周鑫，汪要武，蒲东鸿

（中国建筑材料工业地质勘查中心江苏总队，江苏 南京 211135）

0 引言

中国基础建设的规模随着市场经济的发展不断扩大，水泥的需求也日益增长，水泥用灰岩矿开采规模也在不断扩大，水文、工程、环境等开采技术条件的变化，对矿山环境形成了巨大的影响（李扬胜，2019；孟繁和耿谏，2019；蓝俊先等，2019）。矽锅顶水泥灰岩矿位于江苏省句容市北部，距句容城区约10 km，矿区中心坐标：东经119°09′00″；北纬32°04′35″。矽锅顶水泥灰岩矿属于露天开采的大型灰岩矿床，自20 世纪90 年代开始开采，到目前已超过20 年。

矽锅顶灰岩矿所处宁镇地区的水文、工程和环境地质条件前人进行了大量研究，谢金元等（2019）基于降雨量与地质灾害的关系，建立了宁镇区域的地质灾害预测模型；张政（2019）从区域构造运动、气候与环境变化等角度对宁镇地区古滑坡的滑坡机理和分布规律进行了论述，并提出了检测和稳定性评价的方法；阎长虹等（2019）针对区域内的山前缓坡新型滑坡地质灾害进行了研究，认为特定的地层结构及水文地质特性是其产生的主要诱因；郜泽郑（2020）对区内降雨量与滑坡频度的相关关系进行了分析说明。

矽锅顶矿区目前进行的相关研究较少，姚圣根（2006）对矽锅顶矿床的岩溶特性进行了系统论述；贾莹（2017）年基于GIS 对矽锅顶矿区的开采噪声进行了环境评价。目前矿区缺少系统的水文、工程和环境地质条件的研究成果，为保证矿山的开采安全及降低对矿区周边环境的影响，该文对江苏句容市矽锅顶灰岩矿区的水文、工程和环境地质条件的现状进行总结评价，并对开采所产生的影响进行合理预测。

1 矿床地质概述

矽锅顶矿区大地构造位置处于扬子准地台内第五级构造单元宁镇断凸的北部，其所属二-四级构造单位为：下扬子台坳（Ⅲ1）、盐城-台拱褶带（Ⅲ1-1）及镇江-溧水断隆（）。地层区划上隶属华南地层大区（Ⅶ）—扬子地层区（Ⅶ4）—下扬子地层分区（）（姚圣根，2006）。

图1 宁镇地区地质构造简图（据陆邦成，2016）

矿区出露地层以古生界为主，从新至老分布有第四系（Q）、下二叠统栖霞组（P1q）、上石炭统船山组（C3c）、中石炭统黄龙组（C2h）、下石炭统老虎洞组（C1l）、下石炭统和州组（Clh）、下石炭统高骊山组（C1g）、下石炭统金陵组（C1j）、上泥盆统五通组（D3w）、上志留统茅山组砂岩（S3m）、中志留统坟头组（S2f）等，岩性以海相碳酸盐岩和陆相交互沉积岩为主。

矿区位于汤山-仑山背斜中段北翼，其构造主要展示为近东西向的次一级舒缓褶皱和断裂，区内主要褶皱有船山-窑上背斜、矽锅顶-青石山向斜、天王山-石龙岗背斜；断裂走向以近南北为主（图1）。

矿区内岩浆岩不发育，仅在矿区西南边部有零星分布，为燕山晚期中酸性侵入岩。岩性为蚀变石英闪长玢岩（δομ53-2）。在矿区中南部少量岩脉，岩性为（辉石）闪长玢岩（δμ53-1）。

矽锅顶水泥灰岩矿床矿层有3 层，分别赋存在中石炭统黄龙组上段（C2h2）、上石炭统船山组（C3c）和下二叠统栖霞组一段（P1q1）中，依次编为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ矿层（图2），3 个矿层具有独特的层控特征。

矿床赋存于矽锅顶-青石山向斜两翼和核部，3个矿层总体上组成了1 个向斜。采矿证许可范围内矿层厚度大于150 m，产状稳定，矿石质量好，走向延伸长达2300 m。

2 水文地质特征

2.1 矿区水文地质现状

矿区内未采矿体主要分布在130～-40 m。矿区一般最低排泄面标高为70 m。矿山采用露天式开采，矿坑疏干排水，根据地形可以自然排水，与地表水体水力联系很小。根据矿山提供的地下水动态观测资料，矿区地下水位及泉流量与降雨量关系密切，矿坑充水的主要来源为大气降水。

矿山含水岩组可分为碳酸盐岩裂隙溶洞水-中等富水性岩组、碳酸盐岩裂隙溶洞水-弱富水性岩组、碎屑岩裂隙水-弱含水岩组。碳酸盐岩裂隙溶洞水-中等富水性岩组，组成地层及分布范围与矿层基本一致，岩性以纯灰岩为主，裂隙发育；碳酸盐岩裂隙溶洞水-弱富水性岩组为矿层底板，岩石致密、节理裂隙不发育，岩溶率极低；碎屑岩裂隙水-弱含水岩组岩性主要为石英砂岩，分布于矿层周边隔水岩组之外围（图3）。

图2 矽锅顶矿区11 号勘探线示意图

图3 矽锅顶水泥灰岩矿水文地质图

矿山隔水岩组可分为碎屑岩隔水岩组和岩浆岩隔水岩组。碎屑岩隔水岩组为近邻矿层周边的主要隔水岩组，组成岩石主要为泥岩、粉砂质泥岩、泥质砂岩等，厚度大于150 m；岩浆岩隔水岩组由石英闪长玢岩及闪长玢岩组成，前者分布于矿区西南部，与碎屑岩隔水岩组呈侵入接触，由于构造作用轻微，节理不发育，在一般情况下具良好的隔水性；后者见于矿区中部断层带内，以岩脉侵入于含水层内，由于后期构造作用微弱，加之侵入挤压作用，致围岩构造裂隙闭合或充填，构成矿区中部地下水隔水带，致使地下水等水位线东西不连贯，流向相反。

矽锅顶矿区主要含水层地下水原最高水位约为170 m，由于开采影响，目前最高水位经水文孔验证已降至70 m 左右。对矿区周边水体调查显示，矿区周围其他含水层水位基本稳定，矿区周围主要地表水体（北山、固江口、石龙洞水库）水位也未发现明显下降。

矿区无涌水，周围主要地表水体未漏失，未影响到矿区及周围生产生活用水，矿山开采对矿区水文地质条件的影响程度较轻。

2.2 矿区水文地质条件预测

矿区采坑的涌水水量可以采用实测和理论计算（虎维岳，2005；从山，2008；张化吉，2020）。根据充水含水层（矿层）水平及垂直富水性的差异，结合地下水位变幅标高及采坑自然排水条件，将矿体开采分为3 个中段，地表至70 m 为上段，70～0 m 为中段，0～-40 m 为下段，以不同的水文地质参数分别计算采坑涌水量。

上段（70 m 以上）为封闭型汇水盆地，底板标高高于最低水位变幅带，地下水补给主要靠大气降水，无侧向地下径流补给，故以封闭盆地型计算矿坑涌水量，矿坑水由自然坡面向下游排泄。中、下段标高远在采坑封闭圈之下，除降水补给外，且有东侧覆盖型岩溶水反向补给，故采坑涌水量除降水量外增加矿体静储量及侧向径流量，以半封闭盆地型计算涌水量较为可靠（沈继方等，1992；宁立波等，2010；董万平等，2018），矿坑涌水量可由式（1）（王文才等，2017；楚敬龙等，2019）决定：

通过估算获得矿区上段、中段和下段涌水量数据（表1）。

表1 矿坑涌水量预算表

矿山采用地下水供全矿生活、消防使用，水井位于石龙洞水库南侧。同时用水泵抽取北山水库的水供浇洒道路使用。矿山周边的居民地用水主要为自来水，自来水来源为长江和北山水库。因此，预测短期内矿山开采对矿区及周围生活生产供水没有影响。

根据矿区采场目前生产情况看，充水主要来自大气降水，雨季降水集中，瞬间降雨量大，降水时能通过矿山防洪沟排出。

3 工程地质特征

3.1 矿区工程地质现状

（1）矿体及围岩稳固性评价

矿区内含矿层位由石炭系上统黄龙组上段、船山组和二叠系下统栖霞组一段灰岩组成，均为厚层状灰岩，呈层状产出，矿层走向近东西，呈向斜形态产出，倾向西缓东陡，倾角从33°～60°左右，矿石致密较坚硬，其抗压强度平均值在96.56 MPa。岩石力学性质属硬—坚硬岩石，矿山开采过程中发现其稳定性较好。

矿层的围岩根据其工程力学性质可以划分为6个工程地质岩组，基本分布情况如下。

Ⅰ第四系松散粘性土岩组分布于矽锅顶西部和青石山两侧山谷及洼地中。

Ⅱ石炭系下统和州组—中统黄龙组下段坚硬—半坚硬块状碳酸盐岩岩组分布于青石山向斜翼部、矿层外侧，是矿层的直接底板。岩体完整性中等。

Ⅲ泥盆系上统五通组上段—石炭系下统高骊山组软弱薄层泥页岩夹坚硬—半坚硬层状砂岩、碳酸盐岩岩组分布于青石山向斜翼部，是矿层的间接底板。岩体完整性差，工程地质性能不良。

Ⅳ泥盆系上统五通组下段—中段坚硬块状—层状砂岩岩组分布于矿区南部和北部。该岩组岩石强度很高，岩体较为完整，多分布于山顶、山脊等部位，工程地质性能良好。

Ⅴ志留系中统坟头组—上统茅山组软弱薄层泥岩夹半坚硬层状砂岩岩组分布于矿区南部边缘和天王山西坡。

Ⅵ坚硬块状闪长玢岩岩组分布于固江口水库东侧和矽锅顶中部断层带中。

（2）地质灾害隐患评价

矿山矿层为向斜构造，矿层南北两侧岩层倾向与坡向相同，矿山南北两侧边坡为顺层边坡。矿区北西段边坡整体稳定，局部坡段岩体受层面、节理面切割发生楔形体滑动形成小规模崩塌，崩塌体积小于10 m3；西侧边坡整体稳定，局部坡段边坡坡面存在浮石、孤石，边坡坡脚存在坡面浮石掉块、落石堆积的碎石；北侧边坡2014 年6 月终采边坡岩体出现大面积开裂，整体出现倾覆迹象，存在滑坡的危险；东侧边坡整体稳定，局部坡段边坡坡面存在浮石、孤石，边坡坡脚存在坡面浮石掉块、落石堆积的碎石（图4）。

矿区南侧、北侧边坡为顺向坡，断层及破碎带附近岩体破碎，边坡坡面留有浮石，存在崩塌、滑坡地质灾害隐患。

3.2 矿区工程地质条件预测

影响边坡稳定的主要因素是构造、地貌、岩溶和地下水活动（蔡美峰等，2012；赵春波等2019；刘占宇等，2019；曹君第，2020），这几个因素又常常是叠加在一起，造成矽锅顶矿区边坡工程地质条件的恶化。

构造因素是主导因素，断层带、节理密集带、劈理带导致岩石破碎，降低岩体强度，有利于风化剥蚀（林启飞，2019）。地貌上，这些构造部位常发育成负地形（山谷、冲沟）。这种构造、地貌条件有利于大气降水的汇集和入渗，矿区内矿体底板多分布在山谷洼地（尤其是青石山两侧），因此降水汇集入渗有利于岩溶发育和下伏泥页岩软弱层的软化、泥化。岩溶发育使得裂隙宽度扩大，岩块分离，甚至形成大溶洞。

地下水活动对边坡稳定的影响应引起高度重视（张瑞刚，2018；孙超和杨凯，2020；丁戈媛和胡新丽，2020），对大气降水地表截流是较容易做到的，但冲沟是山坡岩体风化裂隙水的汇聚径流地带（有时沟底风化带裂隙水溢出成泉），这些地段形成露采边坡后，特别是雨季，大气降水对地下水补给充沛，地下水活动加强，地下水渗入底板下卧软弱层，致其软化、泥化，加之矿山开采爆破震动后边坡岩体松动，强度降低，软弱结构面抗滑能力减弱，当上述边界条件不利时，很易诱发边坡滑坡崩落等。

通过上述因素的分析，对矽锅顶露天采场边坡处在断层带、节理密集发育带、冲沟、岩溶强发育及风化裂隙水活动的地段，尤其是几个因素叠加的地段，边坡稳定性差，易产生滑塌现象。另外，在断层错开部位，由断层带及软岩组成的切向坡，稳定性差。受断层切割、影响的边坡段，大多伴有冲沟、岩溶及风化裂隙水活动的叠加影响，是矿区稳定条件最差的边坡段，尤其是8 线以东，开采过程中应加强观察和监测，以防滑坡现象发生，出现问题及时进行治理。

4 环境地质特征

4.1 矿区环境地质条件预测评价

矽锅顶矿区5 a 内仍处于山坡开采阶段，山坡开采有利于自然排水，矿区涌水可以顺利外排，对区域地下水径流、补给、排泄的影响与破坏较小，也不会形成地下漏斗。同时矿区周边的北山、固江口水库受隔水层阻隔，不受矿山开采的影响；而石龙洞水库目前的水位在58 m 以下，受开采影响较小。

矿区范围内山体在自然条件下处于稳定状态，开采过程中会改变矿区的地形地貌、岩土体中的力学平衡状态和边坡稳定性，可能会形成崩塌及小规模的塌方，在开采过程中要注意采取防范措施。

图4 边坡现状

矿区远离城市及集镇，附近无自然保护区、人文景观、风景旅游区，且位于主要交通干线可视范围以外。受矿山开采影响中部地表植被不复存在，开采宕口范围内对原生地形地貌景观影响和破坏程度严重。在未来的开采过程中露天采场开采形成更大的采矿宕口，对地形地貌景观的影响程度将更大；同时新建道路将在一定程度上破坏原始地形。

水泥用石灰石是矿山的主要开采对象，不含有毒有害物质；爆破、机械破碎是矿山开采的主要方式，开采过程中没有化学物品流入到地下水中造成水土污染。未来开采过程中，采矿机械、车辆产生的噪声以及矿石破碎时产生的粉尘是矿区主要的污染物。由于矿区距离村庄较远，且破碎时也采取了洒水降尘，开采活动对矿区土壤和环境的影响和破坏程度小。

4.2 矿区环境地质条件现状评价

矽锅顶水泥用灰岩矿区所在的镇江市位于扬州-铜陵地震带东段，历史上震级大于4 级的地震有11 次，最大震级5 级。根据国家《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）及《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015），矽锅顶水泥灰岩矿区位于地震动峰值加速度0.1 g 区内，对应抗震设防烈度Ⅶ度。

总体而言，矽锅顶水泥灰岩矿区及附近未发现明显新构造运动迹象，区域地壳稳定性较好。

矿山以开采石灰石为主，矿石不含有毒有害物质，矿山开采的方式主要为爆破、机械破碎，没有化学物品流入到地下水中造成水土污染。现场调查显示矿山周边除分布一些遗留小宕口外，1000 m 范围内无其他在采矿山，矿区周边无主要交通干线、水利工程、村庄及其他各类建筑物。目前矿体开采产生的污染主要为机械、车辆使用产生的噪声以及矿石破碎时产生的粉尘。由于矿区距离村庄较远，且破碎和车辆运输时也采取了洒水降尘。因此，目前条件下矿山开采活动对矿区土壤和环境的影响和破坏程度小。

矿山开采对地形地貌造成了破坏，使原有的有林地变为采矿用地，同时对地表的植被造成损毁，形成裸岩地貌景观，面积约1.04 km2。矿山对南北两侧边坡进行了治理和绿化，成效显著。

5 讨论

（1）矽锅顶矿区目前采矿范围位于当地侵蚀基准面以上，地形有利于自然排水；采矿范围为矽锅顶-青石山向斜构造，矿层为矿区主要含水层组，其南、西、北三面皆为隔水岩组分布，东部至矿区外围含水岩组隐伏于白垩系杨冲组（K1y）砂泥岩隔水岩组之下，形成覆盖型的裂隙溶隙水，整体为一封闭-半封闭的盆地；矿区与地表水体联系较少，根据矿山提供的地下水动态观测资料，矿区地下水位及泉流量与降雨量关系密切，目前矿坑充水的主要来源为大气降水；矿床开采对水体基本无污染，综上确定矿区认为矿区水文地质条件为中等类型。

根据对矿区未来水文地质条件的预测显示，当进入中段及下段开采后，有必要于70 m 标高底部修建环形排水系统，以拦截大气降水汇入，同时采用机械抽排矿坑积水。

（2）矽锅顶矿区含矿层岩石力学性质属硬—坚硬岩石，矿山开采过程中发现其稳定性较好，矿体围岩多为坚硬、半坚硬岩组，局部夹软弱夹层；采场边坡多为顺向坡，局部有切向坡存在，局部坡角临空地段，地下水的长期渗透或坡体增荷后，有轻微滑坡及崩落现象。综上确定矿区工程地质条件为中等类型。

根据对矿区工程地质条件的预测显示，露天采场边坡处在断层带、节理密集发育带、冲沟、岩溶强发育及风化裂隙水活动的地段，尤其是几个因素叠加的地段，边坡稳定性差，易产生滑塌现象。建议开采注意边坡稳固性，采用留存安全矿柱、建立边坡防护带等增强边坡稳固性防护措施。

（3）矿区及附近未发现明显新构造运动迹象，区域地壳稳定性较好；矿山以开采石灰石为主，矿石不含有毒有害物质，矿山开采的方式主要为爆破、机械破碎，没有化学物品流入到地下水中造成水土污染；矿山开采会对山体稳定性造成影响，同时对地表植被造成一定破坏，综上确定矿区环境地质条件为中等类型。

根据对矿区环境地质条件的预测显示，矿区的开采活动会对周边环境造成一定影响，后期开发利用过程中要采用必要的保护措施，加强对生态环境的保护。

6 结论

（1）矽锅顶水泥灰岩矿是大型灰岩矿床，可利用灰岩矿石量在2 亿t 以上，矿山的开发利用给句容当地带来了可观的经济效益，对其开采技术条件的研究有利于安全、环保、高效的利用矿产资源。

（2）矽锅顶矿区稳定水位在70 m，矿区地下水与地表水体联系较少，矿坑涌水以大气降水为主；自然排水符合矿区现状。

（3）矽锅顶矿区矿石致密较坚硬，开采过程中稳定较好；围岩软弱层、构造集中带存在一定的安全隐患；矿区采用削坡、护坡及增加植被的治理手段成果显著。

（4）矽锅顶矿区所在区域地壳稳定性较好，生产过程中噪声、粉尘是主要污染物，矿山开采活动对矿区土壤和环境的影响和破坏程度小；对终采边坡要及时进行治理和复绿。

（5）根据以上分析，认为矿区水文地质条件为中等类型，工程地质条件为中等类型，环境地质条件属中等类型。矿床开采技术条件复杂程度综合类型为Ⅱ类。

致谢本文野外调查工作受到句容台泥水泥有限公司相关领导和技术人员的大力支持和帮助，在此一并感谢。