马城铁矿矿山地质环境保护研究

张坤

(华北有色工程勘察院有限公司,石家庄 050021)

马城铁矿矿山地质环境保护研究

张坤

(华北有色工程勘察院有限公司,石家庄 050021)

马城铁矿为大水矿山，矿山地质条件复杂。矿山为地下开采，采用嗣后充填采矿法。在研究矿区水文地质条件和开采可能引发的地面塌陷的基础上，提出相应的防治措施及监测方法，以保证矿山生产安全和经济效益。

矿山环境；大水矿山；地面塌陷；地下水

马城铁矿位于河北省滦南县、滦县、昌黎县三县交界处，西起马城-薛各庄营南北一线以东，东至滦河西岸，北起史庄，南至南坨子。矿区北距滦县火车站15 km，南距京唐港52 km，平(泉)青(龙)大(清河)省级公路从矿区西侧通过，交通便利。

马城铁矿过去由于属于大水矿区，采用露天开采对当地水环境影响比较大，需占用大量土地和搬迁多个村庄，一直被河北省列为限制开发的矿山。近年来，随着采矿技术的发展，铁精粉价格的增高，改为地下开采方式，采用充填采矿方法等有效措施后，解决了上述困扰这一大水矿区开发的难题。

该矿山开采方式为地下开采，为避免破坏矿体以上的第四系隔水层，阻止第四系大量涌入井下，避免出现塌陷或大幅度的不均匀沉降, 避免造成上部第四系水灌入采区，破坏水环境，同时危及村庄的安全，并根据矿床赋存条件，设计采用充填采矿方法。

1 矿山地质环境背景

1.1 自然地理

1.1.1 气象

矿区属于北温带半湿润大陆性季风气候区，具有冬干夏湿，季风显著之特点，冬季多西北风，夏季为偏南风，春秋两季是冬季风和夏季风的过渡季节，风向多变，天气变化频繁，风随季节变化显著，全年温度变幅大。气温、降水量、蒸发量年际变化图见图1。

1.1.2 水文

根据滦县水文观测站1984～2008年25年资料统计，滦河多年平均实测径流量为22.514 7×108m3/a，年平均水位21.61 m，汛期最高水位26.38 m(1984年8月1日)，最低水位20.96 m(1998年4月13日)，最大流量9 200 m3/s(1994年),最小流量0.225 m3/s(2001年)。最近15年径流量呈快速减小趋势(图2)。

1.2 地形地貌

矿区位于京山铁路以南的山前倾斜平原区，地处滦河冲积扇的顶部，地形平坦开阔，为滦河一级阶地，地面标高15～20 m，北高南低，坡降为0.7～0.8‰。阶地台面北窄南宽，为一扇形(图3)。马城一线东西宽13 km，长凝一线东西宽23 km，在一级阶地台面上，自然村星罗棋布，坑塘洼地分散其间。

矿区北部的岩山至高点标高为173.6 m，东北部的龙山标高142.1 m，两山之间相距5 000余米，为滦河进入矿区的咽喉要道。河床最低处标高为12.1 m，东西两侧的二级阶地前缘清晰，蜿蜒南去，高出一级阶地台面5～12 m。

1.3 地层岩性与地质构造

1.3.1 地层岩性

矿区地层为双层结构，基底为太古界地层，盖层为第四系。地层由老到新分述如下：

图2 滦县滦河水文观测站洪水期、枯水期流量曲线图Fig.2 Flows of Luanhe River in flood and dry seasons

图3 马城铁矿地貌素描图Fig.3 Geomorphology of the Macheng iron mine

(1) 太古界单塔子群白庙子组

太古界单塔子群白庙子组主要岩性为黑云变粒岩、黑云角闪变粒岩、斜长角闪岩、角闪斜长片麻岩、黑云角闪斜长片麻岩夹磁铁石英岩。

(2) 第四系地层

第四系地层厚60～170 m，为河床、河漫滩冲洪积物。从北向南逐渐增厚，主要由粘土、粉质粘土、砂层、砾卵石层及淤泥质粉砂层组成。其中砂砾卵石层稳定，厚度较大。

1.3.2 地质构造

矿区地处阴山-天山纬向构造带东段——燕山南亚带山海关台拱西南边缘，西南为蓟县坳陷，南为黄骅坳陷。区内由一系列近东西向构造组成，北面为喜峰口断裂，南面为固安-昌黎断裂，中部为成生于太古界早期至今仍在活动的青龙河断裂，同时有许多张性、压扭性断裂与其垂直或斜交。

1.4 水文地质条件

1.4.1 矿区含水层

矿区含水层主要分为两大部分：一是第四系孔隙含水层，二是基岩风化裂隙、构造裂隙承压弱含水层。根据第四系含水层结构特征、岩性差异及透水性强弱程度，将第四系孔隙含水层划分为两个中等、三个极强含水层，见剖面示意图4，现分述如下：

(1) 下部砂层中等孔隙水含水层

位于第三隔水层之下，厚3.00～33.00 m，含水层由细砂、粗砂砾石、亚砂土等组成。单层厚度和岩相变化比较明显，各层之间有粘土、粉质粘土相隔，但不连续。

图4 矿区第四系含水、隔水层剖面示意图Fig.4 Sections of aquifer and water-resistant strata in the quaternary system

(2) 第三砂砾卵石极强孔隙水含水层

本层属上更新统下段底部粗砂砾卵石极强含水层。层位较稳定，厚度较大，平均厚15.75 m，岩性松散，不含泥质，透水性极强，为矿区主要含水层之一。

(3) 第二砂砾卵石极强含水层

本层属上更新统下段的上部粗砂砾卵石极强含水层，厚度大，范围广，平均厚19.88 m，岩性松散，不含泥质，透水性极强。

(4) 第一砂砾卵石极强含水层

本层属全新统中段砂砾卵石极强含水层，岩性松散，不含泥质，以粗砂砾石为主，平均厚14.3 m，透水性极强。

(5) 上部砂层中等孔隙含水层

包括全新统上段的粉细砂、中细砂、亚砂土等，平均厚6.50 m，结构松散，透水性好。

基岩风化裂隙、构造裂隙承压弱含水层埋藏在百余米厚的第四系松散沉积物之下，其岩性主要为黑云变粒岩、混合岩、混合花岗岩、黑云斜长片麻岩等。

1.4.2 矿区隔水层

矿区隔水层主要有4层。第一隔水层介于第一和第二粗砂砾卵石极强含水层之间，平均厚5.80 m，主要由粘土和淤泥质粉质粘土构成，最厚18.50 m，最薄1.00 m，层位稳定。第二隔水层介于第二和第三砂砾卵石极强含水层之间，平均厚4.93 m，最厚7.50 m，最薄1.00 m，主要由粘土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土构成，层位稳定。第三隔水层位于第三砂砾卵石含水层之下，属中更新统上段的顶板，平均厚5.87 m，主要由淤泥质粉质粘土、粘土构成，层位稳定。第四隔水层位于-500 m标高以下，为太古界变质岩类，主要为黑云变粒岩、混合岩、混合质变粒岩、片麻岩等，岩芯完整呈长柱状。节理裂隙不发育，可视为相对隔水层。

1.4.3 地下水的补给、径流、排泄条件

该矿区地下水的补给来源，主要有以下三个途径：

(1) 大气降水的入渗

大气降水是矿区地下水的主要补给来源，因矿区地形平坦开阔，地表广泛分布着粉细砂和亚砂土，有利于大气降水的渗入。

(2) 侧向径流补给

在该区的西部、北部及东部边缘地带均有区域地下径流汇入矿区，虽然矿区边沿地带水力坡度比较平缓，但因过水断面大，含水层厚度大，透水性能良好，渗透系数平均在300 m/d，补给量大。

(3) 滦河的补给

滦河河水与矿区地下水联系密切，特别是表层及第一砂砾卵石含水层的补给，表现较为明显，在天然状态下补给量不大，主要对矿区地下水水位、水量起着调节作用。

矿区地下水排泄形式和运动特点，主要分为垂向排泄和侧向排泄。

(1) 垂向排泄

①植被蒸腾

矿区地下水水位埋藏较浅，一般在2.80 m左右，特别是洪水期，埋深仅为2.43 m；包气带岩性属粉细砂和亚砂土，有助于毛细水上升，再加上夏季植被茂盛，气候炎热，蒸腾作用十分强烈。

②泉群排泄

主要是通过泉、塘、洼地及河流排泄地下水，其中包括老龙湾、金子地、新滦河。老龙湾和金子地底部直接坐落于第一砂砾卵石层之上，虽深部被泥砂淤积，但与地下水联系非常密切，实为矿区内地下水的天然排泄点。

③人工抽水

矿区地下水水位埋藏较浅，有利于农灌取水，由于农用机井逐年增多，农灌耗水量也越来越大。

(2) 侧向排泄

矿区含水层分布较广，特别是矿区南部，含水层厚度有增无减，从等水位线图上看(图5)，矿区范围内地下水沿含水层向南部运动，以侧向径流的方式补给区域地下水。

1.5 矿体地质特征

马城铁矿床属于大型鞍山式沉积变质贫铁矿床，全区共分为14个矿体，依次编号为Ⅰ～ⅩⅣ，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ号矿体最大，为主矿体，其资源量占全区总资源量的84.43%。矿体的空间分布如下图6所示。

2 矿山地质环境保护与治理恢复工程

2.1 地面塌陷

矿山为地下开采，采用嗣后充填采矿法，地表塌陷区内仅产生微弱变形及沉降，经计算最大下沉值为280 mm，矿区地下水位埋深较大，不会出现塌陷积水现象，不影响农田正常耕种，地表原有的植被亦可正常生长。矿山严格按照开采设计进行规划开采，做好采空区充填工作。提高充填质量，保证充填物接顶，尤其在充填村庄下部采空区时应提高灰浆比，降低充填材料的沉缩率，或适当留设保安矿柱，保证塌陷区内建筑物变形控制在Ⅰ级变形破坏之内，减小沉降值及地表变形，保护上部建筑物。

详细论证充填料浆的充填质量，首先开采耕地下方矿体，监测岩石移动界线范围内岩土体的变形，待充填技术成熟后再规划开采村庄下部矿体。

2.2 含水层

马城铁矿位于滦河冲积扇顶部，滦河冲洪积物所形成的第四系堆积物直接覆盖于铁矿体之上，第四系分布广、厚度大、富水性好、透水性强，厚大的第四系含水层彼此相连，形成天然的“地下水库”，并且第四系含水层与滦河水力联系密切，滦河河水可源源不断补给第四系，第四系地下水是矿坑充水水源。

第四系底部为基岩风化带，基岩风化带分布范围广，厚度为41.6～74.1 m，透水性、富水性较弱，除个别地段存在“天窗”和人为通道外(以往未封闭钻孔)，基岩风化带成为阻隔第四系地下水向矿坑运移的关键层位。矿床开采条件下水文地质模型如下图7所示。

图5 第四系地下水等水位线及流向略图Fig.5 Water contour and flow direction of the groundwater in the quaternary system

图6 马城铁矿矿体三维立体图Fig.6 Tri-dimensional stereo of the ore body

本矿山采用不破坏顶板的胶结充填法采矿，可以有效地控制地面塌陷，也可避免第四系孔隙水大量涌入井下。在矿山开采过程中，矿体与第四系含水层底板接触部位保留有一定厚度的矿(岩)柱，加之第四系含水层与基岩含水层之间有较完整的隔水层，其间水力联系较弱，可以防止对第四系含水层的破坏。

含水层的防治工程包括第四系孔隙水含水层防治工程和基岩裂隙水含水层的防治工程。

2.2.1 第四系含水层防治工程

本区第四系覆盖层较厚，含水层平均厚度占地层平均厚度的60%有余，水量丰富，透水性极强，在矿山开采中对第四系地下水采取保护措施。主要防治工程如下：

(1) 留设保安矿柱

根据矿区水文地质条件和工程地质条件，在矿山开采过程中预留一定厚度的矿(岩)层作为护顶保安矿柱。

(2) 注浆封堵

矿区第四系孔隙含水层水量丰富，外围水资源充沛，第四系底板与基岩面没有稳定的隔水层存在，局部有“天窗”，同时存在20世纪70年代施工的20个以上未封钻孔，形成天然和人为通道，对基岩含水层进行补给，是矿床充水不可忽视的因素。

在矿山开采过程中，根据地下水、涌水量等监测情况，布置适当的物探工作，查明风化壳岩石的破碎程度等地质情况，进行针对性注浆封堵措施等，防止第四系地下水下渗。因此在开采过程中，除按设计留设护顶保安矿柱保护第四系底部隔水层之外，视实际情况进行必要的注浆封堵。

图7 矿床开采条件下水文地质模型Fig.7 Hydro-geological model under mining conditions

2.2.2 第四系含水层防治工程

矿山平硐、斜井、巷道施工，以及地下开采主要在完整基岩中进行，因基岩裂隙水渗透系数较小，在施工及采矿过程中涌水量不大，其防排措施主要采用直接排水方案。

但为了矿山安全生产和防止沟通第四系含水层，对基岩构造裂隙水做好防治工作。首先应布置适当的物探工作查清断层及断层影响带位置、分布及透水能力，然后视不同的地质情况采取不同的防治措施，对透水能力较小的断层及断层影响带采用施工进程中壁后注浆进行止水；对透水能力较大的断层及断层影响带，可以在地下工程施工前，在其上部通过钻孔注浆的方法进行防渗加固。

3 矿山地质环境监测工程

在矿山开采过程中为切实加强矿山地质环境保护，应建立健全矿山地质环境监测机制和矿山地质灾害预警机制，建立专职矿山地质环境监测机构，设专职管理人员，负责企业矿山地质环境监测工作，对矿山地质环境监测统一管理。

3.1 地面变形监测

矿山进入正常生产后，在地表塌陷区监测岩土体错动，监测其最大下沉值、倾斜变形值、曲率变形值等，以及对地表建筑物的影响破坏程度，绘制下沉等值线图、水平变形分布图等，划分均匀下沉区、移动区和轻微变形区，为同类矿山的开采积累经验并提供技术依据。监测方法为：沿近似平行矿体走向布置4条铅直监测线，间距500 m，垂直矿体走向布置10条铅直监测线，间距500 m。监测线的长度应超过岩石错动界线100 m，监测线上监测点的间距100 m，可埋设水泥桩作为监测点，利用水准仪监测水泥桩的位移及下沉值，监测时间每7 d一次，3个月为一周期，雨季加密。

3.2 地下水监测

对第四系孔隙水地下水水位、水量以及矿井涌水量进行监测。如发现矿坑涌水量突然增大、孔隙水水位超常下降，应及时查明原因，并采取针对性措施。选取矿区内及周边有代表性的水井和钻孔作为地下水观测孔，第四系孔隙水观测孔不少于10个，基岩裂隙水观测孔不少于10个，观测周期每天一次，如发现水位异常须加密观测次数。

4 结论与建议

(1) 马城铁矿为大水矿山，矿山地质条件复杂。在开采之前应详细查明矿区水文地质条件，特别是基岩水文地质条件；详细查明基岩风化带、断裂带的分布情况；详细查明全风化带、断裂带及其影响带的隔水、透水情况及开采条件下的透水情况。

(2) 建议矿山对井下采区与第四系和地表水体之间有水力联系的断层采取堵水措施，截断井下采区第四系水与地表水体的通道，并在开采过程中加强工程地质和水文地质变化监测，发现问题及时采取注浆封堵措施予以解决。对于未封口钻孔，在设计及开采过程中必须高度重视，采取必要封堵等防范措施。

(3) 建议矿山进行采矿方法研究，对设计推荐的采场结构参数进行优化，特别是应加强对充填体的稳定性研究工作，矿柱的留设和回采的可行性研究工作等，以保证矿山生产安全，充分利用矿产资源，提高矿山经济效益。

[1] 赵正强.矿山开发对地质环境的影响及保护研究[J].哈尔滨铁道科技，2005，(1)：30-31.

[2] 武强，刘伏昌，李铎.矿山环境研究理论与实践[M].北京：地质出版社，2005.

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GEOLOGICAL ENVIRONMENT PROTECTION OF THE MACHENG IRON MINE

ZHANG Kun

(North China Engineering Investigation Institute Com. Ltd., Shijiazhuang 050021,China)

The mine has complex geological conditions with flood. It is extracted underground and with the method of subsequent filling. Appropriate control measures and monitoring methods are proposed to ensure the production safety and economic benefits, based on the research of hydrogeological conditions.

mine environment; flooded mine; ground subsidence; groundwater

1006-4362(2014)01-0059-07

2013-10-30 改回日期： 2014-02-21

TD167

A

张坤(1981- )，女，河北定州人，工程师，主要从事地质灾害治理设计、施工和地质灾害危险性评估方面的工作。