山東省費(fèi)縣桃園白云巖礦床開采技術(shù)條件分析

范 堯 王宏波 魏 軍 李 旭 王言偉

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山東總隊(duì))

山東省費(fèi)縣桃園白云巖礦床開采技術(shù)條件分析

范 堯 王宏波 魏 軍 李 旭 王言偉

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山東總隊(duì))

為了合理開采礦產(chǎn)資源并制定具體的開采措施，必須查明礦床的開采技術(shù)條件。根據(jù)礦區(qū)地表水和地下水的類型、補(bǔ)給和徑流條件，詳細(xì)分析了礦山水文地質(zhì)條件。結(jié)合不同巖性和構(gòu)造特征，在劃分工程地質(zhì)巖組的基礎(chǔ)上，對(duì)工程地質(zhì)分區(qū)的主要工程地質(zhì)問題進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。此外，通過調(diào)查礦區(qū)內(nèi)環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)狀，明確了礦床開采技術(shù)條件，為礦山下一步設(shè)計(jì)開采方案提供參考。

白云巖礦床 開采技術(shù)條件 水文地質(zhì) 工程地質(zhì) 環(huán)境地質(zhì)

山東省費(fèi)縣桃園冶金用白云巖礦區(qū)位于山東省費(fèi)縣朱田鎮(zhèn)朱田村，礦區(qū)屬于低山丘陵區(qū)，地形總趨勢(shì)為南北兩側(cè)高地，中間是與山脈走向一致的寬緩“V”字型溝谷，海拔最低約147 m，最高約311 m，相對(duì)高差約164 m，區(qū)內(nèi)地表水系發(fā)育較少，水利資源貧瘠[1]。在對(duì)礦區(qū)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)特征進(jìn)行調(diào)查的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了礦床開采技術(shù)條件，為礦山開采方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 礦床地質(zhì)概況

礦區(qū)地層主要由第四系松散堆積層和奧陶系三山子組、馬家溝群白云巖、寒武系炒米店組灰?guī)r、崮山組頁巖等組成。礦床底板為寒武系炒米店組豹皮狀灰?guī)r，礦層為三山子組c段，巖性以淺灰色中、厚層細(xì)晶白云巖為主，厚度約40～60 m。礦區(qū)為斷塊凸起的單斜構(gòu)造區(qū)，巖層傾向約40°，傾角約15°，順巖層傾向的坡度平緩，坡角一般為15°～25°，逆巖層傾向坡度較陡，坡角一般為20°～40°。區(qū)內(nèi)中間河谷地帶發(fā)育斷層F1，正斷層，走向130°～150°，傾向SW，傾角約80°。

2 水文地質(zhì)特征

2.1 區(qū)域水文地質(zhì)

地下水的賦存狀態(tài)受巖石裂隙孔隙空間、構(gòu)造性質(zhì)和類型、地貌條件和氣象水文等因素控制，根據(jù)賦存條件、含水介質(zhì)、水力特征，可將該區(qū)地下水類型分為松散巖類孔隙水和碳酸鹽類裂隙巖溶水[2]。松散巖類孔隙水主要分布于東小山村一帶以及桃園村北側(cè)宗家莊傾斜平原區(qū)，含水層不甚發(fā)育，厚度不超過10 m，一般為1～2 m，地下水多為大氣降水補(bǔ)給，富水性極弱。碳酸鹽類裂隙巖溶水賦存于寒武系、奧陶系等地層巖組中。

2.2 礦區(qū)水文與水資源

在構(gòu)造剝蝕、風(fēng)化、溶蝕作用的影響下，礦區(qū)內(nèi)谷地兩側(cè)發(fā)育形成凹凸不平的山脊。礦區(qū)礦體分布標(biāo)高為+297.10～+180.00 m，礦區(qū)最低侵蝕基準(zhǔn)面與礦坑最低排泄面標(biāo)高為+147.70 m，水文地質(zhì)邊界條件比較清楚。

2.2.1 地表水

礦區(qū)內(nèi)多為季節(jié)性流水，地表水的匯水面積約4 km2，水系僅在中部SE—NW向開口的低洼地帶發(fā)育，雨季多有匯水，旱季存水少，但山區(qū)河流源短流急，其中大氣降水是導(dǎo)致礦區(qū)地表徑流率增大的主要原因。礦區(qū)年平均降雨量829.68 mm，最大年降雨量 1 180.2 mm (2003年)，最小年降雨量 407.0 mm (2002年)。

年降水分布特點(diǎn)：雨量充沛，分布不均。降雨量冬季較少，春季增多，大量降雨集中于夏季，9月以后降雨量急劇減少。其中，3—5月降雨量占全年降雨量的14%，6—8月降雨量占全年降雨量的65%，9—11月降雨量占全年降雨量的17%，12月至次年2月降雨量占全年降雨量的4%。各月降雨日數(shù)以7月份最多，平均為15 d，1月份最少，平均為3 d。

2.2.2 地下水

礦區(qū)地下水類型分為第四系松散堆積層孔隙水和碳酸鹽類裂隙巖溶水。第四系松散堆積層孔隙水出露于黏土、含黏土粉砂，粉細(xì)砂中，堆積體結(jié)構(gòu)松散，由于分布范圍和厚度小，地下水難以貯集，富水性差。裂隙巖溶水主要含水巖組為：①三山子組b段，灰黃色薄層泥質(zhì)白云巖；②三山子組c段，淺灰色中、厚層細(xì)晶白云巖；③炒米店組，豹皮狀灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r。主要隔水層為崮山組，黃綠色頁巖。

礦區(qū)地下水動(dòng)力條件及其特征見圖1。礦區(qū)開采面主要為單斜地形，含水巖組地層走向?yàn)镹W,呈單斜產(chǎn)狀向北延伸，由于含水巖組巖性具有可溶性，其與地下裂隙為地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄創(chuàng)造了條件。礦區(qū)直接接受大氣降水補(bǔ)給，含水巖組風(fēng)化帶厚度及裂隙發(fā)育不均勻，裂隙連通性差，造成地下水無面狀分布規(guī)律，水位埋深不一，富水性弱，一般單井涌水量小于1 000 m3/d。地下水運(yùn)動(dòng)方向與地形及巖層傾斜方向基本一致，流向?yàn)镹NE，向低洼處和溝谷匯集。運(yùn)動(dòng)過程中受F1斷層阻擋，破碎帶附近地下水運(yùn)動(dòng)受阻，造成局部富水，通過裂隙或破碎帶出露成泉。經(jīng)取樣分析，礦區(qū)內(nèi)地下水水質(zhì)分析知礦化度<1 g/L，為HCO3-Ca·Mg型水。礦體位于最低侵蝕基準(zhǔn)面以上，地表水系對(duì)礦床充水影響小，含水層富水性弱，以裂隙充水為主，滲入量主要為地區(qū)降水，充水含水層富水性弱且側(cè)向補(bǔ)給條件差，礦坑涌水量的估算主要以大氣降水量為主?？傮w上看，該礦床屬于第一型水文地質(zhì)條件簡單礦床，露天開采不具備誘發(fā)或者加劇水文地質(zhì)問題的地質(zhì)條件。

圖1 礦區(qū)水文循環(huán)剖面示意

2.3 礦區(qū)水資源綜合利用

3 工程地質(zhì)特征

3.1 礦區(qū)工程地質(zhì)特征

礦區(qū)內(nèi)多為裸露巖體，土體分布范圍及厚度均較小。礦區(qū)巖層劃分為2個(gè)工程地質(zhì)巖組:①第1巖組為第四系松散堆積層，由沖洪積層組成，巖性為灰黃—棕黃色亞黏土、含黏土粉砂，粉細(xì)砂，主要分布在土龍溝下游河床及兩側(cè)，以及礦區(qū)內(nèi)地形低洼處；②第二巖組為礦層(體)和礦體底板的堅(jiān)硬半堅(jiān)硬巖組[3]。礦體底板為寒武系炒米店組豹皮狀灰?guī)r，該層巖石致密、堅(jiān)硬，穩(wěn)固性良好,局部軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，抗風(fēng)化能力弱，強(qiáng)度相對(duì)較低，穩(wěn)定性較弱。礦層為三山子組c段，巖性以淺灰色中、厚層細(xì)晶白云巖為主，巖性致密、堅(jiān)硬半堅(jiān)硬，穩(wěn)定性較好，因基巖裸露，巖體表面風(fēng)化強(qiáng)烈，強(qiáng)度相對(duì)較低。F1斷層距離開采區(qū)較遠(yuǎn)，對(duì)礦區(qū)安全開采影響較小。礦區(qū)內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)面主要分級(jí)為Ⅳ級(jí)，區(qū)內(nèi)的裂隙按成因可分為構(gòu)造裂隙和次生裂隙2類。通過進(jìn)行現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和室內(nèi)資料整理，對(duì)巖體裂隙進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，主要可分為2組：①第1組，走向30°～70°，傾向NW，傾角為70°～85°；②第2組，走向?yàn)?30°～170°，傾向SW，傾角為60°～85°。

區(qū)內(nèi)裂隙統(tǒng)特征為：①由于受南北擠壓應(yīng)力場作用，礦區(qū)內(nèi)裂隙以NEE和NNW向最為發(fā)育，裂隙多為構(gòu)造裂隙，具有明顯的方向性和規(guī)律性，微結(jié)構(gòu)受巖體的性狀控制；②裂隙傾角以高傾角為主，占裂隙總數(shù)的79.6%，中傾角較少，占總數(shù)的20.4%，未見緩傾角裂隙；③裂隙呈閉合狀，局部裂隙裂口張開，寬度一般為0.5～2.0 cm，延伸長度為2～8 m，最長達(dá)15 m以上；④裂隙充填物以礫石夾黏土充填為主，局部見方解石脈充填。

3.2 工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

3.2.1 礦區(qū)工程地質(zhì)條件現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

礦區(qū)現(xiàn)狀工程地質(zhì)問題主要是集中在2處人工開采邊坡處，現(xiàn)已形成高陡邊坡，特征見表1。

表1 人工采石邊坡工程地質(zhì)條件現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

以B2邊坡為例，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)。該邊坡平面上呈“L”型展布，最長段大致以124°走向延伸，邊坡直立，巖性為豹皮狀灰?guī)r，屬節(jié)理裂隙崩塌類型。

由赤平極射投影分析可知：邊坡結(jié)構(gòu)為逆向坡，巖體L1組裂隙與坡面成小角度斜交，L2組裂隙與坡面成大角度斜交，裂隙與層面互相交叉切割，2組節(jié)理裂隙的組合交線也以反傾坡內(nèi)為主，因此邊坡整體穩(wěn)定。但L1組裂隙與層面的組合交線傾向于坡外，傾角較大且小于坡角，為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)面，巖體可能沿外傾結(jié)構(gòu)面和組合面產(chǎn)生松動(dòng)或發(fā)生掉塊，現(xiàn)場調(diào)查的刀砍狀凹巖腔就是這樣形成的。由于邊坡較高較陡，使之呈臨空狀態(tài)，同時(shí)受節(jié)理裂隙L1與不利組合結(jié)構(gòu)面的控制，在地表植被破壞及大氣降水沿節(jié)理、裂隙面的滲流影響下，上部危巖體有沿不利組合面向下發(fā)生傾倒、墜落的可能?，F(xiàn)場調(diào)查和統(tǒng)計(jì)資料分析，該地段邊坡裂隙間距較小(為0.5～2.0 m)，裂隙結(jié)構(gòu)面組合較差，巖體被裂隙組合切割，在地震、暴雨等外力作用下，該地段巖體將可能發(fā)生崩塌。

總體上講，礦區(qū)地形地貌條件以及地質(zhì)構(gòu)造簡單，褶皺不發(fā)育，局部斷裂未影響整個(gè)礦層開采的穩(wěn)固性和連續(xù)性，巖體結(jié)構(gòu)以中厚層狀構(gòu)造為主，巖體強(qiáng)度較高，自穩(wěn)定性好，除局部需注意避開或注意外，自然條件下一般不易引發(fā)礦山工程地質(zhì)問題。

3.2.2 邊坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

礦區(qū)巖體類型、結(jié)構(gòu)組合及工程地質(zhì)特征將直接決定礦山開采過程中的主要工程地質(zhì)問題[4-5]。根據(jù)礦區(qū)工程地質(zhì)特征，對(duì)未來礦山開采過程中可能誘發(fā)或加劇的主要工程地質(zhì)問題進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果見表2。

炒米店組地層為礦層底板頂面，坡角緩，穩(wěn)定性好，巖體不利結(jié)構(gòu)面對(duì)礦山開采無影響。礦層巖體開采時(shí)，軟弱結(jié)構(gòu)面由于抗風(fēng)化能力相對(duì)較弱，在上部厚大巖體自重(人工荷載)作用下，底部較弱結(jié)構(gòu)面將產(chǎn)生壓縮碎裂變形，從而導(dǎo)致上部巖體發(fā)生位移，在陡傾拉裂縫擴(kuò)展與層面的組合切割下，單層巖體逐步向下蠕變，持續(xù)發(fā)展上部巖體重心外移，若遇強(qiáng)暴雨、地震將產(chǎn)生較大的水平力，受構(gòu)造裂隙切割的巖體將發(fā)生突然崩塌、滑落。因此，在不利結(jié)構(gòu)面和巖石質(zhì)量強(qiáng)度較低的地段應(yīng)適當(dāng)放緩開采坡角，不同地段、不同階段應(yīng)進(jìn)行安全論證，制定相應(yīng)的開采設(shè)計(jì)方案。總體來講，礦區(qū)礦床工程地質(zhì)勘探的復(fù)雜程度屬于中等型，局部地段易發(fā)生礦山工程地質(zhì)問題。

表2 邊坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)結(jié)果

4 環(huán)境地質(zhì)

4.1 礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)狀

根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2001)，礦區(qū)在50 a內(nèi)超越概率為10%條件下的地震動(dòng)峰值加速度為0.10 g，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ，礦區(qū)構(gòu)造發(fā)育，無新構(gòu)造活動(dòng)跡象，礦區(qū)穩(wěn)定性好。但區(qū)域新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)比較強(qiáng)烈，有歷史記載的幾次地震均影響到該礦區(qū)。礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害不發(fā)育，無重大的污染源，無熱害，區(qū)內(nèi)民井地下水取樣分析結(jié)果顯示，水質(zhì)良好，符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)(Ⅲ類)，無有害物質(zhì)，因此礦坑排水對(duì)地表水、地下水均不會(huì)造成污染，無其他環(huán)境地質(zhì)隱患。

4.2 礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

礦區(qū)多基巖裸露，植被相對(duì)稀疏，多為松樹，礦山的開采對(duì)土地、植被產(chǎn)生一定的影響。礦區(qū)地勢(shì)較高，采礦可產(chǎn)生局部地表變形，對(duì)地質(zhì)地貌景觀會(huì)產(chǎn)生一定的破壞和影響。開采標(biāo)高以上無地下水，不會(huì)影響當(dāng)?shù)鼐用裼盟肮まr(nóng)業(yè)用水，礦山排水也不會(huì)引起大面積地面塌陷、沉降、開裂，對(duì)地表水、地下水環(huán)境的影響較小。礦床礦石和廢石化學(xué)成分基本穩(wěn)定，在開采過程中，將產(chǎn)生一定量的粉塵，但對(duì)礦區(qū)附近居民生活產(chǎn)生影響有限。根據(jù)地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀及礦床開采引起的變化，礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境類型劃分為中等。

5 討 論

由礦區(qū)水文、工程、環(huán)境地質(zhì)條件和礦體的賦存狀態(tài)可知，礦床屬于第一型水文地質(zhì)條件簡單礦床、工程地質(zhì)勘探的復(fù)雜程度屬于中等型、地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量中等，礦床開采技術(shù)條件類型為復(fù)合問題的礦

床。礦山開采過程中，會(huì)對(duì)地質(zhì)環(huán)境造成一定的影響，應(yīng)重視以下問題：

(1)礦山開采和施工道路開拓所產(chǎn)生廢石和棄渣，應(yīng)在工程地質(zhì)勘查的基礎(chǔ)上，合理規(guī)劃場地，在廢石堆周圍設(shè)置匹配的可排水擋墻、擋壩，以及適當(dāng)斷面的截洪溝道及尾礦庫，以免廢石堆臨空界面活化發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害和洪澇災(zāi)害。

(2)對(duì)于采礦產(chǎn)生的廢水，可通過澄清和自然凈化工序，重復(fù)利用，以緩解枯水季節(jié)水源不足的問題。

(3)開挖礦體使圍巖應(yīng)力重分布，巖體穩(wěn)定性降低，應(yīng)對(duì)不穩(wěn)定斜坡采取必要的支護(hù)措施。

(4)礦山開發(fā)必然會(huì)在一定程度上破壞礦區(qū)的自然地形、地貌，應(yīng)在礦山開發(fā)過程中做好土地和地表植被等自然環(huán)境的保護(hù)工作，對(duì)破壞了的自然、地質(zhì)環(huán)境及時(shí)采取土地復(fù)墾、植樹等綜合治理措施。

(5)在礦山建設(shè)過程中應(yīng)加強(qiáng)地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)，防止水質(zhì)污染，做好礦山排水設(shè)防工作。

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Analysis of Mining Technical Conditions of Taoyuan Metallurgical Dolomite Deposit in Fei County, Shandong Province

Fan Yao Wang Hongbo Wei Jun Li Xu Wang Yanwei

(Shandong General Team,China Construction Materials and Geological Prospecting Center)

In order to ensure the rational exploitation of mineral resources and take the sepcific mining measures,it is necessary to identify the mining technical conditions.According to the type of mining surface water and groundwater and the supply and runoff conditions,the mine hydrogeological conditions is analyzed in detail.Combing with the different lithological and structural features,the main egineering geological problems of engineering geological zoning are evaluated comprehensively based on dividing the engineering geological petrofabric.Besides that,the mining technical conditions is identified by investigating the environmental geological status so as to provide some reference for the further design of mining scheme.

Dolomite deposit, Mining technical conditions, Hydrogeology, Engineering geology, Environmental geology

2014-09-03)

范 堯(1985—)，男，工程師，碩士，250100 山東省濟(jì)南市山大北路32號(hào)。