个旧市岩溶区尾矿库勘察与防治措施探讨

2021-07-24许汉华眭素刚王光进

现代矿业 2021年6期

许汉华何训眭素刚聂闻王光进

（1.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司；2.云南省岩土工程与地质灾害重点实验室；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室；4.昆明理工大学国土资源工程学院）

岩溶一般指石灰岩、白云岩、岩盐、石膏等可溶性岩石在一定的地质环境下被水溶解，并可能在其它特定的地质环境中从水中结晶析出，这个过程主要是化学溶蚀作用，其间也伴随了物理作用而形成裂隙、沟槽、洞穴，产生石钟、石乳等地质现象［1］。岩溶一般形态较为复杂，具有较强的掩蔽性，岩溶发育的地层一般渗透性强，完整性和均匀性都很差。岩溶有多种地貌形态，主要有岩溶洼地、落水洞、溶隙、溶槽、溶洞及地下暗河等，在各种岩溶形态中，封闭的或半封闭的岩溶洼地是金属矿山建设中理想的尾矿库场地。尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的，用以堆存金属或非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿或其他工业废渣的场所，是一个具有高势能的人造泥石流危险源，存在溃坝危险，一旦失事容易造成重特大事故。据尾矿库所处地形地貌，分为傍山型、山谷型、平地型、河谷型及谷地型尾矿库［2］。岩溶与工程建设的关系十分密切，尾矿废液、废渣具有较大毒性，是一个危害性大的污染源［3］。尾矿库不仅要储存尾矿，必要时还要求回水，而岩溶洼地中分布众多的岩溶裂隙、落水洞、漏斗等是渗漏排泄的通道，尤其是溶洞，在尾矿库投产后，可能发生突然的塌陷，流失大量的水和尾矿，不仅影响生产，还因尾矿中所含有害物质渗入地下，污染地下水源，危害人蓄饮用及农田。因此在岩溶地区修建尾矿库，必须进行周密的勘察和防治措施。

本研究首先对研究区的区域地质概况进行介绍，分别从岩性、构造2个角度详细阐述研究区岩溶发育规律，最后总结岩溶区尾矿库的防治措施及建议。

1 区域地质概况

1.1 地形地貌

个旧矿区位于红河与南盘江的分水岭地段，是岩溶发育地区。研究区地形标高1 300~2 700 m，两河的河谷标高为200~1 000 m，为该地区的暂时侵蚀基准面。区内缺乏经常性河流，大量降雨主要由岩石中结构面、构造裂隙、落水洞、漏斗、溶蚀洼地等吸收，垂直入渗地下深处，入渗后形成的地下水具有侵蚀性，岩溶发育状况与地下水的分布情况是相互影响、相互依赖的关系。

1.2 区域地质构造

个旧矿区位于滇东南台向斜褶皱断裂带的西南部位，区内地质构造形态源于燕山运动及喜马拉雅运动。燕山期区内产生了北西向断裂与褶皱，沿断裂多有岩浆活动。喜马拉雅期区内地层均形成复杂褶皱，上一级断裂重新活动，断裂破坏了褶曲的完整性，使区域构造进一步复杂化，复杂的地质构造活动使得岩体整体上较为破碎，岩溶裂隙也较多，具很强的透水性，这为岩溶的发育提供了有利条件。就个旧地区的构造而言，是以北东、北西向褶曲及南北向大断裂为基本构造线，主要褶曲形成于燕山期，同时有酸性火成岩侵入，喜马拉雅期在早期构造的基础上发展，形成了个旧—金屏南北向大断裂，该大断裂贯穿个旧市区。个旧矿区实际上处在一个南北向断裂破碎带上，矿区的主要生产基地老厂、松树脚、马拉格、卡房、新冠等采选厂及尾矿设施均位于此带。

1.3 地层岩性

本区普遍分布着三叠纪地层，并有大片酸性火成岩出露，矿区出露的地层如下。

（1）中三叠纪个旧组。上部为灰岩、白云岩，深灰色，厚层及中厚层，局部变质成大理岩及大理岩化灰岩；下部以白云岩为主，向上逐步过渡为灰岩。

（2）上三叠纪（分上、中、下三组）。下部乌格组：黄色、淡红色页岩、砂岩互层或夹层分布，夹有碳质灰岩，底部有砾岩，与个旧组成假整合或不整合接触。中部桥顶山组：泥质灰岩，薄层，浅黄色，具有蠕虫状构造。上部模衣白组：砂质页岩与页岩互层或夹层分布，间夹有砂岩。

（3）第三纪地层。分上、下部2组，为砾岩，由钙质、铁质胶结，不整合于三叠纪地层上，上部小龙潭组为泥灰岩，浅黄色，有时夹有褐煤。

（4）第四纪地层。有坡积、洪积、残积粘性土及碎石，分布于坡脚、河谷底部及岩溶洼地中。

（5）火成岩。本区岩浆活动具有多期性，主要有中粒黑云母二长花岗岩，中粒斑状黑云母花岗岩，呈岩脉、岩盘等产出。

区内地层主要由三叠纪碳酸盐类地层构成。这类可溶岩在遭受褶曲和断裂的破坏后裂隙十分发育，岩溶塌陷分布受地质构造控制，断层可形成岩溶地下水流动通道，为大气降水的渗入和地下水运动提供了良好的途径，岩溶作用很活跃，落水洞、溶隙、溶槽、溶洞、漏斗、溶蚀洼地等现象普遍。本区岩溶作用始于燕山期末，共有4期。第一期分布在海拔2 600 m残留峰顶上，见于卡房、莲花山等地；第二期分布在1 800~2 000 m；第三期分布在1 400~1 600 m山顶面和残丘洼地地面；第四期岩溶与南盘江峡谷的形成相伴而成。本区岩溶水的活动属垂直循环型，地表水下渗强烈，上述岩溶景观还在不断发展深化。

2 岩溶发育规律

岩溶发育最基本的条件包括具有可溶性的岩石、岩石具有一定的透水性、水具有侵蚀性、水在岩石中不断运动等。岩石的可溶性、透水性属岩性与地质构造问题，水的侵蚀性和水在岩石中的流动性主要取决于地貌条件和水文地质条件。同时，在不同的气候区，岩溶作用特点各异，形成的岩溶地貌差异很大。根据我国不同海拔气压、气象水文、气候分带、地形地貌、地质构造等特点，结合岩溶区勘察设计施工监测遇到的岩溶地质问题，将我国岩溶按工程性质分为高原型岩溶区、过渡带岩溶区和岩溶化平原区3类，由于受地形地貌、海拔气压、气候分带、地层岩性、地质构造等因素制约，三大类中的不同岩溶区具有不同的工程、水文地质条件，显然也会出现不一样的工程、水文地质问题［4］。

2.1 与岩性的关系

岩溶是碳酸盐类岩石经受水的长期溶蚀作用的产物，不同的岩性所表现的溶蚀程度很不相同。确定岩溶发育程度的指标有岩溶现象、钻孔线岩溶率（溶洞进尺/可溶岩总进尺）、岩溶密度（每km2内岩溶点个数）及暗河或泉的流量等［5］。根据岩溶发育程度指标，岩溶发育强度可划分为极强、强烈、中等及微弱4个等级。

（1）厚层、中厚层质纯的石灰岩、白云岩岩溶发育最强烈。老厂、黄茅山、卡房等选厂的5个尾矿库碳酸盐岩广泛分布，是由厚层、中厚层质地很纯的个旧灰岩、白云岩组成，发现落水洞、漏斗等近百个，尾矿库建成投产后回水率很低，渗漏严重；老厂背阴山冲尾矿库曾发生过漏失上百万方尾矿的塌陷，黄茅山及卡房尾矿库均发生过大规模塌陷事故，据初步统计，5个尾矿库共产生塌陷364次，占尾矿库塌陷总数的69%，岩溶密度为33个/km2。塌陷直径一般为2~3 m，大者超过30 m。

（2）大理岩、大理化灰岩的岩溶较发育，但因受构造作用，岩层破碎，岩溶多呈缝隙状，且数量多、深度大。以水箐尾矿库为例，共发现落水洞及塌陷86处，占尾矿库总塌陷的16.3%，岩溶密度为8.7个/km2。

（3）薄层泥质灰岩含有大量泥质成份，溶解度小，岩溶发育最弱。火谷都、2号及3号尾矿库是由泥质灰岩构成的，共发现塌陷25处，岩溶密度为0.65个/km2，只占尾矿库总塌陷的4.7%。

2.2 与构造的关系

断裂构造使岩体产生大量裂隙，这些裂隙为岩溶水活动、溶岩作用提供有利条件。从各尾矿库内落水洞及岩溶塌陷的分布来看，都与地质构造有密切关系，受构造控制。

（1）岩溶沿断层带发育，断层构造带上或断层交会部位应力集中，岩体破碎，为地下水活动提供了极为有利的条件，因此，岩溶多沿这些部位发育。根据6座尾矿库的调查统计（表1），发育在断层带上或断层交会地段的落水洞和塌陷分别有238及265处，占总数的85%，可见其与断层关系的密切程度。

（2）岩溶集中发育在背斜轴部。因为背斜轴部岩层受到较大的张应力作用，张性裂隙发育有利于形成岩溶通道。黄茅山背阴山冲尾矿库的东北段正处在背斜轴部，且断层交错，在该处发现落水洞和塌陷共79处，占整个尾矿库所有落水洞和塌陷总数的51.3%。

（3）沿可溶岩与非可溶岩的接触线发育，即断层接触和侵蚀接触上。接触带上岩石都较破碎，非可溶岩是地下水循环的边界，有利于溶蚀作用，故岩溶多沿接触线的可溶岩一侧发育。小凹塘尾矿库的东北段是由花岗岩与石灰岩、大理化灰岩接触而成，沿接触线发育着落水洞多处，并都沿接触面延伸，沿线还发生了多起塌陷。又如水箐尾矿库，西部是大理岩，东部是砂页岩，为断层接触，岩溶沿大理岩一侧发育。

3 岩溶地区尾矿库勘察与防治措施

3.1 岩溶地区尾矿库勘察

在岩溶地区现有尾矿库问题治理时，《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）（2009版）［6］规定，拟建工程场地或其附近存在对工程安全有影响的岩溶时，应进行岩溶勘察。岩溶勘察宜采用工程地质测绘和调查、物探、钻探等多种手段结合的方法进行，查清裂隙、落水洞、水平溶洞分布位置、大小以及岩溶发育条件等内容。尾矿库岩溶防治应对查明的岩溶情况进行针对性防治，对不同的岩溶类型有相应的防治方案。大中型岩溶库的勘察一般分为可行性评价、初勘、详勘和施工勘4个阶段，尾矿库岩溶工程勘察应以地质测绘、岩溶调查和物探为主，钻探为捕，多种手段综合运用，尤其物探工作不可或缺，应引起高度重视［7］。

在岩溶地区进行尾矿库勘察，重点在于弄清可溶岩的岩性与分布，岩溶发育情况，查明可能产生渗漏与地表塌陷的位置。为此，勘察工作应侧重掌握较大范围内的地质构造情况，岩溶发育的基本规律。实践证明，岩溶作用较强烈，发育较集中的部位是①断层线上的强烈破碎带；②断层交会地段；③背斜轴部；④可溶岩与非可溶岩的接触线上；⑤断层陡壁下，地表有坳陷的地方，洼地内的地表消水点。对于溶洞和可能发生地表塌陷的部位，可结合尾矿库内覆盖层的厚度进行综合判断。当覆盖层下存在溶洞或较大裂隙时，由于受水的长期潜蚀作用，上覆土层受到潜蚀并被带走颗粒形成溶洞，当穴拱作用能承受土的压力时，地面保持平稳，一旦尾矿库蓄水，改变了荷载条件及水力关系，有可能造成突然塌陷，漏失水和尾矿而影响生产。根据相关资料不完全统计（表2），塌陷次数有随覆盖层厚度的增加逐渐递减的趋势。当覆盖层厚度在0~4 m时，塌陷次数占总塌陷的85.8%；4~8 m时，占9.1%；大于8 m时，只占5.1%。初步认为覆盖层厚度小于8 m的地段最有可能发生地表塌陷事故。

尾矿库的勘察工作应在工程地质调查测绘的基础上进行，以揭穿覆盖层厚度和查清构造线为原则，不能墨守成规一律按方格网布孔，那样往往对渗漏和塌陷点查不清楚。岩溶地区尾矿库的渗漏主要由塌陷造成，野外注水试验或室内渗透试验作用不大，个别情况下需要，可用经验数据代替。岩溶地区尾矿库的勘察工作重点在于充分收集已有地质资料，认真进行工程地质调查，弄清地质构造，查明岩溶形态和分布，找出可能产生渗漏、塌陷的部位，以便采取相应防治措施确保正常生产。

3.2 岩溶地区尾矿库防治措施

在岩溶地区建尾矿库，基建期岩溶难以全部揭露，导致岩溶防治措施常有遗漏、运行期岩溶塌陷，常导致漏矿，应急防治难度大、成本高等问题［8］。

3.2.1 工程建设前相关防治措施

岩溶塌陷所引发的尾矿渗漏污染地下水以及防洪、防渗措施是岩溶区尾矿库的防治重点，工程建设前需做好相关措施，运行过程中须采取必要措施进行治理。按照国家有关法律、标准规范规程、勘察设计资料进行建设，加强地质灾害防治。勘察工程建设时期对尾矿库异常区溶洞应据勘察、设计意见，严格采取对应措施，防止尾矿渗漏造成污染。清理溶洞及溶蚀构造裂隙。对落水洞、漏斗、溶洞等先査清大小、延伸方向，然后用块石、碎石、黏土依次充填，黏土须经夯实。对较大的裂隙，清理后填塞水泥砂浆，较小的裂隙用水泥砂浆沟缝，浸水査找溶洞加以清理堵塞。

3.2.2 工程建设和运行过程中相关防治措施

在工程建设和运行过程中，严格按设计要求进行施工，解决好地表水及尾矿库库内排水相关问题。尾矿库中的渗漏点有的可按前叙规律很容易发现，而有些溶洞或渗漏通道则很难被发现，给防治工作带来极大的困难。从生产实践中发现，对于隐蔽的渗漏点，可以用预浸水的方法来揭露。一般在蓄水后2~5 d时间内便可产生地面塌陷。卡房尾矿库在投产前，曾于雨季引入洪水浸没，很快发现塌陷点40余处，经过认真处理，在浸过水的范围内没有再发生塌陷；老厂背阴山冲尾矿库曾用围堰浸水寻找，然后采取一定措施防治，效果很好。同时应做好库区渗漏监测，做好调节池地基处置，避免渗漏发生，雨季加强监测预警，避免外溢发生。建立地质灾害监测网，雨季汛期期间加强对排洪设施、坝体安全的监测，遇到险情按程序上报。用周边放矿使尾矿中的粗颗粒先沉积在尾矿库的周边，保持砂面高过水面以减少渗漏。将尾矿库分块轮流使用，一旦某块某点产生塌陷，就对该点进行堵填，不致影响全局，有利于正常生产。一旦发生塌陷，立即用树枝、杂草、块石、黏土包等堵塞。

同时做好库区底部防渗，尾矿堆放时按设计坡比堆放，留足安全平台，设置排水沟，监测堆石坝外坡面水平与垂直位移，以发现坝体是否变形，用以判断坝体的安全运行状况［9］。建立巡视机制，对坝体、尾矿堆放区24 h轮流值守巡视，巡查库区范围内是否有漏矿迹象，检查坝体外坡面上是否存在变形、开裂等异常现象，且雨季加强巡视、监测的次数，确保尾矿坝安全运行。