許漢華 何 訓(xùn) 眭素剛 聶 聞 王光進

（1.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計研究院有限公司；2.云南省巖土工程與地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；4.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院）

巖溶一般指石灰?guī)r、白云巖、巖鹽、石膏等可溶性巖石在一定的地質(zhì)環(huán)境下被水溶解，并可能在其它特定的地質(zhì)環(huán)境中從水中結(jié)晶析出，這個過程主要是化學(xué)溶蝕作用，其間也伴隨了物理作用而形成裂隙、溝槽、洞穴，產(chǎn)生石鐘、石乳等地質(zhì)現(xiàn)象［1］。巖溶一般形態(tài)較為復(fù)雜，具有較強的掩蔽性，巖溶發(fā)育的地層一般滲透性強，完整性和均勻性都很差。巖溶有多種地貌形態(tài)，主要有巖溶洼地、落水洞、溶隙、溶槽、溶洞及地下暗河等，在各種巖溶形態(tài)中，封閉的或半封閉的巖溶洼地是金屬礦山建設(shè)中理想的尾礦庫場地。尾礦庫是指筑壩攔截谷口或圍地構(gòu)成的，用以堆存金屬或非金屬礦山進行礦石選別后排出尾礦或其他工業(yè)廢渣的場所，是一個具有高勢能的人造泥石流危險源，存在潰壩危險，一旦失事容易造成重特大事故。據(jù)尾礦庫所處地形地貌，分為傍山型、山谷型、平地型、河谷型及谷地型尾礦庫［2］。巖溶與工程建設(shè)的關(guān)系十分密切，尾礦廢液、廢渣具有較大毒性，是一個危害性大的污染源［3］。尾礦庫不僅要儲存尾礦，必要時還要求回水，而巖溶洼地中分布眾多的巖溶裂隙、落水洞、漏斗等是滲漏排泄的通道，尤其是溶洞，在尾礦庫投產(chǎn)后，可能發(fā)生突然的塌陷，流失大量的水和尾礦，不僅影響生產(chǎn)，還因尾礦中所含有害物質(zhì)滲入地下，污染地下水源，危害人蓄飲用及農(nóng)田。因此在巖溶地區(qū)修建尾礦庫，必須進行周密的勘察和防治措施。

本研究首先對研究區(qū)的區(qū)域地質(zhì)概況進行介紹，分別從巖性、構(gòu)造2個角度詳細闡述研究區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律，最后總結(jié)巖溶區(qū)尾礦庫的防治措施及建議。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

個舊礦區(qū)位于紅河與南盤江的分水嶺地段，是巖溶發(fā)育地區(qū)。研究區(qū)地形標高1 300~2 700 m，兩河的河谷標高為200~1 000 m，為該地區(qū)的暫時侵蝕基準面。區(qū)內(nèi)缺乏經(jīng)常性河流，大量降雨主要由巖石中結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造裂隙、落水洞、漏斗、溶蝕洼地等吸收，垂直入滲地下深處，入滲后形成的地下水具有侵蝕性，巖溶發(fā)育狀況與地下水的分布情況是相互影響、相互依賴的關(guān)系。

1.2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

個舊礦區(qū)位于滇東南臺向斜褶皺斷裂帶的西南部位，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)源于燕山運動及喜馬拉雅運動。燕山期區(qū)內(nèi)產(chǎn)生了北西向斷裂與褶皺，沿斷裂多有巖漿活動。喜馬拉雅期區(qū)內(nèi)地層均形成復(fù)雜褶皺，上一級斷裂重新活動，斷裂破壞了褶曲的完整性，使區(qū)域構(gòu)造進一步復(fù)雜化，復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造活動使得巖體整體上較為破碎，巖溶裂隙也較多，具很強的透水性，這為巖溶的發(fā)育提供了有利條件。就個舊地區(qū)的構(gòu)造而言，是以北東、北西向褶曲及南北向大斷裂為基本構(gòu)造線，主要褶曲形成于燕山期，同時有酸性火成巖侵入，喜馬拉雅期在早期構(gòu)造的基礎(chǔ)上發(fā)展，形成了個舊—金屏南北向大斷裂，該大斷裂貫穿個舊市區(qū)。個舊礦區(qū)實際上處在一個南北向斷裂破碎帶上，礦區(qū)的主要生產(chǎn)基地老廠、松樹腳、馬拉格、卡房、新冠等采選廠及尾礦設(shè)施均位于此帶。

1.3 地層巖性

本區(qū)普遍分布著三疊紀地層，并有大片酸性火成巖出露，礦區(qū)出露的地層如下。

（1）中三疊紀個舊組。上部為灰?guī)r、白云巖，深灰色，厚層及中厚層，局部變質(zhì)成大理巖及大理巖化灰?guī)r；下部以白云巖為主，向上逐步過渡為灰?guī)r。

（2）上三疊紀（分上、中、下三組）。下部烏格組：黃色、淡紅色頁巖、砂巖互層或夾層分布，夾有碳質(zhì)灰?guī)r，底部有礫巖，與個舊組成假整合或不整合接觸。中部橋頂山組：泥質(zhì)灰?guī)r，薄層，淺黃色，具有蠕蟲狀構(gòu)造。上部模衣白組：砂質(zhì)頁巖與頁巖互層或夾層分布，間夾有砂巖。

（3）第三紀地層。分上、下部2組，為礫巖，由鈣質(zhì)、鐵質(zhì)膠結(jié)，不整合于三疊紀地層上，上部小龍?zhí)督M為泥灰?guī)r，淺黃色，有時夾有褐煤。

（4）第四紀地層。有坡積、洪積、殘積粘性土及碎石，分布于坡腳、河谷底部及巖溶洼地中。

（5）火成巖。本區(qū)巖漿活動具有多期性，主要有中粒黑云母二長花崗巖，中粒斑狀黑云母花崗巖，呈巖脈、巖盤等產(chǎn)出。

區(qū)內(nèi)地層主要由三疊紀碳酸鹽類地層構(gòu)成。這類可溶巖在遭受褶曲和斷裂的破壞后裂隙十分發(fā)育，巖溶塌陷分布受地質(zhì)構(gòu)造控制，斷層可形成巖溶地下水流動通道，為大氣降水的滲入和地下水運動提供了良好的途徑，巖溶作用很活躍，落水洞、溶隙、溶槽、溶洞、漏斗、溶蝕洼地等現(xiàn)象普遍。本區(qū)巖溶作用始于燕山期末，共有4期。第一期分布在海拔2 600 m殘留峰頂上，見于卡房、蓮花山等地；第二期分布在1 800~2 000 m；第三期分布在1 400~1 600 m山頂面和殘丘洼地地面；第四期巖溶與南盤江峽谷的形成相伴而成。本區(qū)巖溶水的活動屬垂直循環(huán)型，地表水下滲強烈，上述巖溶景觀還在不斷發(fā)展深化。

2 巖溶發(fā)育規(guī)律

巖溶發(fā)育最基本的條件包括具有可溶性的巖石、巖石具有一定的透水性、水具有侵蝕性、水在巖石中不斷運動等。巖石的可溶性、透水性屬巖性與地質(zhì)構(gòu)造問題，水的侵蝕性和水在巖石中的流動性主要取決于地貌條件和水文地質(zhì)條件。同時，在不同的氣候區(qū)，巖溶作用特點各異，形成的巖溶地貌差異很大。根據(jù)我國不同海拔氣壓、氣象水文、氣候分帶、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造等特點，結(jié)合巖溶區(qū)勘察設(shè)計施工監(jiān)測遇到的巖溶地質(zhì)問題，將我國巖溶按工程性質(zhì)分為高原型巖溶區(qū)、過渡帶巖溶區(qū)和巖溶化平原區(qū)3類，由于受地形地貌、海拔氣壓、氣候分帶、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等因素制約，三大類中的不同巖溶區(qū)具有不同的工程、水文地質(zhì)條件，顯然也會出現(xiàn)不一樣的工程、水文地質(zhì)問題［4］。

2.1 與巖性的關(guān)系

巖溶是碳酸鹽類巖石經(jīng)受水的長期溶蝕作用的產(chǎn)物，不同的巖性所表現(xiàn)的溶蝕程度很不相同。確定巖溶發(fā)育程度的指標有巖溶現(xiàn)象、鉆孔線巖溶率（溶洞進尺/可溶巖總進尺）、巖溶密度（每km2內(nèi)巖溶點個數(shù)）及暗河或泉的流量等［5］。根據(jù)巖溶發(fā)育程度指標，巖溶發(fā)育強度可劃分為極強、強烈、中等及微弱4個等級。

（1）厚層、中厚層質(zhì)純的石灰?guī)r、白云巖巖溶發(fā)育最強烈。老廠、黃茅山、卡房等選廠的5個尾礦庫碳酸鹽巖廣泛分布，是由厚層、中厚層質(zhì)地很純的個舊灰?guī)r、白云巖組成，發(fā)現(xiàn)落水洞、漏斗等近百個，尾礦庫建成投產(chǎn)后回水率很低，滲漏嚴重；老廠背陰山?jīng)_尾礦庫曾發(fā)生過漏失上百萬方尾礦的塌陷，黃茅山及卡房尾礦庫均發(fā)生過大規(guī)模塌陷事故，據(jù)初步統(tǒng)計，5個尾礦庫共產(chǎn)生塌陷364次，占尾礦庫塌陷總數(shù)的69%，巖溶密度為33個/km2。塌陷直徑一般為2~3 m，大者超過30 m。

（2）大理巖、大理化灰?guī)r的巖溶較發(fā)育，但因受構(gòu)造作用，巖層破碎，巖溶多呈縫隙狀，且數(shù)量多、深度大。以水箐尾礦庫為例，共發(fā)現(xiàn)落水洞及塌陷86處，占尾礦庫總塌陷的16.3%，巖溶密度為8.7個/km2。

（3）薄層泥質(zhì)灰?guī)r含有大量泥質(zhì)成份，溶解度小，巖溶發(fā)育最弱?；鸸榷肌?號及3號尾礦庫是由泥質(zhì)灰?guī)r構(gòu)成的，共發(fā)現(xiàn)塌陷25處，巖溶密度為0.65個/km2，只占尾礦庫總塌陷的4.7%。

2.2 與構(gòu)造的關(guān)系

斷裂構(gòu)造使巖體產(chǎn)生大量裂隙，這些裂隙為巖溶水活動、溶巖作用提供有利條件。從各尾礦庫內(nèi)落水洞及巖溶塌陷的分布來看，都與地質(zhì)構(gòu)造有密切關(guān)系，受構(gòu)造控制。

（1）巖溶沿斷層帶發(fā)育，斷層構(gòu)造帶上或斷層交會部位應(yīng)力集中，巖體破碎，為地下水活動提供了極為有利的條件，因此，巖溶多沿這些部位發(fā)育。根據(jù)6座尾礦庫的調(diào)查統(tǒng)計（表1），發(fā)育在斷層帶上或斷層交會地段的落水洞和塌陷分別有238及265處，占總數(shù)的85%，可見其與斷層關(guān)系的密切程度。

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（2）巖溶集中發(fā)育在背斜軸部。因為背斜軸部巖層受到較大的張應(yīng)力作用，張性裂隙發(fā)育有利于形成巖溶通道。黃茅山背陰山?jīng)_尾礦庫的東北段正處在背斜軸部，且斷層交錯，在該處發(fā)現(xiàn)落水洞和塌陷共79處，占整個尾礦庫所有落水洞和塌陷總數(shù)的51.3%。

（3）沿可溶巖與非可溶巖的接觸線發(fā)育，即斷層接觸和侵蝕接觸上。接觸帶上巖石都較破碎，非可溶巖是地下水循環(huán)的邊界，有利于溶蝕作用，故巖溶多沿接觸線的可溶巖一側(cè)發(fā)育。小凹塘尾礦庫的東北段是由花崗巖與石灰?guī)r、大理化灰?guī)r接觸而成，沿接觸線發(fā)育著落水洞多處，并都沿接觸面延伸，沿線還發(fā)生了多起塌陷。又如水箐尾礦庫，西部是大理巖，東部是砂頁巖，為斷層接觸，巖溶沿大理巖一側(cè)發(fā)育。

3 巖溶地區(qū)尾礦庫勘察與防治措施

3.1 巖溶地區(qū)尾礦庫勘察

在巖溶地區(qū)現(xiàn)有尾礦庫問題治理時，《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）（2009版）［6］規(guī)定，擬建工程場地或其附近存在對工程安全有影響的巖溶時，應(yīng)進行巖溶勘察。巖溶勘察宜采用工程地質(zhì)測繪和調(diào)查、物探、鉆探等多種手段結(jié)合的方法進行，查清裂隙、落水洞、水平溶洞分布位置、大小以及巖溶發(fā)育條件等內(nèi)容。尾礦庫巖溶防治應(yīng)對查明的巖溶情況進行針對性防治，對不同的巖溶類型有相應(yīng)的防治方案。大中型巖溶庫的勘察一般分為可行性評價、初勘、詳勘和施工勘4個階段，尾礦庫巖溶工程勘察應(yīng)以地質(zhì)測繪、巖溶調(diào)查和物探為主，鉆探為捕，多種手段綜合運用，尤其物探工作不可或缺，應(yīng)引起高度重視［7］。

在巖溶地區(qū)進行尾礦庫勘察，重點在于弄清可溶巖的巖性與分布，巖溶發(fā)育情況，查明可能產(chǎn)生滲漏與地表塌陷的位置。為此，勘察工作應(yīng)側(cè)重掌握較大范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造情況，巖溶發(fā)育的基本規(guī)律。實踐證明，巖溶作用較強烈，發(fā)育較集中的部位是①斷層線上的強烈破碎帶；②斷層交會地段；③背斜軸部；④可溶巖與非可溶巖的接觸線上；⑤斷層陡壁下，地表有坳陷的地方，洼地內(nèi)的地表消水點。對于溶洞和可能發(fā)生地表塌陷的部位，可結(jié)合尾礦庫內(nèi)覆蓋層的厚度進行綜合判斷。當(dāng)覆蓋層下存在溶洞或較大裂隙時，由于受水的長期潛蝕作用，上覆土層受到潛蝕并被帶走顆粒形成溶洞，當(dāng)穴拱作用能承受土的壓力時，地面保持平穩(wěn)，一旦尾礦庫蓄水，改變了荷載條件及水力關(guān)系，有可能造成突然塌陷，漏失水和尾礦而影響生產(chǎn)。根據(jù)相關(guān)資料不完全統(tǒng)計（表2），塌陷次數(shù)有隨覆蓋層厚度的增加逐漸遞減的趨勢。當(dāng)覆蓋層厚度在0~4 m時，塌陷次數(shù)占總塌陷的85.8%；4~8 m時，占9.1%；大于8 m時，只占5.1%。初步認為覆蓋層厚度小于8 m的地段最有可能發(fā)生地表塌陷事故。

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尾礦庫的勘察工作應(yīng)在工程地質(zhì)調(diào)查測繪的基礎(chǔ)上進行，以揭穿覆蓋層厚度和查清構(gòu)造線為原則，不能墨守成規(guī)一律按方格網(wǎng)布孔，那樣往往對滲漏和塌陷點查不清楚。巖溶地區(qū)尾礦庫的滲漏主要由塌陷造成，野外注水試驗或室內(nèi)滲透試驗作用不大，個別情況下需要，可用經(jīng)驗數(shù)據(jù)代替。巖溶地區(qū)尾礦庫的勘察工作重點在于充分收集已有地質(zhì)資料，認真進行工程地質(zhì)調(diào)查，弄清地質(zhì)構(gòu)造，查明巖溶形態(tài)和分布，找出可能產(chǎn)生滲漏、塌陷的部位，以便采取相應(yīng)防治措施確保正常生產(chǎn)。

3.2 巖溶地區(qū)尾礦庫防治措施

在巖溶地區(qū)建尾礦庫，基建期巖溶難以全部揭露，導(dǎo)致巖溶防治措施常有遺漏、運行期巖溶塌陷，常導(dǎo)致漏礦，應(yīng)急防治難度大、成本高等問題［8］。

3.2.1 工程建設(shè)前相關(guān)防治措施

巖溶塌陷所引發(fā)的尾礦滲漏污染地下水以及防洪、防滲措施是巖溶區(qū)尾礦庫的防治重點，工程建設(shè)前需做好相關(guān)措施，運行過程中須采取必要措施進行治理。按照國家有關(guān)法律、標準規(guī)范規(guī)程、勘察設(shè)計資料進行建設(shè)，加強地質(zhì)災(zāi)害防治?？辈旃こ探ㄔO(shè)時期對尾礦庫異常區(qū)溶洞應(yīng)據(jù)勘察、設(shè)計意見，嚴格采取對應(yīng)措施，防止尾礦滲漏造成污染。清理溶洞及溶蝕構(gòu)造裂隙。對落水洞、漏斗、溶洞等先査清大小、延伸方向，然后用塊石、碎石、黏土依次充填，黏土須經(jīng)夯實。對較大的裂隙，清理后填塞水泥砂漿，較小的裂隙用水泥砂漿溝縫，浸水査找溶洞加以清理堵塞。

3.2.2 工程建設(shè)和運行過程中相關(guān)防治措施

在工程建設(shè)和運行過程中，嚴格按設(shè)計要求進行施工，解決好地表水及尾礦庫庫內(nèi)排水相關(guān)問題。尾礦庫中的滲漏點有的可按前敘規(guī)律很容易發(fā)現(xiàn)，而有些溶洞或滲漏通道則很難被發(fā)現(xiàn)，給防治工作帶來極大的困難。從生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)，對于隱蔽的滲漏點，可以用預(yù)浸水的方法來揭露。一般在蓄水后2~5 d時間內(nèi)便可產(chǎn)生地面塌陷?？ǚ课驳V庫在投產(chǎn)前，曾于雨季引入洪水浸沒，很快發(fā)現(xiàn)塌陷點40余處，經(jīng)過認真處理，在浸過水的范圍內(nèi)沒有再發(fā)生塌陷；老廠背陰山?jīng)_尾礦庫曾用圍堰浸水尋找，然后采取一定措施防治，效果很好。同時應(yīng)做好庫區(qū)滲漏監(jiān)測，做好調(diào)節(jié)池地基處置，避免滲漏發(fā)生，雨季加強監(jiān)測預(yù)警，避免外溢發(fā)生。建立地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測網(wǎng)，雨季汛期期間加強對排洪設(shè)施、壩體安全的監(jiān)測，遇到險情按程序上報。用周邊放礦使尾礦中的粗顆粒先沉積在尾礦庫的周邊，保持砂面高過水面以減少滲漏。將尾礦庫分塊輪流使用，一旦某塊某點產(chǎn)生塌陷，就對該點進行堵填，不致影響全局，有利于正常生產(chǎn)。一旦發(fā)生塌陷，立即用樹枝、雜草、塊石、黏土包等堵塞。

同時做好庫區(qū)底部防滲，尾礦堆放時按設(shè)計坡比堆放，留足安全平臺，設(shè)置排水溝，監(jiān)測堆石壩外坡面水平與垂直位移，以發(fā)現(xiàn)壩體是否變形，用以判斷壩體的安全運行狀況［9］。建立巡視機制，對壩體、尾礦堆放區(qū)24 h輪流值守巡視，巡查庫區(qū)范圍內(nèi)是否有漏礦跡象，檢查壩體外坡面上是否存在變形、開裂等異?，F(xiàn)象，且雨季加強巡視、監(jiān)測的次數(shù)，確保尾礦壩安全運行。

4 結(jié)論

（1）該區(qū)域厚層、中厚層質(zhì)純的石灰?guī)r、白云巖占尾礦庫塌陷總數(shù)的69%，巖溶密度為33個/km2；大理巖、大理化灰?guī)r占尾礦庫總塌陷的16.3%，巖溶密度為8.7個/km2；薄層泥質(zhì)灰?guī)r巖溶密度為0.65個/km2，只占尾礦庫總塌陷的4.7%。

（2）巖溶發(fā)育規(guī)律受構(gòu)造控制，巖溶發(fā)育多集中在斷層構(gòu)造帶上、斷層交會部位和背斜軸部，同時巖溶沿可溶巖與非可溶巖的接觸線發(fā)育。

（3）巖溶塌陷所引發(fā)的尾礦滲漏污染地下水以及防洪、防滲措施是巖溶區(qū)尾礦庫的防治重點，做好庫區(qū)滲漏監(jiān)測，雨季加強監(jiān)測預(yù)警，同時做好庫區(qū)底部防滲，尾礦堆放時按設(shè)計坡比堆放，設(shè)置排水溝等防治措施。