張志穎,劉占梅,朱佳川,王澤蛟,鄭玉新

(遼寧省有色地質(zhì)局一0九隊(duì)，朝陽 122000)

遼西地區(qū)某鐵礦礦山開采技術(shù)條件分析

張志穎,劉占梅,朱佳川,王澤蛟,鄭玉新

(遼寧省有色地質(zhì)局一0九隊(duì)，朝陽 122000)

對礦區(qū)地下水類型及補(bǔ)給、徑流、排泄條件進(jìn)行分析，經(jīng)統(tǒng)計、計算礦坑涌水量，確定了礦床水文地質(zhì)特征；劃分出礦區(qū)工程地質(zhì)巖組，測定了礦體及頂?shù)装鍑鷰r力學(xué)性質(zhì)，對巖(礦)體結(jié)構(gòu)類型、完整性等進(jìn)行了詳細(xì)統(tǒng)計，明確了礦區(qū)工程地質(zhì)條件;調(diào)查了礦區(qū)的環(huán)境地質(zhì)情況，確定了礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)條件。基本查明了礦床的開采技術(shù)條件，充分體現(xiàn)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)在礦山開采中的重要意義。

遼西地區(qū)；鐵礦；開采技術(shù)條件；水文地質(zhì)；工程地質(zhì)；環(huán)境地質(zhì)

1 引言

遼西地區(qū)礦產(chǎn)分布廣泛，主要以鐵礦為主，多年以來該地區(qū)地表礦體大幅度開采，現(xiàn)階段主要以深部盲礦體開采為主，其中水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)對礦床開采具有十分重要的意義。現(xiàn)以某鐵礦為例進(jìn)行分析。

某礦開采礦種為鐵礦，開采方式地下開采及露天開采，生產(chǎn)規(guī)模20×104t/a，礦區(qū)面積12.109 6 km2，開采深度從+700～+350 m,擬開采深度由700～-32.03 m標(biāo)高。

原露天開采已形成的露天采場，無積水，地下開采以豎井和斜井聯(lián)合開拓，采用自上而下分段逐個中段開拓。鐵礦體賦存于小塔子溝組角閃斜長片麻巖中，呈似層狀產(chǎn)出，有礦體被脈巖錯斷。

2 水文地質(zhì)

2.1 自然地理?xiàng)l件

該區(qū)位于遼西低山丘陵區(qū)，山勢較緩，地形切割強(qiáng)烈，溝谷發(fā)育，地表植被覆蓋較少，巖石裸露面積較大，海拔高度一般為350～650 m左右。

溝谷除雨季有水外，其余季節(jié)為干涸狀態(tài)，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，干旱-半干旱地區(qū)，年降水量多集中在7～8月份以暴雨形式降落，年最大降水量為719.2 mm，月最大降水量為265.1 mm，日最大降水量80.5 mm，蒸發(fā)量在1 600～1 850 mm左右，年平均氣溫12.80°C。最大凍土深度在1.00 m左右。

區(qū)內(nèi)水文網(wǎng)不發(fā)育，無常年性河流，僅在第四系沖坡積覆蓋區(qū)內(nèi)，在雨季時形成暴漲急消的季節(jié)性匯水區(qū)，多以地表徑流排泄區(qū)外，少量補(bǔ)給地下水，最低侵蝕基準(zhǔn)面出現(xiàn)在礦區(qū)西南部101國道附近為350 m。

2.2 含水層劃分

含水層共2個，分別為：第四紀(jì)孔隙潛水含水層；基巖裂隙含水層?；瘜W(xué)類型為重碳酸鈣鎂型，pH7.2～7.7，總礦化度為0.093～0.544 g/l。

2.2.1 第四紀(jì)孔隙潛水含水層

該含水層主要分布谷底兩側(cè)，由粘土、粉質(zhì)粘土、殘坡積層、碎石土等組成。因采區(qū)形成大面積露天舊采，地表粘性土多被剝離，致局部含水層缺失。該層厚1～10 m，水位 4.3～7.8 m，多數(shù)民井采礦期疏干，無水位。含水層含水性差，只在采區(qū)谷底施工平整部位少量含水，枯水期不含水，大氣降水為主要補(bǔ)給源，少部分由礦坑排水泄漏補(bǔ)給，屬弱-中等富水。

2.2.2 基巖裂隙含水層

該區(qū)域內(nèi)各采區(qū)基巖裂隙含水層，巖性以小塔子溝組角閃片麻巖等變質(zhì)巖為主，因采區(qū)多年施工剝離，使上覆層較薄，大部分巖石裸露風(fēng)化，裂隙呈不規(guī)則網(wǎng)格狀發(fā)育，內(nèi)多呈閉合狀態(tài)，大氣降水多以地表徑流形式排泄出區(qū)外。

本區(qū)未做抽水工作，收集區(qū)域相鄰礦山抽水資料。K=0.033 m/d,R=360.00 m，單位涌水量q<0.1 l/s·m，屬富水性弱的含水層，地下水化學(xué)類型為重碳酸鈣鎂型，總礦化度327.71 mg/l，pH7.63。

2.2.3 隔水層

該區(qū)隔水層巖性為閃長巖，以巖脈形式產(chǎn)出，該部分巖石致密，巖體完整，施工鉆孔以長柱狀巖芯為主，無涌漏水，巖脈充填占據(jù)了構(gòu)造空間，阻隔了其含導(dǎo)水性，因此視該部分為隔水層。

2.3 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件

該區(qū)域內(nèi)的含水層主要補(bǔ)給源以大氣降水補(bǔ)給為主，地形地貌有利于地表水排泄，主要含水層為基巖裂隙水。第四系含水層含儲水性差，雨季形成短暫匯水區(qū)域后，排泄出采區(qū)，匯入季節(jié)性河流。

2.4 礦床充水因素

直接充水含水層為基巖裂隙水，開采揭露后，成為礦坑充水涌水量增大的主要因素。

該區(qū)域裂隙水雖為直接充水含水層，但其深部巖石裂隙多呈閉合狀態(tài)，含富水性較弱。而第四紀(jì)孔隙潛水含水層對深部開采為間接充水含水層，對于露天開采，孔隙含水層被剝離，大氣降水為直接充水因素。

2.5 礦坑涌水量預(yù)測

因本區(qū)域周邊及相鄰礦山較多，利用相鄰礦山水文地質(zhì)資料參數(shù)預(yù)測礦坑(中段)涌水量，而露天采場大氣降水采用近幾年喀左縣氣象局資料計算采場涌水量。

方案確定和公式選擇：

根據(jù)礦區(qū)開采方法和礦坑充水因素，礦坑涌水量分為兩部分，露天采場部分和礦坑(中段)部分。

2.5.1 露天采場涌水量

各個采區(qū)分不同標(biāo)高露天開采，采場水量主要受大氣降水的補(bǔ)給，露天采場底部無積水，即無側(cè)向補(bǔ)給，以大氣降水垂直補(bǔ)給，計算公式為：

(1)

式中,Q降1-3為直接降落在露天采場上的大氣降水量(m3/d);F為露天采場面積(m2) ；W1-3為降水量分別按年均W1，月最大W2，日最大W3計算；t為時間分別按365 d、30 d、1 d計算。

大氣降水量(氣象資料)：

歷年平均降水量W1508.5 mm；

歷年月最大降水量W2265.1 mm；

歷年日最大降水量W380.5 mm。

開采面積：各個采區(qū)，根據(jù)露天采場底部從圖上量取開采面積。每個采區(qū)對采場分別編號，計算面積，計算水量。將各個參數(shù)帶入上述公式，計算結(jié)果見表1(露天采場面積大氣降水量表)。

表1 露天采場面積大氣降水量表

續(xù)表1

采區(qū)采場編號采場面積F/m2W1/mW2/mW3/mQ降1-3=FWt/m3·d-1Q降1Q降2Q降3Q降2總水量/m3·d-1Z采區(qū)ⅠⅡⅢ40312593630.50850.50850.50850.26510.26510.26510.08050.08050.08050.5611.7540.5063.56111.1253.20832.442101.34929.22217.894S一、二采ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦ18712278467180830574325900.50850.50850.50850.50850.50850.50850.50850.26510.26510.26510.26510.26510.26510.26510.08050.08050.08050.08050.08050.08050.08052.6073.1746.5071.1264.2590.6020.82216.53320.13041.2767.14027.0143.8175.214150.616183.379376.01565.044246.08934.77647.495121.124L一采ⅠⅡⅢ228532779295880.50850.50850.50850.26510.26510.26510.08050.08050.080531.83838.71813.358201.944245.58984.7261839.6662237.256771.834532.259XY一、二采ⅠⅡⅢⅣ144060949000256570.50850.50850.50850.50850.26510.26510.26510.26510.08050.08050.08050.08052.0068.49012.53835.74412.72553.85179.530226.722115.920490.567724.5002065.389372.828H一、二采ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ553025630199256345147031810.50850.50850.50850.50850.50850.50850.26510.26510.26510.26510.26510.26510.08050.08050.08050.08050.08050.08057.70435.70627.7598.84020.4830.25248.857226.484176.07156.068129.9251.599445.1652063.2151603.963510.7721183.59214.571640.255S四采ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦ1260163831545118011301748126370.50850.50850.50850.50850.50850.50850.50850.26510.26510.26510.26510.26510.26510.26510.08050.08050.08050.08050.08050.08050.08051.75522.8242.1521.6441.5742.43517.60511.134144.77113.65310.4279.98515.446111.669101.4301318.832124.37394.99090.965140.7141017.278316.694Y四采ⅠⅡⅢ3477190973670.50850.50850.50850.26510.26510.26510.08050.08050.08054.8442.65910.26330.72516.86965.099279.899153.675593.044112.693

表中有3種降水量，可作為選擇露天采場涌水量，選擇用年降水量Q降1值偏小，選擇Q降3值偏大，可能幾十年不遇；選用降水量Q降2為各采場降水因素值，做為露天采場正常涌水量是比較合理適宜的。

2.5.2 礦坑涌水量(水平中段)

(1) 各區(qū)礦坑涌水量見表2。

未統(tǒng)計涌水量的采區(qū)為停產(chǎn)狀態(tài)未抽水或者地表露天開采。

(2) 礦坑涌水量預(yù)測

就現(xiàn)有資料(收集相鄰礦山抽水試驗(yàn)參數(shù))計算本次核實(shí)一些需要深部預(yù)測的采區(qū)涌水量。

計算公式：

表2 各區(qū)礦坑涌水量一覽表

式中,Q為含水層涌水量(m3/d)；K為滲透系數(shù)(m/d)；H為開采深度(m)；M為含水層厚度(m)；F為坑道開采面積(m2)；R為影響半徑(m)；r0為大井半徑(m)。

綜上，礦坑涌水量預(yù)測，露天開采降水量以Q降2水量為采場涌水量為宜。

坑道(水平巷道)未來涌水量，大井法計算后，涌水量128.972 m3/d～1 164.377 m3/d為宜。

2.6 水文地質(zhì)類型復(fù)雜程度類型劃分

采區(qū)內(nèi)無地表水體，地表未發(fā)現(xiàn)大的含導(dǎo)水構(gòu)造，含水層含水性差，富水程度弱，且補(bǔ)給條件差，主要以大氣降水補(bǔ)給。施工巷道未發(fā)現(xiàn)大的含導(dǎo)水構(gòu)造，坑內(nèi)涌水量相對較小。各個采區(qū)排水量70 m3/d～230 m3/d。本區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度類型劃分為水文地質(zhì)條件簡單。

2.7 供水及地下水綜合利用

本區(qū)內(nèi)無大的地表水體，溝谷及沖溝季節(jié)性河流，局部沖積坡積層含有孔隙水，各采區(qū)可視具體情況，施工大口徑水井抽取用于生活用水。礦坑內(nèi)水倉儲存水，可滿足生產(chǎn)用水，生活用水也可在區(qū)外礦山影響半徑(降落漏斗)外第四系季節(jié)性河流兩側(cè)施工供水井，為水源地。

3 工程地質(zhì)

3.1 工程地質(zhì)巖組

據(jù)采區(qū)巖性成因、結(jié)構(gòu)特征和物理力學(xué)性質(zhì)分為：第四系松散軟弱類工程地質(zhì)巖組；基巖塊狀巖組。

3.1.1 第四系松散軟弱類工程地質(zhì)巖組

該組分為沖洪積粉質(zhì)粘土、礫石、卵石巖組；坡洪積(殘積層)的粉質(zhì)粘土、粉土、砂礫、礫石組成。

(1) 沖洪積粉質(zhì)粘土、礫石、卵石巖組

該組分布于各采區(qū)內(nèi)外的季節(jié)性河流及兩側(cè)沿岸，為沖洪積層。上部為粉質(zhì)粘土，不連續(xù)，結(jié)構(gòu)松散-稍密狀態(tài)，厚度0.5～1.0 m；下部為礫砂、卵石、礫石層，成分復(fù)雜，粒度差異性大，磨圓度及分選性差，呈干-濕，局部飽和狀態(tài)。據(jù)收集資料，粉質(zhì)粘土抗壓強(qiáng)度10～120 MPa。

(2) 坡(殘)洪積粉質(zhì)粘土

該巖組分布于低山山前沖溝，為坡積堆積物，巖性為粉質(zhì)粘土含礫及碎石(薄層)，厚度0.5～5 m，局部保持原地層結(jié)構(gòu)。

3.1.2 基巖塊狀巖組

該組巖層分布各區(qū)占2/3，主要巖性為太古界建平群小塔子溝組(Arjnx)的中-深變質(zhì)的斜長角閃片麻巖，同時見有脈巖類閃長巖。

(1) 基巖塊狀脈巖巖組

脈巖巖組主要分布于采區(qū)中部的斜長角閃片麻巖中，呈侵入接觸。巖石抗壓強(qiáng)度42.95 MPa，飽和狀態(tài)23.45 MPa，抗剪強(qiáng)度摩擦角45.2°，粘聚力2.71 MPa，軟化系數(shù)0.55，RQD值50%～75%，屬較軟巖類。

(2) 基巖塊狀巖組

該巖組分布各采區(qū)，面積占各采區(qū)的2/3，為礦區(qū)礦體頂?shù)装鍑鷰r。巖性為太古界建平群小塔子溝組(Arjnx)斜長角閃片麻巖。結(jié)構(gòu)面Ⅳ級結(jié)構(gòu)為主，有2～3組，多呈NE20°～60°，NW290°～350°，傾角70°～80°，閉合狀態(tài)，結(jié)構(gòu)體為立方體、長方體，多棱體等。

(3) 分別測試巖石容重、抗壓強(qiáng)度等力學(xué)試驗(yàn)

圍巖片麻巖：飽和抗壓強(qiáng)度101 MPa，密度3.07 g/cm3。

礦石：飽和抗壓強(qiáng)度130.4 MPa，密度3.31 g/cm3。

該巖石及礦石屬堅(jiān)硬巖(礦)石，巖體完整程度為完整-較完整，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅰ～Ⅱ級。

3.2 工程地質(zhì)現(xiàn)狀評價

工作區(qū)工程地質(zhì)劃分為2個工程地質(zhì)巖組：

(1) 第四系松散軟弱類工程地質(zhì)巖組

松散力學(xué)性較低，穩(wěn)定性較差，但該層在礦層上覆較少，局部因露天開采已先期剝離，對采場邊坡的穩(wěn)定性影響不大。

(2) 基巖塊狀巖組

礦床為斜長角閃片麻巖內(nèi)鐵礦，巖石及礦石堅(jiān)硬，頂?shù)装宸€(wěn)定，巖體完整程度為完整-較完整，質(zhì)量等級較高Ⅰ～Ⅱ級。區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡單，以褶皺為主。巖石節(jié)理裂隙不甚發(fā)育，穩(wěn)定性較好。工程地質(zhì)類型屬第三型，堅(jiān)硬半堅(jiān)硬巖層為主的非層狀礦床。

3.3 工程地質(zhì)條件預(yù)測評價

該礦區(qū)的各個采區(qū)都有露天采場，在淺部采坑逐漸加深后，從經(jīng)濟(jì)和安全技術(shù)等因素的影響下逐步轉(zhuǎn)入地下開采。現(xiàn)調(diào)查統(tǒng)計地表采場遺留或正開采，但未發(fā)現(xiàn)塌方等安全事故。礦體于圍巖界限清楚，坑道內(nèi)頂板及兩壁未發(fā)現(xiàn)冒頂片幫現(xiàn)象，水平巷道除少量較破碎地段外，一般不需支護(hù)，但本礦區(qū)個采區(qū)的露天采場易出現(xiàn)以下不穩(wěn)定因素：

(1) 因采場施工人員更迭，采場剝離不徹底，安全平臺安全寬度不夠?qū)挸?，邊坡角和工作邊坡角過大，臺階尺寸過小，不安全。

(2) 露天采場的片幫、冒頂、頂板危石，應(yīng)及時清除，過陡部位應(yīng)進(jìn)行削坡、放坡處理。深部采坑應(yīng)設(shè)水泵排水，坑底不應(yīng)有積水。

(3) 采礦場部位要處理好，頂盤及端幫上的浮石露采時要執(zhí)行采剝并舉，剝離先行，由上而下分臺階開采，嚴(yán)禁掏采，臺階高度按設(shè)計布置。

綜上，本區(qū)屬露天、地下聯(lián)合開采，工程地質(zhì)條件中等。

4 環(huán)境地質(zhì)

4.1 環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)狀評價

由于礦山已開采多年，前期以露天開采為主，現(xiàn)有采坑(采場)多個，規(guī)模不等，形狀各異，對土地和地表植被已造成輕微-中等程度的破壞。對地形地貌景觀上造成凹凸不平，使自然環(huán)境在局部或宏觀上有所改變。邊坡角一般65°～70°，局部近直立。部分采場發(fā)生過掉塊現(xiàn)象，引發(fā)因素：一是采場邊坡比較陡；二是上部巖土體經(jīng)震動節(jié)理裂隙發(fā)育疏松；三是降水。

根據(jù)坑道調(diào)查，井巷穩(wěn)定性較好，目前無冒頂、片幫現(xiàn)象，除局部有破碎的地段需要支護(hù)外一般不需要支護(hù)。

通過多年開采，沒有造成礦區(qū)及周邊地表水體的漏失和主要含水層水位下降。

4.2 礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)預(yù)測評價

礦山各采區(qū)現(xiàn)為露天、地下同時開采，對環(huán)境污染和破壞程度較小。

區(qū)域穩(wěn)定性，本區(qū)及周邊地區(qū)地震設(shè)防烈度按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)劃分礦區(qū)地震烈度為6度，設(shè)防基本地震加速度為0.05 g，設(shè)計地震分組為第二組，場地類別為I0，地震反應(yīng)譜周期為0.25 s。

礦山開采可能誘發(fā)掉塊、冒頂、采空區(qū)地面塌陷、礦井突水等地質(zhì)災(zāi)害。

對環(huán)境有影響的主要因素為:

露天采場剝離的廢石排放場；露天采坑使環(huán)境受到破壞，露天采坑排出的少量廢水；露天采場鑿巖、爆破及運(yùn)輸過程中產(chǎn)生粉塵，污染環(huán)境。

井下采礦造成地表掉塊，影響自然環(huán)境和景觀，廢石場的二次揚(yáng)塵。

就其上述因素，應(yīng)采取以下措施：

排出的廢石土，堆放固定排巖場，待復(fù)墾時用于回填采坑；采坑廢水及雨水及時排出作業(yè)區(qū)，特別是舊采老隆積水要及時疏干；采場及運(yùn)輸?shù)缆芬獮⑺龎m；在坑上及周邊及其上方設(shè)置截洪溝，預(yù)防洪水和泥石流；要因地制宜的實(shí)施復(fù)墾綠化，恢復(fù)生態(tài)環(huán)境。

綜上，本區(qū)環(huán)境地質(zhì)條件屬中等。

5 結(jié)語

(1) 遼西小塔子溝組地層為成礦有利層位，該區(qū)構(gòu)該層位賦存有大量Fe類礦床。

(2) 在該區(qū)表生礦體日益貧乏的時期，小塔子溝組地下開采部分逐漸被人們所重視，在該過程中水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)將在其中發(fā)揮重要作用。

[1] 國家技術(shù)監(jiān)督局.礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范(GB12719-1991)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1991.

[2] 李守義,葉青松.礦產(chǎn)勘察學(xué)[M].地質(zhì)出版社，2003.

[3] 翟裕生,鄧軍,李曉波.區(qū)域成礦學(xué)[M].地質(zhì)出版社，1999.

ANALYSIS OF MINING TECHNICAL CONDITIONS OF AN IRON ORE MINE IN WESTERN LIAONING

ZHANG Zhi-ying，LIU Zhan-mei，ZHU Jia-chuan，WANG Ze-jiao，ZHENG Yu-xin

(No.109 team of Liaoning Nonferrous Metal geological Dureau，Chaoyang 122000，China)

Analysis of Mining area groundwater types and supply, runoff, excretion conditions, through statistic and calculation of pit water gushing amount, hydrogeological characteristics of deposit is determined. Divided mining engineering geological rock group, measured the mechanical properties of the ore body and the roof and floor surrounding rock, made a detailed statistics of roc km ass and orebody structure type, integrity and so on, the engineering geological conditions of mining area were defined. Investigated the environmental geological conditions of mining area, the environmental geological conditions of mining area is determined. Basically found out mining technological conditions of deposit, it fully reflects the significance of hydrogeology, engineering geology and environmental geology in mining.

western Liaoning;iron ore;mining technical conditions; hydrogeology;engineering geology;environmental geology

黃軻(1989- )，男，漢族，工程師，本科學(xué)歷，研究方向：三維GIS應(yīng)用，E-mail：huangke@mapgis.com

1006-4362(2017)02-0093-06

2017-02-17 改回日期： 2017-03-15

TD167

A

張志穎(1985- )，女，遼寧朝陽人，工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)以及相關(guān)方面的工作。 E-mail:503945280@qq.com