辽西地区某铁矿矿山开采技术条件分析

张志颖,刘占梅,朱佳川,王泽蛟,郑玉新

(辽宁省有色地质局一0九队，朝阳 122000)

辽西地区某铁矿矿山开采技术条件分析

张志颖,刘占梅,朱佳川,王泽蛟,郑玉新

(辽宁省有色地质局一0九队，朝阳 122000)

对矿区地下水类型及补给、径流、排泄条件进行分析，经统计、计算矿坑涌水量，确定了矿床水文地质特征；划分出矿区工程地质岩组，测定了矿体及顶底板围岩力学性质，对岩(矿)体结构类型、完整性等进行了详细统计，明确了矿区工程地质条件;调查了矿区的环境地质情况，确定了矿区环境地质条件。基本查明了矿床的开采技术条件，充分体现水文地质、工程地质和环境地质在矿山开采中的重要意义。

辽西地区；铁矿；开采技术条件；水文地质；工程地质；环境地质

1 引言

辽西地区矿产分布广泛，主要以铁矿为主，多年以来该地区地表矿体大幅度开采，现阶段主要以深部盲矿体开采为主，其中水文地质、工程地质和环境地质对矿床开采具有十分重要的意义。现以某铁矿为例进行分析。

某矿开采矿种为铁矿，开采方式地下开采及露天开采，生产规模20×104t/a，矿区面积12.109 6 km2，开采深度从+700～+350 m,拟开采深度由700～-32.03 m标高。

原露天开采已形成的露天采场，无积水，地下开采以竖井和斜井联合开拓，采用自上而下分段逐个中段开拓。铁矿体赋存于小塔子沟组角闪斜长片麻岩中，呈似层状产出，有矿体被脉岩错断。

2 水文地质

2.1 自然地理条件

该区位于辽西低山丘陵区，山势较缓，地形切割强烈，沟谷发育，地表植被覆盖较少，岩石裸露面积较大，海拔高度一般为350～650 m左右。

沟谷除雨季有水外，其余季节为干涸状态，属温带大陆性季风气候，干旱-半干旱地区，年降水量多集中在7～8月份以暴雨形式降落，年最大降水量为719.2 mm，月最大降水量为265.1 mm，日最大降水量80.5 mm，蒸发量在1 600～1 850 mm左右，年平均气温12.80°C。最大冻土深度在1.00 m左右。

区内水文网不发育，无常年性河流，仅在第四系冲坡积覆盖区内，在雨季时形成暴涨急消的季节性汇水区，多以地表径流排泄区外，少量补给地下水，最低侵蚀基准面出现在矿区西南部101国道附近为350 m。

2.2 含水层划分

含水层共2个，分别为：第四纪孔隙潜水含水层；基岩裂隙含水层。化学类型为重碳酸钙镁型，pH7.2～7.7，总矿化度为0.093～0.544 g/l。

2.2.1 第四纪孔隙潜水含水层

该含水层主要分布谷底两侧，由粘土、粉质粘土、残坡积层、碎石土等组成。因采区形成大面积露天旧采，地表粘性土多被剥离，致局部含水层缺失。该层厚1～10 m，水位 4.3～7.8 m，多数民井采矿期疏干，无水位。含水层含水性差，只在采区谷底施工平整部位少量含水，枯水期不含水，大气降水为主要补给源，少部分由矿坑排水泄漏补给，属弱-中等富水。

2.2.2 基岩裂隙含水层

该区域内各采区基岩裂隙含水层，岩性以小塔子沟组角闪片麻岩等变质岩为主，因采区多年施工剥离，使上覆层较薄，大部分岩石裸露风化，裂隙呈不规则网格状发育，内多呈闭合状态，大气降水多以地表径流形式排泄出区外。

本区未做抽水工作，收集区域相邻矿山抽水资料。K=0.033 m/d,R=360.00 m，单位涌水量q<0.1 l/s·m，属富水性弱的含水层，地下水化学类型为重碳酸钙镁型，总矿化度327.71 mg/l，pH7.63。

2.2.3 隔水层

该区隔水层岩性为闪长岩，以岩脉形式产出，该部分岩石致密，岩体完整，施工钻孔以长柱状岩芯为主，无涌漏水，岩脉充填占据了构造空间，阻隔了其含导水性，因此视该部分为隔水层。

2.3 地下水补给、径流、排泄条件

该区域内的含水层主要补给源以大气降水补给为主，地形地貌有利于地表水排泄，主要含水层为基岩裂隙水。第四系含水层含储水性差，雨季形成短暂汇水区域后，排泄出采区，汇入季节性河流。

2.4 矿床充水因素

直接充水含水层为基岩裂隙水，开采揭露后，成为矿坑充水涌水量增大的主要因素。

该区域裂隙水虽为直接充水含水层，但其深部岩石裂隙多呈闭合状态，含富水性较弱。而第四纪孔隙潜水含水层对深部开采为间接充水含水层，对于露天开采，孔隙含水层被剥离，大气降水为直接充水因素。

2.5 矿坑涌水量预测

因本区域周边及相邻矿山较多，利用相邻矿山水文地质资料参数预测矿坑(中段)涌水量，而露天采场大气降水采用近几年喀左县气象局资料计算采场涌水量。

方案确定和公式选择：

根据矿区开采方法和矿坑充水因素，矿坑涌水量分为两部分，露天采场部分和矿坑(中段)部分。

2.5.1 露天采场涌水量

各个采区分不同标高露天开采，采场水量主要受大气降水的补给，露天采场底部无积水，即无侧向补给，以大气降水垂直补给，计算公式为：

(1)

式中,Q降1-3为直接降落在露天采场上的大气降水量(m3/d);F为露天采场面积(m2) ；W1-3为降水量分别按年均W1，月最大W2，日最大W3计算；t为时间分别按365 d、30 d、1 d计算。

大气降水量(气象资料)：

历年平均降水量W1508.5 mm；

历年月最大降水量W2265.1 mm；

历年日最大降水量W380.5 mm。

开采面积：各个采区，根据露天采场底部从图上量取开采面积。每个采区对采场分别编号，计算面积，计算水量。将各个参数带入上述公式，计算结果见表1(露天采场面积大气降水量表)。

表1 露天采场面积大气降水量表

续表1

采区采场编号采场面积F/m2W1/mW2/mW3/mQ降1-3=FWt/m3·d-1Q降1Q降2Q降3Q降2总水量/m3·d-1Z采区ⅠⅡⅢ40312593630.50850.50850.50850.26510.26510.26510.08050.08050.08050.5611.7540.5063.56111.1253.20832.442101.34929.22217.894S一、二采ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦ18712278467180830574325900.50850.50850.50850.50850.50850.50850.50850.26510.26510.26510.26510.26510.26510.26510.08050.08050.08050.08050.08050.08050.08052.6073.1746.5071.1264.2590.6020.82216.53320.13041.2767.14027.0143.8175.214150.616183.379376.01565.044246.08934.77647.495121.124L一采ⅠⅡⅢ228532779295880.50850.50850.50850.26510.26510.26510.08050.08050.080531.83838.71813.358201.944245.58984.7261839.6662237.256771.834532.259XY一、二采ⅠⅡⅢⅣ144060949000256570.50850.50850.50850.50850.26510.26510.26510.26510.08050.08050.08050.08052.0068.49012.53835.74412.72553.85179.530226.722115.920490.567724.5002065.389372.828H一、二采ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ553025630199256345147031810.50850.50850.50850.50850.50850.50850.26510.26510.26510.26510.26510.26510.08050.08050.08050.08050.08050.08057.70435.70627.7598.84020.4830.25248.857226.484176.07156.068129.9251.599445.1652063.2151603.963510.7721183.59214.571640.255S四采ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦ1260163831545118011301748126370.50850.50850.50850.50850.50850.50850.50850.26510.26510.26510.26510.26510.26510.26510.08050.08050.08050.08050.08050.08050.08051.75522.8242.1521.6441.5742.43517.60511.134144.77113.65310.4279.98515.446111.669101.4301318.832124.37394.99090.965140.7141017.278316.694Y四采ⅠⅡⅢ3477190973670.50850.50850.50850.26510.26510.26510.08050.08050.08054.8442.65910.26330.72516.86965.099279.899153.675593.044112.693

表中有3种降水量，可作为选择露天采场涌水量，选择用年降水量Q降1值偏小，选择Q降3值偏大，可能几十年不遇；选用降水量Q降2为各采场降水因素值，做为露天采场正常涌水量是比较合理适宜的。

2.5.2 矿坑涌水量(水平中段)

(1) 各区矿坑涌水量见表2。

未统计涌水量的采区为停产状态未抽水或者地表露天开采。

(2) 矿坑涌水量预测

就现有资料(收集相邻矿山抽水试验参数)计算本次核实一些需要深部预测的采区涌水量。

计算公式：

表2 各区矿坑涌水量一览表

式中,Q为含水层涌水量(m3/d)；K为渗透系数(m/d)；H为开采深度(m)；M为含水层厚度(m)；F为坑道开采面积(m2)；R为影响半径(m)；r0为大井半径(m)。

综上，矿坑涌水量预测，露天开采降水量以Q降2水量为采场涌水量为宜。

坑道(水平巷道)未来涌水量，大井法计算后，涌水量128.972 m3/d～1 164.377 m3/d为宜。

2.6 水文地质类型复杂程度类型划分

采区内无地表水体，地表未发现大的含导水构造，含水层含水性差，富水程度弱，且补给条件差，主要以大气降水补给。施工巷道未发现大的含导水构造，坑内涌水量相对较小。各个采区排水量70 m3/d～230 m3/d。本区水文地质条件复杂程度类型划分为水文地质条件简单。

2.7 供水及地下水综合利用

本区内无大的地表水体，沟谷及冲沟季节性河流，局部冲积坡积层含有孔隙水，各采区可视具体情况，施工大口径水井抽取用于生活用水。矿坑内水仓储存水，可满足生产用水，生活用水也可在区外矿山影响半径(降落漏斗)外第四系季节性河流两侧施工供水井，为水源地。

3 工程地质

3.1 工程地质岩组

据采区岩性成因、结构特征和物理力学性质分为：第四系松散软弱类工程地质岩组；基岩块状岩组。

3.1.1 第四系松散软弱类工程地质岩组

该组分为冲洪积粉质粘土、砾石、卵石岩组；坡洪积(残积层)的粉质粘土、粉土、砂砾、砾石组成。

(1) 冲洪积粉质粘土、砾石、卵石岩组

该组分布于各采区内外的季节性河流及两侧沿岸，为冲洪积层。上部为粉质粘土，不连续，结构松散-稍密状态，厚度0.5～1.0 m；下部为砾砂、卵石、砾石层，成分复杂，粒度差异性大，磨圆度及分选性差，呈干-湿，局部饱和状态。据收集资料，粉质粘土抗压强度10～120 MPa。

(2) 坡(残)洪积粉质粘土

该岩组分布于低山山前冲沟，为坡积堆积物，岩性为粉质粘土含砾及碎石(薄层)，厚度0.5～5 m，局部保持原地层结构。

3.1.2 基岩块状岩组

该组岩层分布各区占2/3，主要岩性为太古界建平群小塔子沟组(Arjnx)的中-深变质的斜长角闪片麻岩，同时见有脉岩类闪长岩。

(1) 基岩块状脉岩岩组

脉岩岩组主要分布于采区中部的斜长角闪片麻岩中，呈侵入接触。岩石抗压强度42.95 MPa，饱和状态23.45 MPa，抗剪强度摩擦角45.2°，粘聚力2.71 MPa，软化系数0.55，RQD值50%～75%，属较软岩类。

(2) 基岩块状岩组

该岩组分布各采区，面积占各采区的2/3，为矿区矿体顶底板围岩。岩性为太古界建平群小塔子沟组(Arjnx)斜长角闪片麻岩。结构面Ⅳ级结构为主，有2～3组，多呈NE20°～60°，NW290°～350°，倾角70°～80°，闭合状态，结构体为立方体、长方体，多棱体等。

(3) 分别测试岩石容重、抗压强度等力学试验

围岩片麻岩：饱和抗压强度101 MPa，密度3.07 g/cm3。

矿石：饱和抗压强度130.4 MPa，密度3.31 g/cm3。

该岩石及矿石属坚硬岩(矿)石，岩体完整程度为完整-较完整，岩体基本质量等级为Ⅰ～Ⅱ级。

3.2 工程地质现状评价

工作区工程地质划分为2个工程地质岩组：

(1) 第四系松散软弱类工程地质岩组

松散力学性较低，稳定性较差，但该层在矿层上覆较少，局部因露天开采已先期剥离，对采场边坡的稳定性影响不大。

(2) 基岩块状岩组

矿床为斜长角闪片麻岩内铁矿，岩石及矿石坚硬，顶底板稳定，岩体完整程度为完整-较完整，质量等级较高Ⅰ～Ⅱ级。区内构造简单，以褶皱为主。岩石节理裂隙不甚发育，稳定性较好。工程地质类型属第三型，坚硬半坚硬岩层为主的非层状矿床。

3.3 工程地质条件预测评价

该矿区的各个采区都有露天采场，在浅部采坑逐渐加深后，从经济和安全技术等因素的影响下逐步转入地下开采。现调查统计地表采场遗留或正开采，但未发现塌方等安全事故。矿体于围岩界限清楚，坑道内顶板及两壁未发现冒顶片帮现象，水平巷道除少量较破碎地段外，一般不需支护，但本矿区个采区的露天采场易出现以下不稳定因素：

(1) 因采场施工人员更迭，采场剥离不彻底，安全平台安全宽度不够宽敞，边坡角和工作边坡角过大，台阶尺寸过小，不安全。

(2) 露天采场的片帮、冒顶、顶板危石，应及时清除，过陡部位应进行削坡、放坡处理。深部采坑应设水泵排水，坑底不应有积水。

(3) 采矿场部位要处理好，顶盘及端帮上的浮石露采时要执行采剥并举，剥离先行，由上而下分台阶开采，严禁掏采，台阶高度按设计布置。

综上，本区属露天、地下联合开采，工程地质条件中等。

4 环境地质

4.1 环境地质现状评价

由于矿山已开采多年，前期以露天开采为主，现有采坑(采场)多个，规模不等，形状各异，对土地和地表植被已造成轻微-中等程度的破坏。对地形地貌景观上造成凹凸不平，使自然环境在局部或宏观上有所改变。边坡角一般65°～70°，局部近直立。部分采场发生过掉块现象，引发因素：一是采场边坡比较陡；二是上部岩土体经震动节理裂隙发育疏松；三是降水。

根据坑道调查，井巷稳定性较好，目前无冒顶、片帮现象，除局部有破碎的地段需要支护外一般不需要支护。

通过多年开采，没有造成矿区及周边地表水体的漏失和主要含水层水位下降。

4.2 矿区环境地质预测评价

矿山各采区现为露天、地下同时开采，对环境污染和破坏程度较小。

区域稳定性，本区及周边地区地震设防烈度按《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)划分矿区地震烈度为6度，设防基本地震加速度为0.05 g，设计地震分组为第二组，场地类别为I0，地震反应谱周期为0.25 s。

矿山开采可能诱发掉块、冒顶、采空区地面塌陷、矿井突水等地质灾害。

对环境有影响的主要因素为:

露天采场剥离的废石排放场；露天采坑使环境受到破坏，露天采坑排出的少量废水；露天采场凿岩、爆破及运输过程中产生粉尘，污染环境。

井下采矿造成地表掉块，影响自然环境和景观，废石场的二次扬尘。

就其上述因素，应采取以下措施：

排出的废石土，堆放固定排岩场，待复垦时用于回填采坑；采坑废水及雨水及时排出作业区，特别是旧采老隆积水要及时疏干；采场及运输道路要洒水除尘；在坑上及周边及其上方设置截洪沟，预防洪水和泥石流；要因地制宜的实施复垦绿化，恢复生态环境。

综上，本区环境地质条件属中等。

5 结语

(1) 辽西小塔子沟组地层为成矿有利层位，该区构该层位赋存有大量Fe类矿床。

(2) 在该区表生矿体日益贫乏的时期，小塔子沟组地下开采部分逐渐被人们所重视，在该过程中水文地质、工程地质和环境地质将在其中发挥重要作用。

[1] 国家技术监督局.矿区水文地质工程地质勘探规范(GB12719-1991)[S].北京：中国标准出版社,1991.

[2] 李守义,叶青松.矿产勘察学[M].地质出版社，2003.

[3] 翟裕生,邓军,李晓波.区域成矿学[M].地质出版社，1999.

ANALYSIS OF MINING TECHNICAL CONDITIONS OF AN IRON ORE MINE IN WESTERN LIAONING

ZHANG Zhi-ying，LIU Zhan-mei，ZHU Jia-chuan，WANG Ze-jiao，ZHENG Yu-xin

(No.109 team of Liaoning Nonferrous Metal geological Dureau，Chaoyang 122000，China)

Analysis of Mining area groundwater types and supply, runoff, excretion conditions, through statistic and calculation of pit water gushing amount, hydrogeological characteristics of deposit is determined. Divided mining engineering geological rock group, measured the mechanical properties of the ore body and the roof and floor surrounding rock, made a detailed statistics of roc km ass and orebody structure type, integrity and so on, the engineering geological conditions of mining area were defined. Investigated the environmental geological conditions of mining area, the environmental geological conditions of mining area is determined. Basically found out mining technological conditions of deposit, it fully reflects the significance of hydrogeology, engineering geology and environmental geology in mining.

western Liaoning;iron ore;mining technical conditions; hydrogeology;engineering geology;environmental geology

黄轲(1989- )，男，汉族，工程师，本科学历，研究方向：三维GIS应用，E-mail：huangke@mapgis.com

1006-4362(2017)02-0093-06

2017-02-17 改回日期： 2017-03-15

TD167

A

张志颖(1985- )，女，辽宁朝阳人，工程师，主要从事水文地质、工程地质、环境地质以及相关方面的工作。 E-mail:503945280@qq.com