廣西武宣盤龍鉛鋅礦礦區環境水文地質問題分析及防治對策

鄧 忠，李 珊，李彩華，唐勇臣

（1. 廣西水文地質工程地質勘察院，廣西 柳州 545006；2. 北京中鋒資產評估有限責任公司，北京 100081）

巖溶地面塌陷、區域地下水位下降、采空區地面塌（沉）陷、礦坑突水等是巖溶區礦山在開采過程中產生的主要環境水文地質問題（羅小杰等，2018；張壽越等，1988）。據統計，廣西14個市109個縣（區）的4745座礦山中，有368座礦山因礦業活動引發了地面塌陷、地面沉降、地裂縫和礦山突水災害，占調查礦山總數的7.76%（袁道先，2014）。全區共有21座礦山發生過38次礦坑突水災害現象（廣西壯族自治區桂林水文地質勘察院，2010），據近幾年來的數據統計，廣西曾登記開采和現登記開采礦山總數為9538座，登記開采面積共3960 km2。礦山地質環境問題輕微的礦山共3385座，存在較嚴重礦山地質環境問題的礦山共1983座，破壞面積共124.72 km2，截至2017年底，礦山生態環境調查過程中發現崩塌、滑坡地質災害隱患261處，泥石流隱患22處，18座礦山存在地面塌陷、地面沉陷地質災害隱患。

廣西盤龍礦礦區內，崩山礦與大嶺礦在不同時間、空間先后開采，前期2座礦山開采曾引發礦井所在主采區段淺層水源疏干、巖溶地面塌陷等環境地質問題（廣西水文地質工程地質勘察院，2015）。為探明礦山開采工程活動對礦山環境地質問題的影響程度，本文分別從礦區地層巖性分布、地質構造條件、巖溶發育特征、水文地質特征、礦山開采工程活動特征、礦坑抽排地下水等方面綜合分析，揭示盤龍礦區存在的主要環境水文地質問題，并結合開采工程活動提出帷幕灌漿、回填灌漿加固、充填采空區、加強地面變形監測、先探水再掘進等防治措施與對策，為礦山有序開采及安全經濟高效運行、礦床疏干排水方案及礦山深部開采設計提供科學依據。

1 礦區概況

1.1 自然地理條件

礦區位于廣西來賓市武宣縣城南東12 km的桐嶺鎮盤龍村—灣龍村一帶，有公路直通縣城，來賓至桂平高速公路在礦區東部邊緣經過，黔江從礦區東北側穿流而過，交通條件便利。

區內屬亞熱帶溫濕氣候區，氣候溫暖、潮濕、雨量充沛，多年平均氣溫21.1℃，多年平均降雨量1124.1 mm。區內有2條常年性河流，黔江和武來河。黔江是區域地下水最低侵蝕基準面，多年平均流量4240 m3·s-1，最大平均流量25500 m3·s-1，最小平均流量851 m3·s-1，歷年最高洪水水位64.70 m，洪水警戒線55 m，最低32.59 m，多年平均水位變幅22.06 m，枯水期水位標高32.25 m，建礦以來最高水位標高為59.5 m。武來河為黔江一級支流，發育于礦區北側巖溶槽谷區，屬常年性河流，為桐嶺谷地地表水、地下水的排泄場所，是區域次一級侵蝕基準面。

1.2 礦區開采基本特征

大嶺礦段是武宣盤龍礦區的主要礦段，目前淺部采選3000 t項目主要開采標高-70～-320 m，已建成了完善的中段運輸系統、排水系統、通風系統以及供水、供電系統。礦區規劃向深部采礦，將繼續進行改擴建，由日采選鉛鋅礦3000 t擴建到6000 t。開采方式：地下豎井開采。開采水平劃分：開采標高-380～-1100 m。

1.3 地層巖性及地質構造

礦區地層主要由第四系及泥盆系組成。第四系（Q）主要為殘坡積層，廣泛覆蓋于基巖之上，厚度各地不一。泥盆系主要有上統融縣組（D3r）灰巖夾白云巖，中統東崗嶺組（D2d）下段灰巖、白云巖互層，上段硅質巖、泥灰巖，下統大樂組（D1d）泥灰巖，下統官橋組（D1g）白云巖夾灰巖，下統二塘組（D1e）泥灰巖、灰巖夾鈣質泥巖、頁巖互層。

礦區內經廣西運動褶皺成為近EW-NE軸向的緊密線狀復式褶皺，斷裂構造以NE向和近SN向為主，次為NW向和近EW向。礦區內共有5條比較明顯的斷裂構造（圖1）。F1為逆斷層，斷層帶裂隙發育，少量褐黃色鐵質、泥質充填，富水性中等，屬北面桐嶺地下水系統；F3為區域較大斷裂，斷層帶相對隔水；F5為逆斷層，富水性差，3條斷裂構造對盤龍礦區礦井涌水影響較弱。F2為平移斷層，總體弱透水，但局部裂隙導水，構成西部向礦區充水途徑，有較大影響；F4為逆斷層，斷層面及影響帶以風化碎屑及泥質充填膠結為主，弱透水，對礦區充水有一定影響。

圖1 礦區水文地質略圖Fig.1 Hydrogeological map of Panlong mine

1.4 巖溶發育特征

據盤龍礦區內的勘探鉆孔和野外調查資料，礦區巖溶的形成特征主要有巖溶洼地、溶潭、消水洞、溶洞、溶蝕裂隙和溶孔、地下河等(康彥仁等，1990)；大嶺礦區內的鉆孔遇洞率達30.10%。

（1）地表巖溶發育程度與分區

依據地表巖溶發育密度、線巖溶率、遇洞隙率、單位涌水量等指標進行巖溶發育等級劃分，礦區地表巖溶可劃分為巖溶強發育、中等發育和弱發育3個區：巖溶強發育區主要位于盤古—崩山礦一帶，巖性以上倫組上段（D1sl 2）白云巖夾白云質灰巖和灰巖為主。巖溶中等發育區主要由D2d 1、D1g、D1sl 2等白云巖、灰巖夾生物碎屑灰巖、白云質灰巖組成。巖溶弱發育區呈條帶狀分布，以泥質灰巖夾灰巖和白云巖、泥質灰巖與泥質灰巖互層等巖層組成。

（2）巖溶垂向發育分帶

據礦區水文地質詳細勘查成果，物探解譯結果與鉆探及巷道揭露結果基本相吻合，礦區地下巖溶順巖層發育，具有隨深度增大而減弱的變化特征（廣西水文地質工程地質勘察院，2015）。

依次劃分為3個帶：-120 m高程以上為巖溶中等發育帶，-120～-500 m高程為巖溶弱發育帶，-500 m高程以下為巖溶微發育帶（表1）。

表1 礦區巖溶垂向發育分帶Tab. 1 Vertical development zoning of karst in mining area

1.5 礦區地下水補徑排特征

（1）淺部巖溶水補給徑流排泄條件

礦區地處殘丘巖溶平原向丘陵區過渡地帶，降雨入滲補給是礦區地下水的主要來源，其次為黔江河水側向補給。東部黔江河床底標高25 m，礦山開采前天然地下水位標高約為50 m，礦區地下水多沿層面滲流或網絡裂隙滲流運移，自西南向北東徑流，排泄于黔江（圖1）。在礦區西部，盤古村谷地、北部峰叢谷地武來河兩岸以小泉排泄為主，泉水溢出后，向就近谷地低洼地、六沙溝或北面武來河匯集，最后向黔江排泄。

由于礦山傍河開采，在礦山多年開采強排地下水條件下，地下水位大幅下降，當疏干降落漏斗擴至黔江，則出現東部黔江常年反補給礦區地下水；西部由于F2平移斷層的推移作用，使西部的含水層與其東部各含水層相互接觸，使得礦區西部盤龍村至崩山礦區的地下水與礦區地下水有一定的水力聯系，形成西部地下水的側向補給。

區域地下水主要接受降水補給，補給條件較好，地下水沿層面裂隙、主干構造線向東徑流排泄于黔江，在中部桐嶺一帶北西向橫張斷裂切割巖層破碎，較好地得到北部地下水補給，在灰巖與白云巖接觸帶形成較多泉水，就近向武來河排泄，武來河是桐嶺地塊下水次一級侵蝕基準面。

（2）深部巖溶水補給與循環條件

未來深部采礦標高達-380～-1100 m，深部地下水主要補給源仍然為降雨和東部黔江反補給以及西部崩山礦子系統通過F2斷層弱透邊界裂隙徑流補給。采區補給地下水隨深度增加巖溶發育漸弱，下滲補給量變小，補給強度降低。

深部巖溶水循環交替受構造與巖溶發育程度控制（何宇彬等，1997），礦區深部礦體與圍巖蝕變帶未見強溶蝕裂隙帶，弱富水。依巖溶及地下水循環交替的強烈程度，地下水循環交替強弱自上而下劃分為2個帶（圖2）：-120 m高程以上為地下水水平徑流帶，中等巖溶發育，接受包氣帶層入滲補給，季節性降水或黔江水位變幅補給較敏感，地下水循環交替積極；-120 m高程以下屬于深部緩流帶，巖溶弱發育，表現為緩慢水流交替或水流交替停滯，以微裂隙滲流呈微弱—弱循環交替狀態。

圖2 礦區水文地質垂向變化略圖Fig. 2 Vertical change diagram of hydrogeology in mining area

2 礦區主要環境水文地質問題

2.1 礦區人類工程活動概況

武宣礦區賦存重晶石和鉛鋅礦，采礦歷史長久，產能不斷擴大，但過量抽排地下水、廢渣無序堆放，挑戰礦區及附近村莊生態環境的承載能力（姜伏偉，2017）。如崩山礦段在開采期間，強勁排水疏干已引發本子系統范圍內大面積巖溶地面塌陷坑（群），造成井泉干涸，民房下沉開裂等環境地質問題，加劇礦農之間矛盾，影響社會穩定，已被迫于2006年關閉。近兩年，大嶺礦段淺部日采選鉛鋅礦3000 t項目仍在生產，在局部地段已引發巖溶地面塌陷、淺層巖溶水被疏干、地面輕微變形、地下水輕度污染等環境地質問題。

2.2 礦坑抽排水疏干影響范圍

（1）崩山鉛鋅礦開采歷年排水疏干影響范圍

崩山礦子系統與大嶺礦段子系統各具有相對獨立的地下水子系統，但2個子系統之間以F2弱透水邊界相接觸，淺部裂隙串通又有著一定的水力聯系。崩山礦2006年前連續抽水半個月，水位降至工作面以下，礦坑涌水量5760 m3·d-1，水位降深約99 m，水位標高-40 m左右，抽水引發井口附近及西面的盤古村大面積的塌陷，民房開裂1處，井泉疏干2個點，2006年停采3 d后，井泉點恢復，同期大嶺礦段也在開采，但在F2以東區段未產生巖溶地面塌陷，崩山礦抽水影響范圍主要限于本子系統內，面積約1.58 km2。

（2）大嶺礦段排水疏干影響范圍

大嶺礦天然地下水位標高為50 m，淺部3000 t項目的開采已形成-70～-320 m中段坑道系統。據礦區水位長觀點水位動態及礦坑疏干狀態的等水位線及淺部井泉疏干影響程度分析，礦坑多年疏干排水引發的區域地下水位降落漏斗已影響到大嶺礦本身地下水子系統及通過F2斷層間接影響到崩山礦地下水子系統，疏干影響降落漏斗大致呈扁橢圓狀，東西長4.15 km，寬約0.9 km，影響面積約4.93 km2。

礦區疏干排水的影響范圍受邊界條件控制，南面至下泥盆系上倫組下段泥灰巖相對隔水邊界，北面至二塘組（D1e）相對隔水邊界，東至黔江定水頭補給邊界，西部基本上影響到崩山礦地下水子系統。受西部F2斷層弱透水邊界影響，疏干表現為穿越F2斷層帶上的裂隙近似以定流量滲流形式向礦坑充水，F2西側地區水位緩慢下降被間接疏干。

2.3 含水層的破壞影響

大嶺礦坑疏干排水影響范圍受本子系統的邊界控制，南北至相對隔水邊界，東部擴展到黔江，西部間接影響至崩山礦地下水子系統。疏干含水層表現為對本子系統的靜儲量疏干，東部接受黔江反補給，充水量增加，水力坡度變陡。西部通過穿越弱透水邊界F2斷層上的裂隙徑流補給疏干，以穩定裂隙滲流補給礦坑，地下水位緩慢下降，降速0.15～0.25 m·d-1，間接疏干影響盤古村一帶井泉點，同時由于崩山礦區前期已形成較多的巖溶地面塌陷，地表水沿塌坑下灌補給地下水，可能造成含水層的輕度污染。

當崩山礦子系統水位下降到一定程度后，水力坡度變陡，襲奪北東部六沙、大坪嶺地下水子系統地下水，地下水同樣通過F2斷層間接補給崩山礦子系統后進入大嶺礦坑。

2.4 巖溶地面塌陷

據野外地質調查，引起礦山巖溶地面塌陷首要原因是礦坑強勁集中抽排地下水引起（雷明堂等，1997），其次是天然水位變幅，再次是重晶石露采凹坑積水下滲潛蝕引起。巖溶地面塌陷發育程度受巖性、構造、地貌、水文氣象、礦山抽排地下水強度及巖溶發育程度等因素影響，不同區段發生巖溶地面塌陷頻率不一。

（1）崩山鉛鋅礦排水疏干引發巖溶地面塌陷

崩山礦于2006年擴大產能規模進行斜井地下開采，開采標高60～-40 m，該地段上部土層厚3～8 m，溶隙與裂隙發育，天然水位標高約59 m，當年開礦坑涌水量5760 m3·d-1，水位降深約99 m，水位標高-40 m左右，盤古村—崩山礦段一帶屬于受礦坑排水影響最大、陸續出現共72個地面塌陷坑（群），平均45.6個·km-2。地面塌陷點呈串珠狀排列，與巖層走向基本一致，主要集中在稻田、村邊地勢相對低洼地帶。塌坑底可見基巖溶洞和溶蝕裂隙。隨之而來的是泉、井干枯，機井吊泵，飲用井泉干涸，被迫改用其他水源，少部分稻田因漏水無法耕種被迫改為旱地。

（2）大嶺礦段排水疏干引發巖溶地面塌陷

大嶺礦段受礦坑淺層疏干影響有限，引發地面塌陷也不多，主要發生在東部，面積約2.51 km2，每1 km2出現塌坑數2～4個。2003年大嶺礦段-20 m中段疏干排水期間，在26線北面發生2處地面塌陷，其直徑和深度均為3 m；2007年3月23日，-70 m中段東主巷在1650線位置掌子面爆破時發生突水，水渾濁夾帶泥石碎塊，水量約400 m3·h-1，從而引起地面16線周圍發生地裂及沉降，當井下及時采取堵水后，地面開裂、沉降停止，并趨于穩定。

2.5 疏干對地下水水源供水的影響

大嶺礦地下水子系統無飲用水源分布，礦坑疏干排水間接影響崩山礦地下水子系統。崩山礦地下水子系統天然地下水位59 m左右，受疏干影響水位緩慢下降，以0.15～0.35 m·d-1的速度下降，枯水期最低水位標高32.46 m，降深26.54 m（2005年11月測）；同期大嶺礦坑漏斗中心水位標高為-116.61 m，降深156.65 m。疏干影響到西部盤古村一帶原有的井泉，其自崩山礦開采期間已被疏干斷流，2006年崩山礦停采后，大嶺礦開采延續疏干排水，間接疏干影響到2個泉點，至今仍基本處于斷流狀態。

2.6 礦山廢水、尾礦、礦石堆（排）放污染

盤龍礦山屬重金屬礦山，污染源主要有礦井廢水、尾礦庫、礦石與廢石，其次重晶石排泥庫、私營外來礦石加工鉛銻礦尾礦砂等，主要污染途徑通過土巖孔隙、裂隙或地面塌陷坑滲漏污染，污染影響范為采區地下水及黔江。對礦井井下及礦井水外排出口等共計18組水樣檢測，其水質分析結果：水質類型為低礦化度HCO3－Ca·Mg型和HCO3·SO4－Ca·Mg型，反映礦層局部含硫成分較高，涌水點水質呈現低礦化度HCO3·SO4－Ca·Mg型；總體上水中Pb、Zn、Cd、As等重金屬含量很低。

3 礦區環境地質問題評述與防治對策

3.1 環境水文地質問題評述

礦區內崩山礦與大嶺礦在不同時間、空間先后開采，前期兩礦山開采曾引發礦井所在主采區段淺層水源疏干、巖溶地面塌陷等環境地質問題，后期大嶺礦延續開采疏干排水，降落漏斗擴展與形成，淺部水源疏干與巖溶塌陷基本上維持現狀。大嶺礦屬傍河巖溶水下開采，進水邊界復雜，水文地質條件復雜，礦區內崩山礦與大嶺礦具相對獨立的地下水子系統，兩系統之間在西部與F2斷層弱透水邊界相接觸，但F2斷層又沒有完全隔水作用，但在坑排水疏干條件下，崩山礦子系統地下水會通過F2斷層上裂隙帶向大嶺礦坑充水，又有著相互的水力聯系。

2006年前，西部崩山礦開采排水疏干期間引發崩山礦、盤古一帶大面積的巖溶地面塌陷，淺部井泉干涸，屬地質災害易發區，系崩山礦開采直接引起的環境地質問題，影響程度較嚴重。崩山礦停采后，大嶺礦段延續開采，淺部開采現狀排水疏干已形成以主采區為疏干漏斗中心，并間接影響崩山礦子系統，區內無重大水源分布，引發本子系統內局部巖溶地面塌陷，以及間接疏干造成西部崩山礦子系統水位下降及原井泉干涸，疏干影響面積4.93 km2，主采區漏斗中心水位-114.79.74 m，水位降深約165 m，西部崩山礦水位標高33.20 m，水位下降26 m（2005年11月測）。2011年后大嶺礦段降落漏斗形成，至今沒有引發本系統及崩山礦子系統新的巖溶地面塌陷或加劇現狀巖溶地面塌陷復活與擴展，對西部影響程度相對較弱。礦井廢水排放及選礦廢水及尾礦堆存對地下水環境影響程度較輕，地面采空區地面變形輕微。

2006年以前，在保持淺部排水條件下，深部采礦排水疏干影響范圍仍然受水文地質邊界控制為主，與現狀疏干輪廓基本一致，漏斗區地下水位繼續下降、水力坡度變陡，但水位降幅與現狀相比變化不大，主采區漏斗中心水位下降約5 m，水位標高-120 m左右，西部崩山礦水位下降約10 m，水位標高+23 m（2005年監測），水位下降26 m。淺部井泉、含水層疏干，局部引發巖溶地面塌陷、地面塌陷變形輕微，礦坑排水、礦石、廢石、尾礦堆存對地表水體和地下水源輕度污染。

3.2 防治措施與對策

大嶺礦床開采隨著深度的增加，涌水量增幅將逐漸變小，但排水疏干影響范圍會略有擴展，導致區域地下水位下降、含水層疏干、民井干涸、魚塘漏水，引發或加劇巖溶地面塌陷，影響當地村民的生產和生活。深部采礦產能擴大，產生廢水、尾礦等排放引發新的污染問題；大藤峽水利樞紐工程正常蓄水，黔江水位抬高將涉及礦山安全開采和防治水害問題。據建設工程特點及可能出現的環境水文地質問題提出如下針對性的防治措施與對策。

（1）巖溶地面塌陷

1）對可能出現巖溶地面塌陷的崩山礦、大嶺礦子系統地區，采取巡視和監測，做好地表水水文網、淹沒區、積水坑塘和各種排水溝渠的防滲漏或回填措施，盡量防止地表水集中下滲補給地下水而發生潛蝕作用引發地面塌陷。2）對現有塌陷點要及時回填或灌漿固結處理，防止塌陷坑擴大，減少因塌陷造成的損失。回填的方法：先回填塊石，后回填礫石、粗砂，可使洞口處形成反濾層，最上部回填黏土，必要時應進行灌漿加固處理。3）對地表低洼凹坑、積水塘、重晶石露采坑采取黏土回填，防止地表水和大氣降水集中灌入地下。

（2）采空區地面塌（沉）陷

據廣西中金嶺南礦業有限責任公司提供的數據，目前武宣盤龍鉛鋅礦礦山在-270 m高程以上已形成約累計采空容積約80萬m3采空區，建設項目設計擴產開采后將會形成更多采空區，存在一定的安全隱患，礦柱回采結束后應及時處理采空區，可采取以下處理方法：1）礦柱回采結束后封閉所有通往采空區的通道，確保人員安全和設備完好以及減少礦井通風的漏風量。2）礦山應對井下采空區進行充填治理，采礦選后充填采用尾砂膠結充填和非膠結充填相結合的方式。

（3）地面沉降變形

礦坑抽排地下水引起區域地下水位下降以及采空區會導致地面沉降變形地質災害。具體防治如下：1）礦山開采過程中要發動礦區采空區上方及附近村莊的群眾經常觀測各自的房屋，若發現地面或房屋變形、開裂過大，立即上報并讓群眾進行撤離。2）對新布局的工業廣場構建筑物，選址要放于不受采空區影響的穩定區域，應先進行巖土工程地質勘察，然后再設計、施工，房屋基礎最好置于完整基巖中。3）繼續做好采空區地面變形監測工作。

（4）礦坑涌（突）水

1）井下掘進過程對斷層構造或破碎帶、溶洞及溶隙發育段等進行測量、統計、描述，并應與上、下中段相應位置的破碎帶、溶洞或溶隙有機結合在一起，綜合分析其相互聯系，以達到預測可能發生涌（突）水的目的。2）每天觀測巷道水位、水量變化情況，出水點涌水方式，如工作面潮濕且巖體松動跡象或噴射狀況，以及水質夾雜物成分，如水中有夾帶含泥、砂、石成分和水質顏色變化。3）建議在-320 m～-440 m高程中段設置1～2個隔水中段，先開采-440m高程以下礦床，避免采空區導水裂隙帶貫通，地下水層層下滲，減輕深部采礦的水害風險和排水成本。4）有可疑的出水點或溶洞、裂隙發育段及隱伏性斷裂應先用探水鉆探或探水雷達探明其富水性、涌水特征，后掘進。5）分區分級排水，將井巷系統分成若干防水區，建立既獨立又聯合的排水系統，避免一處突水殃及全井。6）聯合疏干降壓開采，該措施是將礦井中水量較小的眾多涌水點通過巷道系統集中引入水倉，由水泵排出井外，達到礦井疏干目的，實現礦井正常生產。

4 結論

（1）盤龍礦礦山屬傍河礦山，水文地質條件復雜，采礦權范圍內采礦工程活動對巖溶地面塌陷、含水層疏干、廢水與固廢物污染等環境水文地質問題影響較大。

（2）結合開采工程活動提出帷幕灌漿、回填灌漿加固、充填采空區、合理抽排地下水、先探水再掘進等防治措施，效果好，對大水礦山科學有序開采起到決定性作用。

（3）進一步加強和完善礦區地面沉降變形監測工作，加強礦區地質災害監測工作，建立群測群防網和地質災害預報系統。