广东省云城区坳头矿山工程开采技术条件研究

2023-01-09梁琳琅

中国金属通报 2022年18期

梁琳琅

针对矿床的水文地质条件、工程地质条件及环境地质条件进行分析，论述矿床主要含水层水文地质特征、矿区岩土体特征及矿山开采环境地质评价，指出影响矿床开采的主要水文地质、工程地质和环境地质问题；对矿床开采技术条件的复杂性做出评价。

1 水文地质条件

1.1 地形地貌

本区属丘陵地貌，总体地形呈现中部高，东西两侧低，地形坡度为20°～35°，地形切割深度较深，以“V”型谷为主，由于坡降大，地形有利于大气降水的自然排泄。区内分水岭呈北东向展布。矿区主要位于水文地质单元的补给区，局部位于径流区。矿区地形原始状态四周高，中间为一槽谷地形，跨越地下水补给—径流—排泄区。

1.2 气象

调查区地处北回归线以南，属于亚热带季风气候，具有温暖多雨、潮湿、日照充足的特点。据云浮气象站的多年观测资料：年平均气温21.6℃，极端最低气温-1.4℃（1967年1月17日），极端最高气温39.1℃（1998年8月4日），雨季多在4月～9月，洪水期多在每年5月～7月，旱季在11月～次年2月。多年平均降雨量1571.8mm，历年最大年降雨量为2138.8mm（1981年），历年最小年降雨量为881.1mm（1977年），日最大降雨量255.3mm（1976年9月20日），历年最大一小时降水量70.0mm（1972年9月19日）。多年平均蒸发量1422.5mm，最大年蒸发量1805.3mm，最小年蒸发量1055.4mm。多年平均雨日数为191d，年平均雷暴日数75 天。风季主要受台风影响，多发生在每年7月～9月，风力一般在七级以下，常年多刮东南或东北风，平均风速1.2m/s，瞬时最大风速达34.0m/s。

1.3 地表水

区内地表水不发育，局部见有山沟溪流，流向受分水岭的控制，自西向东流经矿区，流量约为107m3/d；大部分地表水都汇入距矿区东南界线约1km 的三角湖村河，该河自西南向北东流，河床宽12m，水深0.30m ～1.0m，流量季节变化较大，流量约为26 万m3/d。水化学类型HCO3-Ca 型，pH 值8.01，溶解性总固体0.103g/L。

1.4 地下水

（1）岩溶裂隙含水层。岩溶裂隙含水层主要为泥盆系上统天子岭组灰岩裂隙发育段，区内灰岩裸露区溶槽、溶沟和溶蚀裂隙发育，但地势较高，多为导水而不含水，往往成为深部地下水的补给通道。钻探揭露表明，钻孔见洞率为32.00%；溶洞高度0.43m ～46.49m，顶板标高411.72m ～177.90m，底板标高390.45 ～176.60，溶洞多为泥质或砂质充填，部分钻孔钻进过程有漏水现象，揭露深度内正常地下水水位埋深2.80m ～143.80m，标高388.63m ～203.44m 地下水水化学类型为HCO3·SO4-Ca·Mg型。钻孔揭露溶洞时均为全漏水，地下水水位均位于溶洞以下。该含水层中出露有2 个下降泉，流量为0.140L/s ～0.221L/s，泉1出露于采坑南部灰岩岩壁，标高265m，采坑底标高261m，流量0221L/s。采场平水期测得地下水涌水量220m3/d，该含水层富水性弱。

本次施工抽水试验钻孔由于钻孔揭露的灰岩新鲜、致密，裂隙不发育，抽水量小。新鲜灰岩裂隙、岩溶不发育，可视为相对隔水层。进行了钻孔常水头注水试验，据钻孔注水试验结果，渗透系数0.0880m3/d ～1.306m3/d，平均为0.5260m/d。

（2）砂岩裂隙含水层。砂岩裂隙含水层分布在帽子峰组之中，岩性为变质泥质粉砂岩，连续展布于矿区的南部及外围四周，砂岩浅部风化裂隙发育，含裂隙水，含水层厚度受岩石风化裂隙发育的程度控制，其含水层底界与微风化底界基本一致，含水层厚度12.00m ～71.05m。据区域水文地质资料，泉水常见流量小于0.5L/s，总体富水性弱。

（3）残坡积孔隙含水层。残坡积孔隙含水层发育在沟谷山麓地段。分布在矿区山麓地带的残坡堆积孔隙含水层，厚度一般2.40 ～34.20，主要含砂岩碎屑砂质粘土组成，渗透性好，富水性弱—中等。

1.5 构造断裂（层）含水性

据钻孔及地面调查，矿区南部有一组断层F1，宽度约7m，岩性为构造角砾岩，角砾原岩为变质砂岩、灰岩，棱角状、次棱角状，多为钙质、硅质胶结，胶结程度好，钻进到该层时未发生涌、漏水现象，岩面新鲜，地下水活动迹象不明显，富水性弱。

1.6 相对隔水层

局部山坡上分布的坡残积层，岩性以粉质粘土为主，且大部分位于地下水水位之上，可视为透水不含水层。分布于风化带以下的基岩新鲜完整，除了构造破碎带附近，岩石裂隙不发育，偶见充填或闭合裂隙，抽水试验钻孔全孔均为新鲜完整的灰岩，裂隙不发育，未发育溶洞，水量小，水位恢复慢，可视为相对隔水层。

1.7 地下水的补、径、排条件

矿床处于区域水文地质单元的补给区与径流区，地下水主要接受大气降水垂向直接补给。分布于区内浅部的孔隙潜水主要接受大气降水直接补给和溪沟水侧向补给，该地下水与溪沟水的水力联系较密切，既受溪沟水补给，同时也向溪沟水排泄。基岩裂隙、岩溶溶蚀裂隙潜水主要接受大气降水的垂向补给，局部接受溪沟水的渗入补给，沿风化裂隙、溶蚀裂隙下渗与运移，形成地下径流，流向与地形密切相关，总体与溪沟水流向基本一致，该类型的地下水具较明显的径流路途短的特点，往往在地形低洼处以散流或下降泉形式排泄。

1.8 矿床水文地质特征及矿坑充水因素

矿体及其围岩上部为基岩风化裂隙与岩溶溶蚀裂隙潜水含水层，富水性弱，下部新鲜、完整的灰岩与变质砂岩完整致密，富水性总体弱，可视为相对隔水层。根据矿区、矿体规模、埋藏条件及矿床水文地质特征，未来矿山宜用露天开采。未来矿坑充水因素主要为大气降水直接充水，次为基岩风化裂隙与岩溶溶蚀裂隙潜水的侧向充水。

1.9 矿坑涌水量预测

1.9.1 边界条件

矿床含水层为基岩风化裂隙与岩溶溶蚀裂隙含水层，呈层状分布，可视为无限补给边界，开采时地下水从四周以平面流形式对矿坑充水。

1.9.2 预测深度

根据矿体的控制深度及含水层特征，未来矿床拟设最低开采标高为140m，因此本矿床预测水平为140m 标高。

1.9.3 预测方法

根据矿床开采方法和充水特征，大气降水充水量采用面积法计算，地下涌水量采用比拟法计算。

1.9.4 参数的确定

（1）采矿场的面积（F）。以矿区露天采场边界附近的次级分水岭来确定矿区降雨汇水面积，采用地理信息系统从矿区水文地质图上量得结果为585165m2。

（2）降雨量（A）。据云浮市气象局多年平均降雨量（A1）为1.5718m，日最大降雨量（A2）为0.2553m。

（3）时间（t）。参照云浮市云城区的多年平均年雨日为191天。

（4）正常降雨时的地表径流系数（φ）。根据矿床水文地质特征，采用《水文地质手册》经验值，φ 为0.7。

（5）生产矿坑涌水量（Q）。矿区范围内存在一旧的露天开采采坑，据调查，采坑揭露的地下水最终汇入矿区东部的溪沟排出，Q1为220m3/d。

（6）矿坑水头高度（H）。原矿山开采对矿区的含水层有一定的破坏，但地下水流场还总体保持原貌，所以生产矿坑水头高度与新建矿坑水头高度采用本次施工的钻孔观测的终孔静水位标高平均值：H1=H2=306.85m。

（7）矿坑水位降深值（s）。原生产矿坑水位降深值（s1）采用矿区潜水位平均标高（306.85m）降至现状采坑最低标高（241.06m）之差值，结果为65.79m；新建矿坑水位降深值（s2）采用矿区潜水位平均标高（306.85m）降至矿床拟设开采最低标高（140m）之差值，结果为166.85m。

（8）矿坑引用半径（r）。原生产矿山矿坑开采面积从矿区水文地质图上量得结果为F1=214200m2，未来采场降雨汇水面积F2=585165m2根据采坑形态，采用不规则圆形公式。

原矿山生产矿坑引用半径计算结果为r1=261.18m，新建矿山矿坑引用半径计算结果为r2=431.59m。

1.9.5 涌水量计算结果

（1）矿坑大气降水正常充水量Q1为3370m3/d，最大日充水量Q2为104575m3/d。

（2）矿坑地下水涌水量为706m3/d。

1.10 矿区及周边供水水源情况

矿区及周边没有较大地表水体分布，只有流量不大的小溪沟，根据采集的水样水质分析结果评价矿坑水环境质量总体属Ⅲ类，矿区内的溪沟水水质较好，但矿山开采后，大部分已转为矿坑水，矿坑水可进行综合利用，可作为未来矿山开采时的工业用水水源，矿坑水如作生活用水需进行除铁锰水质净化处理。

1.11 小结

本矿床的水文地质类型为以大气降水和岩溶裂隙直接充水为主的岩溶充水矿床。矿体位于当地侵蚀基准面以上，开采矿坑水可自然排泄；构造断裂带规模小、不具备沟通区域强含水层和大型地表水体的条件；残坡积层厚度较薄，但分布较广泛，矿坑疏干排水可能在小范围内引起一些小型岩溶塌陷的，但几率较低。矿床的水文地质边界有岩溶裂隙弱—半透水边界和矿体周边的砂岩弱透水边界，矿区水文地质条件属于简单类型。

2 矿区工程地质

2.1 岩组的物理力学性质及工程地质特征

（1）松散岩组。分布于矿体及围岩上部，岩性主要为残坡积含砂岩碎屑砂质粘土，呈散体结构，以硬塑土状为主，局部为坚硬土状，层厚分布不均，分布于山坡地段的厚度较大，而分布于沟谷一带的厚度较薄，该层由于为散体结构，工程物理力学性质较差，遇水易软化崩解，稳固性差，并且厚度较大，如露天采场边坡的坡角过陡在降水等外界因素影响下易出现边坡崩塌、滑坡等地质灾害。

（2）破碎软岩组。主要为矿体南部的中风化的变质砂岩，多为碎裂结构，风化裂隙较发育，裂隙多为泥质、岩石较破碎，岩石质量极劣的，岩体破碎；岩体质量差，属Ⅳ类，普遍较破碎、软弱，稳定性稍差。

（3）较完整较软岩组。主要为矿体上部的微风化变质砂岩与局部的构造角砾岩，风化裂隙及构造裂隙较发育，裂隙多为泥质、钙质充填，岩石较完整。微风化变质砂岩岩石质量中等的，岩体中等完整，岩体质量中等，属Ⅲ类；构造角砾岩岩石质量中等的，岩体中等完整，岩体质量中等，属Ⅲ类；该岩组岩石普遍较完整，稳定性较好。

（4）较完整半坚硬岩组。属此类岩石主要为矿体及其围岩的灰岩、白云岩，以及围岩的变质砂岩，一般为层状结构，裂隙一般不发育，裂隙为充填闭合，岩石较完整。

灰岩、白云岩岩石质量好的，岩体较完整，岩体质量良，属Ⅱ类，普遍较完整，稳定性好。变质砂岩岩石质量好的，岩体较完整，岩体质量中等，属Ⅲ类，普遍较完整，稳定性好。

2.2 小结

本矿区的矿体及围岩以较坚硬岩组为主，稳定性较好，但矿体上部分布的松散岩组及软弱岩（中风化岩），岩土体结构松散，遇水较易发生软化崩解，稳定性较差，并且局部厚度较大；另外采场的开采台阶边坡局部地段存在发育稳定层理和裂隙结构面，均对露天采场边坡的稳定性构造较大的影响。综合矿区工程地质条件属于中等类型。

3 矿区环境地质

3.1 矿区环境地质现状评价

（1）区域稳定性评价。本区自明至清共发生地震22 次，民国时期2 次，建国后2 至4 级4 次左右，皆无伤亡。根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015），本区防震设防烈度Ⅵ度区，设计基本地震加速度值为0.05g，区域地壳稳定性为稳定，地震对矿山开采影响一般不大。

（2）岩（矿）石放射性。据放射性测定：围岩及矿体的内照射指数IRa 为0.0 ～0.1，外照射指数Iγ 为0.0 ～0.4，符合建筑主体材料要求。围岩及矿体的放射性对人体及周边环境条件影响不大，矿石和废石成分较稳定，不易分解出有害组分，矿床开采除粉尘外，一般不会产生环境污染。

3.2 水环境质量评价

（1）地表水。水化学类型为HCO3-Ca 型，pH值为7.99 ～8.02，溶解性总固体为0.103g/L。根据相关区域规划，矿区范围内地表水主要为水产养殖等渔业水域，根据《地表水环境质量标准》执行Ⅲ类标准，矿区所在区域地表水环境质量总体较好。

（2）地下水.矿区所采地下水样，采用《地下水环境质量标准》（GB/T14848-2017）进行评价。地下水质量为Ⅰ类至Ⅳ类。

3.3 矿区环境地质预测评价

（1）矿山废水污染。随着矿山的开发和投产，矿山将排放各种废水包括有矿坑排水、废石堆淋滤水和生活废水等。这些废水排量和成分各异，对地质环境的影响各不相同。

矿坑排水主要是进入矿坑的地下水，还有部分由地面送入的生产用水，它是矿山废水中排量最大的废水。由于地层和矿体的物质浸出，矿坑排水的水质特征是含较多杂质和矿物质，根据本矿区的地质特征，其中含量较大随矿坑充水时流入的泥质物，其次是钙元素；此外，矿坑排水还携带有一定量的掘进、采矿时产生的岩粉、岩屑。矿坑排水进入地表水体后，这些有害物质都可能对环境产生污染：泥质物因沉淀形成泥皮，封闭耕土、农田的表面，影响降水下渗、土壤贫化；钙元素提高了水质硬度，使锅炉结垢量增加。本矿区的钙元素主要以结晶岩石形式存在，浸出率不高，加上矿坑疏干排泄过程中，地下水循环激烈，在地下已经很快被稀释，故预计钙元素在矿坑排水中的含量不多，对地质环境的影响程度轻微；矿坑排水中泥质物、岩粉、岩屑的含量也不大，可采用沉淀后排放的方法。故预测矿坑排水对地质环境的直接影响程度轻微。

由于本矿山的围岩和矿石的化学性能较稳定，废石块度较大，故入渗到废石堆的大气降雨和地下水所浸出的有害元素含量不多，故预测废石堆淋滤水对环境污染轻微。

本矿山属机械化生产矿山，人员不多，生活废水有限；且生活废水主要以易降解有机物为主，加上生活区远离村镇，故预测生活废水对环境的污染程度轻微。

（2）矿坑疏干引发地面塌陷。一般灰岩区矿坑疏干引发地面塌陷是矿区对地质环境影响较多发生的问题。目前原矿山开采排水和本次勘探抽水试验过程中没有发现地面变形情况。

（3）覆盖层面导致的地面塌陷。覆盖层面的形态复杂，溶隙、溶沟纵横交错，后期覆盖的岩石多已风化为残坡积土，当地下水活动和大气降雨渗入时，会出现软化、流失和土洞发育。一旦流失过量、土洞规模过大，上覆土体难以维持稳定时，会出现突发性的地面塌陷。但本区岩溶率低，规模小，地面塌陷几率小。

（4）矿坑排水疏干的导致地面塌陷。不整合岩溶面的渗透性明显高于其他部位，成为了地下水向矿坑排泄的最主要通道。在矿坑疏干过程中，必然会造成不整合岩溶面中的泥质物逐步流失。矿坑开拓越深、排水量和地下水渗流速度流也越大，土洞发育周期也越短，地面坍塌的可能性也就越大。

（5）废石堆泥石流与边坡失稳。由于废石逐年增加，如何保持废石堆稳定及预防矿山泥石流的发生，是矿山运营期的重要环境问题。本矿山的废石主要来自矿坑开拓、采准期间的剥离废石以及采矿期间分拣出来的夹石。目前水泥灰岩矿山大多是利用闲置山间沟谷堆放废石，一旦废石边坡失稳并与松土混合，在雨季期间，可能会演化为泥石流，对下游构成威胁。

（6）破坏地形地貌。矿床露天开采会对矿区地形地貌景观产生破坏，破坏类型主要有开采挖掘、堆积压占、厂区建设等。