牟京東
(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第六地質(zhì)大隊(duì),山東 威海 264209)
礦山采礦活動(dòng)是資源開(kāi)發(fā)利用的基礎(chǔ),其采礦工程設(shè)計(jì)的可執(zhí)行性至關(guān)重要,不僅是減少資源浪費(fèi)的前提,而且是確保施工安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。采礦工程設(shè)計(jì)中對(duì)水文地質(zhì)調(diào)查、工程地質(zhì)條件調(diào)查的要求較高,是一切采礦設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)依據(jù)[1]。礦山工程地質(zhì)條件受水文地質(zhì)條件的變化而變化,如原來(lái)充水的巖石在補(bǔ)充水條件下起物理力學(xué)性能產(chǎn)生變化,進(jìn)而影響采礦工程的安全性。因此,在礦山采礦工程設(shè)計(jì)過(guò)程中加強(qiáng)水文地質(zhì)調(diào)查至關(guān)重要。鑒于此,本文結(jié)合某金屬礦山水文地質(zhì)調(diào)查,分析其在采礦工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。
1.1.1 砂碎石富水性
礦區(qū)第四系較發(fā)育,以砂質(zhì)碎石為主,磨圓度和分選性較差,在礦區(qū)的分選性也極為不均勻,地下水主要賦存在低洼區(qū)域的第四系中,大多數(shù)第四系地層內(nèi)干燥無(wú)水。根據(jù)礦山抽水試驗(yàn)可知,礦區(qū)內(nèi)低洼區(qū)域富含地下水區(qū)域的涌水量為7.67m3/d,其涌水量小于10m3/d,屬于弱富水性含水層。
1.1.2 花崗巖—閃長(zhǎng)巖富水性
根據(jù)礦區(qū)已有的鉆孔資料等信息顯示:礦區(qū)閃長(zhǎng)巖較發(fā)育,巖石較破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育,且與風(fēng)化程度、埋藏深度以及后期構(gòu)造活動(dòng)等密切相關(guān)。根據(jù)礦區(qū)已有的簡(jiǎn)易水文觀測(cè)資料可知,在鉆孔施工過(guò)程中沖洗液的消耗量正常,說(shuō)明鉆施工探屬于正常鉆進(jìn)消耗,即鉆孔在鉆進(jìn)過(guò)程中未見(jiàn)大量漏漿地段,經(jīng)過(guò)計(jì)算,閃長(zhǎng)巖裂隙中的最大涌水量小于10m3/d,為弱富水性的基巖裂隙含水層。
礦區(qū)花崗巖地表出露狀況良好,可見(jiàn)張性斷裂帶,并發(fā)育三組張節(jié)理,根據(jù)鉆孔簡(jiǎn)易水文地質(zhì)觀測(cè)數(shù)據(jù)可知,在鉆進(jìn)過(guò)程中未出現(xiàn)大量漏漿地段,花崗巖裂隙中的最大涌水量小于10m3/d,為弱富水性的基巖裂隙含水層。
1.1.3 輝長(zhǎng)巖富水性
礦區(qū)內(nèi)的輝長(zhǎng)巖出露范圍較小,以小丘狀出露,且大部分區(qū)域被第四系松散沉積物覆蓋。同時(shí),由于輝長(zhǎng)巖規(guī)模小,且位于地淺表,風(fēng)化強(qiáng)烈,導(dǎo)致巖石破碎,裂隙發(fā)育。此外,輝長(zhǎng)巖為礦區(qū)主要的含礦母巖,金屬礦物主要以星點(diǎn)狀產(chǎn)出,局部以稀疏浸染狀和集合體狀產(chǎn)出[2]。輝長(zhǎng)巖中發(fā)育三組裂隙,裂隙間距一般小于10cm。根據(jù)對(duì)該層的提水試驗(yàn)可知:輝長(zhǎng)巖中的裂隙涌水量小于<10m3/d,為弱富水性的基巖裂隙含水層。
1.1.4 構(gòu)造破碎巖組富水性
礦區(qū)構(gòu)造極為發(fā)育,為礦區(qū)主要的富水構(gòu)造。構(gòu)造破碎巖組的富水性與構(gòu)造應(yīng)力的強(qiáng)弱關(guān)系密切。根據(jù)探礦工程揭露,鉆孔中的巖芯極為破碎,可見(jiàn)較多的泥狀巖芯,說(shuō)明深部構(gòu)造發(fā)育。同時(shí),在礦區(qū)地表可見(jiàn)一條呈北西—南東向展布的斷裂破碎帶,長(zhǎng)約0.5km。礦區(qū)發(fā)育的構(gòu)造裂隙,為深部潛水的賦存提供了空間,故該巖組的儲(chǔ)水能力極強(qiáng),是礦區(qū)主要的含水構(gòu)造。但是,由于礦區(qū)上部以完整的花崗巖及輝長(zhǎng)巖為主,該層的透水性較差,阻礙了地表水體的下滲,即使得構(gòu)造破碎巖組的補(bǔ)給條件降低,導(dǎo)致該組的含水性較差。根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn),該含水層的涌水量小于<10m3/d,屬于弱含水層。
1.1.5 碎屑巖類裂隙孔隙富水性
礦區(qū)碎屑巖類較為發(fā)育,以褐紅色砂礫巖和棕黃色砂礫巖為主,其中前者組成了礦體的底板巖層,其富水性的強(qiáng)弱對(duì)礦體的開(kāi)采具有重要影響。由于砂礫巖一般具有較大的孔隙度,導(dǎo)致砂礫巖一般具有良好的儲(chǔ)水性能,且為地下水的流通提供了便利。礦區(qū)內(nèi)出露的碎屑巖主要分布在礦區(qū)南部,呈低矮丘陵?duì)?,表層風(fēng)化嚴(yán)重。其所含地下水主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水,主要排泄方式為蒸散發(fā)。礦區(qū)內(nèi)沒(méi)有鉆孔控制碎屑巖組。根據(jù)礦區(qū)以及鄰近礦區(qū)抽水試驗(yàn)等,碎屑巖類含水層中的單井水量為26.18m3/d~58.75m3/d,屬于富水性較弱的含水層組。
大氣降水是礦區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源,補(bǔ)給方式以徑流的形式為主。礦區(qū)地表徑流為自南西向北東,水力坡度約為0.5%。少量地表水通過(guò)第四系砂碎石巖組下滲補(bǔ)給深部水體。但是,該礦體的埋深較深,多位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下,故礦區(qū)不利于地表水的排泄[3]。
礦區(qū)北部為一地形陡峭的山峰,主要由花崗巖、片麻巖等組成,構(gòu)成了礦區(qū)北部的地表分水嶺,也是礦區(qū)北部區(qū)域的阻水邊界;礦區(qū)南側(cè)的巖石主要為砂礫巖,構(gòu)成了礦區(qū)南側(cè)的分水嶺,即為礦區(qū)南側(cè)的阻水邊界;礦區(qū)西側(cè)以丘陵地貌為主,局部區(qū)域存在分水嶺,使得礦區(qū)外部的小部分地表水從南側(cè)通過(guò)地表流入礦區(qū)??傮w上,礦區(qū)地勢(shì)具有北東低,南西高的特征,礦區(qū)及周邊的地形坡度約為0.5%,地表地形特征有利于地表水的排泄。
此外,礦區(qū)內(nèi)的礦體總體上呈北東—南東向展布,與溝谷及地層走向基本一致,且礦區(qū)較平坦,以串珠狀低矮山丘為主。地表發(fā)育有網(wǎng)狀第四系沖溝,溝谷走向290°,在礦區(qū)內(nèi)延伸長(zhǎng)度約4000m。
礦井涌水量不僅是對(duì)礦區(qū)建設(shè)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、合理開(kāi)發(fā)利用的重要指標(biāo),更是礦區(qū)生產(chǎn)設(shè)計(jì)部門制定采掘方案、確定礦井排水能力和制定疏干措施的主要依據(jù)。
礦區(qū)地表第四系發(fā)育,主要為砂土及碎石覆蓋區(qū),地表的透水能力較強(qiáng),但儲(chǔ)水能力較差,形成了透水不含水層。因此,大氣降水是補(bǔ)給基巖裂隙水及構(gòu)造破碎帶含水層的主要途徑,且礦體主要位于補(bǔ)給區(qū)下方,以垂直補(bǔ)給為主。又由于勘察鉆孔富水性弱,僅為滴水狀、滲水狀匯集,相應(yīng)地試驗(yàn)效果也較差。
上述特征說(shuō)明,該礦區(qū)難于使用解析法等預(yù)測(cè)礦坑涌水量,適用于非滲流模型水均衡方程進(jìn)行預(yù)測(cè)。
該礦區(qū)開(kāi)采條件下的水均衡關(guān)系極為簡(jiǎn)單,以礦體為中心,確定均衡區(qū)面積2570000m2;均衡期選取6~8月,這三個(gè)月降雨集中,大氣降雨可形成有效補(bǔ)給,其余月份降雨稀少,不能形成有效補(bǔ)給;6~8月降雨量占全年降雨量的80%為52.88mm(20%形成地表徑流),則雨季礦坑最大涌水量可用下式表示:
公式中:F-均衡區(qū)面積,2570000m2;X-峰期有效降雨量,0.05288m;f-降雨入滲系數(shù);0.1,無(wú)量綱;T-與降雨入滲有關(guān)的時(shí)間,30d。
經(jīng)過(guò)計(jì)算獲得礦區(qū)最大涌水量(表1),與礦區(qū)周邊以往勘察資料及北山類似礦區(qū)比較,屬正常偏大基巖裂隙涌水量。
對(duì)于礦區(qū)可能出現(xiàn)的極端降水情況也必須予以考慮,此時(shí)將形成礦坑最大涌水量。經(jīng)查算140.1mm降水量出現(xiàn)的頻率為10%,其涌水量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。即礦坑最大涌水量為1200m3/d。
表2 礦坑最大涌水量計(jì)算表
綜上所述,該礦體位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下,礦區(qū)無(wú)常年性地表水體,礦床主要充水含水層為輝長(zhǎng)巖和花崗巖,富水性弱,地下水補(bǔ)給條件差,大氣降雨與礦區(qū)地下水聯(lián)系較為密切,礦體頂板有厚度不等的第四系松散層覆蓋,水文地質(zhì)邊界清楚;礦區(qū)水文地質(zhì)類型為裂隙充水的水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單礦床。
根據(jù)礦區(qū)采場(chǎng)圍巖地質(zhì)特征,對(duì)花崗巖、輝長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖等結(jié)合富水性特征進(jìn)行了穩(wěn)固性評(píng)價(jià),同時(shí)指出不穩(wěn)定因素,可能產(chǎn)生的水文地質(zhì)及工程地質(zhì)問(wèn)題及其部位,提出規(guī)避措施建議。
采礦工程中井巷及采場(chǎng)的穩(wěn)定性問(wèn)題,一直是生產(chǎn)部門關(guān)心的問(wèn)題,由于采礦開(kāi)挖不是一次完成的,而是多步驟多期次的,開(kāi)挖行為本身會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生破壞,造成地應(yīng)力集中,是一個(gè)動(dòng)態(tài)的長(zhǎng)期的過(guò)程,因此,井巷及采場(chǎng)穩(wěn)定性問(wèn)題也是一個(gè)伴隨采礦長(zhǎng)期存在的,它的發(fā)生、發(fā)展及變化趨勢(shì)研究也不是一次完成的。故在工程實(shí)施階段,應(yīng)采用TSP探測(cè)系統(tǒng)、超前水平鉆探、監(jiān)控測(cè)量等方法進(jìn)行準(zhǔn)確的定量分類,對(duì)前階段圍巖級(jí)別進(jìn)行復(fù)核、調(diào)整,同時(shí)加強(qiáng)放礦管理[2-3]。同時(shí),加強(qiáng)地下水水位變化的監(jiān)測(cè),防止突水、涌水等事故的發(fā)生。
綜上所述,水文地質(zhì)調(diào)查在礦山采礦工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用至關(guān)重要,是預(yù)測(cè)礦坑用水量的基礎(chǔ),也是分析工程地質(zhì)條件的前提。本文根據(jù)某礦山水文地質(zhì)特征,認(rèn)為礦山在極端降水條件下最大的礦坑涌水量是1200m3/d,屬于正常偏大的基巖裂隙涌水,故在礦坑采礦工程設(shè)計(jì)中應(yīng)采用排水措施將基巖裂隙水導(dǎo)出礦坑,才能夠確保采礦活動(dòng)的順利進(jìn)行。