大冶市劉家畈礦區鐵礦水文工程地質條件及地面塌陷預測分析

朱 豐

（湖北永業行評估咨詢有限公司，湖北 武漢 430000）

1 礦區概況及基本特征

大冶市劉家畈礦區現設置的采礦權人有3家，分別是大冶市陳貴劉家畈礦業有限公司、大冶市靈鄉鎮正興礦業有限責任公司、湖北華靈集團礦業有限公司普慶鐵礦。礦區為構造剝蝕地形，地形西高東低，北西部為山丘，最高峰達309m；南部為起伏不大的殘丘；中部為開闊的河谷洼地，地面標高35～40m。本區雨量充沛，平均年降雨量為1321.4mm，降雨多集中在3月—8月，日最大降雨量達248.3mm。由于劉家畈礦區水文地質條件復雜，工程地質條件中等，且3家礦山緊緊相鄰，礦山的開采曾導致過地面塌陷地質災害，文章簡要分析了本礦區的水文地質及工程地質條件并對地面塌陷進行了預測。

2 礦區水文地質條件

2.1 含、隔水層（組）特征

（1）第四系孔隙水含水層。主要成因為沖洪積層及洪坡積層。沖洪積層鉆孔單位涌水量為0.362L/（s·m），滲透系數為6.55927m/d，富水性中等，潛水性質，水化學類型為HCO3—Ca型水，總固體為0.18～0.19g/L。洪坡積層厚度一般＜5m，民井提水試驗涌水量為0.001～0.053L/s，富水性較弱，水化學類型為HCO3—Ca型水。

（2）白堊系下統、侏羅系上統裂隙含水層。可劃分為二個含水帶：其一為富水性弱的裂隙含水帶，即巖石風化帶，最大埋深標高為6.64～70.86m，鉆孔單位涌水量為0.1091L/（s·m），滲透系數為0.14711m/d，水化學類型為HCO3-Ca型水，總固體為0.28g/L。其二為富水性微弱的裂隙含水帶：位于巖石風化帶之下，該帶富水性微弱，鉆孔單位涌水量0.00718L/（s·m），滲透系數為0.00437m/d，水化學類型為HCO3-Ca型水，總固體為0.17～0.25g/L。

（3）三疊系下統巖溶裂隙含水層。三疊系下統大冶組灰巖，是礦體的主要圍巖。產狀與上覆地層近似，向北西傾斜，傾角為40～55°，巖性為灰巖。該層巖溶發育弱，以溶蝕裂隙為主，溶孔少見。該層巷道內巖溶發育較弱，含水介質以溶蝕裂隙為主，局部見小溶孔。周邊無泉水出露。

（4）隔水巖組。燕山期石英閃長巖為礦體的主要底板隔水層。淺部含有風化裂隙水，民井涌水量為0.001～0.042L/s，富水性微弱，水化學類型為HCO3-Ca-Mg型淡水。深部裂隙不發育，靠近礦體裂隙發育，但均被鐵質、鈣質等充填，可視為隔水層。

2.2 地下水補徑排條件

礦區地下水受大氣降雨量補給，地下水流向受地貌形態控制，總的流向為北東向。侏羅-白堊系三疊系下統裂隙水，高于第四系沖洪積孔隙水，前者主要以地下徑流排泄于第四系沖洪積孔隙潛水含水層，而后者所蘊藏的地下水又能直接補給小溪。第四系沖洪積孔隙水與地表水聯系極為密切，而與深部侏羅-白堊系、三疊系下統裂隙水的聯系較差。

2.3 礦坑充水因素及礦坑涌水量

目前礦區正常生產時的排水量約為1536m3/d。其中大冶市陳貴鎮劉家畈礦業有限公司目前-290m中段礦坑排水量為736m3/d；大冶市靈鄉鎮正興礦業有限責任公司目前-305m中段礦坑排水量為600m3/d；湖北華靈集團礦業有限公司普慶鐵礦目前-440m中段礦坑排水量為200m3/d。

根據礦區現有涌水量情況對礦區未來涌水量進行了預測。采用水文地質比擬法估算得湖北華靈集團礦業有限公司普慶鐵礦Ⅶ號礦體-470m中段開采時礦坑正常涌水量為350m3/d；另外二家采礦權人均已開拓到礦體最低中段，直接按目前的排水量。本次礦坑涌水量計算值為1686m3/d，礦區最大涌水量為5058m3/d。

2.4 礦床水文地質勘查類型

劉家畈礦區的礦體賦標高在當地侵蝕基準面以下，主要充水含水層（碎屑巖、大理巖裂隙含水層）富水性弱，次要充水層（砂礫孔隙含水層）仍可在局部地段構成井巷圍巖，富水性中等。第四系沖洪積孔隙水與地表水聯系極為密切，而與深部侏羅-白堊系、三疊系下統裂隙水的聯系較差。據上述情況和《礦區水文地質工程地質勘探規范》（GB 12719—1991）可知，本礦床屬于以裂隙水和巖溶裂隙水為主的、水文地質條件復雜程度為復雜的裂隙充水礦床。

3 工程地質條件

礦區巖土體劃分為第四系松散巖類工程地質巖組、軟—較堅硬碎屑巖工程地質巖組、較堅硬—堅硬碳酸鹽巖工程地質巖組、較堅硬的巖漿巖工程地質巖組四個工程地質巖組。

3.1 第四系松散巖類工程地質巖組（Ⅳ）

為各種成因的黏土、亞黏土夾碎石、砂礫石層、采礦廢渣組成，其結構松散，工程地質性狀差。另外，地下工程穿越處均需支護。

3.2 軟—較堅硬碎屑巖工程地質巖組（Ⅲ）

巖性為火山碎屑巖、凝質碎屑巖、砂礫巖及頁巖，為礦區的主要上覆地層巖性。巖層淺部呈松散結構，向深部呈軟硬相間結構，巖石工程性質較差。較深部的砂頁巖中節理裂隙發育，抗壓強度為116～157MPa，工程地質性狀較好。

3.3 較堅硬—堅硬碳酸鹽巖工程地質巖組（Ⅱ）

巖性為灰色、灰白色，薄層、中厚層狀，層理清晰。灰巖均變成大理巖，細粒狀結構，為礦體的主要圍巖。大理巖的整體性較好，抗壓強度為116～74.2MPa，工程地質性狀較好。

3.4 較堅硬的巖漿巖工程地質巖組（Ⅰ）

巖漿巖工程地質巖組主要分布于礦體底板，巖石整體性較好，抗壓強度為115MPa，工程地質性狀較好。局部地帶有微綠泥石化、碳酸鹽化或透輝石化現象，節理較為發育，局部較為破碎，有可能引起冒頂、片幫災害。c為裂隙折算系數，本礦取2；h1為冒落帶高度，m；h2為導水裂隙帶高度，m。

圖1 巖層移動帶劃分圖

③預測分析結果：礦體地下開采導致地面塌陷的可能性為中等，三帶高度計算表如表1所示。

表1 三帶高度計算表

3.5 工程地質條件評價

礦體頂、底板圍巖主要有矽卡巖化石英閃長巖、大理巖、透輝石矽卡巖。局部地段巖石易松散、破碎，有可能引起冒頂、片幫災害外，礦山大部分地帶工程地質條件較好，頂板圍巖抗壓強度74.2～116.12MPa，底板圍巖抗壓強度114.5～157.22MPa。因此，礦區工程地質條件為中等。

4 地面塌陷預測

4.1 地面塌陷現狀

本區地面塌陷產生于1997年8月—1998年5月，共見3個塌坑，其中1個位于張家會灣，2個位于萬家灣。位于張家會灣的塌坑長20m、寬8m、深1.5m，塌坑長軸角度的75°；位于萬家會灣的塌坑直徑為2～16.5m，深度為0.3～5m。

4.2 地面塌陷預測

（1）地下采空區引發地面塌陷預測分析。①巖層移動帶的劃分：對地下開采的礦床，當礦體采出后，在地下形成空區，覆巖層失去支撐，巖層的原始狀態發生破壞，使巖層變形、移動和冒落。隨著開采面積的不斷擴大，巖層的移動將波及地表，使其產生開裂和塌陷，以至成為大氣降水滲入坑道的良好通道。根據覆巖破壞程度的不同，可分為冒落帶Ⅰ、導水裂隙帶Ⅱ及整體移動帶Ⅲ，如圖1所示。

②冒落帶和導水裂隙帶最大高度的計算方法：

式中：m為礦層開采厚度，m；k為巖石松散系數，本礦頂板為大理巖、閃長巖，取1.5；a為礦層傾角，°；

（2）礦山開采疏排水對地表下沉的影響分析。疏排水造成地表下沉的主要原因是地下水水位降低引起土體壓密固結。根據《環境影響評價技術導則地下水環境》（HJ 610—2011）來估算其影響半徑。

式中：R為影響半徑，m；S為水位下降值，m；H為潛水含水層厚度，m；K為滲透系數，m/d。

礦區范圍內主要影響含水層為侏羅-白堊系下三疊裂隙含水巖組，該含水層滲透系數K為0.14711，含水層厚度為76.92m，而水位最大降值S為58.50m，故影響半徑約為394m。因此預測礦山開采疏排水有導致地面沉降的可能性，從而可能誘發地面塌陷地質災害。結合礦區的水文地質條件及工程地質條件，預測礦區的開采有引發或加劇地面塌陷、地面沉降地質災害的可能性，其影響程度為中等。

5 結論

通過分析大冶市劉家畈礦區鐵礦水文地質及工程地質條件，對該區鐵礦的開采引發地面塌陷地質災害進行了預測，預測評價認為該區建設有誘發地面塌陷的可能性，礦山應嚴格按照審批通過的礦山開發利用方案及初步設計開采，做好水文地質工程地質勘查工作，以預防該類地質災害的發生。