，均为林场，无农田，采空区塌陷和地表变形对矿区土地资源破坏影响巨大。

图4 龙洞塌陷区

图5 尖林山塌陷区

3.2 水土流失与生态环境影响

矿山深部开采不建新的尾矿库、废石堆场和选厂，仅将白雉山尾矿库加高，这些场地目前已破坏了原有植被，废弃物堆放易造成水土流失，严重的水土流失使土壤肥力下降，理化性状恶化，植被生长发育不良，生态景观改变。

原地下开采导致的地面塌陷和地表移动变形未来会进一步扩大，除对矿山地表建筑构成一定威胁外，还与矿区生态环境变化密切关联，特别是在原崩落法开采范围，地表变形、水土流失、土地荒漠势必加剧，严重者造成土地分割破裂，坑洼纵横，土壤水份流失，植被生长困难，洪水侵蚀与泥砂物质的流失又将危害井下生产。

4 结论

目前，大冶铁矿深部开采已采用充填采矿法，可有效缓解地质环境问题。

但鉴于矿区地表生态环境现状和发展趋势，矿山应根据有关政策要求及早开展浅部生态环境恢复与治理工作，最大限度的避免环境进一步恶化，避免因浅部地质环境地质问题影响深部开采。