何定桿，曾明忍

(江西省崇義縣礦產(chǎn)資源管理局， 江西崇義縣 344200)

南亨鐵礦周邊巖溶治理與露天采場涌水防治

何定桿，曾明忍

(江西省崇義縣礦產(chǎn)資源管理局， 江西崇義縣 344200)

南亨鐵礦凹陷露天采場鄰近的北側(cè)、東南側(cè)有助水坑支流和渥江河流經(jīng)，有側(cè)穿而過的105國道。隨著凹陷采區(qū)開采下降，坑內(nèi)涌水量明顯增加，露天采坑疏干漏斗影響范圍和地面巖溶塌陷影響范圍逐漸擴大，影響了周邊環(huán)境的安全。為此，礦山對采區(qū)周邊進行了物探勘察和地災(zāi)調(diào)查及危險性評價，并對巖溶發(fā)育地段進行了研究，并對周邊巖溶和采場涌水進行治理，采區(qū)內(nèi)涌水量補給顯著減少，確保了采區(qū)范圍內(nèi)的穩(wěn)定和安全。

露采；巖溶；疏干漏斗；塌陷；涌水治理

1 礦山概況

南亨鐵礦系凹陷露天開采鐵礦山，生產(chǎn)規(guī)模為10萬t/a。礦區(qū)地處渥江河南北河谷階地南端西岸，為中低山區(qū)丘陵地帶。露采區(qū)地表近似水平階地，海拔標高＋329.7 m。采區(qū)東南邊坡距渥江40～50 m，北側(cè)邊坡距助水坑支流25 m，西側(cè)為＋431.2 m標高的鐵砧寨山；區(qū)內(nèi)周邊附近無水力設(shè)施無文物保護點。采區(qū)外所在地東側(cè)和北側(cè)散布有民居。

礦山經(jīng)過多年斷斷續(xù)續(xù)的開采，目前北礦段露采區(qū)已開采至＋282 m標高，南礦段待開采。

2 礦區(qū)地質(zhì)

據(jù)南亨鐵礦普查地質(zhì)報告，本區(qū)地層自西向東分布有下石炭統(tǒng)碎屑巖，中上石炭統(tǒng)白云質(zhì)灰?guī)r和灰?guī)r，地層為北北東走向，傾角40°～50°，傾向南東東，河谷分布有第四系表土。礦區(qū)內(nèi)侵入巖體有花崗斑巖和石英斑巖，中心相為花崗巖，邊緣相為石英斑巖，組成倒貫巖枝和主體巖墻。鐵砧寨巖體出露在礦區(qū)中部，橫嶺上巖體地表為石英斑巖，分布在礦區(qū)東南部，呈不規(guī)則巖墻產(chǎn)出。

花崗斑巖體的外接觸帶形成有不均一的熱變質(zhì)巖石帶，熱變質(zhì)帶由大理巖，大理巖化灰?guī)r，紅柱石角巖，石英巖等變質(zhì)巖組成。由接觸交代作用形成矽卡巖和簡單矽卡巖脈，巖體邊部的石英斑巖局部矽卡巖化。礦體分布于接觸面及附近100～200 m范圍內(nèi)，矽卡巖和礦體與圍巖多呈突變接觸，界線分明。

礦區(qū)以斷裂構(gòu)造為主，NNE向斷裂主要分布于礦區(qū)西部及西北部，主要有F3～F9等7條斷裂帶，表現(xiàn)為沖斷裂、擠壓帶、破碎帶、硅化破碎帶，顯壓性兼扭性特征。走向NNE，傾向SE，傾角60°～70°，個別傾向NWW，傾角50°～70°。F9為硅化破碎帶，產(chǎn)狀295°∠50°，沿構(gòu)造帶有石英斑巖侵入。NWW向斷裂以F12、F13為代表，產(chǎn)狀20°～25°∠70°～75°。F12由角礫巖充填，斷裂帶3～5 m，屬張扭性，其南盤向西移動，而F13斷裂其南盤向東移動。F10北東向斷裂，發(fā)育于花崗巖體與礦體之間，斷裂面呈舒緩波狀，顯壓扭性，產(chǎn)狀90°～120°∠68°～70°。北端斜切石炭系中上統(tǒng)石灰?guī)r，巖溶發(fā)育，為充水導(dǎo)水斷裂。上述構(gòu)造位于鐵礦體以西，對礦體不造成影響。

南亨鐵礦為一小型鐵礦山，發(fā)現(xiàn)并圈定有13個礦體，系鐵多金屬礦體礦床。呈似層狀，透鏡狀產(chǎn)出，厚度幾厘米至7～8 m不等。礦體延長308～420 m，延深100～200 m。

礦石以矽卡巖塊狀礦石為主，部分為條帶狀礦石，工業(yè)類型分為富鐵礦(FeA)和貧鐵礦(FeB)二種。主要為磁鐵礦，少量赤鐵礦和方鉛礦、閃鋅礦，黃銅礦。

3 開采技術(shù)條件及開采現(xiàn)狀

3.1 水文地質(zhì)條件

本區(qū)地下水主要為松散巖孔隙水、碳酸鹽巖裂隙溶洞水、基巖裂隙水。地下水補給來源主要為大氣降水，采區(qū)在開采時可獲得渥江河地表水補給。松散巖孔隙水分布于礦區(qū)東部渥江沿岸河谷地區(qū)，含水層由第四系全新統(tǒng)沖洪積層組成，上段亞粘土弱含水，下段為沙礫石富水性強，并直接覆蓋于巖溶含水層之上，厚度為2.5～3.0 m，單井涌水量為500～1200 m3/d。碳酸鹽裂隙溶洞水分布于礦區(qū)東部，地下水以大氣降水補給為主，地下徑流模數(shù)為3～5 L/s·km2，富水性中等偏貧乏；覆蓋型裂隙溶洞水分布在礦區(qū)東側(cè)河谷沿岸，上覆8～34.3 m第四系全新統(tǒng)沖洪積層?；鶐r裂隙水分布于礦區(qū)南部和西部，地下水主要賦存于風化裂隙與構(gòu)造裂隙帶中，單井涌水量為30～80 m3/d，地下徑流模數(shù)為1.5～3 L/s·km2，富水性貧乏。

本礦凹陷露天采區(qū)位于鐵砧寨山東坡坡腳，采區(qū)地表近似水平階地，海拔標高＋329.7 m。在采區(qū)側(cè)分布有2條小河流，其中，渥江河由南向北流經(jīng)采場的東南邊緣，西距露天采區(qū)東南邊坡40～50 m。據(jù)2003年12月測量資料，該河流流量32309 m3/d。暴雨季節(jié)河流流水驟增，最高洪水位＋330.5 m。助水坑溪為一小溪流，由西向東途徑采區(qū)北外側(cè)，南距露天采區(qū)的北邊坡25 m，該溪流在北東下游與渥江河匯合后繼續(xù)北流。據(jù)2003年12月河水測量資料，助水坑支流量為8031 m3/d。

由當?shù)?992～2010年氣象資料可知，礦區(qū)平均年降水量1569.4 mm。1996年8月為每年最大降雨量月431.9 mm，其中 8月2日為最大日降雨量143.2 mm。

采區(qū)開采至＋282 m標高后，周邊河床及巖溶邊坡治理前，采區(qū)內(nèi)涌水量經(jīng)過多年實測，正常日涌水量 5760 m3/d(2條河流補給采區(qū)水量達 2707 m3/d)，預(yù)測日最大暴雨補給量8377.2 m3/d，最大暴雨時總排水量為14137 m3/d。

3.2 工程地質(zhì)條件

南亨鐵礦圈定的13個礦體，其中V4、V11二個為主礦體。V4礦體產(chǎn)于花崗斑巖與碳酸鹽巖接觸面上，其余礦體離開接觸面充填于外接觸帶裂隙中。礦區(qū)北礦段已經(jīng)凹陷露天開采方式采至＋282 m標高。構(gòu)成采區(qū)邊坡的主要巖石有:松散巖類、基巖碎屑巖類、碳酸鹽巖類3種巖石。其中，松散巖石類遍布全區(qū)，主要由第四系全新統(tǒng)沖洪積、殘坡積、南幫素填土，平均厚度8～12 m，結(jié)構(gòu)松散，密實度差，透水性較好，邊坡穩(wěn)定性差；基巖碎屑巖類主要分布于西幫，其次為南幫北幫，巖性主要為強～弱風化花崗斑巖。強風化帶深度10～15 m。強風化巖屬于軟巖類，弱風化—新鮮巖石呈半堅硬塊狀，層狀，強度高，屬于硬質(zhì)巖類較硬巖石，穩(wěn)定性較好；碳酸鹽巖石類主要分布于采區(qū)東幫，其次為南幫北幫。由石炭系厚層狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等組成，地下巖溶發(fā)育，一般發(fā)育深度為70 m。巖石致密堅硬，強度較高，屬較硬巖，穩(wěn)定性較好。

3.3 露采區(qū)開采現(xiàn)狀

南亨鐵礦于1999年末正式開始凹陷露天采礦。開始選擇在鐵砧寨山東坡北礦段開采，即在渥江西側(cè)與助水坑支流南側(cè)的寨足下進行露采。開采對象為區(qū)內(nèi)13個礦體，其中主礦體V4出露地表，其余12個鐵礦體包括V11次主礦體均呈半隱伏，隱伏礦體產(chǎn)出。

本凹陷露天采場按臺階高9.5 m、臺階坡面角55°～65°進行開采。隨著開采深度的下降，采區(qū)一側(cè)的渥江河和助水坑支流有部分河水經(jīng)巖溶裂隙涌入采坑，并逐步出現(xiàn)礦區(qū)外圍的地下水位下降，引發(fā)附近巖溶發(fā)育的部分地段開裂或下陷的現(xiàn)象。礦山通過對巖溶發(fā)育地段進行了局部治理，取得了一定效果后，又于2005年初繼續(xù)在凹陷露天礦場采礦，至目前止北礦段已開采至＋282 m標高，而南礦段待開采。

針對采區(qū)北、東南二側(cè)小河河水通過巖溶發(fā)育帶或裂隙涌入采區(qū)的現(xiàn)象，以及隨著開采深度下降，由于采區(qū)排水而出現(xiàn)的礦坑疏干漏斗范圍與地面巖體塌陷影響帶有進一步向北、南、東3個方向擴大，危及更大范圍村莊和105國道安全通行等問題，提出并實施了巖溶治理和采區(qū)防治水措施。

4 采區(qū)周邊物探勘察與地下巖溶治理

4.1 采區(qū)周邊物探及巖溶分布情況

礦山于2005年10月下旬對采區(qū)疏干塌陷影響范圍進行了物探勘查(電法)，電法勘查成果表明:勘查路段裂隙巖溶發(fā)育在地面40 m內(nèi)，屬于強巖溶發(fā)育帶。高密度斷面巖溶特征表明地下巖溶不含水；電法查明土體結(jié)構(gòu)松散部位有12處，巖溶發(fā)育區(qū)有42處，裂隙發(fā)育帶2條，破碎帶1條。其松散部位發(fā)育深度2～3 m；巖溶發(fā)育中心埋深變化較大，一般為15～30 m，個別達35 m深度。

其次，2012年12月開展了巖溶物探勘查。本次應(yīng)用物探手段調(diào)查礦區(qū)周邊附近的巖溶發(fā)育分布情況如下。

(1)將全區(qū)巖土劃分為2個地球物理層:覆蓋土層和基巖。其中，覆蓋土層包括第四系土層和全、強風化巖層，厚度在5～30 m之間，平均厚度在15～20 m；基巖包括中、微風化灰?guī)r，埋深在5～30 m之間，平均埋深在15～20 m。

(2)跨礦區(qū)段105國道微發(fā)育的B1、B2溶洞和B3、B4巖溶帶，以及礦區(qū)北側(cè)的D1、D2、D3、D4、D5五個巖溶發(fā)育帶并非區(qū)域內(nèi)全是空洞，其內(nèi)含有包括小塊巖石、巖塊和充填物及水等特征。

(3)物探發(fā)現(xiàn)了5條巖溶發(fā)育帶及4個巖溶發(fā)育區(qū)。巖溶發(fā)育帶大體呈北東走向，推測5條巖溶發(fā)育帶沿斷層或破碎帶等軟弱帶發(fā)育。

(4)助水坑溪一側(cè)的5條巖溶發(fā)育帶呈北東走向，均指向采坑，系與采場有關(guān)的主要導(dǎo)水構(gòu)造。根據(jù)礦區(qū)北邊方向的斷層及破碎帶發(fā)育，由此得出北側(cè)的5條巖溶發(fā)育帶是沿斷層或破碎帶等地質(zhì)軟弱帶發(fā)育的，助水坑河側(cè)巖溶較發(fā)育。與前一次物探在助水坑河北岸探明的該地段巖溶發(fā)育吻合。

(5)105國道發(fā)現(xiàn)有B1、B2二個溶洞和B3、B4二個巖溶發(fā)育區(qū)，規(guī)模較小，巖溶微弱發(fā)育。與南礦段(未采)較近的105國道路段僅探明有一個B1溶洞，距采區(qū)200 m。而105國道上探明的其余3個溶洞在礦區(qū)東北方向，距采區(qū)最近的B2溶洞有490 m、最遠的B4巖溶發(fā)育區(qū)有720 m。

綜上二次物探勘察成果，為采區(qū)東側(cè)105國道的通行安全評價提供了依據(jù)。巖溶發(fā)育主要受斷裂構(gòu)造影響和控制；溶洞沿可溶性和非可溶性接觸面發(fā)育；地表淺部巖溶發(fā)育，隨著深度加深巖溶減弱?？辈榭芍?，＋290 m標高以上巖溶最發(fā)育，深度一般在70 m內(nèi)，最大深度92.27 m，巖溶發(fā)育不均一。

4.2 采區(qū)周邊巖溶治理

礦山對南亨鐵礦采區(qū)周邊巖溶發(fā)育帶及采區(qū)涌水量較大等問題實施了工程治理。

(1)經(jīng)調(diào)查，2001年底露天采場采深20 m時，日排水3840 m3，距采場北360～860 m之間發(fā)現(xiàn)一處地面及一處民宅墻體開裂、一口水井干枯。通過對異常圖分析，三個異常點均位于可溶巖與非可溶巖接觸帶旁，因此受采區(qū)排水疏干作用的影響，牽動了這條導(dǎo)水裂隙地下水位下降所致；至2003年底，露天采場采深41 m時，采坑日排水量5040 m3，這一年誘發(fā)地面塌陷點8個、地面開裂6處。距采場北東方向860 m處的105國道也受到影響，即在新拓寬路面上產(chǎn)生一條長度20～50 m、寬5～8 mm地面裂逢。事后，礦山委托江西贛南地質(zhì)工程院對此進行了地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，提交了《南亨鐵礦地質(zhì)災(zāi)害危險性評價報告》。根據(jù)圈定的露天采坑疏干漏斗影響范圍和地面塌陷影響范圍，礦方于2005年投資了800多萬元對該范圍內(nèi)的民居、學(xué)校進行了整體搬遷。

(2)在露天采區(qū)北側(cè)的D1、D2、D3、D4、D5五個異常帶及附近布置止水帷幕封堵導(dǎo)水構(gòu)造。在止水帷幕施工前，先在異常帶附近布置鉆孔及跨孔CT法，進一步查明巖溶發(fā)育情況。針對采區(qū)北側(cè)五個巖溶異常帶，礦山對采區(qū)北邊坡與助水坑河南岸地段，以及東南側(cè)沿渥江河西岸完成了129個鉆孔總孔深1618.79 m的帷幕注漿工程施工。通過對圍繞采區(qū)的渥江河和助水坑支流一側(cè)邊坡的帷幕注漿處理，有效的阻止了地表河床的水流滲透至采坑的現(xiàn)象，從而阻止了采區(qū)周邊地下水位的下降，原先誘發(fā)的幾處地災(zāi)點一直保持穩(wěn)定狀態(tài)，耕地正常耕作，露天礦坑疏干漏斗和地面塌陷的影響范圍明顯收縮。

(3)針對鄰近采區(qū)的105國道兩側(cè)物探發(fā)現(xiàn)的4個B1～B4巖溶微發(fā)育區(qū)，礦山對靠近采區(qū)的B1、B2二個溶洞實施了鉆孔注漿填埋。對遠離采區(qū)的B3、B4巖溶發(fā)育區(qū)，礦山對該路段設(shè)置了長期監(jiān)測點，確保公路安全通行。

通過以上巖溶治理，基本上杜絕了因為采區(qū)繼續(xù)采礦引發(fā)周邊地下水位再下降的不利局面，地質(zhì)環(huán)境趨于良好。

5 采區(qū)疏干漏斗及涌水防治

5.1 采區(qū)疏干漏斗

凹陷露天采區(qū)在開采至＋282 m標高后，在鄰近采區(qū)的0.8 km渥江河段改道澆筑河床前，以及在采區(qū)北側(cè)、東南側(cè)巖溶發(fā)育段邊坡鉆孔帷幕注漿治理前，采區(qū)內(nèi)實測的正常日涌水量5760 m3/d，預(yù)測一日最大暴雨補給量8377.2 m3/d，最大暴雨時總排水量為14137 m3/d。礦山以11臺ISJ150-400型離心泵(單臺功率45 kW、流量160 m3/h、揚程 60 m)。正常情況下，采坑內(nèi)同時開動6臺該型水泵即可保證正常涌水量5760 m3/d在6 h內(nèi)排完；而最大暴雨時采場總排水量為14137 m3/d，同時開動11臺該型水泵僅8.1 h能排完最大暴雨時采場涌水量。

據(jù)統(tǒng)計，至2005年12月止由于礦床開采的排水疏干，誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害28個。采坑疏干漏斗及地面塌陷影響范圍從采區(qū)南邦南推100 m為界，北面以角車尾自然村北側(cè)為界，南北長1200 m；東西方向以覆蓋型巖溶含水層邊界為界，東西寬300～450 m，影響面積達40875 m2。

5.2 采區(qū)涌水防治

針對助水坑支流和渥江河部分地表水通過巖溶發(fā)育地段滲透至采區(qū)，補給水量達47%，從而出現(xiàn)采區(qū)疏干漏斗及塌陷影響范圍的現(xiàn)象。經(jīng)地災(zāi)危險性評價調(diào)查分析，本采區(qū)涌水由南東側(cè)渥江河水定水頭補給，北面角車尾村北側(cè)可能存在阻水巖體，或渥江河水沿地下裂逢直接灌入地下定水頭補給所致。為此，礦山在進行巖溶發(fā)育地段治理的同時，采取了以下防治水措施。

(1)2006年6月，礦山就鄰近采區(qū)0.8 km長的河段按二十年一遇洪水水深2.78 m的要求，實施了渥江河的裁彎取直改道工程施工。根據(jù)二十年一遇洪水通過量，改道河床斷面為梯形，河面底寬15 m，深度3.5 m。鄰近采區(qū)的河床底按雙層鋼筋布置、C25強度的混泥土澆筑，厚30 mm；河側(cè)墻體2.4 m以下采用漿砌片石墻體，厚平均1.25 m，以上為土堤。從而減少了渥江對采區(qū)的補給水。

(2)2006年，礦山沿助水坑支流南側(cè)采區(qū)邊坡，沿渥江河西側(cè)采區(qū)邊坡進行了鑿巖鉆孔(孔徑110 mm)，完成129個共計1618.79 m鉆孔工程，而后通過鉆孔采取高壓帷幕灌漿固化風化層和巖溶發(fā)育巖層。帷幕注漿材料消耗水泥1167.56 t、中粗砂、水玻璃若干。通過對采區(qū)沿河側(cè)邊坡的鉆孔帷幕注漿工程施工，砂礫層地下水滲漏現(xiàn)象已基本封堵。從采區(qū)現(xiàn)場可知，鉆孔帷幕注漿工藝技術(shù)有效地防止了潛水以面流的形式滲漏，達到了基本阻隔助水坑支流和渥江河河水通過巖溶裂隙或溶洞滲入采區(qū)內(nèi)。隨著采區(qū)向南推進開采，東南側(cè)邊坡的帷幕注漿鉆孔及注漿施工須提前跟進。

通過采取上述巖溶治理和防治水工程施工并舉的技術(shù)措施，采區(qū)涌水量明顯減小。經(jīng)2007～2014年多年測算，采坑內(nèi)平均日正常涌水量2950 m3/d，其中渥江河、助水坑支流補給量僅為850 m3/d。預(yù)測的最大涌水量為4800 m3/d。達到了采區(qū)水患防治的預(yù)期效果。

6 結(jié) 論

南亨鐵礦通過對采區(qū)周邊的二次物探勘察和一次地質(zhì)災(zāi)害危險性調(diào)查與評價，明確了治理對象和治理工藝技術(shù)措施。對露天采坑疏干漏斗和地面巖溶塌陷影響范圍內(nèi)民居實施的整體搬遷，確保了居民安全。其次，對側(cè)穿而過的105國道查明的巖溶發(fā)育地段采取了鉆孔注漿填埋和長期監(jiān)控等手段。第三，對鄰近采區(qū)的渥江河段進行了裁彎取直改道和混泥土澆筑河床，對采區(qū)北邊坡和東南邊坡巖溶發(fā)育地段實施了鉆孔帷幕注漿。針對性采取的多種工程治理措施后，隨著露天采場繼續(xù)向南推進及下采，坑內(nèi)涌水量的補給顯著減少，既確保了采區(qū)北邊坡、東南邊坡的穩(wěn)定與安全，又使露天采坑疏干漏斗及地面塌陷影響范圍明顯收縮，取得了良好的治理效果。

[1]江西省龍南縣南亨鐵礦露天開采初步設(shè)計(安全專篇)[R].邯邢:河北邯邢礦冶設(shè)計院，2013.

[2]江西龍南南亨鐵礦巖溶物探勘察報告[R].廣州:廣東省地質(zhì)物探工程勘察院，2013.

[3]江西省龍南縣南亨鐵礦地質(zhì)災(zāi)害危險性評估報告[R].贛州:江西贛南地質(zhì)工程院，2008.

[4]沈萬里.宣世進.巖溶塌陷形成機制及防治方法研究[J].科協(xié)論壇，2009(01):94-95.

[5]張 偉.抽水巖溶地面塌陷的形成及防治[J].石家莊經(jīng)濟學(xué)院學(xué)報，1996(01):46-51.

[6]王 紅.淺埋巖溶地區(qū)地面塌陷的注漿治理技術(shù)[J].采礦技術(shù)，2005(01):33-35.

[7]采礦手冊編委會.采礦手冊·第三卷露天開采[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2008.

2015-10-09)

何定桿(1963-)，男，采礦工程師，從事礦產(chǎn)資源開發(fā)方面的管理及技術(shù)工作，主要研究礦山開發(fā)中的安全問題及采礦方法優(yōu)化，Email:13879785559@163.com。