南亨铁矿周边岩溶治理与露天采场涌水防治

何定杆，曾明忍

(江西省崇义县矿产资源管理局， 江西崇义县 344200)

南亨铁矿周边岩溶治理与露天采场涌水防治

何定杆，曾明忍

(江西省崇义县矿产资源管理局， 江西崇义县 344200)

南亨铁矿凹陷露天采场邻近的北侧、东南侧有助水坑支流和渥江河流经，有侧穿而过的105国道。随着凹陷采区开采下降，坑内涌水量明显增加，露天采坑疏干漏斗影响范围和地面岩溶塌陷影响范围逐渐扩大，影响了周边环境的安全。为此，矿山对采区周边进行了物探勘察和地灾调查及危险性评价，并对岩溶发育地段进行了研究，并对周边岩溶和采场涌水进行治理，采区内涌水量补给显著减少，确保了采区范围内的稳定和安全。

露采；岩溶；疏干漏斗；塌陷；涌水治理

1 矿山概况

南亨铁矿系凹陷露天开采铁矿山，生产规模为10万t/a。矿区地处渥江河南北河谷阶地南端西岸，为中低山区丘陵地带。露采区地表近似水平阶地，海拔标高＋329.7 m。采区东南边坡距渥江40～50 m，北侧边坡距助水坑支流25 m，西侧为＋431.2 m标高的铁砧寨山；区内周边附近无水力设施无文物保护点。采区外所在地东侧和北侧散布有民居。

矿山经过多年断断续续的开采，目前北矿段露采区已开采至＋282 m标高，南矿段待开采。

2 矿区地质

据南亨铁矿普查地质报告，本区地层自西向东分布有下石炭统碎屑岩，中上石炭统白云质灰岩和灰岩，地层为北北东走向，倾角40°～50°，倾向南东东，河谷分布有第四系表土。矿区内侵入岩体有花岗斑岩和石英斑岩，中心相为花岗岩，边缘相为石英斑岩，组成倒贯岩枝和主体岩墙。铁砧寨岩体出露在矿区中部，横岭上岩体地表为石英斑岩，分布在矿区东南部，呈不规则岩墙产出。

花岗斑岩体的外接触带形成有不均一的热变质岩石带，热变质带由大理岩，大理岩化灰岩，红柱石角岩，石英岩等变质岩组成。由接触交代作用形成矽卡岩和简单矽卡岩脉，岩体边部的石英斑岩局部矽卡岩化。矿体分布于接触面及附近100～200 m范围内，矽卡岩和矿体与围岩多呈突变接触，界线分明。

矿区以断裂构造为主，NNE向断裂主要分布于矿区西部及西北部，主要有F3～F9等7条断裂带，表现为冲断裂、挤压带、破碎带、硅化破碎带，显压性兼扭性特征。走向NNE，倾向SE，倾角60°～70°，个别倾向NWW，倾角50°～70°。F9为硅化破碎带，产状295°∠50°，沿构造带有石英斑岩侵入。NWW向断裂以F12、F13为代表，产状20°～25°∠70°～75°。F12由角砾岩充填，断裂带3～5 m，属张扭性，其南盘向西移动，而F13断裂其南盘向东移动。F10北东向断裂，发育于花岗岩体与矿体之间，断裂面呈舒缓波状，显压扭性，产状90°～120°∠68°～70°。北端斜切石炭系中上统石灰岩，岩溶发育，为充水导水断裂。上述构造位于铁矿体以西，对矿体不造成影响。

南亨铁矿为一小型铁矿山，发现并圈定有13个矿体，系铁多金属矿体矿床。呈似层状，透镜状产出，厚度几厘米至7～8 m不等。矿体延长308～420 m，延深100～200 m。

矿石以矽卡岩块状矿石为主，部分为条带状矿石，工业类型分为富铁矿(FeA)和贫铁矿(FeB)二种。主要为磁铁矿，少量赤铁矿和方铅矿、闪锌矿，黄铜矿。

3 开采技术条件及开采现状

3.1 水文地质条件

本区地下水主要为松散岩孔隙水、碳酸盐岩裂隙溶洞水、基岩裂隙水。地下水补给来源主要为大气降水，采区在开采时可获得渥江河地表水补给。松散岩孔隙水分布于矿区东部渥江沿岸河谷地区，含水层由第四系全新统冲洪积层组成，上段亚粘土弱含水，下段为沙砾石富水性强，并直接覆盖于岩溶含水层之上，厚度为2.5～3.0 m，单井涌水量为500～1200 m3/d。碳酸盐裂隙溶洞水分布于矿区东部，地下水以大气降水补给为主，地下径流模数为3～5 L/s·km2，富水性中等偏贫乏；覆盖型裂隙溶洞水分布在矿区东侧河谷沿岸，上覆8～34.3 m第四系全新统冲洪积层。基岩裂隙水分布于矿区南部和西部，地下水主要赋存于风化裂隙与构造裂隙带中，单井涌水量为30～80 m3/d，地下径流模数为1.5～3 L/s·km2，富水性贫乏。

本矿凹陷露天采区位于铁砧寨山东坡坡脚，采区地表近似水平阶地，海拔标高＋329.7 m。在采区侧分布有2条小河流，其中，渥江河由南向北流经采场的东南边缘，西距露天采区东南边坡40～50 m。据2003年12月测量资料，该河流流量32309 m3/d。暴雨季节河流流水骤增，最高洪水位＋330.5 m。助水坑溪为一小溪流，由西向东途径采区北外侧，南距露天采区的北边坡25 m，该溪流在北东下游与渥江河汇合后继续北流。据2003年12月河水测量资料，助水坑支流量为8031 m3/d。

由当地1992～2010年气象资料可知，矿区平均年降水量1569.4 mm。1996年8月为每年最大降雨量月431.9 mm，其中 8月2日为最大日降雨量143.2 mm。

采区开采至＋282 m标高后，周边河床及岩溶边坡治理前，采区内涌水量经过多年实测，正常日涌水量 5760 m3/d(2条河流补给采区水量达 2707 m3/d)，预测日最大暴雨补给量8377.2 m3/d，最大暴雨时总排水量为14137 m3/d。

3.2 工程地质条件

南亨铁矿圈定的13个矿体，其中V4、V11二个为主矿体。V4矿体产于花岗斑岩与碳酸盐岩接触面上，其余矿体离开接触面充填于外接触带裂隙中。矿区北矿段已经凹陷露天开采方式采至＋282 m标高。构成采区边坡的主要岩石有:松散岩类、基岩碎屑岩类、碳酸盐岩类3种岩石。其中，松散岩石类遍布全区，主要由第四系全新统冲洪积、残坡积、南帮素填土，平均厚度8～12 m，结构松散，密实度差，透水性较好，边坡稳定性差；基岩碎屑岩类主要分布于西帮，其次为南帮北帮，岩性主要为强～弱风化花岗斑岩。强风化带深度10～15 m。强风化岩属于软岩类，弱风化—新鲜岩石呈半坚硬块状，层状，强度高，属于硬质岩类较硬岩石，稳定性较好；碳酸盐岩石类主要分布于采区东帮，其次为南帮北帮。由石炭系厚层状灰岩、白云质灰岩等组成，地下岩溶发育，一般发育深度为70 m。岩石致密坚硬，强度较高，属较硬岩，稳定性较好。

3.3 露采区开采现状

南亨铁矿于1999年末正式开始凹陷露天采矿。开始选择在铁砧寨山东坡北矿段开采，即在渥江西侧与助水坑支流南侧的寨足下进行露采。开采对象为区内13个矿体，其中主矿体V4出露地表，其余12个铁矿体包括V11次主矿体均呈半隐伏，隐伏矿体产出。

本凹陷露天采场按台阶高9.5 m、台阶坡面角55°～65°进行开采。随着开采深度的下降，采区一侧的渥江河和助水坑支流有部分河水经岩溶裂隙涌入采坑，并逐步出现矿区外围的地下水位下降，引发附近岩溶发育的部分地段开裂或下陷的现象。矿山通过对岩溶发育地段进行了局部治理，取得了一定效果后，又于2005年初继续在凹陷露天矿场采矿，至目前止北矿段已开采至＋282 m标高，而南矿段待开采。

针对采区北、东南二侧小河河水通过岩溶发育带或裂隙涌入采区的现象，以及随着开采深度下降，由于采区排水而出现的矿坑疏干漏斗范围与地面岩体塌陷影响带有进一步向北、南、东3个方向扩大，危及更大范围村庄和105国道安全通行等问题，提出并实施了岩溶治理和采区防治水措施。

4 采区周边物探勘察与地下岩溶治理

4.1 采区周边物探及岩溶分布情况

矿山于2005年10月下旬对采区疏干塌陷影响范围进行了物探勘查(电法)，电法勘查成果表明:勘查路段裂隙岩溶发育在地面40 m内，属于强岩溶发育带。高密度断面岩溶特征表明地下岩溶不含水；电法查明土体结构松散部位有12处，岩溶发育区有42处，裂隙发育带2条，破碎带1条。其松散部位发育深度2～3 m；岩溶发育中心埋深变化较大，一般为15～30 m，个别达35 m深度。

其次，2012年12月开展了岩溶物探勘查。本次应用物探手段调查矿区周边附近的岩溶发育分布情况如下。

(1)将全区岩土划分为2个地球物理层:覆盖土层和基岩。其中，覆盖土层包括第四系土层和全、强风化岩层，厚度在5～30 m之间，平均厚度在15～20 m；基岩包括中、微风化灰岩，埋深在5～30 m之间，平均埋深在15～20 m。

(2)跨矿区段105国道微发育的B1、B2溶洞和B3、B4岩溶带，以及矿区北侧的D1、D2、D3、D4、D5五个岩溶发育带并非区域内全是空洞，其内含有包括小块岩石、岩块和充填物及水等特征。

(3)物探发现了5条岩溶发育带及4个岩溶发育区。岩溶发育带大体呈北东走向，推测5条岩溶发育带沿断层或破碎带等软弱带发育。

(4)助水坑溪一侧的5条岩溶发育带呈北东走向，均指向采坑，系与采场有关的主要导水构造。根据矿区北边方向的断层及破碎带发育，由此得出北侧的5条岩溶发育带是沿断层或破碎带等地质软弱带发育的，助水坑河侧岩溶较发育。与前一次物探在助水坑河北岸探明的该地段岩溶发育吻合。

(5)105国道发现有B1、B2二个溶洞和B3、B4二个岩溶发育区，规模较小，岩溶微弱发育。与南矿段(未采)较近的105国道路段仅探明有一个B1溶洞，距采区200 m。而105国道上探明的其余3个溶洞在矿区东北方向，距采区最近的B2溶洞有490 m、最远的B4岩溶发育区有720 m。

综上二次物探勘察成果，为采区东侧105国道的通行安全评价提供了依据。岩溶发育主要受断裂构造影响和控制；溶洞沿可溶性和非可溶性接触面发育；地表浅部岩溶发育，随着深度加深岩溶减弱。勘查可知，＋290 m标高以上岩溶最发育，深度一般在70 m内，最大深度92.27 m，岩溶发育不均一。

4.2 采区周边岩溶治理

矿山对南亨铁矿采区周边岩溶发育带及采区涌水量较大等问题实施了工程治理。

(1)经调查，2001年底露天采场采深20 m时，日排水3840 m3，距采场北360～860 m之间发现一处地面及一处民宅墙体开裂、一口水井干枯。通过对异常图分析，三个异常点均位于可溶岩与非可溶岩接触带旁，因此受采区排水疏干作用的影响，牵动了这条导水裂隙地下水位下降所致；至2003年底，露天采场采深41 m时，采坑日排水量5040 m3，这一年诱发地面塌陷点8个、地面开裂6处。距采场北东方向860 m处的105国道也受到影响，即在新拓宽路面上产生一条长度20～50 m、宽5～8 mm地面裂逢。事后，矿山委托江西赣南地质工程院对此进行了地质灾害调查，提交了《南亨铁矿地质灾害危险性评价报告》。根据圈定的露天采坑疏干漏斗影响范围和地面塌陷影响范围，矿方于2005年投资了800多万元对该范围内的民居、学校进行了整体搬迁。

(2)在露天采区北侧的D1、D2、D3、D4、D5五个异常带及附近布置止水帷幕封堵导水构造。在止水帷幕施工前，先在异常带附近布置钻孔及跨孔CT法，进一步查明岩溶发育情况。针对采区北侧五个岩溶异常带，矿山对采区北边坡与助水坑河南岸地段，以及东南侧沿渥江河西岸完成了129个钻孔总孔深1618.79 m的帷幕注浆工程施工。通过对围绕采区的渥江河和助水坑支流一侧边坡的帷幕注浆处理，有效的阻止了地表河床的水流渗透至采坑的现象，从而阻止了采区周边地下水位的下降，原先诱发的几处地灾点一直保持稳定状态，耕地正常耕作，露天矿坑疏干漏斗和地面塌陷的影响范围明显收缩。

(3)针对邻近采区的105国道两侧物探发现的4个B1～B4岩溶微发育区，矿山对靠近采区的B1、B2二个溶洞实施了钻孔注浆填埋。对远离采区的B3、B4岩溶发育区，矿山对该路段设置了长期监测点，确保公路安全通行。

通过以上岩溶治理，基本上杜绝了因为采区继续采矿引发周边地下水位再下降的不利局面，地质环境趋于良好。

5 采区疏干漏斗及涌水防治

5.1 采区疏干漏斗

凹陷露天采区在开采至＋282 m标高后，在邻近采区的0.8 km渥江河段改道浇筑河床前，以及在采区北侧、东南侧岩溶发育段边坡钻孔帷幕注浆治理前，采区内实测的正常日涌水量5760 m3/d，预测一日最大暴雨补给量8377.2 m3/d，最大暴雨时总排水量为14137 m3/d。矿山以11台ISJ150-400型离心泵(单台功率45 kW、流量160 m3/h、扬程 60 m)。正常情况下，采坑内同时开动6台该型水泵即可保证正常涌水量5760 m3/d在6 h内排完；而最大暴雨时采场总排水量为14137 m3/d，同时开动11台该型水泵仅8.1 h能排完最大暴雨时采场涌水量。

据统计，至2005年12月止由于矿床开采的排水疏干，诱发地质灾害28个。采坑疏干漏斗及地面塌陷影响范围从采区南邦南推100 m为界，北面以角车尾自然村北侧为界，南北长1200 m；东西方向以覆盖型岩溶含水层边界为界，东西宽300～450 m，影响面积达40875 m2。

5.2 采区涌水防治

针对助水坑支流和渥江河部分地表水通过岩溶发育地段渗透至采区，补给水量达47%，从而出现采区疏干漏斗及塌陷影响范围的现象。经地灾危险性评价调查分析，本采区涌水由南东侧渥江河水定水头补给，北面角车尾村北侧可能存在阻水岩体，或渥江河水沿地下裂逢直接灌入地下定水头补给所致。为此，矿山在进行岩溶发育地段治理的同时，采取了以下防治水措施。

(1)2006年6月，矿山就邻近采区0.8 km长的河段按二十年一遇洪水水深2.78 m的要求，实施了渥江河的裁弯取直改道工程施工。根据二十年一遇洪水通过量，改道河床断面为梯形，河面底宽15 m，深度3.5 m。邻近采区的河床底按双层钢筋布置、C25强度的混泥土浇筑，厚30 mm；河侧墙体2.4 m以下采用浆砌片石墙体，厚平均1.25 m，以上为土堤。从而减少了渥江对采区的补给水。

(2)2006年，矿山沿助水坑支流南侧采区边坡，沿渥江河西侧采区边坡进行了凿岩钻孔(孔径110 mm)，完成129个共计1618.79 m钻孔工程，而后通过钻孔采取高压帷幕灌浆固化风化层和岩溶发育岩层。帷幕注浆材料消耗水泥1167.56 t、中粗砂、水玻璃若干。通过对采区沿河侧边坡的钻孔帷幕注浆工程施工，砂砾层地下水渗漏现象已基本封堵。从采区现场可知，钻孔帷幕注浆工艺技术有效地防止了潜水以面流的形式渗漏，达到了基本阻隔助水坑支流和渥江河河水通过岩溶裂隙或溶洞渗入采区内。随着采区向南推进开采，东南侧边坡的帷幕注浆钻孔及注浆施工须提前跟进。

通过采取上述岩溶治理和防治水工程施工并举的技术措施，采区涌水量明显减小。经2007～2014年多年测算，采坑内平均日正常涌水量2950 m3/d，其中渥江河、助水坑支流补给量仅为850 m3/d。预测的最大涌水量为4800 m3/d。达到了采区水患防治的预期效果。

6 结 论

南亨铁矿通过对采区周边的二次物探勘察和一次地质灾害危险性调查与评价，明确了治理对象和治理工艺技术措施。对露天采坑疏干漏斗和地面岩溶塌陷影响范围内民居实施的整体搬迁，确保了居民安全。其次，对侧穿而过的105国道查明的岩溶发育地段采取了钻孔注浆填埋和长期监控等手段。第三，对邻近采区的渥江河段进行了裁弯取直改道和混泥土浇筑河床，对采区北边坡和东南边坡岩溶发育地段实施了钻孔帷幕注浆。针对性采取的多种工程治理措施后，随着露天采场继续向南推进及下采，坑内涌水量的补给显著减少，既确保了采区北边坡、东南边坡的稳定与安全，又使露天采坑疏干漏斗及地面塌陷影响范围明显收缩，取得了良好的治理效果。

[1]江西省龙南县南亨铁矿露天开采初步设计(安全专篇)[R].邯邢:河北邯邢矿冶设计院，2013.

[2]江西龙南南亨铁矿岩溶物探勘察报告[R].广州:广东省地质物探工程勘察院，2013.

[3]江西省龙南县南亨铁矿地质灾害危险性评估报告[R].赣州:江西赣南地质工程院，2008.

[4]沈万里.宣世进.岩溶塌陷形成机制及防治方法研究[J].科协论坛，2009(01):94-95.

[5]张 伟.抽水岩溶地面塌陷的形成及防治[J].石家庄经济学院学报，1996(01):46-51.

[6]王 红.浅埋岩溶地区地面塌陷的注浆治理技术[J].采矿技术，2005(01):33-35.

[7]采矿手册编委会.采矿手册·第三卷露天开采[M].北京:冶金工业出版社，2008.

2015-10-09)

何定杆(1963-)，男，采矿工程师，从事矿产资源开发方面的管理及技术工作，主要研究矿山开发中的安全问题及采矿方法优化，Email:13879785559@163.com。