地下开采金属矿区地质环境监测方案优化研究——以鸡冠咀金铜矿为例

夏 芳， 王 飞， 陈彦美

(1.长江大学 资源与环境学院,湖北 武汉 430100； 2.湖北省地质环境总站,湖北 武汉 430034)

地下开采金属矿区，对地质环境的影响几乎涵盖岩石、土壤和地下水。通过对金属矿山地质环境的动态监测，可以了解矿山地质环境问题及其危害，观测矿山地质环境的变化，预评矿山环境发展趋势，为合理且有效的开发矿产资源、维护矿山地质环境、矿山生态环境的恢复和整治提供理论基础[1]。近年来，中国相继出台《地质环境监测管理办法》(2014年7月1日)、《矿山地质环境监测技术规程》(DZ/T 0287—2015)等相关法规来规范矿山地质环境监测，但在实际操作过程中，不同矿山监测内容、监测项目、监测范围及监测点的布置应根据其实际情况进行调整。本文以鸡冠咀金铜矿地质环境监测为例，探讨在理论分析的基础上，确定矿区监测内容、监测项目、监测范围及监测点的布置方法，并探讨如何利用新技术、新方法实现对矿区地质环境的实时动态监测。以期为同类地下开采金属矿区的地质环境监测提供依据。

1 地下开采金属矿区对矿山地质环境系统的影响

矿山地质环境系统是指曾经开采、正在开采或准备开采的矿床及其临近地区，矿业活动所影响到的岩石、土壤、地下水、地质作用和现象及其与大气圈、水圈、生物圈之间相互作用、相互影响所组成的相对独立的环境系统[2]。这一系统是以岩石圈为依托、矿产资源开发为主导，不断改变着地球表面和岩石圈自然平衡状态的地质环境[3-4]。

地下开采金属矿区在开采过程中会形成巨大的采空区，导致周围岩体原始应力平衡状态遭到破坏，在应力重新调整到新的平衡过程中，上覆岩土层在时间和空间上发生移动、变形，形成盆地、漏斗状塌陷坑和台阶状断裂，当这种压力扩展到岩层以外的地区时，在被开采空间上方就会形成许多裂缝[5]。山地、丘陵地区则诱发山体开裂、崩塌、滑坡等其他地质灾害。而地下开采对水资源与水环境的影响也巨大，如强制性抽排使地下水疏干，以及采空区上部塌陷开裂使地下水、地表水渗漏，严重破坏了水资源的均衡和补径排条件，导致矿区及周围地下水位下降、泉流量下降甚至干枯，地表水流量减少或断流[6]。

采矿形成的矿坑水、选矿废水等多就近向沟谷、河流排放，以及采矿废石、煤矸石、尾矿渣等堆放不当，构成了矿区水体和土壤的污染源。矿区内水体污染包括矿区地表水污染和地下水污染。最为常见的是矿山将大量矿坑水和采选废水直接排放到矿区周边的河流、沟渠或池塘，使矿区地表水体受到污染；由于河流变成了矿山废水的排泄通道，使得河道两侧浅层地下水受到不同程度的污染；含有害化学元素的废渣，因降雨浸润，污染地表水、地下水和耕地，造成地方病源。因此，地下开采金属矿区主要的地质环境问题为地形地貌景观破坏、滑坡、采空与岩溶塌陷、地表水污染与地下水环境破坏、土壤环境破坏，这些地质环境问题即为地下开采金属矿区地质环境监测的重点内容。

2 研究区概况

鸡冠咀金铜矿床位于湖北省大冶市城西约4 km处。区域构造位于下扬子陆块区鄂东南褶冲带，大冶台地裂谷带大冶复向斜南翼、阳新岩体西北端。该矿区除赋存丰富的金铜矿外，尚伴生钼、铁等金属。矿区为地下井巷开采，矿区面积约0.8 km2，从1961年开矿至今，矿区仍处于开采阶段，由于开采时间长、深度大，所以在工程切坡、废弃物堆放(加载)、疏排地下水、地下采区采掘等工程地质作用下导致的地质环境问题尤为突出，其主要包括地形地貌景观破坏、滑坡、采空与岩溶塌陷、地表水污染与地下水环境破坏、土壤环境破坏。目前矿区已发生滑坡2处，较大规模采空塌陷2处，岩溶塌陷坑28个；周边地下水中pH值、硫化物、铜、铅、砷、镉等各项指标均超过地下水质量标准(GB/T 14848—2017)中Ⅲ类水限值；地表水和土壤的污染，因无背景资料，尚无法进行判断。

3 研究区地质环境监测方案优化

前文述及，地形地貌景观破坏、滑坡、采空与岩溶塌陷、地表水污染与地下水环境破坏、土壤环境破坏等五个方面的问题，为地下开采金属矿区地质环境监测的重点内容。因此，鸡冠咀矿区监测方案优化主要以确定上述监测内容的监测范围、监测点布置及监测方法为重点。

3.1 地形地貌景观破坏监测

在地下开采金属矿区，地形地貌破环主要来自于地表塌陷、尾矿库占地及开采废石占地等。近些年来由于传感器技术、计算机技术的不断发展，遥感技术在矿山环境动态监测中的作用愈发重要，并获取了较为可观的研究成果。李成尊[7]以山西晋城煤矿开采区的地质灾害为研究对象，探讨了塌陷坑、地面沉陷、地裂缝等地质灾害在高分辨率遥感影像中的表现形式，并归纳出此类地质灾害的解译特征，为地质灾害调查提供了技术支持；周春兰[8]运用不同时相数据的图像融合算法，基于植被纹理和色调信息，开展攀枝花宝鼎煤矿矿山环境动态监测研究；刘鹏飞[9]以鄂南、鄂东南的矿产集中区域为例，评价了SPOT-5和ZY-3卫星数据在矿山环境调查与动态监测中的数据精度。

鸡冠咀矿区此前曾利用2018年高分二号为数据源进行了1∶10 000的地形地貌景观变化范围圈定。但因遥感数据精度有限，仅可从整体上把握矿区的地形地貌景观变化范围，无法分析引起变化的具体原因。本次监测方案优化过程拟利用15 m分辨率的Landsat-8卫星数据和哨兵-1卫星数据进行地形地貌破坏的解译。其中Landsat-8可获取偏离航迹一定角度范围内的图像，收集信息能力强大，对于需多时相对比研究的图像具有较大优势[10]；哨兵-1卫星具有超高的辐射分辨率，有效提升雷达图像参数反演的精度，提高解译成果精度[11]。此外还可将GDEM、地形图、地质图、谷歌高清遥感图等数据作为辅助，开展不同年份的矿区地质环境调查遥感解译，以获得矿区地形地貌景观破坏的范围、变化趋势及破坏原因。

3.2 滑坡监测

鸡冠咀矿区主要存在两处滑坡，分别位于鸡冠山东部坡脚(1号滑坡)与主井西北侧边坡(2号滑坡)，此前未设置监测点。其中1号滑坡滑动后进行了治理，目前再次滑动可能性较小，本次监测方案优化过程中不作考虑。2号滑坡在灾害发生后矿区也进行了初步治理，但目前仍处于强变形阶段：滑坡前缘隆起，发育放射状裂缝或大体垂直等高线的压张裂缝；滑坡后缘地表与周边建筑物发育有拉张裂缝；滑坡两侧出现雁形羽状剪裂缝；滑坡体有裂缝及少量沉陷等异常现象。受强降雨或爆破震动影响，发生滑坡可能性大，对主井及设备、坡脚道路、行人等威胁较大，滑坡危害程度大。

因此本次监测方案优化过程中，鸡冠咀滑坡的监测对象为2号滑坡。2号滑坡主滑坡方向为310°，滑坡斜长约50 m，宽约12 m，平均厚度约1.2 m，属窄而长、主滑方向明显的滑坡，宜采用十字形监测网，纵向测线与主滑坡变形方向相一致[12]。具体监测点布置于滑坡前缘鼓胀裂缝、主滑段及滑坡后缘滑坡主裂缝中心与两侧，通过监测裂缝地表与地下相对位移量来确定其变形程度(图1)。

目前滑坡相对位移的监测方法众多，主要包括GPS法、近景摄影法及大地测量法等多种方法。其中，GPS法是指通过GPS接收机对崩塌物或者滑坡体的不同变形阶段进行三维位移的监测，具有监测精度高和实时监测的优势；近景摄影法是指通过电子经纬仪或者全站式速测仪进行位移监测，该方法将会受到地形通视的影响[13]。本次监测方法拟采用北斗高精度在线监测系统。该系统是由中国自行研制，拥有完全自主知识产权，具有快速定位、双向通信和精密守时三大功能[14]，已广泛用于地质灾害实时监测。

图1 鸡冠咀矿区滑坡监测点布设示意图
Fig.1 Schematic diagram of monitoring points for landslide in Jiguanzui mining area
1.矿区界线；2.滑坡；3.滑坡监测点。

3.3 采空与岩溶塌陷监测

3.3.1采空塌陷及伴生的岩土体变形监测点布置

矿区不同规模的地面塌陷及地裂缝既可以是由于开采沉陷裂隙的地表延伸而形成的地裂缝，即在地下采空区上覆岩体中形成裂隙带，裂隙向上延伸发展，在地表岩(土)体中形成地面塌陷及地裂缝；也可以是由于地表岩(土)体的不均匀沉降诱发而形成的地裂缝，即受采空影响，形成上覆砂页岩等岩体的不均匀沉陷，从而使地表岩(土)体发生破坏变形，形成地面塌陷及地裂缝[5,15]。矿山采空塌陷监测范围主要为矿区采空区及周边、采矿巷道工作面附近、岩溶发育区及岩(土)体性质分布不均匀区，具体监测范围的确定可根据范围边界与开采边界的直线与水平所形成的夹角、采矿深度进行计算[16-17]。鸡冠咀矿区采空塌陷主要分布于-40 m、-70 m、-100 m及-130 m中段，圈定采空塌陷影响范围0.76 km2。

鸡冠咀矿区一直重视采空塌陷区的监测工作，监测点分布情况如图2所示。主要布置于已发生明显沉降或地面变形的工业厂区及受采空塌陷影响可能发生地面变形的干堆尾矿库、生活办公区、充填车间，监测点均位于重要建筑物或变形严重建筑物拐角处，共布置监测点34个，基本全面控制了矿区采空塌陷的影响范围和主要建筑物。

采空塌陷监测方法上，矿区安装了北斗高精度监测系统进行实时监测。根据已获得的部分监测数据(表1)，该系统监测数据精度高、真实可靠，且可实时获取监测数据，本次监测方案中仍采用北斗高精度监测系统进行采空塌陷监测。

图2 鸡冠咀矿区采空塌陷及伴生的岩土体变形监测点分布图
Fig.2 Distribution map of mining subsidence and associated rock andsoil deformation monitoring points in Jiguanzui mining area
1.矿区界线；2.建筑轮廓；3.采空塌陷影响范围；4.岩土体变形监测点。

表1 2018年6月矿区地表沉降监测数据Table 1 Monitoring data of surface settlement in mining area in June 2018

3.3.2岩溶塌陷监测点布置

岩溶塌陷监测范围应是对矿坑有充水意义的、岩溶发育的碳酸盐岩地下水系统，且重点监测区应布置在浅层岩溶集中发育区。鸡冠咀矿区此前未设立岩溶塌陷监测点，基本采取的是“塌一个，填一个”的被动治理模式。矿区碳酸盐岩主要有鸡冠咀大理岩、东南部大理岩、桃花嘴深部大理岩、桃花嘴浅部大理岩、北部大理岩等五个岩溶水系统。

其中鸡冠咀大理岩区为前期岩溶塌陷集中区，也是矿坑直接充水水源，由于矿坑排水产生的水动力作用尚未消降，砂砾石孔隙含水层直接覆盖于大理岩之上，结构松散、强度低，发生岩溶塌陷的可能性大、危险性高，为后期岩溶塌陷的重点监测区。东南部大理岩区在矿坑抽排水条件下存在向鸡冠咀大理岩区补给的情况，现已成为矿坑间接充水水源，存在发生岩溶塌陷的可能性。北部大理岩、桃花嘴深部大理岩、桃花嘴浅部大理岩与鸡冠咀大理岩之间存在透水性弱的侵入岩和下白垩统岩层，其间无密切的水力联系存在，且该3处大理岩区岩溶发育均较弱、受矿坑抽排水影响小、岩溶塌陷可能性小，因此矿区在此区域发生岩溶塌陷的可能性小，可不作监测。

该矿区岩溶塌陷主要由抽排水产生的降落漏斗引起，因此根据降落漏斗半径确定岩溶塌陷影响范围为鸡冠咀大理岩区域及东南部大理岩区域，监测线沿地下水流向布设，监测点主要布设于潜蚀作用强烈、溶洞发育的灰岩裸露区[18-19](图3)。

图3 鸡冠咀矿区岩溶塌陷监测点布设图
Fig.3 Layout of monitoring points for karst collapse in Jiguanzui mining area
1.矿区界线；2.大理岩岩溶水系统范围；3.灰岩裸露区；4.岩溶塌陷；5.地下水流向；6.岩溶塌陷监测点。

由于岩溶塌陷的产生在时间上具有突发性、在空间上具有隐蔽性[20]，单一地监测地面塌陷或地下水变化很难做到实时准确的预测预报。因此此次监测方案中岩溶塌陷监测要素主要为地下水水位动态变化，采用CTD-Driver地下水自动记录仪进行监测，同时参考采空塌陷中部分地表沉降监测点监测数据，结合地下水水位动态与岩溶塌陷附近地面沉降、房屋开裂情况综合监测预报。

3.4 地表水污染与地下水环境监测

3.4.1地表水污染监测

地表水环境监测范围应以矿区为中心、分水岭为边界，包括地表水径流、排泄、汇水的区域，在重要地表水体、污废水排放口、尾矿池附近布设地表水水质监测点，主要监测指标应根据其采矿及选矿特点进行确定。鸡冠咀矿区除赋存丰富的金铜矿外，还生产硫精矿、铁精矿等产品，选矿过程中产生的主要污染物成分为硫化物及氰化物。参考矿区以往水质监测数据，工业废水与生活污水中主要污染物分别为硫化物、氟化物、砷和氨氮、总氮；尾矿库淋滤后主要污染物可能有硫化物与铜、锌、镉、铅、砷、汞、氰化物等[21]。因此矿区地表水污染监测指标主要包括pH值、氨氮、总氮、硫化物、铜、锌、氟化物、砷、汞、镉、铅、氰化物。

本区地表水属长江水系，最大的地表水体为大冶湖，矿区附近还有青山河。结合鸡冠咀矿区及周边岩性情况，确定矿区地表水环境监测范围为北侧大冶湖、东侧青山河及矿区范围。矿区前期已对大冶湖(点1)、矿区内出露地表水体(点2—3)、生活污水(点4—5)、工业废水(点6—7)及尾砂淋溶水(点8)进行监测，本次优化过程中在矿区东侧青山河上、中、下游新增水质监测点(点9—11)，以及时获得周边地表水系的水质情况，避免对地表水体造成污染(图4)。

图4 鸡冠咀矿区地表水环境监测点分布示意图
Fig.4 Schematic diagram of the distribution of surface water environmentmonitoring points in Jiguanzui mining area
1.矿区界线；2.地表水体；3.原有地表水水质监测点；4.新增地表水水质监测点。

矿区地表水水质监测指标主要为重金属含量，目前对于重金属元素的测定方法有多种，但均需采样进行[22]，因此对于水体中重金属含量动态监测仍采用取样送检法较为适宜。

3.4.2地下水环境监测

鸡冠咀矿区地层岩性复杂，赋存有多种地下水类型，包括松散岩类孔隙水、岩浆岩风化裂隙水、碳酸盐岩岩溶水，其中碳酸盐岩岩溶水为本区主要地下水类型。其岩溶水系统中鸡冠咀大理岩岩溶水系统及东南部岩溶水系统为矿坑主要充水岩层，地下水位受矿坑排水影响明显，为地下水位监测的重点区域；同时该区为矿坑水排泄区，采矿过程中产生的污染物易随水流汇集于该区域，对该含水系统水质影响较大，因此该区也为地下水水质监测重点；矿区大青山尾矿库所在的第四系孔隙水系统也为地下水水质监测重点。

矿区此前已设立地下水水质监测点5个，主要布设于尾矿库(点1—3)、鸡冠咀大理岩区(点4—5)；地下水水位监测点4个，主要分布于尾矿库(点6—7)与东南部大理岩区附近(点8—9)。此次监测方案优化过程中在东南部大理岩区沿地下水流向，在上、中、下游分别增设1个水质监测点(点10—12)作为对照监测点、污染监测点及污染扩散监测点；在鸡冠咀大理岩区沿地下水流向在区域边缘与中心共布设3个地下水水位监测点(点13—15)(图5)。地下水水位监测方法与岩溶塌陷监测相同，采用CTD-Driver地下水自动记录仪进行监测；地下水水质监测采用取样送检法，根据矿区选矿冶炼方法及以往地下水水质检测结果，矿区对地下水环境可能造成的污染，包括总硬度、硫酸盐、氯化物、硝酸盐氮、铜、砷、镉、铅、氰化物等进行检测，因此此次主要监测指标为上述元素及pH值。

此次地下水环境监测优化方案中地下水水位监测点可与岩溶塌陷监测点形成矿区地下水系统监测网，可对矿区地下水系统在开采条件下地下水动态变化进行预测预报，为矿区地下水资源利用与保护规划提供依据。

图5 鸡冠咀矿区地下水环境破坏监测点分布图
Fig.5 Distribution map of groundwater environmental damage monitoringpoints in Jiguanzui mining area
1.矿区界线；2.岩溶地下水范围；3.第四系孔隙地下水范围；4.岩溶地下水流向；5.孔隙地下水流向；6.地下水水质监测点；7.地下水水位监测点。

3.5 土壤环境破坏监测

金属矿区土壤污染的主要原因包括工矿污水灌溉、酸雨、大气沉降污染、垃圾与固体废弃物的淋滤。目前矿区尾矿废渣主要集中于干堆尾矿库与大青山尾矿库，为土壤环境重点监测区域，除上述重点监测区域外，矿区内工业场地由于冶炼、选矿、运输等也可能存在污染，也需布设监测点。因此监测范围为整个矿区及大青山尾矿库范围。

尾矿库中可能对土壤产生污染的为废石和尾砂。目前矿区废石经处理后无废石堆；该矿区尾砂中的有害成分主要通过地表径流进入土壤，对土壤造成污染，因此土壤污染监测指标可参考尾矿库淋滤后对地表水产生的主要污染物，以《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)三级标准为参照值。矿区以往监测点中位于干堆尾矿库内的2处监测点距离较近且位于同侧，监测范围基本相同，本次优化过程中将2处监测点合并为一个可节省监测成本。但仅有1个监测点无法达到监测整个干堆尾矿库土壤质量的目的，因此该区还需增设监测点。大青山尾矿库与干堆尾矿库面积较小，宜采用对角线布点法或梅花形布点法；矿区范围内则采用棋盘式布点法[23]。平面采样深度为0～20 cm，剖面采样点采集A层(腐殖质淋溶层)、B层(沉积层)、C层(母质层)样品。具体监测点布设见图6。

图6 鸡冠咀土壤环境破坏监测点分布图
Fig.6 Distribution map of soil environmental damagemonitoring points in Jiguanzui
1.矿区界线；2.干堆尾矿库；3.土壤环境破坏监测点。

4 结论

本文在理论研究与调查实践分析的基础上，以问题为导向，确定了鸡冠咀矿区地质环境监测内容、监测范围及监测点，具体结论如下：

(1) 地下开采金属矿区矿山地质环境监测内容为地形地貌景观破坏、滑坡、采空与岩溶塌陷、地表水污染与地下水环境破坏、土壤环境破坏等五个方面。

(2) 监测方案中新增滑坡、岩溶塌陷监测内容，对矿区原有采空塌陷、地表水污染与地下水环境破坏、土壤环境破坏监测网及监测方法进行了完善与优化。

(3) 地形地貌景观破坏监测范围一般为整个矿区，本次优化方案拟利用15 m分辨率的Landsat-8卫星数据和哨兵-1卫星数据进行地形地貌破坏的解译。

(4) 鸡冠咀矿区滑坡监测共布置9个监测点，以监测滑坡前缘鼓胀裂缝、主滑段及滑坡后缘主裂缝，监测方法采用北斗高精度GPS在线监测系统。

(5) 根据“上三带”经验公式预测的鸡冠咀矿区采空塌陷范围达0.76 km2，共布置34个监测点，主要布置在干堆尾矿库、工业场地、生活办公区及充填车间主要建筑物或变形严重建筑物拐角处。

(6) 岩溶塌陷监测范围为鸡冠咀大理岩与东南部大理岩等对矿坑有充水意义的岩溶发育的碳酸盐岩地下水系统，共布置4个地下水水位动态监测点。

(7) 地表水环境监测范围为大冶湖、青山河及矿区内水塘，共布置监测点11处；地下水环境监测对象为鸡冠咀大理岩岩溶水、东南部大理岩岩溶水及大青山尾矿库区域第四系孔隙水，监测范围为其地下水系统范围，共布置地下水水质监测点8个、地下水水位监测点7个。

(8) 土壤环境破坏范围为整个矿区及大青山尾矿库区域，其中干堆尾矿库与大青山尾矿库为重点监测区域，此次监测共布置监测点16个。

本次地质环境监测方案的优化考虑了矿区地质环境条件、开采方式、地质灾害特征等因素，从矿山地质环境系统角度分析，对监测内容、监测项目及监测点的布设都进行了完善，达到了有效监测、全面控制矿区的目的，为该矿及其他地下开采型矿山开展矿山地质环境监测、实施矿山地质环境保护提供了重要参考依据。