基于地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的司家營(yíng)鐵礦南區(qū)防治水措施
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左文喆1，王斌海1，程紫華1，陳永理2
（1．華北理工大學(xué)，河北唐山063009；2．河北省地礦局第五地質(zhì)大隊(duì)，河北唐山063004）
摘要：司家營(yíng)鐵礦南區(qū)屬國(guó)內(nèi)少見的大水礦床，了解南區(qū)水文地質(zhì)條件是確定安全采掘方案和防水治水的關(guān)鍵，本文利用地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)合勘探資料的方法來分析礦區(qū)的水文地質(zhì)條件，通過分析第四系和基巖含水層水位動(dòng)態(tài)特征，分析了第四系下部隔水層隔水能力、地下水徑流、通道、含水層補(bǔ)給關(guān)系和邊界條件，提出第四系下部“天窗”和新河斷裂是礦坑導(dǎo)水的重要通道，并針對(duì)大賈莊礦段開采提出防治建議。此外，此種分析方法對(duì)一些未進(jìn)行過水文地質(zhì)試驗(yàn)的礦區(qū)更具針對(duì)性。
關(guān)鍵詞：司家營(yíng)南區(qū)；水文地質(zhì)條件；地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；防水治水
中圖分類號(hào)：TD824.6文章編號(hào)：1004-4051(2016)04-0091-07
司家營(yíng)鐵礦南區(qū)，礦保有鐵礦石資源儲(chǔ)量145639. 65萬t，平均品位TFe30. 83%，為我國(guó)少有的特大型鐵礦床，且屬國(guó)內(nèi)少見的大水礦床，為了更全面了解礦區(qū)的水文地質(zhì)條件，在水文地質(zhì)勘探完成之后，開展了地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，通過分析第四系和基巖含水層水位動(dòng)態(tài)特征，認(rèn)為礦坑充水來源主要來源于第四系下部，且四系下部“天窗”和新河斷裂是礦坑導(dǎo)水的重要通道。
1 礦區(qū)及含水層概況
司家營(yíng)南區(qū)水文地質(zhì)勘探完成之后，用勘探的水文孔開展了研究區(qū)的地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，共設(shè)監(jiān)測(cè)孔63個(gè)，見圖1。水位監(jiān)測(cè)頻率每月一次，測(cè)量?jī)x器采用BXS-200水位計(jì)，監(jiān)測(cè)精度為毫米。根據(jù)礦體規(guī)模、產(chǎn)狀不同，以NK25、NK09、NK10、NK11一線為界，北為田興鐵礦，南為大賈莊鐵礦。田興礦處NK21、NK22、NK24、NK25監(jiān)測(cè)孔界定范圍內(nèi)；田興礦以南，NK22、NK23、NK25、NK26界定范圍為大賈莊礦。
南區(qū)礦體賦存于太古界灤縣群司家營(yíng)組變質(zhì)巖中，均被厚層的第四系灤河沖洪積物覆蓋，太古界司家營(yíng)組地層在不同期次的構(gòu)造應(yīng)力和風(fēng)化作用下，產(chǎn)生一系列淺部 深部裂隙和破碎帶，構(gòu)成了南區(qū)基巖裂隙帶�；鶐r裂隙帶按成因可劃分為風(fēng)化裂隙帶和構(gòu)造裂隙帶，風(fēng)化裂隙帶分布全區(qū)，厚度較穩(wěn)定，連續(xù)性較好。其中全分化裂隙帶多呈砂土狀、土狀、高嶺土嚴(yán)重，大部分已呈現(xiàn)黏土性質(zhì)，在裂隙帶中是最具隔水意義的。監(jiān)測(cè)孔CK02周圍發(fā)育的F9～F13疊加斷層與NK24-NK12之間的新河斷裂，是構(gòu)造裂隙發(fā)育的主要地帶。
根據(jù)勘探結(jié)果，自上而下，將研究區(qū)含水層分為三個(gè)含水層：第四系松散巖孔隙水含水層，基巖風(fēng)化裂隙水含水層、基巖構(gòu)造裂隙水含水層，見圖2。
第四系含水層由北向南逐漸變厚，以中部穩(wěn)定黏土為主隔水層，分為上下兩個(gè)含水層。上部含水層設(shè)有監(jiān)測(cè)孔13個(gè)；下部含水層設(shè)有監(jiān)測(cè)孔12個(gè)，主要監(jiān)測(cè)第四系深層水和基巖裂隙水之間的水力聯(lián)系；基巖裂隙含水層包括風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙含水層共設(shè)監(jiān)測(cè)孔38個(gè)，主要監(jiān)測(cè)開采條件下基巖裂隙水流場(chǎng)特征及漏斗擴(kuò)展情況。
地下水長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)觀測(cè)孔63個(gè)，平面上控制面積96km2，垂向上控制第四系淺層水頭、第四系底部水頭、基巖裂隙水頭，構(gòu)成比較完善的三維空間觀測(cè)系統(tǒng)，全面控制了礦區(qū)排水影響范圍內(nèi)不同深度不同層位地下水動(dòng)態(tài)變化。在礦區(qū)范圍內(nèi)的補(bǔ)給、徑流和排泄區(qū)均有代表性監(jiān)測(cè)井，從北向南，均勻布設(shè)長(zhǎng)觀孔，能夠控制整個(gè)礦區(qū)的地下水流場(chǎng)特征。從監(jiān)測(cè)情況來看，所有監(jiān)測(cè)孔的布置基本上控制了司家營(yíng)田興和大賈莊鐵礦地下開采形成的基巖地下水位降落漏斗。為進(jìn)一步分析各含水層間的水力聯(lián)系和充水通道，不同含水層位均布設(shè)有監(jiān)測(cè)孔，見表1。NK14、NK08、NK13等監(jiān)測(cè)孔均為導(dǎo)水?dāng)嗔烟幍谋O(jiān)測(cè)孔。總之，在水文地質(zhì)條件復(fù)雜的司家營(yíng)南區(qū)，地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)孔的布置考慮了地質(zhì)條件平面和空間特征，在導(dǎo)水?dāng)嗔押屯ǖ捞帲O(jiān)測(cè)孔也有相應(yīng)的加密處理，布置情況較合理，為精析南區(qū)的水文地質(zhì)條件和防治水建議的提出提供了良好的基礎(chǔ)。
2地下水動(dòng)態(tài)變化
2.1 第四系上部水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)特征
司家營(yíng)鐵礦南區(qū)處于灤河沖洪積一級(jí)階地中上部，區(qū)內(nèi)第四系淺層水年內(nèi)波動(dòng)幅度不大，且在6～9月份之間出現(xiàn)水位高峰，10月份以后開始回落，靠近灤河和新灤河第四系上部水位監(jiān)測(cè)孔相對(duì)比其他監(jiān)測(cè)孔水位波動(dòng)更小，總體上，第四系淺層水位北高南低。
第四系淺層水總體徑流方向由北向南，主要受降雨、灤河、農(nóng)業(yè)灌溉等多方面因素控制，其中以降雨影響為主，年內(nèi)水位變化步調(diào)與降雨量保持一致，每年6～9月份水位漲至最高點(diǎn)，10月至次年3月水位大幅回落。地下水動(dòng)態(tài)變化主要表現(xiàn)為徑流-人滲-開采型，除此外，在河流兩岸附近，第四系淺層地下水與灤河、新灤河地表水聯(lián)系密切，互為補(bǔ)給，地下水位動(dòng)態(tài)變化與灤河、新灤河水位漲幅步調(diào)一致，主要表現(xiàn)為河流滲漏-開采型。
2.2第四系下部水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)特征
第四系下部監(jiān)測(cè)孔其主要目的在于監(jiān)測(cè)礦山開采排水過程中，基巖裂隙水和第四系深層水之間的補(bǔ)給關(guān)系和第四系深層水流場(chǎng)、含水層特征。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，第四系下部含水層具有明顯的分區(qū)特性，圖3為第四系下部監(jiān)測(cè)孔水文動(dòng)態(tài)，根據(jù)動(dòng)態(tài)特征，總共分為三個(gè)區(qū)域，以下敘述分別以I區(qū)、II區(qū)、III區(qū)代替。
I區(qū)以4月份形成的大降深為典型特征，以QCK03、QCK04、QCK09、QCK10、QCK11為代表孔位，區(qū)域上分布于大孟莊一帶，見圖4。4月份大賈莊2#副井發(fā)生過突水事故，涌水量可達(dá)1400m3／h，2#副井降深456. 1m，周圍基巖孔CK04、GK04降深33. 58m，形成了以2#副井為中心，NNE為主方向的壓力釋放場(chǎng)，同時(shí)，基巖含水層與第四系含水層在垂向上形成很大的梯度差，第四系下部孔水位滯后于基巖孔對(duì)巖裂隙水進(jìn)行補(bǔ)給，表現(xiàn)為水頭的突然下降，4月15日在大賈莊2#副井涌水工作面進(jìn)行了高壓灌漿封堵工作，第四系下部監(jiān)測(cè)孔表現(xiàn)為，水頭的突然上升，第四系下部水位突然下降、突然上升的特性說明，I區(qū)第四系深層水與基巖裂隙水存在直接的水力聯(lián)系，表現(xiàn)為基巖裂隙水和第四系深層水之間補(bǔ)給和頂托的關(guān)系，另一方面也反映出了I區(qū)第四系下部黏土層缺失。除此外8月份大賈莊2#副井周圍基巖監(jiān)測(cè)孔出現(xiàn)又一次小規(guī)模突水事故，平均降深3～4m，同樣I區(qū)第四系下部監(jiān)測(cè)孔也表現(xiàn)出突然上升、下降的特征。根據(jù)4月份和7月份I區(qū)垂向觀測(cè)組（表1）動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，又將I區(qū)分為三個(gè)亞區(qū)，分別以I-1、I-2、I-3表示。
I-l以QCK09、QCK11、NK22、NK12為代表孔位，典型特征為第四系深層水與基巖裂隙水降深比值為1：1～2，以下用β表示。
I-2以QCK04、CK04、GK04、CGK04為代表孔位，β為1：3～4。
I-3以QCK03、CK03、GK03、NK19為代表孑L位，β為1：6～7。
其分母越小第四系下部補(bǔ)給越充沛，區(qū)域上第四系下部含水層垂向上水力聯(lián)系越通暢。水力聯(lián)系從強(qiáng)到弱依次為I-l、I-2、I-3。
II區(qū)以7月份出現(xiàn)低水位為典型特征，QCK01、QCK02、QCK06、QCK07為代表孔位，區(qū)域上分布于田興鐵礦，見圖5。7月份田興南回風(fēng)井突水時(shí)，II區(qū)孔的水位響應(yīng)強(qiáng)烈，周圍基巖孔平均降深8～11m，第四系下部孔降深如表2，II區(qū)和I區(qū)類似，也表現(xiàn)出水位的突然下降和突然上升，6月份開始回落，7月份出現(xiàn)水位低點(diǎn)，8月份水位開始恢復(fù)，以上基本特征也反映出II區(qū)第四系深層水與基巖裂隙水存在直接的水力聯(lián)系，β約為1：10，水力聯(lián)系要弱于I區(qū)，即大賈莊鐵礦。
III區(qū)以水位呈線性下降為典型特征，QCK08為代表孔位，區(qū)域上分布于小閻營(yíng)姜莊一帶，見圖6。第四系深層水的水位變化主要受生活用水和礦山排水影響，但要保證III區(qū)水位呈線性下降，影響因素必須是穩(wěn)定的而且盡量是單因素，由此分析，III區(qū)應(yīng)具備以下基本特征：區(qū)域上幾乎沒有任何補(bǔ)給來源，側(cè)向上與周圍第四系下部含水層聯(lián)系很小；礦山開采對(duì)此區(qū)除越流外無任何影響；穩(wěn)定越流條件下，只消耗此區(qū)的靜儲(chǔ)量，也就是說III區(qū)只存在穩(wěn)定的越流，垂向、側(cè)向上存在穩(wěn)定的隔水黏土層。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)20年左右III區(qū)水位可以降到下部隔水層底板。
以上這種分區(qū)性差異是由垂向上第四系下部含水層和黏土隔水層相互迭置、犬牙交錯(cuò)造成的，局部形成形似桶狀的獨(dú)立含水層儲(chǔ)水系統(tǒng)。
第四系主隔水層之下為第四系深層水，降雨對(duì)其影響較小，主要受生活用水和礦山排水影響。地下水動(dòng)態(tài)變化主要表現(xiàn)為側(cè)向徑流-開采型，礦坑排水對(duì)其影響大，礦坑長(zhǎng)期排水引起第四系下部水位普遍下降了3～5m，水位仍保持下降趨勢(shì)；勘探資料表明，第四系下部隔水層連續(xù)性較差，局部缺失形成“天窗”，區(qū)內(nèi)主要分布4個(gè)較大的“天窗”，見圖1。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，I區(qū)、II區(qū)第四系深層水與基巖含水層間存在直接的水力聯(lián)系，在開采條件，第四系水對(duì)基巖水的補(bǔ)給能力強(qiáng)，這與天窗的分布區(qū)域是一致的。
2.3基巖裂隙水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)特征
2013年12月開展動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)以來，隨著礦山掘進(jìn)深度、速度的加大，司家營(yíng)南區(qū)共形成3個(gè)基巖裂隙水漏斗，分別為田興漏斗、新河斷裂漏斗、大賈莊漏斗。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，田興漏斗以F9～F13五條斷層帶為漏斗中心，基巖孔NK13埋深達(dá)115m，漏斗形態(tài)近似“橢圓形”，長(zhǎng)軸呈南北向展布，漏斗區(qū)水力梯度為3.2%～11.8%，礦坑長(zhǎng)期排水使此區(qū)水位進(jìn)一步下降，漏斗范圍逐漸擴(kuò)展，4月份，除SE向向新河斷裂擴(kuò)展外，漏斗的形態(tài)基本固定，西至外圍孔NK21新立莊一帶；南至NK11-NK17姜莊一帶；西至NK01-NK07上伍旗一帶；深部開采使漏斗區(qū)垂向上的水力梯度進(jìn)一步加大，垂向水力梯度為7.9%～12.5%，田興漏斗區(qū)基巖裂隙水動(dòng)態(tài)見圖7。3月中旬大賈莊2#副井突水，形成以CK04為中心，長(zhǎng)軸呈北東-南西向展布的大賈莊漏斗，漏斗呈“橢圓形”，漏斗影響范圍，北至NK11-NK17，姜莊一帶；南至外圍孔NK23，殷莊一帶；西至外圍孔NK22，小賈莊一帶；東至外圍孔NK26，薛各營(yíng)一帶。大賈莊漏斗區(qū)監(jiān)測(cè)孔動(dòng)態(tài)見圖8。
圖8中監(jiān)測(cè)孔CGK03、NK12、NK17水位明顯比其它孔水位低，此處既受田興礦采掘影響又受大賈莊采掘影響，分析認(rèn)為，該區(qū)域應(yīng)為聯(lián)系田興漏斗和大賈莊漏斗的側(cè)向通道，圖9中圈中所示。5月份動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，大賈莊漏斗可通過新河斷裂帶影響田興礦和馬城，影響區(qū)域和新河斷裂方向一致，主要集中在新河斷裂的周圍監(jiān)測(cè)孔包括馬城監(jiān)測(cè)孔 SK11、SK12、SK13、SK14。
從監(jiān)測(cè)開始，新河斷裂漏斗就已具雛形，1～6月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，新河斷裂漏斗一直很穩(wěn)定，但在1～6月份田興礦深部疏干，使此區(qū)具備了新河斷裂漏斗發(fā)育的條件，表現(xiàn)為NK01～NK07（上伍旗一小劉莊一帶）垂向水力梯度逐漸變大，最大可達(dá)17%。7～10月份形成了新河斷裂漏斗，漏斗內(nèi)包括監(jiān)測(cè)孔NK01、NK02、NK04、NK05、CK01，漏斗狹長(zhǎng)，長(zhǎng)軸呈南北向展布。新河斷裂漏斗如圖9所示。
基巖動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中，監(jiān)測(cè)孔NK06、NK07、NK09、NK10、NK24、CK01、CGK01水位動(dòng)態(tài)變化曲線一致性好，均在4月份形成折點(diǎn)，在7月形成水位陡降，這些孔均位于新河斷裂周圍，應(yīng)屬新河斷裂影響區(qū)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明新河斷裂影響區(qū)滲透性強(qiáng)，水力連通好，是強(qiáng)導(dǎo)水帶，大賈莊礦及田興礦的采掘均影響其水位動(dòng)態(tài)。圖10為新河斷裂影響區(qū)基巖孔地下水位變化曲線。
對(duì)于某一含水系統(tǒng)邊界而言，既可作為劃分含水系統(tǒng)的依據(jù)又可作為預(yù)測(cè)礦坑涌水量的定解條件。以上動(dòng)態(tài)分析過程中已經(jīng)指出兩條漏斗邊界，其一為NK11-NK17，田興漏斗的南邊界和大賈莊漏斗的北邊界；其二為NK01-NK02-NK04-NK06-NK07，田興漏斗的東邊界和新河斷裂漏斗的西邊界。這兩條邊界上的監(jiān)測(cè)孔水位數(shù)據(jù)都表現(xiàn)為高水位，此處可作為漏斗邊界。除此外還有由司家營(yíng)南區(qū)外圍孔NK21-NK26構(gòu)成的邊界，監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)見圖11。明顯可以看出除NK24、NK25孔外，曲線波動(dòng)都較平穩(wěn)，其中NK23孔波動(dòng)幅度最小，平均1～2m，其它孔位波動(dòng)幅度均在5～7m，也就是說受興、大賈莊采掘影響形成的降落漏斗已經(jīng)影響到外圍孔，但相對(duì)其它基巖孔而言，波動(dòng)幅度很小，可作為司家營(yíng)南區(qū)漏斗邊界。NK24、NK25處新河斷裂影響帶，水位變化同時(shí)受田興和大賈莊采掘影響，水位降深18～19m，根據(jù)疊加原理，隨著掘進(jìn)進(jìn)度的增加，此處的降深會(huì)一直增加，并且會(huì)表現(xiàn)出兩種含水系統(tǒng)的特征，分別為田興、大賈莊含水系統(tǒng)，因此此處不宜作為漏斗邊界。
礦坑長(zhǎng)期排水致使礦區(qū)一帶基巖裂隙水水位整體下降和深部基巖構(gòu)造裂隙水壓力突然釋放，上部風(fēng)化裂隙水以空間滲流形式向排水點(diǎn)匯聚，形成了一定范圍的地下水壓力釋放空間場(chǎng)，隨即發(fā)展成為基巖裂隙水降落漏斗，降落漏斗形態(tài)受優(yōu)勢(shì)斷裂控制，其中田興漏斗受F9～F13疊加斷層控制，新河斷裂漏斗和大賈莊漏斗受新河斷裂控制，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，側(cè)向上新河斷裂是聯(lián)系三漏斗的通道；垂向上“天窗”是聯(lián)系第四系水和基巖風(fēng)化裂隙水的通道，構(gòu)造裂隙帶是聯(lián)系基巖風(fēng)化帶與施工工作面的充水通道�；鶐r地下水主要受礦坑排水影響表現(xiàn)為側(cè)向徑流-開采型，其動(dòng)態(tài)變化與礦坑排水量密切相關(guān)。
綜上所述，第四系上部含水層處主隔水層之上，第四系淺層水對(duì)深層水補(bǔ)給微弱，其動(dòng)態(tài)變化主要受降雨影響；第四系下部含水層越流現(xiàn)象和基巖裂隙水頂托作用普遍存在，水力聯(lián)系較為密切，尤其是“天窗”區(qū)，其動(dòng)態(tài)變化多數(shù)受控于基巖裂隙水壓力，與礦坑涌水量大小相關(guān)性很大；基巖裂隙含水層動(dòng)態(tài)受導(dǎo)水通道分布的影響，“構(gòu)造型”導(dǎo)水通道控制多數(shù)基巖孔動(dòng)態(tài)，“天窗型”導(dǎo)水通道控制基巖裂隙水動(dòng)態(tài)的同時(shí)，滯后控制I區(qū)、II區(qū)的地下
水動(dòng)態(tài)。
3 動(dòng)態(tài)特征的防治水措施
司家營(yíng)鐵礦南區(qū)，在帶壓開采條件下，水文地質(zhì)條件日趨復(fù)雜，采掘環(huán)境愈采愈惡化，高水壓和高地應(yīng)力的地質(zhì)環(huán)境逐漸顯現(xiàn)，各豎井和巷道突水頻率逐漸增加，并且多表現(xiàn)為頂板突水。突水控制因素多，突水機(jī)理和類型復(fù)雜多變?cè)斐煞乐嗡胧┓桨感Ч豢煽�。筆者通過了南區(qū)多孔多數(shù)據(jù)的量化分析，根據(jù)其動(dòng)態(tài)特征，大致將南區(qū)劃分出4個(gè)具典型突水特征的區(qū)域，分別為田興、大賈莊、新河斷裂影響區(qū)和NK10-CK03樞紐區(qū)，并針對(duì)不同的特點(diǎn)提出防治水措施。
田興礦動(dòng)態(tài)特征（圖7）反映，F(xiàn)9～F13復(fù)合斷裂及影響帶導(dǎo)水作用并不突出，而主要發(fā)揮斷裂的貯水作用，側(cè)向及垂向補(bǔ)給強(qiáng)度不足，各孔動(dòng)態(tài)特征主要表現(xiàn)為下降，含水層間水壓傳遞不明顯。
田興礦漏斗水位已經(jīng)降到隔水層底板以下，并與北區(qū)地下礦及露天礦開采形成的漏斗融合形成一復(fù)合漏斗，由原來的承壓轉(zhuǎn)化為無壓，后期的田興礦坑涌水量以第四系下部越流為主，大規(guī)模突水事故的可能性減小，但后期隨著基巖裂隙水的疏干，水頭差逐漸增大，頂托作用削弱，地面沉降和塌陷的危險(xiǎn)性增大。另外，北區(qū)的開采采用無底柱分段崩落法，這種開采方法形成了第四系補(bǔ)給基巖裂隙水的通道，無形中成為了田興礦的側(cè)向補(bǔ)給來源，后期這種補(bǔ)給作用也會(huì)漸漸突出，因此建議在北區(qū)的地下及露天開采應(yīng)增大地下水的疏干排水能力，為田興礦巷道的開拓提供更好的開采條件。
大賈莊礦動(dòng)態(tài)特征（圖8）反映，基巖裂隙水與第四系下部含水層間水壓力傳遞明顯，含水層間水力聯(lián)系較強(qiáng)，中心區(qū)裂隙發(fā)育不均勻，側(cè)向補(bǔ)給不足，但垂向上第四系深層水通過“天窗（I區(qū)）”補(bǔ)給較強(qiáng)，大賈莊第四系下部和基巖含水層動(dòng)態(tài)一致（圖4、圖8），表現(xiàn)出基巖水頂托和第四系含水層補(bǔ)給的特征，監(jiān)測(cè)表明，第四系深層水成為大賈莊礦的主要涌水來源，因此大賈莊礦的安全生產(chǎn)關(guān)鍵在“天窗”區(qū)如何防治，盡量防止第四系深層水出現(xiàn)較大的地下水漏斗，但“天窗”區(qū)面積較大，地表帷幕對(duì)深層水進(jìn)行截流和降低深層水水頭壓力均存在較大的施工及經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)；另外增加礦坑頂板的預(yù)留厚度和加固破碎帶的礦坑頂板雖然能降低第四系
