范 堯 王宏波 魏 軍 李 旭 王言偉

(中國建筑材料工業(yè)地質勘查中心山東總隊)

山東省費縣桃園白云巖礦床開采技術條件分析

范 堯 王宏波 魏 軍 李 旭 王言偉

(中國建筑材料工業(yè)地質勘查中心山東總隊)

為了合理開采礦產資源并制定具體的開采措施，必須查明礦床的開采技術條件。根據礦區(qū)地表水和地下水的類型、補給和徑流條件，詳細分析了礦山水文地質條件。結合不同巖性和構造特征，在劃分工程地質巖組的基礎上，對工程地質分區(qū)的主要工程地質問題進行了綜合評價。此外，通過調查礦區(qū)內環(huán)境地質現狀，明確了礦床開采技術條件，為礦山下一步設計開采方案提供參考。

白云巖礦床 開采技術條件 水文地質 工程地質 環(huán)境地質

山東省費縣桃園冶金用白云巖礦區(qū)位于山東省費縣朱田鎮(zhèn)朱田村，礦區(qū)屬于低山丘陵區(qū)，地形總趨勢為南北兩側高地，中間是與山脈走向一致的寬緩“V”字型溝谷，海拔最低約147 m，最高約311 m，相對高差約164 m，區(qū)內地表水系發(fā)育較少，水利資源貧瘠[1]。在對礦區(qū)水文地質、工程地質、環(huán)境地質特征進行調查的基礎上，詳細分析了礦床開采技術條件，為礦山開采方案設計提供依據。

1 礦床地質概況

礦區(qū)地層主要由第四系松散堆積層和奧陶系三山子組、馬家溝群白云巖、寒武系炒米店組灰?guī)r、崮山組頁巖等組成。礦床底板為寒武系炒米店組豹皮狀灰?guī)r，礦層為三山子組c段，巖性以淺灰色中、厚層細晶白云巖為主，厚度約40～60 m。礦區(qū)為斷塊凸起的單斜構造區(qū)，巖層傾向約40°，傾角約15°，順巖層傾向的坡度平緩，坡角一般為15°～25°，逆巖層傾向坡度較陡，坡角一般為20°～40°。區(qū)內中間河谷地帶發(fā)育斷層F1，正斷層，走向130°～150°，傾向SW，傾角約80°。

2 水文地質特征

2.1 區(qū)域水文地質

地下水的賦存狀態(tài)受巖石裂隙孔隙空間、構造性質和類型、地貌條件和氣象水文等因素控制，根據賦存條件、含水介質、水力特征，可將該區(qū)地下水類型分為松散巖類孔隙水和碳酸鹽類裂隙巖溶水[2]。松散巖類孔隙水主要分布于東小山村一帶以及桃園村北側宗家莊傾斜平原區(qū)，含水層不甚發(fā)育，厚度不超過10 m，一般為1～2 m，地下水多為大氣降水補給，富水性極弱。碳酸鹽類裂隙巖溶水賦存于寒武系、奧陶系等地層巖組中。

2.2 礦區(qū)水文與水資源

在構造剝蝕、風化、溶蝕作用的影響下，礦區(qū)內谷地兩側發(fā)育形成凹凸不平的山脊。礦區(qū)礦體分布標高為+297.10～+180.00 m，礦區(qū)最低侵蝕基準面與礦坑最低排泄面標高為+147.70 m，水文地質邊界條件比較清楚。

2.2.1 地表水

礦區(qū)內多為季節(jié)性流水，地表水的匯水面積約4 km2，水系僅在中部SE—NW向開口的低洼地帶發(fā)育，雨季多有匯水，旱季存水少，但山區(qū)河流源短流急，其中大氣降水是導致礦區(qū)地表徑流率增大的主要原因。礦區(qū)年平均降雨量829.68 mm，最大年降雨量 1 180.2 mm (2003年)，最小年降雨量 407.0 mm (2002年)。

年降水分布特點：雨量充沛，分布不均。降雨量冬季較少，春季增多，大量降雨集中于夏季，9月以后降雨量急劇減少。其中，3—5月降雨量占全年降雨量的14%，6—8月降雨量占全年降雨量的65%，9—11月降雨量占全年降雨量的17%，12月至次年2月降雨量占全年降雨量的4%。各月降雨日數以7月份最多，平均為15 d，1月份最少，平均為3 d。

2.2.2 地下水

礦區(qū)地下水類型分為第四系松散堆積層孔隙水和碳酸鹽類裂隙巖溶水。第四系松散堆積層孔隙水出露于黏土、含黏土粉砂，粉細砂中，堆積體結構松散，由于分布范圍和厚度小，地下水難以貯集，富水性差。裂隙巖溶水主要含水巖組為：①三山子組b段，灰黃色薄層泥質白云巖；②三山子組c段，淺灰色中、厚層細晶白云巖；③炒米店組，豹皮狀灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r。主要隔水層為崮山組，黃綠色頁巖。

礦區(qū)地下水動力條件及其特征見圖1。礦區(qū)開采面主要為單斜地形，含水巖組地層走向為NW,呈單斜產狀向北延伸，由于含水巖組巖性具有可溶性，其與地下裂隙為地下水的補給、徑流、排泄創(chuàng)造了條件。礦區(qū)直接接受大氣降水補給，含水巖組風化帶厚度及裂隙發(fā)育不均勻，裂隙連通性差，造成地下水無面狀分布規(guī)律，水位埋深不一，富水性弱，一般單井涌水量小于1 000 m3/d。地下水運動方向與地形及巖層傾斜方向基本一致，流向為NNE，向低洼處和溝谷匯集。運動過程中受F1斷層阻擋，破碎帶附近地下水運動受阻，造成局部富水，通過裂隙或破碎帶出露成泉。經取樣分析，礦區(qū)內地下水水質分析知礦化度<1 g/L，為HCO3-Ca·Mg型水。礦體位于最低侵蝕基準面以上，地表水系對礦床充水影響小，含水層富水性弱，以裂隙充水為主，滲入量主要為地區(qū)降水，充水含水層富水性弱且側向補給條件差，礦坑涌水量的估算主要以大氣降水量為主?？傮w上看，該礦床屬于第一型水文地質條件簡單礦床，露天開采不具備誘發(fā)或者加劇水文地質問題的地質條件。

圖1 礦區(qū)水文循環(huán)剖面示意

2.3 礦區(qū)水資源綜合利用

3 工程地質特征

3.1 礦區(qū)工程地質特征

礦區(qū)內多為裸露巖體，土體分布范圍及厚度均較小。礦區(qū)巖層劃分為2個工程地質巖組:①第1巖組為第四系松散堆積層，由沖洪積層組成，巖性為灰黃—棕黃色亞黏土、含黏土粉砂，粉細砂，主要分布在土龍溝下游河床及兩側，以及礦區(qū)內地形低洼處；②第二巖組為礦層(體)和礦體底板的堅硬半堅硬巖組[3]。礦體底板為寒武系炒米店組豹皮狀灰?guī)r，該層巖石致密、堅硬，穩(wěn)固性良好,局部軟弱結構面發(fā)育，抗風化能力弱，強度相對較低，穩(wěn)定性較弱。礦層為三山子組c段，巖性以淺灰色中、厚層細晶白云巖為主，巖性致密、堅硬半堅硬，穩(wěn)定性較好，因基巖裸露，巖體表面風化強烈，強度相對較低。F1斷層距離開采區(qū)較遠，對礦區(qū)安全開采影響較小。礦區(qū)內巖體結構面主要分級為Ⅳ級，區(qū)內的裂隙按成因可分為構造裂隙和次生裂隙2類。通過進行現場地質調查和室內資料整理，對巖體裂隙進行統(tǒng)計分析，主要可分為2組：①第1組，走向30°～70°，傾向NW，傾角為70°～85°；②第2組，走向為130°～170°，傾向SW，傾角為60°～85°。

區(qū)內裂隙統(tǒng)特征為：①由于受南北擠壓應力場作用，礦區(qū)內裂隙以NEE和NNW向最為發(fā)育，裂隙多為構造裂隙，具有明顯的方向性和規(guī)律性，微結構受巖體的性狀控制；②裂隙傾角以高傾角為主，占裂隙總數的79.6%，中傾角較少，占總數的20.4%，未見緩傾角裂隙；③裂隙呈閉合狀，局部裂隙裂口張開，寬度一般為0.5～2.0 cm，延伸長度為2～8 m，最長達15 m以上；④裂隙充填物以礫石夾黏土充填為主，局部見方解石脈充填。

3.2 工程地質評價

3.2.1 礦區(qū)工程地質條件現狀評價

礦區(qū)現狀工程地質問題主要是集中在2處人工開采邊坡處，現已形成高陡邊坡，特征見表1。

表1 人工采石邊坡工程地質條件現狀評價

以B2邊坡為例，進行邊坡穩(wěn)定性分析評價。該邊坡平面上呈“L”型展布，最長段大致以124°走向延伸，邊坡直立，巖性為豹皮狀灰?guī)r，屬節(jié)理裂隙崩塌類型。

由赤平極射投影分析可知：邊坡結構為逆向坡，巖體L1組裂隙與坡面成小角度斜交，L2組裂隙與坡面成大角度斜交，裂隙與層面互相交叉切割，2組節(jié)理裂隙的組合交線也以反傾坡內為主，因此邊坡整體穩(wěn)定。但L1組裂隙與層面的組合交線傾向于坡外，傾角較大且小于坡角，為不穩(wěn)定結構面，巖體可能沿外傾結構面和組合面產生松動或發(fā)生掉塊，現場調查的刀砍狀凹巖腔就是這樣形成的。由于邊坡較高較陡，使之呈臨空狀態(tài)，同時受節(jié)理裂隙L1與不利組合結構面的控制，在地表植被破壞及大氣降水沿節(jié)理、裂隙面的滲流影響下，上部危巖體有沿不利組合面向下發(fā)生傾倒、墜落的可能?，F場調查和統(tǒng)計資料分析，該地段邊坡裂隙間距較小(為0.5～2.0 m)，裂隙結構面組合較差，巖體被裂隙組合切割，在地震、暴雨等外力作用下，該地段巖體將可能發(fā)生崩塌。

總體上講，礦區(qū)地形地貌條件以及地質構造簡單，褶皺不發(fā)育，局部斷裂未影響整個礦層開采的穩(wěn)固性和連續(xù)性，巖體結構以中厚層狀構造為主，巖體強度較高，自穩(wěn)定性好，除局部需注意避開或注意外，自然條件下一般不易引發(fā)礦山工程地質問題。

3.2.2 邊坡穩(wěn)定性預測評價

礦區(qū)巖體類型、結構組合及工程地質特征將直接決定礦山開采過程中的主要工程地質問題[4-5]。根據礦區(qū)工程地質特征，對未來礦山開采過程中可能誘發(fā)或加劇的主要工程地質問題進行預測，結果見表2。

炒米店組地層為礦層底板頂面，坡角緩，穩(wěn)定性好，巖體不利結構面對礦山開采無影響。礦層巖體開采時，軟弱結構面由于抗風化能力相對較弱，在上部厚大巖體自重(人工荷載)作用下，底部較弱結構面將產生壓縮碎裂變形，從而導致上部巖體發(fā)生位移，在陡傾拉裂縫擴展與層面的組合切割下，單層巖體逐步向下蠕變，持續(xù)發(fā)展上部巖體重心外移，若遇強暴雨、地震將產生較大的水平力，受構造裂隙切割的巖體將發(fā)生突然崩塌、滑落。因此，在不利結構面和巖石質量強度較低的地段應適當放緩開采坡角，不同地段、不同階段應進行安全論證，制定相應的開采設計方案?？傮w來講，礦區(qū)礦床工程地質勘探的復雜程度屬于中等型，局部地段易發(fā)生礦山工程地質問題。

表2 邊坡穩(wěn)定性預測結果

4 環(huán)境地質

4.1 礦區(qū)環(huán)境地質現狀

根據《中國地震動參數區(qū)劃圖》(GB 18306—2001)，礦區(qū)在50 a內超越概率為10%條件下的地震動峰值加速度為0.10 g，相應的地震基本烈度為Ⅶ，礦區(qū)構造發(fā)育，無新構造活動跡象，礦區(qū)穩(wěn)定性好。但區(qū)域新構造運動表現比較強烈，有歷史記載的幾次地震均影響到該礦區(qū)。礦區(qū)內地質災害不發(fā)育，無重大的污染源，無熱害，區(qū)內民井地下水取樣分析結果顯示，水質良好，符合飲用水標準(Ⅲ類)，無有害物質，因此礦坑排水對地表水、地下水均不會造成污染，無其他環(huán)境地質隱患。

4.2 礦區(qū)環(huán)境地質預測評價

礦區(qū)多基巖裸露，植被相對稀疏，多為松樹，礦山的開采對土地、植被產生一定的影響。礦區(qū)地勢較高，采礦可產生局部地表變形，對地質地貌景觀會產生一定的破壞和影響。開采標高以上無地下水，不會影響當地居民用水及工農業(yè)用水，礦山排水也不會引起大面積地面塌陷、沉降、開裂，對地表水、地下水環(huán)境的影響較小。礦床礦石和廢石化學成分基本穩(wěn)定，在開采過程中，將產生一定量的粉塵，但對礦區(qū)附近居民生活產生影響有限。根據地質環(huán)境現狀及礦床開采引起的變化，礦區(qū)地質環(huán)境類型劃分為中等。

5 討 論

由礦區(qū)水文、工程、環(huán)境地質條件和礦體的賦存狀態(tài)可知，礦床屬于第一型水文地質條件簡單礦床、工程地質勘探的復雜程度屬于中等型、地質環(huán)境質量中等，礦床開采技術條件類型為復合問題的礦

床。礦山開采過程中，會對地質環(huán)境造成一定的影響，應重視以下問題：

(1)礦山開采和施工道路開拓所產生廢石和棄渣，應在工程地質勘查的基礎上，合理規(guī)劃場地，在廢石堆周圍設置匹配的可排水擋墻、擋壩，以及適當斷面的截洪溝道及尾礦庫，以免廢石堆臨空界面活化發(fā)生地質災害和洪澇災害。

(2)對于采礦產生的廢水，可通過澄清和自然凈化工序，重復利用，以緩解枯水季節(jié)水源不足的問題。

(3)開挖礦體使圍巖應力重分布，巖體穩(wěn)定性降低，應對不穩(wěn)定斜坡采取必要的支護措施。

(4)礦山開發(fā)必然會在一定程度上破壞礦區(qū)的自然地形、地貌，應在礦山開發(fā)過程中做好土地和地表植被等自然環(huán)境的保護工作，對破壞了的自然、地質環(huán)境及時采取土地復墾、植樹等綜合治理措施。

(5)在礦山建設過程中應加強地下水動態(tài)觀測，防止水質污染，做好礦山排水設防工作。

[1] 范 堯.山東省飾面石材資源評價標準及其開發(fā)建議[J].江西建材，2014(11)：3-4.

[2] 房佩賢，衛(wèi)中鼎，廖資生，等.專門水文地質學[M].北京：地質出版社，1987.

[3] 李世海，李 曉，劉曉宇.工程地質力學及其應用中的若干問題[J].巖石力學與工程學報，2006(6)：1125-1140.

[4] 張至剛.邊坡穩(wěn)定性分析技術在我國金屬露天礦山中的應用[J].云南冶金，1999(6)：8-11.

[5] 劉喜信，趙海鵬，常四海，等.東安金礦開采技術條件[J].吉林地質，2006，25(1)：54-57.

Analysis of Mining Technical Conditions of Taoyuan Metallurgical Dolomite Deposit in Fei County, Shandong Province

Fan Yao Wang Hongbo Wei Jun Li Xu Wang Yanwei

(Shandong General Team,China Construction Materials and Geological Prospecting Center)

In order to ensure the rational exploitation of mineral resources and take the sepcific mining measures,it is necessary to identify the mining technical conditions.According to the type of mining surface water and groundwater and the supply and runoff conditions,the mine hydrogeological conditions is analyzed in detail.Combing with the different lithological and structural features,the main egineering geological problems of engineering geological zoning are evaluated comprehensively based on dividing the engineering geological petrofabric.Besides that,the mining technical conditions is identified by investigating the environmental geological status so as to provide some reference for the further design of mining scheme.

Dolomite deposit, Mining technical conditions, Hydrogeology, Engineering geology, Environmental geology

2014-09-03)

范 堯(1985—)，男，工程師，碩士，250100 山東省濟南市山大北路32號。