大冶市刘家畈矿区铁矿水文工程地质条件及地面塌陷预测分析

朱 丰

（湖北永业行评估咨询有限公司，湖北 武汉 430000）

1 矿区概况及基本特征

大冶市刘家畈矿区现设置的采矿权人有3家，分别是大冶市陈贵刘家畈矿业有限公司、大冶市灵乡镇正兴矿业有限责任公司、湖北华灵集团矿业有限公司普庆铁矿。矿区为构造剥蚀地形，地形西高东低，北西部为山丘，最高峰达309m；南部为起伏不大的残丘；中部为开阔的河谷洼地，地面标高35～40m。本区雨量充沛，平均年降雨量为1321.4mm，降雨多集中在3月—8月，日最大降雨量达248.3mm。由于刘家畈矿区水文地质条件复杂，工程地质条件中等，且3家矿山紧紧相邻，矿山的开采曾导致过地面塌陷地质灾害，文章简要分析了本矿区的水文地质及工程地质条件并对地面塌陷进行了预测。

2 矿区水文地质条件

2.1 含、隔水层（组）特征

（1）第四系孔隙水含水层。主要成因为冲洪积层及洪坡积层。冲洪积层钻孔单位涌水量为0.362L/（s·m），渗透系数为6.55927m/d，富水性中等，潜水性质，水化学类型为HCO3—Ca型水，总固体为0.18～0.19g/L。洪坡积层厚度一般＜5m，民井提水试验涌水量为0.001～0.053L/s，富水性较弱，水化学类型为HCO3—Ca型水。

（2）白垩系下统、侏罗系上统裂隙含水层。可划分为二个含水带：其一为富水性弱的裂隙含水带，即岩石风化带，最大埋深标高为6.64～70.86m，钻孔单位涌水量为0.1091L/（s·m），渗透系数为0.14711m/d，水化学类型为HCO3-Ca型水，总固体为0.28g/L。其二为富水性微弱的裂隙含水带：位于岩石风化带之下，该带富水性微弱，钻孔单位涌水量0.00718L/（s·m），渗透系数为0.00437m/d，水化学类型为HCO3-Ca型水，总固体为0.17～0.25g/L。

（3）三叠系下统岩溶裂隙含水层。三叠系下统大冶组灰岩，是矿体的主要围岩。产状与上覆地层近似，向北西倾斜，倾角为40～55°，岩性为灰岩。该层岩溶发育弱，以溶蚀裂隙为主，溶孔少见。该层巷道内岩溶发育较弱，含水介质以溶蚀裂隙为主，局部见小溶孔。周边无泉水出露。

（4）隔水岩组。燕山期石英闪长岩为矿体的主要底板隔水层。浅部含有风化裂隙水，民井涌水量为0.001～0.042L/s，富水性微弱，水化学类型为HCO3-Ca-Mg型淡水。深部裂隙不发育，靠近矿体裂隙发育，但均被铁质、钙质等充填，可视为隔水层。

2.2 地下水补径排条件

矿区地下水受大气降雨量补给，地下水流向受地貌形态控制，总的流向为北东向。侏罗-白垩系三叠系下统裂隙水，高于第四系冲洪积孔隙水，前者主要以地下径流排泄于第四系冲洪积孔隙潜水含水层，而后者所蕴藏的地下水又能直接补给小溪。第四系冲洪积孔隙水与地表水联系极为密切，而与深部侏罗-白垩系、三叠系下统裂隙水的联系较差。

2.3 矿坑充水因素及矿坑涌水量

目前矿区正常生产时的排水量约为1536m3/d。其中大冶市陈贵镇刘家畈矿业有限公司目前-290m中段矿坑排水量为736m3/d；大冶市灵乡镇正兴矿业有限责任公司目前-305m中段矿坑排水量为600m3/d；湖北华灵集团矿业有限公司普庆铁矿目前-440m中段矿坑排水量为200m3/d。

根据矿区现有涌水量情况对矿区未来涌水量进行了预测。采用水文地质比拟法估算得湖北华灵集团矿业有限公司普庆铁矿Ⅶ号矿体-470m中段开采时矿坑正常涌水量为350m3/d；另外二家采矿权人均已开拓到矿体最低中段，直接按目前的排水量。本次矿坑涌水量计算值为1686m3/d，矿区最大涌水量为5058m3/d。

2.4 矿床水文地质勘查类型

刘家畈矿区的矿体赋标高在当地侵蚀基准面以下，主要充水含水层（碎屑岩、大理岩裂隙含水层）富水性弱，次要充水层（砂砾孔隙含水层）仍可在局部地段构成井巷围岩，富水性中等。第四系冲洪积孔隙水与地表水联系极为密切，而与深部侏罗-白垩系、三叠系下统裂隙水的联系较差。据上述情况和《矿区水文地质工程地质勘探规范》（GB 12719—1991）可知，本矿床属于以裂隙水和岩溶裂隙水为主的、水文地质条件复杂程度为复杂的裂隙充水矿床。

3 工程地质条件

矿区岩土体划分为第四系松散岩类工程地质岩组、软—较坚硬碎屑岩工程地质岩组、较坚硬—坚硬碳酸盐岩工程地质岩组、较坚硬的岩浆岩工程地质岩组四个工程地质岩组。

3.1 第四系松散岩类工程地质岩组（Ⅳ）

为各种成因的黏土、亚黏土夹碎石、砂砾石层、采矿废渣组成，其结构松散，工程地质性状差。另外，地下工程穿越处均需支护。

3.2 软—较坚硬碎屑岩工程地质岩组（Ⅲ）

岩性为火山碎屑岩、凝质碎屑岩、砂砾岩及页岩，为矿区的主要上覆地层岩性。岩层浅部呈松散结构，向深部呈软硬相间结构，岩石工程性质较差。较深部的砂页岩中节理裂隙发育，抗压强度为116～157MPa，工程地质性状较好。

3.3 较坚硬—坚硬碳酸盐岩工程地质岩组（Ⅱ）

岩性为灰色、灰白色，薄层、中厚层状，层理清晰。灰岩均变成大理岩，细粒状结构，为矿体的主要围岩。大理岩的整体性较好，抗压强度为116～74.2MPa，工程地质性状较好。

3.4 较坚硬的岩浆岩工程地质岩组（Ⅰ）

岩浆岩工程地质岩组主要分布于矿体底板，岩石整体性较好，抗压强度为115MPa，工程地质性状较好。局部地带有微绿泥石化、碳酸盐化或透辉石化现象，节理较为发育，局部较为破碎，有可能引起冒顶、片帮灾害。c为裂隙折算系数，本矿取2；h1为冒落带高度，m；h2为导水裂隙带高度，m。

图1 岩层移动带划分图

③预测分析结果：矿体地下开采导致地面塌陷的可能性为中等，三带高度计算表如表1所示。

表1 三带高度计算表

3.5 工程地质条件评价

矿体顶、底板围岩主要有矽卡岩化石英闪长岩、大理岩、透辉石矽卡岩。局部地段岩石易松散、破碎，有可能引起冒顶、片帮灾害外，矿山大部分地带工程地质条件较好，顶板围岩抗压强度74.2～116.12MPa，底板围岩抗压强度114.5～157.22MPa。因此，矿区工程地质条件为中等。

4 地面塌陷预测

4.1 地面塌陷现状

本区地面塌陷产生于1997年8月—1998年5月，共见3个塌坑，其中1个位于张家会湾，2个位于万家湾。位于张家会湾的塌坑长20m、宽8m、深1.5m，塌坑长轴角度的75°；位于万家会湾的塌坑直径为2～16.5m，深度为0.3～5m。

4.2 地面塌陷预测

（1）地下采空区引发地面塌陷预测分析。①岩层移动带的划分：对地下开采的矿床，当矿体采出后，在地下形成空区，覆岩层失去支撑，岩层的原始状态发生破坏，使岩层变形、移动和冒落。随着开采面积的不断扩大，岩层的移动将波及地表，使其产生开裂和塌陷，以至成为大气降水渗入坑道的良好通道。根据覆岩破坏程度的不同，可分为冒落带Ⅰ、导水裂隙带Ⅱ及整体移动带Ⅲ，如图1所示。

②冒落带和导水裂隙带最大高度的计算方法：

式中：m为矿层开采厚度，m；k为岩石松散系数，本矿顶板为大理岩、闪长岩，取1.5；a为矿层倾角，°；

（2）矿山开采疏排水对地表下沉的影响分析。疏排水造成地表下沉的主要原因是地下水水位降低引起土体压密固结。根据《环境影响评价技术导则地下水环境》（HJ 610—2011）来估算其影响半径。

式中：R为影响半径，m；S为水位下降值，m；H为潜水含水层厚度，m；K为渗透系数，m/d。

矿区范围内主要影响含水层为侏罗-白垩系下三叠裂隙含水岩组，该含水层渗透系数K为0.14711，含水层厚度为76.92m，而水位最大降值S为58.50m，故影响半径约为394m。因此预测矿山开采疏排水有导致地面沉降的可能性，从而可能诱发地面塌陷地质灾害。结合矿区的水文地质条件及工程地质条件，预测矿区的开采有引发或加剧地面塌陷、地面沉降地质灾害的可能性，其影响程度为中等。

5 结论

通过分析大冶市刘家畈矿区铁矿水文地质及工程地质条件，对该区铁矿的开采引发地面塌陷地质灾害进行了预测，预测评价认为该区建设有诱发地面塌陷的可能性，矿山应严格按照审批通过的矿山开发利用方案及初步设计开采，做好水文地质工程地质勘查工作，以预防该类地质灾害的发生。