江苏金坛花山建筑用玄武岩矿地质特征及开采技术条件

丁心科，童家琨，王树槐，樊小军，朱 敏，汪晨星，杜尊龙，宋 成，吴天足

(1.浙江省久核地质生态环境规划设计有限公司，浙江 湖州 313000；2.地灾防治与生态环境修复技术研究(创新)中心，浙江 湖州 313000)

玄武岩因其质轻多孔、质地坚硬、抗折抗压性强、耐磨性好，吸水率低等优点，广泛应用于建筑行业中，也是修筑铁路及公路最好的基石，同时也是重要的“铸石”和玻璃丝布原料[1-7]。花山矿区位于江苏省南部金坛市薛埠集镇东北约3km处，为宁、沪、杭三角地带之中枢，交通极为便利，随着国家战略《长三角地区一体化发展三年行动计划(2018-2020年)》的实施，必将拉动市场对建筑用高品质石材的消费需求[8-9]。因此，亟需对花山矿区建筑用玄武岩矿地质特征和开采技术条件进行研究分析，为矿山开采和技术经济评价提供依据，提高矿山企业经济效益和更好的服务地方经济发展[10-13]。

1 矿区地质概况

矿区地层属扬子地层区，下扬子地层分区，常州—宣城地层小区[14]。出露地层有志留系、三叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系。其中古近系渐新统三垛组下段是花山建筑用玄武岩的赋存层位。

矿区地处茅山隆起和茅东坳陷地带。茅山隆起主要有古生代地层组成，褶皱轴总体呈北北东向展布；断层以北东向为主，主要断层有茅西断裂、茅东断裂等。茅东坳陷西侧以茅东断裂为界、北以九里—荣炳断层为界，东界为金坛—南渡断层。南界为吉山—社头隆起[15]。

矿区位于我国东部沿海大陆边缘构造活动带南段西侧(即内带)，经历了晚侏罗世、早白垩世、古近纪和新近纪火山喷发、岩浆侵入活动。古近纪和新近纪玄武岩浆呈多旋回喷发—侵入。本区燕山晚期侵入岩有安山玢岩、闪长玢岩、石英二长岩、细粒花岗岩、花岗斑岩等。

1.1 矿区地层

矿区地层较为单一，除第四系(Q)外，其余均为古近系渐新统三垛组下段(E3s1)(见图1)，其特征如下。

图1 花山矿区地质简图

(1)古近系渐新统三垛组下段(E3s1)。

矿区由古近纪渐新世玄武质岩浆宁静式喷发(溢流)为主形成橄榄玄武岩。根据地表观察及前人钻孔揭露情况，自下而上可分为三个岩性层。第一层(E3s1-1)：为灰白、灰紫及灰绿和咖啡等杂色泥岩、钙质泥岩、粉砂质泥岩等，总体层状构造不明显(局部可见微层理)、泥质结构为主，主要由粘土矿物和碳酸盐矿物组成，局部富含介形虫化石。第二层(E3s1-2)：中下部为深灰—灰黑色橄榄玄武岩，研究区普遍分布，与下伏第一层(E3s1-1)呈喷发不整合接触，底部偶见有气孔(杏仁)状构造；上部风化强烈。第三层(E3s1-3)：浅绿、浅蓝、青灰等杂色泥岩，钙质泥岩，主要由粘土矿物及碳酸盐矿物组成。零星见于研究区西北角，厚度不详。

(2)第四系(Q)。

以残坡积物为主，由植物根系、腐植土、粘土、亚粘土及玄武岩碎块组成。广泛分布于地表，在山体部位厚0.5～1.5m，坡脚可达4m以上，平原区厚度大幅增加。

1.2 矿区构造

矿区位于茅东直溪桥古近纪—新近纪断陷盆地的南西缘。根据地表及钻孔揭露成果分析，矿区三垛组下段第二层(E3s1-2)橄榄玄武岩与第一层(E3s1-1)泥岩、钙质泥岩大致组成一总体向北缓倾的单斜构造，倾角3～10°。区内未见断裂构造，但节理(裂隙)发育，按其倾角大小归为缓倾斜和中等倾斜—陡倾斜节理两类。

(1)缓倾斜节理：广泛发育于橄榄玄武岩层中，尤以其顶底部发育，节理倾角3～25°，并以3～8°为主，沿走向与倾向延伸3～5m后常有变化，据花山北坡宕口壁观察，节理倾向与玄武岩层面基本一致。在新鲜橄榄玄武岩层中，节理面较紧闭，而在近地表或半风化岩层中(由于风化节理面清晰)，节理中常有2～3cm厚的岩粉和少量铁质、泥质，局部可见擦痕。通过在宕口壁统计，在近地表达30条/m。

(2)中等倾斜—陡倾斜节理：倾角＞25°的节理，以走向300～320°为主，30～50°方向次之(图2)。据其成因，又可细分为张扭性节理、压扭性节理和部分不规则节理。

图2 节理走向玫瑰花图

1.3 矿体特征

玄武岩呈似层状，产状平稳，大致向北缓倾，倾角3～10°，东西走向长约2.8km，南北宽约1km。钻孔控制厚度1.92～32.60m。矿体形态不甚规则，矿床规模达中型。

1.4 矿石质量

矿石为橄榄玄武岩，岩石中矿物成分主要有橄榄石、中—拉长石和含钛普通辉石。橄榄石呈深绿—黄绿色，近地表及裂隙面附近常呈褐色，玻璃光泽，常可见贝壳状断口，晶体不规则粒状为主，粒径0.5～2.0mm不等，含量5%～20%，局部有绿泥石化；中—拉长石呈无色—灰白色，细柱状，晶体在0.2～2.0mm，含量30%～55%，部分被方沸石交代；含钛普通辉石呈深灰—黄绿色，短柱状、粒状，晶体＜1mm者居多，含量20%～35%；矿石中另有部分钾长石(＜5%)，不透明矿物(＜5%)和磷灰石。

玄武岩内节理(裂隙)切割和破坏了岩石的完整性，造成矿区内玄武岩易风化，尤其是两组节理交汇处更易风化。因此，在地表玄武岩普遍风化强烈。总体上，矿层上部(1/3)为强风化—半风化，矿层中部(1/3)为弱风化，矿层下部(1/3)为微风化、弱蚀变—未风化玄武岩。

1.5 矿体顶、底板和夹石

矿体顶板为强风化层，覆盖层为第四系亚粘土和以往开采时剥离的碎土石。矿体底板为三垛组下段第一层(E3s1-1)灰白、灰紫及灰绿和咖啡等杂色泥岩、钙质泥岩、粉砂质泥岩等(其岩石成分详见表1)。该层顶部泥岩中含少量橄榄玄武岩团块，其大小5～20cm不等，一般呈棱角—次棱角状，未经磨圆。矿体夹石主要为沿裂隙分布的风化物。

表1 矿体及顶底板岩石成分 (单位：%)

2 矿床开采技术条件

2.1 水文地质

矿区水文地质类型属裸露型大气降水补给的以裂隙为主的充水矿床。周边无大的地表水体，主要含水层受地形影响，含水性较弱。水文地质条件较简单。

2.1.1 含水与隔水岩组特征

矿区位于直溪桥凹陷中南部，水文地质条件与区域基本一致。据含水层的岩性、时代、成因及埋藏条件，划分为两个含水岩组和一个隔水岩组。

(1)第Ⅰ含水岩组：为第四系全新统(Q4)孔隙潜水含水层。结构松散，孔隙度较大，分布在研究区周边。研究区周边民井水位埋深0.61～4.10m，涌水量 2.07 ～ 3.46t/d。

(2)第Ⅱ含水岩组：为三垛组下段玄武岩孔隙承压含水层。玄武岩结构致密、坚硬。节理、裂隙比较发育，多充填方解石和粘土矿物。含水层顶板出露地表，最小钻厚度1.92m，最大钻厚度32.60m，平均钻厚17.46m。

(3)隔水岩组：三垛组下段钙质泥岩、泥岩，岩性较软，结构致密，层位稳定，构成玄武岩矿体底板。据邻区抽水试验，水量很小，可视为隔水层。

2.1.2 地下水的补给、径流、排泄条件

矿区位于直溪桥凹陷中南部，地下水主要接受大气降水、大凹水塘、地表水和附近农田水的渗入补给。区内年降雨量1 112.36mm，地表以亚粘土、亚砂土、碎石为主，大气降水通过补给第四系上部孔隙潜水含水岩组及人工堆层，渗透玄武岩孔隙裂隙岩组，矿区南高北低，地下水流向由南向北方向，以人工开采和垂直蒸发形式排泄。

2.1.3 矿坑充水因素分析

引起玄武岩矿充水的主要因素是充水水源和充水通道。研究区虽划分两个含水岩组，但富水性极弱，且矿区矿体构造简单，未见破碎带，所见节理裂隙多呈闭合状，或被充填，互不贯通，故裂隙不导水，不能作为充水通道。

玄武岩矿体地处低缓山地，开采范围南侧山脊线标高在50～60m，最高点标高69.6m，当地最低侵蚀基准面9m，相对最大高差60.6m。花山呈北缓南陡的孤立山体，外围谷地，池塘都低于最低侵蚀基准面，地表径流流入谷地和池塘，自然排水条件好。现开采最低标高低于9m，需人工排水。

花山中部的大凹水塘，蓄水量211万km3，开采其附近块段，经自然疏干后对开采无影响。

矿区位于茅山东侧自低丘向平原过渡地带，地形起伏不大，其北坡坡脚标高10m左右，可视为最低侵蚀基准面。

区内未见断裂构造，除第四系外，主要为古近系三垛组下段第二三层，其中第二层为赋矿层位，橄榄玄武岩较致密，但各类节理裂隙较发育，具一定空隙，属裂隙含水层。而第一层的泥岩、钙质泥岩裂隙不发育，可视为隔水层。由于隔水层的存在，阻断了矿体与地下水的水力联系，矿床充水因素主要为大气降水。

2.1.4 采场充水和涌水量预测

(1)大气降水充水量预测。

根据矿区水文地质条件，矿层顶、底板为隔水层，矿充水的主要来源为大气降水。根据玄武岩充水因素分析，采场内大气降水充水量计算公式为：

式中：Q1--预计采场大气降水充水量(m3/d)；

F--大气降水汇水面积(m2)；

A--大气降水(mm)。

大气降水(A)取自气象资料中日最大降水量234mm；大气降水汇水面积(F)根据地形地质图上玄武岩矿层开采区面积为756 453m2。计算得出：未来采场日最大充水量为177 010m3/d。

(2)地下水涌水量计算。

矿层含水层根据矿区泉水q1流量观测结果，流量为0.3L/s，日流量25.92m3/d，属于中等富水性含水层(潜水)，矿层一般为地表露天开采，开采过程中潜水位随之下降，因此研究区内开采宕口玄武岩矿层的涌水量可忽略不计。目前研究区实际抽水量约1 000m3/d。

综上所述，研究区水文地质边界条件清楚、简单，水文地质勘查类型属简单型。

2.2 工程地质

2.2.1 矿体矿石条件

矿区玄武岩矿体呈似层状产出，产状平缓。矿石为块状玄武岩，坚固性系数f=8～12。属半坚硬—坚硬类岩石，稳定性较好。

2.2.2 顶、底板岩石

矿体底板为三垛组下段第一层，岩性为泥岩、钙质泥岩。其结构较松软，稳定性中等。矿体顶板为以往开采时剥离的碎石土和第四系亚粘土等。结构松散，稳定性较差。

2.2.3 软弱结构面的分布特征

软弱结构面的分布是影响边坡稳定性的主导因素，研究区的主要软弱结构面有层面和节理面。

(1)软弱岩层层面对采场边坡稳定性起主要控制作用，研究区矿体底板三垛组下段第一层(E3s1-1)泥岩、钙质泥岩、粉砂质泥岩等与玄武岩的接触面属于软弱面，抗剪强度低，遇水易软化，工程地质性能差，最易导致边坡滑移和崩塌等地质灾害。

(2)研究区橄榄玄武岩中各种成因和不同产状的节理发育，它们均不同程度地切割和破坏了岩石的完整性。节理面将岩体切成不同形状和大小的岩块，在坡角临空时，易产生崩落和滑动等不稳定现象。在开采中可通过适当放缓台阶坡面角和增加安全平台宽度；完善坡面环形排水系统，防止大气降水和地表水流渗入；建立边坡防护带来提高边坡稳定性。

矿床岩组结构较简单，大规模开采的露采边坡有沿软弱层或不利结构面局部滑移的可能，一般不会出现复杂工程地质问题。工程地质条件较好。

2.3 环境地质

该矿床为露天开采，环境污染主要为矿山开采过程中产生的噪声、粉尘等。矿区剥离量大，现全部排放于研究区南部，堆放有序。

开采时注意洒水防尘，开采中严格按规范操作，严格监测和采取相应的预防措施，不会引发诸如地面塌陷、沉降、大面积滑坡及泥石流等大的环境地质灾害问题。研究区环境地质条件属简单型。因此，研究区属于开采技术条件简单的Ⅰ类矿床。

3 结论

花山建筑用玄武岩矿位于茅东直溪桥古近纪—新近纪断陷盆地的南西缘，矿体为玄武质岩浆宁静式喷发(溢流)为主形成的橄榄玄武岩。矿区总体覆盖层厚，矿石质量差，仅中下部矿层矿石质量较好。水文地质条件简单，岩层稳定性好、工程地质条件好，环境地质条件简单，属开采技术条件简单的矿床。随着国家经济发展进入新常态和产业结构调整，目前建筑石料市场低迷，矿山企业应坚持环保优先，在保护环境中优先开发覆盖层薄、玄武岩层厚，矿石质量好的优质石材，节约和合理利用资源。