广西武宣盘龙铅锌矿矿区环境水文地质问题分析及防治对策

2021-12-11李彩华唐勇臣

城市地质 2021年4期

邓忠，李珊，李彩华，唐勇臣

（1. 广西水文地质工程地质勘察院，广西柳州 545006；2. 北京中锋资产评估有限责任公司，北京 100081）

岩溶地面塌陷、区域地下水位下降、采空区地面塌（沉）陷、矿坑突水等是岩溶区矿山在开采过程中产生的主要环境水文地质问题（罗小杰等，2018；张寿越等，1988）。据统计，广西14个市109个县（区）的4745座矿山中，有368座矿山因矿业活动引发了地面塌陷、地面沉降、地裂缝和矿山突水灾害，占调查矿山总数的7.76%（袁道先，2014）。全区共有21座矿山发生过38次矿坑突水灾害现象（广西壮族自治区桂林水文地质勘察院，2010），据近几年来的数据统计，广西曾登记开采和现登记开采矿山总数为9538座，登记开采面积共3960 km2。矿山地质环境问题轻微的矿山共3385座，存在较严重矿山地质环境问题的矿山共1983座，破坏面积共124.72 km2，截至2017年底，矿山生态环境调查过程中发现崩塌、滑坡地质灾害隐患261处，泥石流隐患22处，18座矿山存在地面塌陷、地面沉陷地质灾害隐患。

广西盘龙矿矿区内，崩山矿与大岭矿在不同时间、空间先后开采，前期2座矿山开采曾引发矿井所在主采区段浅层水源疏干、岩溶地面塌陷等环境地质问题（广西水文地质工程地质勘察院，2015）。为探明矿山开采工程活动对矿山环境地质问题的影响程度，本文分别从矿区地层岩性分布、地质构造条件、岩溶发育特征、水文地质特征、矿山开采工程活动特征、矿坑抽排地下水等方面综合分析，揭示盘龙矿区存在的主要环境水文地质问题，并结合开采工程活动提出帷幕灌浆、回填灌浆加固、充填采空区、加强地面变形监测、先探水再掘进等防治措施与对策，为矿山有序开采及安全经济高效运行、矿床疏干排水方案及矿山深部开采设计提供科学依据。

1 矿区概况

1.1 自然地理条件

矿区位于广西来宾市武宣县城南东12 km的桐岭镇盘龙村—湾龙村一带，有公路直通县城，来宾至桂平高速公路在矿区东部边缘经过，黔江从矿区东北侧穿流而过，交通条件便利。

区内属亚热带温湿气候区，气候温暖、潮湿、雨量充沛，多年平均气温21.1℃，多年平均降雨量1124.1 mm。区内有2条常年性河流，黔江和武来河。黔江是区域地下水最低侵蚀基准面，多年平均流量4240 m3·s-1，最大平均流量25500 m3·s-1，最小平均流量851 m3·s-1，历年最高洪水水位64.70 m，洪水警戒线55 m，最低32.59 m，多年平均水位变幅22.06 m，枯水期水位标高32.25 m，建矿以来最高水位标高为59.5 m。武来河为黔江一级支流，发育于矿区北侧岩溶槽谷区，属常年性河流，为桐岭谷地地表水、地下水的排泄场所，是区域次一级侵蚀基准面。

1.2 矿区开采基本特征

大岭矿段是武宣盘龙矿区的主要矿段，目前浅部采选3000 t项目主要开采标高-70～-320 m，已建成了完善的中段运输系统、排水系统、通风系统以及供水、供电系统。矿区规划向深部采矿，将继续进行改扩建，由日采选铅锌矿3000 t扩建到6000 t。开采方式：地下竖井开采。开采水平划分：开采标高-380～-1100 m。

1.3 地层岩性及地质构造

矿区地层主要由第四系及泥盆系组成。第四系（Q）主要为残坡积层，广泛覆盖于基岩之上，厚度各地不一。泥盆系主要有上统融县组（D3r）灰岩夹白云岩，中统东岗岭组（D2d）下段灰岩、白云岩互层，上段硅质岩、泥灰岩，下统大乐组（D1d）泥灰岩，下统官桥组（D1g）白云岩夹灰岩，下统二塘组（D1e）泥灰岩、灰岩夹钙质泥岩、页岩互层。

矿区内经广西运动褶皱成为近EW-NE轴向的紧密线状复式褶皱，断裂构造以NE向和近SN向为主，次为NW向和近EW向。矿区内共有5条比较明显的断裂构造（图1）。F1为逆断层，断层带裂隙发育，少量褐黄色铁质、泥质充填，富水性中等，属北面桐岭地下水系统；F3为区域较大断裂，断层带相对隔水；F5为逆断层，富水性差，3条断裂构造对盘龙矿区矿井涌水影响较弱。F2为平移断层，总体弱透水，但局部裂隙导水，构成西部向矿区充水途径，有较大影响；F4为逆断层，断层面及影响带以风化碎屑及泥质充填胶结为主，弱透水，对矿区充水有一定影响。

图1 矿区水文地质略图Fig.1 Hydrogeological map of Panlong mine

1.4 岩溶发育特征

据盘龙矿区内的勘探钻孔和野外调查资料，矿区岩溶的形成特征主要有岩溶洼地、溶潭、消水洞、溶洞、溶蚀裂隙和溶孔、地下河等(康彦仁等，1990)；大岭矿区内的钻孔遇洞率达30.10%。

（1）地表岩溶发育程度与分区

依据地表岩溶发育密度、线岩溶率、遇洞隙率、单位涌水量等指标进行岩溶发育等级划分，矿区地表岩溶可划分为岩溶强发育、中等发育和弱发育3个区：岩溶强发育区主要位于盘古—崩山矿一带，岩性以上伦组上段（D1sl 2）白云岩夹白云质灰岩和灰岩为主。岩溶中等发育区主要由D2d 1、D1g、D1sl 2等白云岩、灰岩夹生物碎屑灰岩、白云质灰岩组成。岩溶弱发育区呈条带状分布，以泥质灰岩夹灰岩和白云岩、泥质灰岩与泥质灰岩互层等岩层组成。

（2）岩溶垂向发育分带

据矿区水文地质详细勘查成果，物探解译结果与钻探及巷道揭露结果基本相吻合，矿区地下岩溶顺岩层发育，具有随深度增大而减弱的变化特征（广西水文地质工程地质勘察院，2015）。

依次划分为3个带：-120 m高程以上为岩溶中等发育带，-120～-500 m高程为岩溶弱发育带，-500 m高程以下为岩溶微发育带（表1）。

表1 矿区岩溶垂向发育分带Tab. 1 Vertical development zoning of karst in mining area

1.5 矿区地下水补径排特征

（1）浅部岩溶水补给径流排泄条件

矿区地处残丘岩溶平原向丘陵区过渡地带，降雨入渗补给是矿区地下水的主要来源，其次为黔江河水侧向补给。东部黔江河床底标高25 m，矿山开采前天然地下水位标高约为50 m，矿区地下水多沿层面渗流或网络裂隙渗流运移，自西南向北东径流，排泄于黔江（图1）。在矿区西部，盘古村谷地、北部峰丛谷地武来河两岸以小泉排泄为主，泉水溢出后，向就近谷地低洼地、六沙沟或北面武来河汇集，最后向黔江排泄。

由于矿山傍河开采，在矿山多年开采强排地下水条件下，地下水位大幅下降，当疏干降落漏斗扩至黔江，则出现东部黔江常年反补给矿区地下水；西部由于F2平移断层的推移作用，使西部的含水层与其东部各含水层相互接触，使得矿区西部盘龙村至崩山矿区的地下水与矿区地下水有一定的水力联系，形成西部地下水的侧向补给。

区域地下水主要接受降水补给，补给条件较好，地下水沿层面裂隙、主干构造线向东径流排泄于黔江，在中部桐岭一带北西向横张断裂切割岩层破碎，较好地得到北部地下水补给，在灰岩与白云岩接触带形成较多泉水，就近向武来河排泄，武来河是桐岭地块下水次一级侵蚀基准面。

（2）深部岩溶水补给与循环条件

未来深部采矿标高达-380～-1100 m，深部地下水主要补给源仍然为降雨和东部黔江反补给以及西部崩山矿子系统通过F2断层弱透边界裂隙径流补给。采区补给地下水随深度增加岩溶发育渐弱，下渗补给量变小，补给强度降低。

深部岩溶水循环交替受构造与岩溶发育程度控制（何宇彬等，1997），矿区深部矿体与围岩蚀变带未见强溶蚀裂隙带，弱富水。依岩溶及地下水循环交替的强烈程度，地下水循环交替强弱自上而下划分为2个带（图2）：-120 m高程以上为地下水水平径流带，中等岩溶发育，接受包气带层入渗补给，季节性降水或黔江水位变幅补给较敏感，地下水循环交替积极；-120 m高程以下属于深部缓流带，岩溶弱发育，表现为缓慢水流交替或水流交替停滞，以微裂隙渗流呈微弱—弱循环交替状态。

图2 矿区水文地质垂向变化略图Fig. 2 Vertical change diagram of hydrogeology in mining area

2 矿区主要环境水文地质问题

2.1 矿区人类工程活动概况

武宣矿区赋存重晶石和铅锌矿，采矿历史长久，产能不断扩大，但过量抽排地下水、废渣无序堆放，挑战矿区及附近村庄生态环境的承载能力（姜伏伟，2017）。如崩山矿段在开采期间，强劲排水疏干已引发本子系统范围内大面积岩溶地面塌陷坑（群），造成井泉干涸，民房下沉开裂等环境地质问题，加剧矿农之间矛盾，影响社会稳定，已被迫于2006年关闭。近两年，大岭矿段浅部日采选铅锌矿3000 t项目仍在生产，在局部地段已引发岩溶地面塌陷、浅层岩溶水被疏干、地面轻微变形、地下水轻度污染等环境地质问题。

2.2 矿坑抽排水疏干影响范围

（1）崩山铅锌矿开采历年排水疏干影响范围

崩山矿子系统与大岭矿段子系统各具有相对独立的地下水子系统，但2个子系统之间以F2弱透水边界相接触，浅部裂隙串通又有着一定的水力联系。崩山矿2006年前连续抽水半个月，水位降至工作面以下，矿坑涌水量5760 m3·d-1，水位降深约99 m，水位标高-40 m左右，抽水引发井口附近及西面的盘古村大面积的塌陷，民房开裂1处，井泉疏干2个点，2006年停采3 d后，井泉点恢复，同期大岭矿段也在开采，但在F2以东区段未产生岩溶地面塌陷，崩山矿抽水影响范围主要限于本子系统内，面积约1.58 km2。

（2）大岭矿段排水疏干影响范围

大岭矿天然地下水位标高为50 m，浅部3000 t项目的开采已形成-70～-320 m中段坑道系统。据矿区水位长观点水位动态及矿坑疏干状态的等水位线及浅部井泉疏干影响程度分析，矿坑多年疏干排水引发的区域地下水位降落漏斗已影响到大岭矿本身地下水子系统及通过F2断层间接影响到崩山矿地下水子系统，疏干影响降落漏斗大致呈扁椭圆状，东西长4.15 km，宽约0.9 km，影响面积约4.93 km2。

矿区疏干排水的影响范围受边界条件控制，南面至下泥盆系上伦组下段泥灰岩相对隔水边界，北面至二塘组（D1e）相对隔水边界，东至黔江定水头补给边界，西部基本上影响到崩山矿地下水子系统。受西部F2断层弱透水边界影响，疏干表现为穿越F2断层带上的裂隙近似以定流量渗流形式向矿坑充水，F2西侧地区水位缓慢下降被间接疏干。

2.3 含水层的破坏影响

大岭矿坑疏干排水影响范围受本子系统的边界控制，南北至相对隔水边界，东部扩展到黔江，西部间接影响至崩山矿地下水子系统。疏干含水层表现为对本子系统的静储量疏干，东部接受黔江反补给，充水量增加，水力坡度变陡。西部通过穿越弱透水边界F2断层上的裂隙径流补给疏干，以稳定裂隙渗流补给矿坑，地下水位缓慢下降，降速0.15～0.25 m·d-1，间接疏干影响盘古村一带井泉点，同时由于崩山矿区前期已形成较多的岩溶地面塌陷，地表水沿塌坑下灌补给地下水，可能造成含水层的轻度污染。

当崩山矿子系统水位下降到一定程度后，水力坡度变陡，袭夺北东部六沙、大坪岭地下水子系统地下水，地下水同样通过F2断层间接补给崩山矿子系统后进入大岭矿坑。

2.4 岩溶地面塌陷

据野外地质调查，引起矿山岩溶地面塌陷首要原因是矿坑强劲集中抽排地下水引起（雷明堂等，1997），其次是天然水位变幅，再次是重晶石露采凹坑积水下渗潜蚀引起。岩溶地面塌陷发育程度受岩性、构造、地貌、水文气象、矿山抽排地下水强度及岩溶发育程度等因素影响，不同区段发生岩溶地面塌陷频率不一。

（1）崩山铅锌矿排水疏干引发岩溶地面塌陷

崩山矿于2006年扩大产能规模进行斜井地下开采，开采标高60～-40 m，该地段上部土层厚3～8 m，溶隙与裂隙发育，天然水位标高约59 m，当年开矿坑涌水量5760 m3·d-1，水位降深约99 m，水位标高-40 m左右，盘古村—崩山矿段一带属于受矿坑排水影响最大、陆续出现共72个地面塌陷坑（群），平均45.6个·km-2。地面塌陷点呈串珠状排列，与岩层走向基本一致，主要集中在稻田、村边地势相对低洼地带。塌坑底可见基岩溶洞和溶蚀裂隙。随之而来的是泉、井干枯，机井吊泵，饮用井泉干涸，被迫改用其他水源，少部分稻田因漏水无法耕种被迫改为旱地。

（2）大岭矿段排水疏干引发岩溶地面塌陷

大岭矿段受矿坑浅层疏干影响有限，引发地面塌陷也不多，主要发生在东部，面积约2.51 km2，每1 km2出现塌坑数2～4个。2003年大岭矿段-20 m中段疏干排水期间，在26线北面发生2处地面塌陷，其直径和深度均为3 m；2007年3月23日，-70 m中段东主巷在1650线位置掌子面爆破时发生突水，水浑浊夹带泥石碎块，水量约400 m3·h-1，从而引起地面16线周围发生地裂及沉降，当井下及时采取堵水后，地面开裂、沉降停止，并趋于稳定。

2.5 疏干对地下水水源供水的影响

大岭矿地下水子系统无饮用水源分布，矿坑疏干排水间接影响崩山矿地下水子系统。崩山矿地下水子系统天然地下水位59 m左右，受疏干影响水位缓慢下降，以0.15～0.35 m·d-1的速度下降，枯水期最低水位标高32.46 m，降深26.54 m（2005年11月测）；同期大岭矿坑漏斗中心水位标高为-116.61 m，降深156.65 m。疏干影响到西部盘古村一带原有的井泉，其自崩山矿开采期间已被疏干断流，2006年崩山矿停采后，大岭矿开采延续疏干排水，间接疏干影响到2个泉点，至今仍基本处于断流状态。

2.6 矿山废水、尾矿、矿石堆（排）放污染

盘龙矿山属重金属矿山，污染源主要有矿井废水、尾矿库、矿石与废石，其次重晶石排泥库、私营外来矿石加工铅锑矿尾矿砂等，主要污染途径通过土岩孔隙、裂隙或地面塌陷坑渗漏污染，污染影响范为采区地下水及黔江。对矿井井下及矿井水外排出口等共计18组水样检测，其水质分析结果：水质类型为低矿化度HCO3－Ca·Mg型和HCO3·SO4－Ca·Mg型，反映矿层局部含硫成分较高，涌水点水质呈现低矿化度HCO3·SO4－Ca·Mg型；总体上水中Pb、Zn、Cd、As等重金属含量很低。

3 矿区环境地质问题评述与防治对策

3.1 环境水文地质问题评述

矿区内崩山矿与大岭矿在不同时间、空间先后开采，前期两矿山开采曾引发矿井所在主采区段浅层水源疏干、岩溶地面塌陷等环境地质问题，后期大岭矿延续开采疏干排水，降落漏斗扩展与形成，浅部水源疏干与岩溶塌陷基本上维持现状。大岭矿属傍河岩溶水下开采，进水边界复杂，水文地质条件复杂，矿区内崩山矿与大岭矿具相对独立的地下水子系统，两系统之间在西部与F2断层弱透水边界相接触，但F2断层又没有完全隔水作用，但在坑排水疏干条件下，崩山矿子系统地下水会通过F2断层上裂隙带向大岭矿坑充水，又有着相互的水力联系。

2006年前，西部崩山矿开采排水疏干期间引发崩山矿、盘古一带大面积的岩溶地面塌陷，浅部井泉干涸，属地质灾害易发区，系崩山矿开采直接引起的环境地质问题，影响程度较严重。崩山矿停采后，大岭矿段延续开采，浅部开采现状排水疏干已形成以主采区为疏干漏斗中心，并间接影响崩山矿子系统，区内无重大水源分布，引发本子系统内局部岩溶地面塌陷，以及间接疏干造成西部崩山矿子系统水位下降及原井泉干涸，疏干影响面积4.93 km2，主采区漏斗中心水位-114.79.74 m，水位降深约165 m，西部崩山矿水位标高33.20 m，水位下降26 m（2005年11月测）。2011年后大岭矿段降落漏斗形成，至今没有引发本系统及崩山矿子系统新的岩溶地面塌陷或加剧现状岩溶地面塌陷复活与扩展，对西部影响程度相对较弱。矿井废水排放及选矿废水及尾矿堆存对地下水环境影响程度较轻，地面采空区地面变形轻微。

2006年以前，在保持浅部排水条件下，深部采矿排水疏干影响范围仍然受水文地质边界控制为主，与现状疏干轮廓基本一致，漏斗区地下水位继续下降、水力坡度变陡，但水位降幅与现状相比变化不大，主采区漏斗中心水位下降约5 m，水位标高-120 m左右，西部崩山矿水位下降约10 m，水位标高+23 m（2005年监测），水位下降26 m。浅部井泉、含水层疏干，局部引发岩溶地面塌陷、地面塌陷变形轻微，矿坑排水、矿石、废石、尾矿堆存对地表水体和地下水源轻度污染。

3.2 防治措施与对策

大岭矿床开采随着深度的增加，涌水量增幅将逐渐变小，但排水疏干影响范围会略有扩展，导致区域地下水位下降、含水层疏干、民井干涸、鱼塘漏水，引发或加剧岩溶地面塌陷，影响当地村民的生产和生活。深部采矿产能扩大，产生废水、尾矿等排放引发新的污染问题；大藤峡水利枢纽工程正常蓄水，黔江水位抬高将涉及矿山安全开采和防治水害问题。据建设工程特点及可能出现的环境水文地质问题提出如下针对性的防治措施与对策。

（1）岩溶地面塌陷

1）对可能出现岩溶地面塌陷的崩山矿、大岭矿子系统地区，采取巡视和监测，做好地表水水文网、淹没区、积水坑塘和各种排水沟渠的防渗漏或回填措施，尽量防止地表水集中下渗补给地下水而发生潜蚀作用引发地面塌陷。2）对现有塌陷点要及时回填或灌浆固结处理，防止塌陷坑扩大，减少因塌陷造成的损失。回填的方法：先回填块石，后回填砾石、粗砂，可使洞口处形成反滤层，最上部回填黏土，必要时应进行灌浆加固处理。3）对地表低洼凹坑、积水塘、重晶石露采坑采取黏土回填，防止地表水和大气降水集中灌入地下。

（2）采空区地面塌（沉）陷

据广西中金岭南矿业有限责任公司提供的数据，目前武宣盘龙铅锌矿矿山在-270 m高程以上已形成约累计采空容积约80万m3采空区，建设项目设计扩产开采后将会形成更多采空区，存在一定的安全隐患，矿柱回采结束后应及时处理采空区，可采取以下处理方法：1）矿柱回采结束后封闭所有通往采空区的通道，确保人员安全和设备完好以及减少矿井通风的漏风量。2）矿山应对井下采空区进行充填治理，采矿选后充填采用尾砂胶结充填和非胶结充填相结合的方式。

（3）地面沉降变形

矿坑抽排地下水引起区域地下水位下降以及采空区会导致地面沉降变形地质灾害。具体防治如下：1）矿山开采过程中要发动矿区采空区上方及附近村庄的群众经常观测各自的房屋，若发现地面或房屋变形、开裂过大，立即上报并让群众进行撤离。2）对新布局的工业广场构建筑物，选址要放于不受采空区影响的稳定区域，应先进行岩土工程地质勘察，然后再设计、施工，房屋基础最好置于完整基岩中。3）继续做好采空区地面变形监测工作。

（4）矿坑涌（突）水

1）井下掘进过程对断层构造或破碎带、溶洞及溶隙发育段等进行测量、统计、描述，并应与上、下中段相应位置的破碎带、溶洞或溶隙有机结合在一起，综合分析其相互联系，以达到预测可能发生涌（突）水的目的。2）每天观测巷道水位、水量变化情况，出水点涌水方式，如工作面潮湿且岩体松动迹象或喷射状况，以及水质夹杂物成分，如水中有夹带含泥、砂、石成分和水质颜色变化。3）建议在-320 m～-440 m高程中段设置1～2个隔水中段，先开采-440m高程以下矿床，避免采空区导水裂隙带贯通，地下水层层下渗，减轻深部采矿的水害风险和排水成本。4）有可疑的出水点或溶洞、裂隙发育段及隐伏性断裂应先用探水钻探或探水雷达探明其富水性、涌水特征，后掘进。5）分区分级排水，将井巷系统分成若干防水区，建立既独立又联合的排水系统，避免一处突水殃及全井。6）联合疏干降压开采，该措施是将矿井中水量较小的众多涌水点通过巷道系统集中引入水仓，由水泵排出井外，达到矿井疏干目的，实现矿井正常生产。