可溶巖礦區疏干排水引發環境地質問題的預測

李康曉

(廣東省地質局 704地質大隊, 廣東湛江市 524018)

可溶巖礦區疏干排水引發環境地質問題的預測

李康曉

(廣東省地質局 704地質大隊, 廣東湛江市 524018)

根據某礦區的水文地質、工程地質條件,及預測的礦坑涌水量,預測了該礦區露天開采礦坑疏干地下水引發的環境地質問題。

可溶巖礦區;露天開采;地下水疏干;環境地質問題

某礦區位于化州市 335°方向直距 54 km處,主要礦體為大理石,根據礦體產出的不同位置及其產出條件的差異,礦區分為秧地坡礦段、白石礦段和潭龍礦段。礦區水文地質條件復雜,工程地質條件中等 -復雜。

1 礦區水文地質條件

礦區在區域水文地質圖幅中位于山間平原與丘陵交接處,地層巖性及地質構造簡單、地下水補給條件相對較好,在區域水文地質單元中屬于地下水補給區,巖溶含水層的富水性較強。

礦區揭露的含水層有:第四系沖洪積 (Qapl)孔隙潛水含水層 (Ⅰ)、元古代云開巖群清垌巖組文樓巖段下段 (Jxqw1)大理巖巖溶 -裂隙承壓含水層(Ⅱ)。根據抽水試驗結果,Ⅰ層含水層滲透系數計算值為 2.056～14.885 m/d,單位涌水量為 0.2074～0.5003 L/(s·m),該層具中等富水性、良透水 -強透水性。Ⅱ層含水層根據巖溶、裂隙發育情況,剖面上劃分為相對強含水帶 (Ⅱ-1)及相對弱含水帶(Ⅱ-2),根據抽水試驗結果,Ⅱ-1含水帶滲透系數計算值為 0.630～0.680 m/d,單位涌水量為0.342～0.769 L/(s·m),該層具中等富水性和半透水 -良透水性;Ⅱ-2含水帶滲透系數計算值為0.0009～0.0141 m/d,單位涌水量為 0.0009～0.0025 L/(s·m),具弱富水性、弱透水性 -隔水性。

礦區 3個礦段中,潭龍礦段礦體厚度穩定,覆蓋層相對較薄且局部礦體露頭,地表為田地及山坡,剝離成本較低,容易開發利用,利于作為首采礦段。根據礦坑設計開采標高、開采礦坑的水文地質條件,選用穩定流大井法及比擬法求得潭龍礦段的礦坑涌水量分別為:+5 m中段涌水量為 3101 m3/d,-35 m中段涌水量 3822 m3/d。

2 礦區工程地質條件

根據礦體及圍巖的巖性、成因、物理力學性質及埋藏分布條件等,將礦區巖土層劃分為第四系沖洪積松散巖類、基巖風化坡殘積松散巖類、基巖風化半固結 -軟弱巖類及堅硬 -半堅硬巖類 4大類。

第四系沖洪積松散巖類是礦體覆蓋層,厚度變化大,土質軟弱或松散,穩固性差,易造成露采邊坡失穩、塌方、逸水壓力破壞等不良工程地質現象。

基巖風化坡殘積松散巖類是礦體覆蓋層,厚度變化大,工程性質中等,穩固性一般。但該層遇水易軟化,濕化后力學強度明顯降低,易造成露采邊坡失穩、塌方等不良工程地質現象。

基巖風化半固結 -軟弱巖類在秧地坡礦段和白石礦段揭露,是礦體直接頂底板。潭龍礦段鉆孔未揭露該層,但礦坑放坡范圍內局部可能涉及該層。該類巖呈半巖半土狀或碎石狀,散體或碎裂狀,穩固性差,易造成露采邊坡沖蝕破壞、崩塌和局部滑坡等不良工程地質現象;

堅硬 -半堅硬巖類又可分為可溶巖類和非可溶巖類。

可溶巖類為礦體,厚度大,巖石質量中等,巖體中等完整,巖石抗壓強度高,但淺部巖溶較發育,易造成露采礦坑突水突泥,地下水下降引起周邊地面塌陷、地裂縫等不良工程地質問題。非可溶巖類是礦體直接頂、底板,巖石質量劣,巖體完整性差,巖石抗壓強度中等,巖石穩固性一般,易造成露采邊坡出現掉塊和圍巖失穩等不良工程地質現象。

3 礦區環境地質問題預測

根據礦區水文地質、工程地質條件、礦床開采方式及社群安全需要等,預測礦區環境地質問題有:巖溶性地面塌陷、地面沉降及地下水位下降。

3.1 巖溶性地面塌陷

潭龍礦段北東部 3個民采礦坑附近已出現地面塌陷共 9處,潭龍礦段擬采礦坑附近現有地面塌陷3處;據調查,民采礦坑現開采深度約 40～60 m,水位已疏干至礦坑底部。鉆探資料顯示,潭龍礦段礦體上覆土層厚度 4.37～52.32 m,平均 12.36 m;潭龍礦段抽水主孔W1處土層厚度 9.12 m,水位埋深2.56 m。在進行上段強含水帶洗孔過程中,于 2009年 12月 28日早上 5點在鉆機前廠房靠近鉆孔位置出現地面塌陷,塌陷直徑約 2.50 m,深約 4 m,分析該塌陷原因是淺部溶洞發育,垂向上溶洞及第四系沖洪積層地下水連通性好,洗孔過程中造成負壓,致第四系松散層沉陷。

在山間平原區可溶巖覆蓋層厚度幾米至二十余米的地段,水位降深僅相當于露采礦坑開采初期,即可導致可溶巖地面出現塌陷或地裂縫。在設計開采條件下,開采后期水位降深大于上述民采礦坑及抽水試驗水位降深,且礦坑基本都位于平原、谷地及低階地地段,巖溶中等發育,局部強發育,故預測礦區長期疏干地下水地段,覆蓋層厚度 <20 m時易形成地面塌陷,覆蓋層厚度 <10 m時極易形成地面塌陷;在可溶巖地下水疏干影響范圍內,村莊建筑物密集處 (有附加荷載及生活排水影響),覆蓋層厚度大于 20 m時,局部亦有可能發生地面蹋陷。

因地面塌陷與地下水下降有密切關系,故水位降深至巖溶相對強含水帶 (即發育有溶洞的含水帶)底板時,地下水影響帶可作為地下水主要下降帶;開采巖溶相對弱含水帶的礦體時,地下水影響帶雖有所擴大,但擴大地帶的水位降幅已顯著變小,故以終采水位降深引起的地下水影響帶邊緣至地下水主要下降帶邊緣的地段作為地下水次要下降帶。在長期大量疏干情況下,礦坑水力性質可視為潛水,故地下水疏干影響半徑采用庫薩金經驗公式計算而得。各項參數取值及地下水下降帶定值見表1。

表1 礦坑疏干地下水下降帶的定值

根據地下水下降條件及可溶巖和其上覆土層的埋藏分布條件,根據塌陷發育程度將地面塌陷地帶劃分為如下 2類。

(1)地面塌陷主要發育地帶。沿礦體走向的東北及西南方向,礦坑邊緣至外圍 780 m范圍;東南面礦坑邊緣至可溶巖地表投影線范圍;西北面至山坡坡麓邊緣且覆蓋層厚度小于 20 m的范圍;

(2)地面塌陷次要發育地帶。沿礦體走向的東北及西南方向,礦坑之外 780 m至 1370 m之間的范圍;西北面礦坑邊緣至坡麓邊緣且覆蓋層厚度大于20 m而小于 30 m的范圍。東南面已進入非可溶巖,一般不會形成地面塌陷。

由地面塌陷衍生的局部地表水斷流,或地表水溝通淺部與深部含水層,都可能對礦山生態環境和礦坑充水造成不良影響。

3.2 地面沉降

礦區沖洪積層分布地段村莊較多,村莊規模較大,民房幾乎全為天然淺基礎。已有的秧地坡礦段南面平福坳村及潭龍礦段北東部秧地頭村小型露天開采和地下淺部開采,已引發鄰近局部民房出現不同程度的地基變形、房屋拉裂。本次勘查白石礦段抽水試驗孔W4的位置,土層厚度 21.70 m,在大理巖上段強含水帶進行抽水 (靜水位埋深 2.00 m),當水位降深 11.38 m、涌水量 644 m3/d時,該孔西北方向距抽水孔 30～50 m的瓜田出現了 2條地裂縫,其長分別為 15～18 m,寬 1～2 cm,地裂縫兩側帶寬10～40 cm。

地面沉降與地下水位下降及地面塌陷有密切聯系,故預測在地面塌陷主要發育地帶較易發生有害的地面沉降,在地面塌陷次要發育地帶不易發生地面沉降或地面變形輕微。

3.3 地下水位下降

礦坑疏干造成的地下水位下降,可對地質環境或生態環境造成不良影響。

(1)地下水位主要下降帶。該帶范圍與預測地面塌陷分析計算的地下水位主要下降帶范圍相同。該帶地下水位下降可能引發地面塌陷和地面變形外,易造成民井干枯。

(2)地下水位次要下降帶。在礦坑終采疏干影響帶之內、地下水主要下降帶之外的范圍。該帶地下水位下降一般不會造成地質環境惡化,但對淺小的民井供水可能會造成一定的影響。

[1] 陳余道.環境地質學[M].北京:冶金工業出版社,2004.

[2] 常士驃,張蘇民,等.工程地質手冊 [M].北京:中國建筑工業出版社,2007.

[3] 李康曉,等.廣東省化州市文樓礦區大理巖礦露天開采項目水文地質工程地質補充勘查報告[R].廣東:廣東省地質局 704地質大隊,2009.

[4] 夏玉成,孫學陽,等.煤礦區構造控災機理及地質環境承載能力研究[M].北京:科學出版社,2008.

[5] 胡友彪.論礦區疏干排水的不良環境效應與礦井水的綜合利用[J].中國礦業,1997,(4):71～74.

[6] 辛小毛.大水金屬礦山防治水綜合技術方法的研究[J].礦業研究與開發,2009,(2):78～81.

2010-07-25)

李康曉 (1985-),男,廣東廉江人,助理工程師,主要從事水工環地質工作,Email:kangxiao5891@163.com。