周鑫,汪要武,蒲東鴻
(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心江蘇總隊,江蘇 南京 211135)
中國基礎(chǔ)建設(shè)的規(guī)模隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展不斷擴大,水泥的需求也日益增長,水泥用灰?guī)r礦開采規(guī)模也在不斷擴大,水文、工程、環(huán)境等開采技術(shù)條件的變化,對礦山環(huán)境形成了巨大的影響(李揚勝,2019;孟繁和耿諫,2019;藍俊先等,2019)。矽鍋頂水泥灰?guī)r礦位于江蘇省句容市北部,距句容城區(qū)約10 km,礦區(qū)中心坐標(biāo):東經(jīng)119°09′00″;北緯32°04′35″。矽鍋頂水泥灰?guī)r礦屬于露天開采的大型灰?guī)r礦床,自20 世紀(jì)90 年代開始開采,到目前已超過20 年。
矽鍋頂灰?guī)r礦所處寧鎮(zhèn)地區(qū)的水文、工程和環(huán)境地質(zhì)條件前人進行了大量研究,謝金元等(2019)基于降雨量與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系,建立了寧鎮(zhèn)區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測模型;張政(2019)從區(qū)域構(gòu)造運動、氣候與環(huán)境變化等角度對寧鎮(zhèn)地區(qū)古滑坡的滑坡機理和分布規(guī)律進行了論述,并提出了檢測和穩(wěn)定性評價的方法;閻長虹等(2019)針對區(qū)域內(nèi)的山前緩坡新型滑坡地質(zhì)災(zāi)害進行了研究,認(rèn)為特定的地層結(jié)構(gòu)及水文地質(zhì)特性是其產(chǎn)生的主要誘因;郜澤鄭(2020)對區(qū)內(nèi)降雨量與滑坡頻度的相關(guān)關(guān)系進行了分析說明。
矽鍋頂?shù)V區(qū)目前進行的相關(guān)研究較少,姚圣根(2006)對矽鍋頂?shù)V床的巖溶特性進行了系統(tǒng)論述;賈瑩(2017)年基于GIS 對矽鍋頂?shù)V區(qū)的開采噪聲進行了環(huán)境評價。目前礦區(qū)缺少系統(tǒng)的水文、工程和環(huán)境地質(zhì)條件的研究成果,為保證礦山的開采安全及降低對礦區(qū)周邊環(huán)境的影響,該文對江蘇句容市矽鍋頂灰?guī)r礦區(qū)的水文、工程和環(huán)境地質(zhì)條件的現(xiàn)狀進行總結(jié)評價,并對開采所產(chǎn)生的影響進行合理預(yù)測。
矽鍋頂?shù)V區(qū)大地構(gòu)造位置處于揚子準(zhǔn)地臺內(nèi)第五級構(gòu)造單元寧鎮(zhèn)斷凸的北部,其所屬二-四級構(gòu)造單位為:下?lián)P子臺坳(Ⅲ1)、鹽城-臺拱褶帶(Ⅲ1-1)及鎮(zhèn)江-溧水?dāng)嗦。ǎ?。地層區(qū)劃上隸屬華南地層大區(qū)(Ⅶ)—揚子地層區(qū)(Ⅶ4)—下?lián)P子地層分區(qū)()(姚圣根,2006)。
圖1 寧鎮(zhèn)地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡圖(據(jù)陸邦成,2016)
礦區(qū)出露地層以古生界為主,從新至老分布有第四系(Q)、下二疊統(tǒng)棲霞組(P1q)、上石炭統(tǒng)船山組(C3c)、中石炭統(tǒng)黃龍組(C2h)、下石炭統(tǒng)老虎洞組(C1l)、下石炭統(tǒng)和州組(Clh)、下石炭統(tǒng)高驪山組(C1g)、下石炭統(tǒng)金陵組(C1j)、上泥盆統(tǒng)五通組(D3w)、上志留統(tǒng)茅山組砂巖(S3m)、中志留統(tǒng)墳頭組(S2f)等,巖性以海相碳酸鹽巖和陸相交互沉積巖為主。
礦區(qū)位于湯山-侖山背斜中段北翼,其構(gòu)造主要展示為近東西向的次一級舒緩褶皺和斷裂,區(qū)內(nèi)主要褶皺有船山-窯上背斜、矽鍋頂-青石山向斜、天王山-石龍崗背斜;斷裂走向以近南北為主(圖1)。
礦區(qū)內(nèi)巖漿巖不發(fā)育,僅在礦區(qū)西南邊部有零星分布,為燕山晚期中酸性侵入巖。巖性為蝕變石英閃長玢巖(δομ53-2)。在礦區(qū)中南部少量巖脈,巖性為(輝石)閃長玢巖(δμ53-1)。
矽鍋頂水泥灰?guī)r礦床礦層有3 層,分別賦存在中石炭統(tǒng)黃龍組上段(C2h2)、上石炭統(tǒng)船山組(C3c)和下二疊統(tǒng)棲霞組一段(P1q1)中,依次編為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ礦層(圖2),3 個礦層具有獨特的層控特征。
礦床賦存于矽鍋頂-青石山向斜兩翼和核部,3個礦層總體上組成了1 個向斜。采礦證許可范圍內(nèi)礦層厚度大于150 m,產(chǎn)狀穩(wěn)定,礦石質(zhì)量好,走向延伸長達2300 m。
礦區(qū)內(nèi)未采礦體主要分布在130~-40 m。礦區(qū)一般最低排泄面標(biāo)高為70 m。礦山采用露天式開采,礦坑疏干排水,根據(jù)地形可以自然排水,與地表水體水力聯(lián)系很小。根據(jù)礦山提供的地下水動態(tài)觀測資料,礦區(qū)地下水位及泉流量與降雨量關(guān)系密切,礦坑充水的主要來源為大氣降水。
礦山含水巖組可分為碳酸鹽巖裂隙溶洞水-中等富水性巖組、碳酸鹽巖裂隙溶洞水-弱富水性巖組、碎屑巖裂隙水-弱含水巖組。碳酸鹽巖裂隙溶洞水-中等富水性巖組,組成地層及分布范圍與礦層基本一致,巖性以純灰?guī)r為主,裂隙發(fā)育;碳酸鹽巖裂隙溶洞水-弱富水性巖組為礦層底板,巖石致密、節(jié)理裂隙不發(fā)育,巖溶率極低;碎屑巖裂隙水-弱含水巖組巖性主要為石英砂巖,分布于礦層周邊隔水巖組之外圍(圖3)。
圖2 矽鍋頂?shù)V區(qū)11 號勘探線示意圖
圖3 矽鍋頂水泥灰?guī)r礦水文地質(zhì)圖
礦山隔水巖組可分為碎屑巖隔水巖組和巖漿巖隔水巖組。碎屑巖隔水巖組為近鄰礦層周邊的主要隔水巖組,組成巖石主要為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖等,厚度大于150 m;巖漿巖隔水巖組由石英閃長玢巖及閃長玢巖組成,前者分布于礦區(qū)西南部,與碎屑巖隔水巖組呈侵入接觸,由于構(gòu)造作用輕微,節(jié)理不發(fā)育,在一般情況下具良好的隔水性;后者見于礦區(qū)中部斷層帶內(nèi),以巖脈侵入于含水層內(nèi),由于后期構(gòu)造作用微弱,加之侵入擠壓作用,致圍巖構(gòu)造裂隙閉合或充填,構(gòu)成礦區(qū)中部地下水隔水帶,致使地下水等水位線東西不連貫,流向相反。
矽鍋頂?shù)V區(qū)主要含水層地下水原最高水位約為170 m,由于開采影響,目前最高水位經(jīng)水文孔驗證已降至70 m 左右。對礦區(qū)周邊水體調(diào)查顯示,礦區(qū)周圍其他含水層水位基本穩(wěn)定,礦區(qū)周圍主要地表水體(北山、固江口、石龍洞水庫)水位也未發(fā)現(xiàn)明顯下降。
礦區(qū)無涌水,周圍主要地表水體未漏失,未影響到礦區(qū)及周圍生產(chǎn)生活用水,礦山開采對礦區(qū)水文地質(zhì)條件的影響程度較輕。
礦區(qū)采坑的涌水水量可以采用實測和理論計算(虎維岳,2005;從山,2008;張化吉,2020)。根據(jù)充水含水層(礦層)水平及垂直富水性的差異,結(jié)合地下水位變幅標(biāo)高及采坑自然排水條件,將礦體開采分為3 個中段,地表至70 m 為上段,70~0 m 為中段,0~-40 m 為下段,以不同的水文地質(zhì)參數(shù)分別計算采坑涌水量。
上段(70 m 以上)為封閉型匯水盆地,底板標(biāo)高高于最低水位變幅帶,地下水補給主要靠大氣降水,無側(cè)向地下徑流補給,故以封閉盆地型計算礦坑涌水量,礦坑水由自然坡面向下游排泄。中、下段標(biāo)高遠在采坑封閉圈之下,除降水補給外,且有東側(cè)覆蓋型巖溶水反向補給,故采坑涌水量除降水量外增加礦體靜儲量及側(cè)向徑流量,以半封閉盆地型計算涌水量較為可靠(沈繼方等,1992;寧立波等,2010;董萬平等,2018),礦坑涌水量可由式(1)(王文才等,2017;楚敬龍等,2019)決定:
通過估算獲得礦區(qū)上段、中段和下段涌水量數(shù)據(jù)(表1)。
表1 礦坑涌水量預(yù)算表
礦山采用地下水供全礦生活、消防使用,水井位于石龍洞水庫南側(cè)。同時用水泵抽取北山水庫的水供澆灑道路使用。礦山周邊的居民地用水主要為自來水,自來水來源為長江和北山水庫。因此,預(yù)測短期內(nèi)礦山開采對礦區(qū)及周圍生活生產(chǎn)供水沒有影響。
根據(jù)礦區(qū)采場目前生產(chǎn)情況看,充水主要來自大氣降水,雨季降水集中,瞬間降雨量大,降水時能通過礦山防洪溝排出。
(1)礦體及圍巖穩(wěn)固性評價
礦區(qū)內(nèi)含礦層位由石炭系上統(tǒng)黃龍組上段、船山組和二疊系下統(tǒng)棲霞組一段灰?guī)r組成,均為厚層狀灰?guī)r,呈層狀產(chǎn)出,礦層走向近東西,呈向斜形態(tài)產(chǎn)出,傾向西緩東陡,傾角從33°~60°左右,礦石致密較堅硬,其抗壓強度平均值在96.56 MPa。巖石力學(xué)性質(zhì)屬硬—堅硬巖石,礦山開采過程中發(fā)現(xiàn)其穩(wěn)定性較好。
礦層的圍巖根據(jù)其工程力學(xué)性質(zhì)可以劃分為6個工程地質(zhì)巖組,基本分布情況如下。
Ⅰ第四系松散粘性土巖組分布于矽鍋頂西部和青石山兩側(cè)山谷及洼地中。
Ⅱ石炭系下統(tǒng)和州組—中統(tǒng)黃龍組下段堅硬—半堅硬塊狀碳酸鹽巖巖組分布于青石山向斜翼部、礦層外側(cè),是礦層的直接底板。巖體完整性中等。
Ⅲ泥盆系上統(tǒng)五通組上段—石炭系下統(tǒng)高驪山組軟弱薄層泥頁巖夾堅硬—半堅硬層狀砂巖、碳酸鹽巖巖組分布于青石山向斜翼部,是礦層的間接底板。巖體完整性差,工程地質(zhì)性能不良。
Ⅳ泥盆系上統(tǒng)五通組下段—中段堅硬塊狀—層狀砂巖巖組分布于礦區(qū)南部和北部。該巖組巖石強度很高,巖體較為完整,多分布于山頂、山脊等部位,工程地質(zhì)性能良好。
Ⅴ志留系中統(tǒng)墳頭組—上統(tǒng)茅山組軟弱薄層泥巖夾半堅硬層狀砂巖巖組分布于礦區(qū)南部邊緣和天王山西坡。
Ⅵ堅硬塊狀閃長玢巖巖組分布于固江口水庫東側(cè)和矽鍋頂中部斷層帶中。
(2)地質(zhì)災(zāi)害隱患評價
礦山礦層為向斜構(gòu)造,礦層南北兩側(cè)巖層傾向與坡向相同,礦山南北兩側(cè)邊坡為順層邊坡。礦區(qū)北西段邊坡整體穩(wěn)定,局部坡段巖體受層面、節(jié)理面切割發(fā)生楔形體滑動形成小規(guī)模崩塌,崩塌體積小于10 m3;西側(cè)邊坡整體穩(wěn)定,局部坡段邊坡坡面存在浮石、孤石,邊坡坡腳存在坡面浮石掉塊、落石堆積的碎石;北側(cè)邊坡2014 年6 月終采邊坡巖體出現(xiàn)大面積開裂,整體出現(xiàn)傾覆跡象,存在滑坡的危險;東側(cè)邊坡整體穩(wěn)定,局部坡段邊坡坡面存在浮石、孤石,邊坡坡腳存在坡面浮石掉塊、落石堆積的碎石(圖4)。
礦區(qū)南側(cè)、北側(cè)邊坡為順向坡,斷層及破碎帶附近巖體破碎,邊坡坡面留有浮石,存在崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害隱患。
影響邊坡穩(wěn)定的主要因素是構(gòu)造、地貌、巖溶和地下水活動(蔡美峰等,2012;趙春波等2019;劉占宇等,2019;曹君第,2020),這幾個因素又常常是疊加在一起,造成矽鍋頂?shù)V區(qū)邊坡工程地質(zhì)條件的惡化。
構(gòu)造因素是主導(dǎo)因素,斷層帶、節(jié)理密集帶、劈理帶導(dǎo)致巖石破碎,降低巖體強度,有利于風(fēng)化剝蝕(林啟飛,2019)。地貌上,這些構(gòu)造部位常發(fā)育成負地形(山谷、沖溝)。這種構(gòu)造、地貌條件有利于大氣降水的匯集和入滲,礦區(qū)內(nèi)礦體底板多分布在山谷洼地(尤其是青石山兩側(cè)),因此降水匯集入滲有利于巖溶發(fā)育和下伏泥頁巖軟弱層的軟化、泥化。巖溶發(fā)育使得裂隙寬度擴大,巖塊分離,甚至形成大溶洞。
地下水活動對邊坡穩(wěn)定的影響應(yīng)引起高度重視(張瑞剛,2018;孫超和楊凱,2020;丁戈媛和胡新麗,2020),對大氣降水地表截流是較容易做到的,但沖溝是山坡巖體風(fēng)化裂隙水的匯聚徑流地帶(有時溝底風(fēng)化帶裂隙水溢出成泉),這些地段形成露采邊坡后,特別是雨季,大氣降水對地下水補給充沛,地下水活動加強,地下水滲入底板下臥軟弱層,致其軟化、泥化,加之礦山開采爆破震動后邊坡巖體松動,強度降低,軟弱結(jié)構(gòu)面抗滑能力減弱,當(dāng)上述邊界條件不利時,很易誘發(fā)邊坡滑坡崩落等。
通過上述因素的分析,對矽鍋頂露天采場邊坡處在斷層帶、節(jié)理密集發(fā)育帶、沖溝、巖溶強發(fā)育及風(fēng)化裂隙水活動的地段,尤其是幾個因素疊加的地段,邊坡穩(wěn)定性差,易產(chǎn)生滑塌現(xiàn)象。另外,在斷層錯開部位,由斷層帶及軟巖組成的切向坡,穩(wěn)定性差。受斷層切割、影響的邊坡段,大多伴有沖溝、巖溶及風(fēng)化裂隙水活動的疊加影響,是礦區(qū)穩(wěn)定條件最差的邊坡段,尤其是8 線以東,開采過程中應(yīng)加強觀察和監(jiān)測,以防滑坡現(xiàn)象發(fā)生,出現(xiàn)問題及時進行治理。
矽鍋頂?shù)V區(qū)5 a 內(nèi)仍處于山坡開采階段,山坡開采有利于自然排水,礦區(qū)涌水可以順利外排,對區(qū)域地下水徑流、補給、排泄的影響與破壞較小,也不會形成地下漏斗。同時礦區(qū)周邊的北山、固江口水庫受隔水層阻隔,不受礦山開采的影響;而石龍洞水庫目前的水位在58 m 以下,受開采影響較小。
礦區(qū)范圍內(nèi)山體在自然條件下處于穩(wěn)定狀態(tài),開采過程中會改變礦區(qū)的地形地貌、巖土體中的力學(xué)平衡狀態(tài)和邊坡穩(wěn)定性,可能會形成崩塌及小規(guī)模的塌方,在開采過程中要注意采取防范措施。
圖4 邊坡現(xiàn)狀
礦區(qū)遠離城市及集鎮(zhèn),附近無自然保護區(qū)、人文景觀、風(fēng)景旅游區(qū),且位于主要交通干線可視范圍以外。受礦山開采影響中部地表植被不復(fù)存在,開采宕口范圍內(nèi)對原生地形地貌景觀影響和破壞程度嚴(yán)重。在未來的開采過程中露天采場開采形成更大的采礦宕口,對地形地貌景觀的影響程度將更大;同時新建道路將在一定程度上破壞原始地形。
水泥用石灰石是礦山的主要開采對象,不含有毒有害物質(zhì);爆破、機械破碎是礦山開采的主要方式,開采過程中沒有化學(xué)物品流入到地下水中造成水土污染。未來開采過程中,采礦機械、車輛產(chǎn)生的噪聲以及礦石破碎時產(chǎn)生的粉塵是礦區(qū)主要的污染物。由于礦區(qū)距離村莊較遠,且破碎時也采取了灑水降塵,開采活動對礦區(qū)土壤和環(huán)境的影響和破壞程度小。
矽鍋頂水泥用灰?guī)r礦區(qū)所在的鎮(zhèn)江市位于揚州-銅陵地震帶東段,歷史上震級大于4 級的地震有11 次,最大震級5 級。根據(jù)國家《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)及《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2015),矽鍋頂水泥灰?guī)r礦區(qū)位于地震動峰值加速度0.1 g 區(qū)內(nèi),對應(yīng)抗震設(shè)防烈度Ⅶ度。
總體而言,矽鍋頂水泥灰?guī)r礦區(qū)及附近未發(fā)現(xiàn)明顯新構(gòu)造運動跡象,區(qū)域地殼穩(wěn)定性較好。
礦山以開采石灰石為主,礦石不含有毒有害物質(zhì),礦山開采的方式主要為爆破、機械破碎,沒有化學(xué)物品流入到地下水中造成水土污染?,F(xiàn)場調(diào)查顯示礦山周邊除分布一些遺留小宕口外,1000 m 范圍內(nèi)無其他在采礦山,礦區(qū)周邊無主要交通干線、水利工程、村莊及其他各類建筑物。目前礦體開采產(chǎn)生的污染主要為機械、車輛使用產(chǎn)生的噪聲以及礦石破碎時產(chǎn)生的粉塵。由于礦區(qū)距離村莊較遠,且破碎和車輛運輸時也采取了灑水降塵。因此,目前條件下礦山開采活動對礦區(qū)土壤和環(huán)境的影響和破壞程度小。
礦山開采對地形地貌造成了破壞,使原有的有林地變?yōu)椴傻V用地,同時對地表的植被造成損毀,形成裸巖地貌景觀,面積約1.04 km2。礦山對南北兩側(cè)邊坡進行了治理和綠化,成效顯著。
(1)矽鍋頂?shù)V區(qū)目前采礦范圍位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以上,地形有利于自然排水;采礦范圍為矽鍋頂-青石山向斜構(gòu)造,礦層為礦區(qū)主要含水層組,其南、西、北三面皆為隔水巖組分布,東部至礦區(qū)外圍含水巖組隱伏于白堊系楊沖組(K1y)砂泥巖隔水巖組之下,形成覆蓋型的裂隙溶隙水,整體為一封閉-半封閉的盆地;礦區(qū)與地表水體聯(lián)系較少,根據(jù)礦山提供的地下水動態(tài)觀測資料,礦區(qū)地下水位及泉流量與降雨量關(guān)系密切,目前礦坑充水的主要來源為大氣降水;礦床開采對水體基本無污染,綜上確定礦區(qū)認(rèn)為礦區(qū)水文地質(zhì)條件為中等類型。
根據(jù)對礦區(qū)未來水文地質(zhì)條件的預(yù)測顯示,當(dāng)進入中段及下段開采后,有必要于70 m 標(biāo)高底部修建環(huán)形排水系統(tǒng),以攔截大氣降水匯入,同時采用機械抽排礦坑積水。
(2)矽鍋頂?shù)V區(qū)含礦層巖石力學(xué)性質(zhì)屬硬—堅硬巖石,礦山開采過程中發(fā)現(xiàn)其穩(wěn)定性較好,礦體圍巖多為堅硬、半堅硬巖組,局部夾軟弱夾層;采場邊坡多為順向坡,局部有切向坡存在,局部坡角臨空地段,地下水的長期滲透或坡體增荷后,有輕微滑坡及崩落現(xiàn)象。綜上確定礦區(qū)工程地質(zhì)條件為中等類型。
根據(jù)對礦區(qū)工程地質(zhì)條件的預(yù)測顯示,露天采場邊坡處在斷層帶、節(jié)理密集發(fā)育帶、沖溝、巖溶強發(fā)育及風(fēng)化裂隙水活動的地段,尤其是幾個因素疊加的地段,邊坡穩(wěn)定性差,易產(chǎn)生滑塌現(xiàn)象。建議開采注意邊坡穩(wěn)固性,采用留存安全礦柱、建立邊坡防護帶等增強邊坡穩(wěn)固性防護措施。
(3)礦區(qū)及附近未發(fā)現(xiàn)明顯新構(gòu)造運動跡象,區(qū)域地殼穩(wěn)定性較好;礦山以開采石灰石為主,礦石不含有毒有害物質(zhì),礦山開采的方式主要為爆破、機械破碎,沒有化學(xué)物品流入到地下水中造成水土污染;礦山開采會對山體穩(wěn)定性造成影響,同時對地表植被造成一定破壞,綜上確定礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)條件為中等類型。
根據(jù)對礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)條件的預(yù)測顯示,礦區(qū)的開采活動會對周邊環(huán)境造成一定影響,后期開發(fā)利用過程中要采用必要的保護措施,加強對生態(tài)環(huán)境的保護。
(1)矽鍋頂水泥灰?guī)r礦是大型灰?guī)r礦床,可利用灰?guī)r礦石量在2 億t 以上,礦山的開發(fā)利用給句容當(dāng)?shù)貛砹丝捎^的經(jīng)濟效益,對其開采技術(shù)條件的研究有利于安全、環(huán)保、高效的利用礦產(chǎn)資源。
(2)矽鍋頂?shù)V區(qū)穩(wěn)定水位在70 m,礦區(qū)地下水與地表水體聯(lián)系較少,礦坑涌水以大氣降水為主;自然排水符合礦區(qū)現(xiàn)狀。
(3)矽鍋頂?shù)V區(qū)礦石致密較堅硬,開采過程中穩(wěn)定較好;圍巖軟弱層、構(gòu)造集中帶存在一定的安全隱患;礦區(qū)采用削坡、護坡及增加植被的治理手段成果顯著。
(4)矽鍋頂?shù)V區(qū)所在區(qū)域地殼穩(wěn)定性較好,生產(chǎn)過程中噪聲、粉塵是主要污染物,礦山開采活動對礦區(qū)土壤和環(huán)境的影響和破壞程度?。粚K采邊坡要及時進行治理和復(fù)綠。
(5)根據(jù)以上分析,認(rèn)為礦區(qū)水文地質(zhì)條件為中等類型,工程地質(zhì)條件為中等類型,環(huán)境地質(zhì)條件屬中等類型。礦床開采技術(shù)條件復(fù)雜程度綜合類型為Ⅱ類。
致謝本文野外調(diào)查工作受到句容臺泥水泥有限公司相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)人員的大力支持和幫助,在此一并感謝。