河南省汝州市安溝鋁土礦礦床開采技術條件淺析

王 倩，閆 丹，李柯柯

（河南省地質礦產勘查開發局測繪地理信息院，河南 鄭州 450006）

河南省汝州市安溝鋁土礦為一沉積型一水硬鋁石型鋁（粘）土礦床。本文通過全面的資料收集、充分有效的野外勘查、詳細的綜合分析，基本查明了區內的主要含水巖組和隔水巖組的巖性、厚度、分布特征及埋藏條件，含水層的富水性；基本查明了礦體分布地帶地下水埋深及其與礦體的相對位置；基本查明了礦床充水條件；基本查明了礦體頂、底板及含礦巖系工程地質特征；在收集區內環境地質方面相關資料的基礎上，對該礦區的環境地質情況做出了概略評價。

1 礦床開采技術條件

1.1 水文地質

1.1.1 區域水文地質條件

（1）地形地貌。

本區在區域上呈現為北部高南部低的總體地勢，山勢走向大體是北西一南東向。本區屬低山丘陵區，區域北部由北西到東南為系列山嶺，海拔標高+701.00m～+864.80m，構成侵蝕低山地貌單元[1]。區域南部為平原地貌，海拔高度+200.00m～+250.00m。本礦區處于山地與平原交界處，屬丘陵區，海拔+261.40m～+450.30m。

（2）氣象水文。

礦區屬中緯度帶，大陸性半干旱大陸性季風氣候帶。其特點是春季溫暖，干旱少雨；夏季炎熱，雨量充沛；秋季涼爽、怡人；冬季寒冷，雨雪稀少，四季分明。區內常年性地表水體為安溝水庫，歷史最高水位270.63m。靠積蓄洪水，由于降雨量減少，水庫水量逐年減少。

（3）含水巖組及隔水巖組。

第四系孔隙含水巖組：主要巖性為沖、洪積砂、礫石、漂石、亞砂土，涌水量0.96～15.30L/s，水化學類型HCO3-Ca·Mg型水，礦化度0.50g/L；粘土、亞粘土為隔水層。

二疊系裂隙含水巖組：主要巖性為厚層狀深灰色、紫色、磚紅色砂質泥巖、砂巖。黑色炭質泥巖、煤層均不含水。上部平頂山砂巖、上石盒子組的田家溝砂巖、下部山西組的大占砂巖含裂隙承壓水、潛水，泉水流量0.860L/s，鉆孔涌水量0.04L/s～3.30L/s，水化學類型為HCO3-Ca·Na型或HCO3-Ca·Na型，礦化度0.50g/L。

上石炭統太原組和本溪組巖溶裂隙含水巖組：主要巖性為深灰色燧石石灰巖、泥巖、砂質泥巖、中細粒砂巖、煤線、鋁土礦及雜色鋁土質泥巖組成。深灰色燧石石灰巖、砂質泥巖、中細粒砂巖含巖溶裂隙潛水和承壓水，涌水量0.05L/s～1.20L/s，含水量較小，水化學類型為HCO3-Ca·Mg型水，礦化度小于0.30g/L。

寒武系巖溶裂隙含水巖組：上統崮山組深灰色厚層狀石灰巖、白云質灰巖、白云巖、團塊狀白云巖，含水不均勻，含巖溶裂隙水，泉水涌水量0.05L/s～40.00L/s；中統張夏組、徐莊組、毛莊組，該段巖性穩定，含水微弱，在宏觀上為區域性不透水地層；下統饅頭組、辛集組屬層間裂隙巖溶水。泉水多出現在上統地層，泉水涌水量2.50L/s～100L/s，水化學類型為HCO3-Ca·Mg型水，礦化度小于0.50g/L。

（4）地質構造對地下水的控制作用。

地下水的滲透方向受到了地質構造的制約，本區為南西向傾斜的單斜地層，因此地下水沿巖層向南西方向滲流。近東西和北西一南東方向兩組斷層較發育，地下水滲透方向在局部地區因受斷裂構造影響有所改變。

1.1.2 工作區水文地質特征

（1）水文地質條件。

本區處于山地與平原交界處，北東高，南西低，屬丘陵區，海拔261.4m～400.3m，一條季節性河流黃澗河自礦區中部由北向南流入北汝河。基巖出露面積約占工作區面積的四分之一，由于地形切割及流水沖刷作用，形成較多深溝。

安溝水庫是區內的常年性水體，安溝水庫的水由黃澗河向南流入北汝河。黃澗河為季節性河流，常年無水，僅在雨季有短暫水流，每年7、8、9三個月份降雨量比較集中。在雨季，工作區外以北的區域所承接的大氣降水，其中一部分變成地表徑流匯入了安溝水庫，另一部分則沿巖溶裂隙形成地下徑流，形成承壓水；礦區南部的大氣降水大部分匯入黃澗河向南入北汝河，對工作區無影響。工作區中部零星出露的石炭系灰巖露頭透水性較好，地表水沿基巖面向南西滲透。

（2）各巖組水文地質特征。

寒武系上統崮山組(∈3g)灰巖含水巖組：主要巖性為淺灰色厚層狀細晶白云質灰巖，巖石裂隙比較發育，裂隙寬度0.50mm～5.00mm，多為方解石充填其中。本區鋁土礦床的直接底板為崮山組（∈3g）灰巖，其頂面遭受了強烈的溶蝕、風化作用，呈現出凸凹不平的形態[2]。該組地層大面積地裸露于工作區北部地表，巖溶裂隙較發育。根據鉆孔簡易水文觀測，寒武系上統崮山組(∈3g)灰巖含水巖組的地下水水位標高約在+207.97m～+291.08m之間，同時受到季節性的影響，該含水巖組地下水水位變幅約為1.5m～2.0m。水化學類型為HCO3-Ca·Mg型和SO4·HCO3-Ca·Mg型水，水溫18℃，礦化度為0.40g/L，地下水補給的主要來源為大氣降水。

上石炭統（C2t）隔水巖組：該隔水巖組在地層單元上，屬于石炭統本溪組(C2b)，主要巖性為鐵鋁質泥巖、灰黃色鋁土質泥巖、塊狀或豆狀鋁土礦及赤鐵礦層，隔水性較好。厚度極不穩定，揭露厚度0.9m～19.58m，平均厚度6.4lm。

上石炭統～下二疊統裂隙巖溶含水巖組(C2t～P1S)：地層單元屬上石炭統太原組～下二疊統山西組，平均厚度為37.50m。工作區內工程揭露厚度0～67.20m，主要巖性為中細粒砂巖、砂質泥巖、泥巖、炭質泥巖、煤層及燧石灰巖[3]。含水巖層包括中粒砂巖和石灰巖，裂隙巖溶比較發育，在鉆孔中，遇到石灰巖時均發生嚴重漏水現象，局部含巖溶裂隙承壓水，水化學類型為SO4·CO3，Ca·Mg型水，礦化度為0.797g/L。

第四系透水不含水巖組(Q)：本組透水性良好，一般不含水，局部含潛水，主要巖性為亞砂土、亞粘土，砂卵石層、礫巖、粘土巖等，厚度0～162.60m。工作區中部安溝村機井井深50m，測得靜水位埋深34.20m，孔口標高256.20m，則機井靜水位為222.0m，機井出水量25m3/h，為第四系底部潛水。水化學類型為HCO3-Ca·Mg型水，礦化度為0.4lg/L。

（3）未來礦坑充水因素。

礦區未來開采過程中，礦坑充水的水源主要來自大氣降水、安溝水庫側滲和底板巖溶水。

1.2 工程地質

1.2.1 巖石工程地質特征

根據工作區內巖石機械性能不同，將巖石劃分為三個工程地質巖組。

（1）堅硬巖組：主要為寒武系崮山組(∈3g)白云質灰巖、上石炭統太原組～下二疊統山西組(C2t～P1s)生物碎屑灰巖、燧石團塊灰巖、中細粒石英砂巖，分布于礦體的頂、底部。

寒武系崮山組(∈3g)淺灰色厚層狀細晶白云質灰巖白云質灰巖是礦體的直接底板，呈厚層狀，致密堅硬，巖芯多呈長軸狀，巖芯一般長度為20cm～50cm，最長可達到約1.50m，巖石質量為I～III級，巖石質量個別地段為極好的，一般為中等及好的，RQD值一般為50%～80%，局部可達100%。該層的厚度穩定，普遍存在于工作區內，比重值約為2.7t/m3，多數抗壓強度＞60MPa。

上石炭統太原組～下二疊統山西組(C2t～P1S)生物碎屑灰巖、燧石團塊灰巖、中細粒石英砂巖，主要分布在礦區的南半部，巖石質量II～III級，巖石質量為中等及好的，RQD值為50%～85%；中細粒石英砂巖的厚度不均勻，多為泥質、硅質膠結，硬脆且節理、裂隙發育[4]。

（2）軟弱巖組：為上石炭統本溪組(C2b))的鋁土礦、粘土巖、含鐵質粘土巖、鋁土質泥巖、炭質泥巖及煤層，多呈薄層狀、中厚層狀出現，主要成分為鋁土質、泥質、炭質，質軟易碎，遇水變軟，厚度變化大，沉積連續性差。

（3）松散巖組：主要為第四系粉土、粉質粘土、粘土及砂礫石層。第四系松散沉積物覆蓋于區內大部分區域，粉土、粉質粘土的分布較普遍，砂礫石層僅分布于河谷及其兩側，總厚度約為0～162.60m。

1.2.2 礦體頂底板及含礦巖系工程地質特征

礦體的直接頂板主要為上石炭統本溪組上段（C2b3）的砂質泥巖、鋁土質泥巖和生物碎屑灰巖，該層巖石抗壓強度低、工程穩定性差，因此比較容易發生崩塌。

礦體的直接底板為本溪組底部（C2b1）的粘土巖、鐵質粘土巖，該層巖石厚度變化大、巖石松軟、抗壓強度較低、穩定性較差[5]。

礦體的間接底板為上寒武系崮山組(∈3g)的白云質灰巖，該層巖溶含水組水位標高在+207.97m～+291.08m之間，在礦體南部底板不同程度遭受到底部承壓水的影響下，如果遭遇巖溶和導水構造，地下水將會沖破底板并涌入礦坑。

含礦巖系為上石炭統本溪組的鋁土礦、粘土巖，主要礦物成分為高嶺土、一水硬鋁石，次為三水鋁右及其它粘土礦物，局部含有少量鐵質，呈碎屑狀、豆鮞狀、泥質結構，塊狀構造。該組巖層抗壓強度中等，穩固性一般。

1.2.3 露天采礦場的邊坡評價

本區礦體位于一個單斜構造上，采礦場北坡，地面斜坡方向與巖層傾向一致，主要巖性為粉質粘土、粉土及粘土，次為坡積的碎石，主要礦物為粘土質，質軟遇水膨脹，容易崩塌，基巖頂部接觸帶為第四系殘坡積物，穩定性差，易產生崩塌和滑坡。

上石炭統太原組～下二疊統山西組，一套海陸交互相沉積的地層，中間夾有較軟弱的粘土巖、炭質泥巖、煤層，穩定性差，但邊坡揭露該段地層較少，影響不大。未來采礦場的南坡坡向與礦體巖層傾向相反，采礦場邊坡近似垂直巖石層面開挖，主要巖性為第四系粉質粘土和粘土層、礫巖及上石炭統太原組～下二疊統山西組的灰巖、砂質泥巖、泥巖及粘土巖等，大多屬于半堅硬巖組，整個巖體除第四系為松散沉積外，大多數比較堅硬的地層呈厚層狀出現，較軟弱巖層厚度較小，整個巖體層理明顯，即便產生滑動也是朝邊坡相反的方向位移，不會對礦坑產生影響[6]。

1.3 環境地質

1.3.1 大氣污染及地下水質量評價

工作區內無其它的工礦企業，同時遠離主干公路，環境較好。依據《環境空氣質量標準》(GB3095-96)，本區為大氣環境質量一級標準。

礦區內有安溝水庫地表水體存在，地下水埋藏較淺，居民生活飲用水主要依靠安溝水庫和井水，水化學類型為HCO3-Ca·Mg型水，礦化度為0.40g/L左右，PH值7.3～7.6。

1.3.2 地震及自然災害

依據《河南省地震烈度分區圖》，本區處于地震烈度Ⅵ度區內，抗震設防基本烈度為Ⅵ度，地震動峰值加速度為0.05g。

地震的發生造成大多數房屋輕度破壞，墻體出現細微裂縫，但不妨礙使用，切割較深的河谷陡岸發生崩塌。

據調查近十幾年未出現過洪澇災害，礦區內未發生過泥石流、崩塌、滑坡等地質災害。但礦區的礦產開發將會產生一定的環境影響：

a、由于人工開挖和采礦，在礦區可能引起崩塌、地裂縫和滑坡等現象。

b、礦層及其頂底板局部含較多的黃鐵礦結核，它在空氣中氧化生成二氧化硫，增加了空氣中硫的含量，對空氣有一定的污染。

c、由于礦山開采，對頂板含水層的疏排和對礦層以下承壓含水層水頭的降低，將會附近供水問題。

d、礦區內自然村莊在開采范圍內僅有煤窯灣村北部，居住人口較少。由于礦體埋藏淺，部分礦體在村莊下壓覆，開采時應考慮對建筑物的影響。

2 開采技術條件和地質環境問題評價

2.1 開采技術條件評價

（1）區內水文地質條件中等，含水巖組主要為寒武系崮山組(∈3g)白云質灰巖，其為礦體的間接底板，部分礦體賦存在底板含水巖組水位以下。礦體頂板含水巖組富水性弱，未來鋁土礦開采礦坑充水主要來自大氣降水和底板巖溶水，地下開采時要注意防止底板地下水涌出，做好排水準備。

（2）區內工程地質條件中等，礦體直接頂板為石炭系本溪組上段（C2b3），其巖石抗壓程度低、工程穩定性差，容易發生坍塌；礦體的直接底板為石炭系本溪組下段（C2b1），其巖石松軟、抗壓程度較低、穩定性較差。未來地下開采，應該加強對礦體頂、底板的支護措施。

2.2 地質環境問題評價

區內及附近環境較好，有地表水體，地下水埋藏深度+207.97m～+291.08m，無環境地質災害，礦區環境地質條件較簡單。

就本工作區而言，未來礦山開采過程中主要的地質環境問題來自于礦石、廢石有害組分的解離，其可能對地表水、地下水造成污染，因此，在礦山開采時應采取必要的防范措施及環境保護措施。同時也應對其它如地下水位下降、崩塌等地質環境問題加強監測，切不可忽視。

3 結論和建議

（1）本區屬于水文地質條件中等、工程地質條件中等、地質環境質量中等的礦床。

（2）供水方向及進一步開展的水文地質工程地質：

供水：未來礦山的供水水源是安溝水庫，水質屬重碳酸鈣鎂型水，水質能夠滿足生活飲用水質標準。

在下一步工作中，應對礦床底板含水巖組適當增加一些專門水文地質工作，了解其富水性能，以便計算未來礦坑涌水量；另外對上石炭統本溪組、山西組軟弱地層及笫四系的粉質粘土及粘土取工程地質樣，進行巖石物理力學試驗，可以較準確的確定未來露天采礦的邊坡角。