牟京東
(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第六地質(zhì)大隊,山東 威海 264209)
礦山采礦活動是資源開發(fā)利用的基礎(chǔ),其采礦工程設計的可執(zhí)行性至關(guān)重要,不僅是減少資源浪費的前提,而且是確保施工安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。采礦工程設計中對水文地質(zhì)調(diào)查、工程地質(zhì)條件調(diào)查的要求較高,是一切采礦設計的基礎(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,如原來充水的巖石在補充水條件下起物理力學性能產(chǎn)生變化,進而影響采礦工程的安全性。因此,在礦山采礦工程設計過程中加強水文地質(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計中的應用。
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)干燥無水。根據(jù)礦山抽水試驗可知,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)閃長巖較發(fā)育,巖石較破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育,且與風化程度、埋藏深度以及后期構(gòu)造活動等密切相關(guān)。根據(jù)礦區(qū)已有的簡易水文觀測資料可知,在鉆孔施工過程中沖洗液的消耗量正常,說明鉆施工探屬于正常鉆進消耗,即鉆孔在鉆進過程中未見大量漏漿地段,經(jīng)過計算,閃長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,可見張性斷裂帶,并發(fā)育三組張節(jié)理,根據(jù)鉆孔簡易水文地質(zhì)觀測數(shù)據(jù)可知,在鉆進過程中未出現(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 輝長巖富水性
礦區(qū)內(nèi)的輝長巖出露范圍較小,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,由于輝長巖規(guī)模小,且位于地淺表,風化強烈,導致巖石破碎,裂隙發(fā)育。此外,輝長巖為礦區(qū)主要的含礦母巖,金屬礦物主要以星點狀產(chǎn)出,局部以稀疏浸染狀和集合體狀產(chǎn)出[2]。輝長巖中發(fā)育三組裂隙,裂隙間距一般小于10cm。根據(jù)對該層的提水試驗可知:輝長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)造應力的強弱關(guān)系密切。根據(jù)探礦工程揭露,鉆孔中的巖芯極為破碎,可見較多的泥狀巖芯,說明深部構(gòu)造發(fā)育。同時,在礦區(qū)地表可見一條呈北西—南東向展布的斷裂破碎帶,長約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,故該巖組的儲水能力極強,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)造破碎巖組的補給條件降低,導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,其富水性的強弱對礦體的開采具有重要影響。由于砂礫巖一般具有較大的孔隙度,導致砂礫巖一般具有良好的儲水性能,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,呈低矮丘陵狀,表層風化嚴重。其所含地下水主要補給來源為大氣降水,主要排泄方式為蒸散發(fā)。礦區(qū)內(nèi)沒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)地下水的主要補給來源,補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%。少量地表水通過第四系砂碎石巖組下滲補給深部水體。但是,該礦體的埋深較深,多位于當?shù)厍治g基準面以下,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)通過地表流入礦區(qū)??傮w上,礦區(qū)地勢具有北東低,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)延伸長度約4000m。
礦井涌水量不僅是對礦區(qū)建設進行技術(shù)經(jīng)濟評價、合理開發(fā)利用的重要指標,更是礦區(qū)生產(chǎn)設計部門制定采掘方案、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,但儲水能力較差,形成了透水不含水層。因此,大氣降水是補給基巖裂隙水及構(gòu)造破碎帶含水層的主要途徑,且礦體主要位于補給區(qū)下方,以垂直補給為主。又由于勘察鉆孔富水性弱,僅為滴水狀、滲水狀匯集,相應地試驗效果也較差。
上述特征說明,該礦區(qū)難于使用解析法等預測礦坑涌水量,適用于非滲流模型水均衡方程進行預測。
該礦區(qū)開采條件下的水均衡關(guān)系極為簡單,以礦體為中心,確定均衡區(qū)面積2570000m2;均衡期選取6~8月,這三個月降雨集中,大氣降雨可形成有效補給,其余月份降雨稀少,不能形成有效補給;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,無量綱;T-與降雨入滲有關(guān)的時間,30d。
經(jīng)過計算獲得礦區(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%,其涌水量計算結(jié)果見表2。即礦坑最大涌水量為1200m3/d。
表2 礦坑最大涌水量計算表
綜上所述,該礦體位于當?shù)厍治g基準面以下,礦區(qū)無常年性地表水體,礦床主要充水含水層為輝長巖和花崗巖,富水性弱,地下水補給條件差,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)條件簡單礦床。
根據(jù)礦區(qū)采場圍巖地質(zhì)特征,對花崗巖、輝長巖、閃長巖等結(jié)合富水性特征進行了穩(wěn)固性評價,同時指出不穩(wěn)定因素,可能產(chǎn)生的水文地質(zhì)及工程地質(zhì)問題及其部位,提出規(guī)避措施建議。
采礦工程中井巷及采場的穩(wěn)定性問題,一直是生產(chǎn)部門關(guān)心的問題,由于采礦開挖不是一次完成的,而是多步驟多期次的,開挖行為本身會對地層產(chǎn)生破壞,造成地應力集中,是一個動態(tài)的長期的過程,因此,井巷及采場穩(wěn)定性問題也是一個伴隨采礦長期存在的,它的發(fā)生、發(fā)展及變化趨勢研究也不是一次完成的。故在工程實施階段,應采用TSP探測系統(tǒng)、超前水平鉆探、監(jiān)控測量等方法進行準確的定量分類,對前階段圍巖級別進行復核、調(diào)整,同時加強放礦管理[2-3]。同時,加強地下水水位變化的監(jiān)測,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計中的應用至關(guān)重要,是預測礦坑用水量的基礎(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計中應采用排水措施將基巖裂隙水導出礦坑,才能夠確保采礦活動的順利進行。