采空塌陷對礦區(qū)地下水補徑排條件的影響分析——以粵西某鎢錫多金屬礦區(qū)為例

徐社美

(廣東省地質(zhì)調(diào)查院，廣東 廣州510080)

采空塌陷對礦區(qū)地下水補徑排條件的影響分析
——以粵西某鎢錫多金屬礦區(qū)為例

徐社美

(廣東省地質(zhì)調(diào)查院，廣東 廣州510080)

以粵西某鎢錫多金屬礦區(qū)為例，探討因采空塌陷導致礦區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，進而影響礦區(qū)地下水補徑排條件的變化。調(diào)查研究結(jié)果表明礦區(qū)大量民采形成的采空區(qū)、民窿的出現(xiàn)破壞了巖層的完整性，改變了含水巖組的結(jié)構(gòu)和特征，增加了大氣降水的入滲通道和地下水的徑流通道，增強了采空以上含水層之間的水力聯(lián)系，改變了地下水的補給、徑流和排泄條件。同時由于徑流途經(jīng)和排泄方式的改變，地下水水位降低，底層民窿口涌水常見，同時由于民采民窿排水設計方案的不合理加上采空形成的頂壁坍塌的阻隔作用，在民窿部分地段內(nèi)往往形成積水。接著從開采技術安全的角度闡述了查明采空塌陷、民窿分布和特征的重要性，并探討了礦區(qū)采空塌陷、民窿調(diào)查工作方法。

采空;民窿;礦區(qū)水文地質(zhì);地下水補給;徑流;排泄

采空和民窿是固體礦產(chǎn)礦區(qū)常見的問題。長期以來大量的民采活動在礦區(qū)往往形成大量的采空和民窿，這些采空和民窿的出現(xiàn)，對礦區(qū)地下水的補給、徑流、排泄條件影響明顯，使得礦區(qū)水文地質(zhì)條件復雜化，威脅今后礦區(qū)安全開采。因而需要對礦區(qū)采空、民窿開展調(diào)查研究，查明其分布和特征，為礦山開采設計提供依據(jù)。

1 礦區(qū)地質(zhì)背景情況介紹

礦區(qū)位于云浮市西側(cè)約7～24 km。地處大紺山地區(qū)，行政區(qū)劃屬于云浮市。按照一個完整的水文地質(zhì)單元統(tǒng)計，礦區(qū)工作面積約3 km2。

礦區(qū)地貌屬于中低山，為基巖山區(qū)，坡面坡度30°～60°不等，地形切割較深，季節(jié)性溝谷發(fā)育。上半年雨水充足，下半年干旱少雨，因多年封山育林，區(qū)內(nèi)植被發(fā)育，草木茂盛，通行通視條件一般。

礦區(qū)內(nèi)出露的地層及其巖性主要有:

1)元古界云開巖群(PtY)的黑云母片麻巖、混合巖，局部夾黑云母變粒巖、云母石英片巖，夾變質(zhì)火山巖(斜長角閃巖)層，該巖性地層在礦區(qū)中西部大量出露(圖1);

2)元古界沙灣坪組(Pts^)，地層產(chǎn)狀紊亂，褶皺、斷裂較發(fā)育。其巖性組合以變粒巖、片巖及變質(zhì)石英砂巖等為主，多呈互層產(chǎn)出，主要出露于礦區(qū)東側(cè);

3)三疊系小云霧山組(Txy)，為一套內(nèi)陸山間湖泊相含煤碎屑巖建造，巖性為礫巖、砂巖、粉砂巖、頁巖夾煤線(包)等，小范圍出露于礦區(qū)南;

4)第四系地層(Q)，主要分布在山前沖洪積地帶，溪溝兩側(cè)。主要分布于礦區(qū)南。

此外，礦區(qū)東北和西南出露有燕山期花崗巖。

區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂構(gòu)造發(fā)育，礦區(qū)處于大紺山穹窿狀旋轉(zhuǎn)構(gòu)造之中，以元古代深變質(zhì)片麻巖、混合巖、片巖為核心，環(huán)狀構(gòu)造圍繞核心展布。

2 礦區(qū)開采現(xiàn)狀及采空塌陷情況

根據(jù)調(diào)查訪問，工作礦區(qū)自民國年間開始一直存在大量民采活動，六七十年代當?shù)毓缭M行過集中開采，一直到近十幾年前該礦區(qū)民采活動一直泛濫，開采方式主要為爆破，規(guī)模較大;近十多年來由于政府對炸藥的管制，民采活動逐漸消失，偶爾有少量的間歇性開采，作業(yè)人數(shù)少，作業(yè)方式簡單以人工挖鑿為主，規(guī)模小。

由于礦區(qū)礦體主要由石英細脈、網(wǎng)脈及蝕變圍巖組成或賦存于硅化蝕變破碎帶中［1］，民采活動主要沿脈進行。長期以來的高強度民采活動，造成了對礦體圍巖頂?shù)装宓钠茐?，地表出露礦體區(qū)域直接被采空，礦體埋藏在地表以下的區(qū)域，民窿開采改變了巖體原有的應力條件，隨著長時間的雨水入滲、風化剝蝕及原有的支架的腐朽坍塌，在礦區(qū)形成了大量的采空塌陷和民窿。調(diào)查發(fā)現(xiàn)礦區(qū)地表大小民窿幾十座，規(guī)模較大的有10多座。采空塌陷幾十處，采空、民窿主要沿礦體方向分布(圖1)。研究發(fā)現(xiàn)礦區(qū)采空和民窿具有以下特點:

1)民窿普遍延伸較長，規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復雜，同一民窿出現(xiàn)有多處穿脈、沿脈窿。采坑往往延伸幾百米以上。

2)開采作業(yè)方式不規(guī)范，坑底坑洼不平、易在部分地段形成積水，民窿兩壁及頂部參差不齊，支護材料和方式簡單，支護效果較差，易腐朽，頂壁坍塌在民窿內(nèi)多見。

3)不同標高民窿之間，連通性較好，地下水水位埋深大，上部民窿總體少見有積水和涌水。底層窿道積水和窿口涌水多見。

3 采空、民窿對礦區(qū)水文地質(zhì)條件的改變和影響

由于礦區(qū)大量民窿和采空塌陷的出現(xiàn)，破壞了巖石地層的完整性，改變了含水巖組的結(jié)構(gòu)和特征，增加了進水通道，增強大氣降水的入滲。改變了地下水徑流方式和排泄途徑。降低地下水水位，增強不同含水層之間的水力聯(lián)系。地下水的補徑排條件發(fā)生了變化。礦區(qū)水文地質(zhì)條件變得的復雜。主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

3.1 增加大氣降水對礦區(qū)地下水的補給

礦區(qū)為基巖山區(qū)，地下水主要為基巖裂隙水。主要含水層為風化裂隙破碎帶。在沒有出現(xiàn)采空塌陷、民窿前，大氣降水對礦區(qū)地下水的補給方式主要為，降雨部分通過地面入滲補給地下水，超過入滲能力的部分以形成地表徑流，沿山坡坡面匯入溪溝，形成地表溪流。當?shù)叵滤坏陀谙獪纤粫r，溪水補給地下水(圖2)。

圖1 礦區(qū)民窿民窿及采空塌陷分布圖

大面積或多處點狀采空塌陷和民窿的形成，破壞了賦存地下水的巖層巖組。改變了大氣降水對礦區(qū)地下水的補給方式和強度。在地表、地下形成多處“天窗”，［2］增加了進水通道。增強了地表滲透性，不僅增加大氣降水滲入地下水數(shù)量，從另一個層面來說，由于大量“天窗”的出現(xiàn)，使得地表徑流形成的機會變小，即使形成地表徑流，相當一部分徑流水直接經(jīng)采空區(qū)進入民窿，補給地下水。增加降水對地下水的補給。另外，民采形成的豎井連通了上下含水巖組，增強含水層之間的水力聯(lián)系，上部潛水含水層的水可沿豎井進入下部潛水含水層。高水頭壓力承壓含水層中的水經(jīng)其補給流入上部潛水含水層或低水頭壓力的承壓含水層。

3.2 改變礦區(qū)地下水的徑流途徑

采空塌陷和民窿的存在增加了地下水的導水通道。對地下水進行分流。

采空、民窿標高以上，原來主要經(jīng)由孔隙、裂隙或溶洞由高水位向低水位運動的地下水。由于民窿的存在，相當一部分地下水進入其內(nèi)，在上下民窿連通性較好的情況下，上層民窿中的水進入下層民窿，并最終在底部民窿進行匯集、經(jīng)由民窿口往外排泄。若民窿彼此連通性較差，地下水便經(jīng)上下民窿的坑口向外排泄［3］。此外，由于民采在窿道排水設計方面的缺陷、支架年久失修或雨水沖刷引起的民窿頂壁的坍塌，民窿特別是下層民窿部分地段往往形成積水，積水情況和水量取決于民窿的位置標高、揭露含水巖組的富水性、補給情況、窿道的地形、民窿的封閉性及與上下民窿之間的連通程度等。

同時由于坑口排泄、民窿積水等排泄方式的存在，大大降低了礦區(qū)地下水水位，地下水水位往往降至最低民窿標高以下，地下水流線亦發(fā)生變化(圖2)。

圖2 采空前后地下水補給、徑流、排泄變化對比圖

3.3 改變了礦區(qū)地下水的排泄方式

采空和民窿的存在大大改變了礦區(qū)地下水排泄，包括地下水的排泄途徑和方式、排泄條件和排泄量。天然狀態(tài)下礦區(qū)地下水的排泄方式是:通過泉、沿基巖裂隙向河流排泄、蒸發(fā)、蒸騰等。

采空、民窿的存在改變了地下水的排泄途徑和排泄方式:主要是增加了民窿涌水、窿內(nèi)積水等排泄方式和排泄途徑。同時新的排泄方式的出現(xiàn)也會對原有的排泄方式進行改變，在補給量無法維持多種排泄方式的情況下，有些排泄方式會減少或消失其排泄量也會發(fā)生變化。主要表現(xiàn)為地下水對溪溝的排泄減少、泉出露標高的降低、泉點數(shù)量和流量的減少。

在采空、民窿的影響下，根據(jù)地面調(diào)查結(jié)果，礦區(qū)地下水的排泄方式有蒸發(fā)、蒸騰、向溪溝排泄、窿內(nèi)積水、窿口涌水等方式。

4 采空塌陷和民窿調(diào)查工作方法和內(nèi)容

由于采空塌陷、民窿的存在，礦區(qū)地下水補給、徑流、排泄條件發(fā)生了改變。一方面增加了礦區(qū)水文地質(zhì)條件的復雜程度。另一方面，采空民窿的存在也增加了礦區(qū)開采的難度和成本。民窿部分地段由于有積水和存在支護，會影響開采安全。

為準確查明礦區(qū)水文地質(zhì)條件、正確劃分開采技術條件類型。為將來礦區(qū)開采提供指導和依據(jù)，需要對采空塌陷、民窿的基本情況的進行調(diào)查。要求基本查明其位置、分布、延伸、延深、涌水、積水、支護等情況，并評價其穩(wěn)定性。工作方法和工作內(nèi)容如下:

1)進入民窿進行實地調(diào)查和編錄，查明民窿分布位置、延伸、延深、涌水情況、涌水量大小、積水位置;

2)劃分民窿巖組，觀察描述軟弱夾層、風化帶、構(gòu)造破碎帶、蝕變帶分布、產(chǎn)狀;系統(tǒng)采取巖(礦)石物理力學試驗樣;統(tǒng)計節(jié)理裂隙;［4］詳細描述地下水活動對井巷圍巖穩(wěn)固性的影響及工程地質(zhì)問題發(fā)生的位置、不穩(wěn)定地段掘進與支護方法。民窿變形地段必要時設置工程地質(zhì)觀測點，進行長期觀測［5］。

3)繪制不同標高民窿結(jié)構(gòu)圖、在圖上標示出采空塌陷區(qū)、不穩(wěn)定地段、積水點位置和積水情況。同時進行地表采空塌陷調(diào)查。因廢棄、冒落塌陷、封閉、積水等因影響而無法進入實地勘察的民窿調(diào)查，則通過調(diào)查訪問當?shù)夭傻V人員，并結(jié)合以往的調(diào)查資料進行分析。

4)建立地下水動態(tài)觀測系統(tǒng)，進行地下水動態(tài)觀測、水患預報，防范積水通過斷層、采空通道相互溝通。并制定相應的探、防、堵、截、排綜合防治措施［6］。

5 結(jié)語

大量民采活動形成的塌陷和民窿對礦區(qū)含水巖組造成了很大的破壞，極大地的改變了礦區(qū)地下水的補給、徑流和排泄條件。不僅使礦區(qū)的地下水大大降低，在采空民窿內(nèi)形成積水和涌水，且易在礦床的開采過程中造成突水和涌水等安全隱患。因此，在礦區(qū)水文地質(zhì)勘查過程中，需要詳細查明采空塌陷和民窿的位置、規(guī)模、積水涌水情況，并詳細繪制不同標高采空、民窿結(jié)構(gòu)圖，以便為下一階段工作如礦床開采方案的制定和實施提供依據(jù)。

［1］郭敏，曾鈞躍，吳遠明，徐社美，等.廣東省云浮市大金山地區(qū)鎢錫多金屬礦勘查2011年度工作設計.廣州;廣東省地質(zhì)調(diào)查院.2011.

［2］王大純，張人權(quán)，等.水文地質(zhì)學基礎［M］.北京:地質(zhì)出版社.1995.

［3］李治軍，遲寶明，周彥章，等.基巖裂隙充水礦床水化學特征分析及充水因素判定——以山東招遠夏甸金礦床為例［J］.工程勘察.2007，10.

［4］GB12719—1991.礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范［S］.

［5］金一萍，林毓皋.從內(nèi)蒙土貴烏拉礦區(qū)水文地質(zhì)條件來談民窿水文地質(zhì)資料的利用［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì).1958(3).

［6］李世峰，金瞰昆，劉素娟.礦井地質(zhì)與礦井水文地質(zhì)［M］.徐州，中國礦業(yè)大學出版社.2009，10.

P641.72

B

1004－1184(2012)03－0047－03

2012－03－30

部省合作項目《廣東省云浮市大金山地區(qū)多金屬礦勘查項目》

徐社美(1980－)，男，江西新建人，碩士，工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查、礦區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查研究等工作。