萬古金礦水體下開采安全論證

聶都超，游勇，周國，鄒雄

(湖南黃金洞大萬礦業(yè)有限責(zé)任公司， 湖南 岳陽市 414500)

1 礦區(qū)水文地質(zhì)及開采技術(shù)條件

湖南黃金洞大萬礦業(yè)有限責(zé)任公司萬古金礦（以下簡稱萬古金礦）是湖南省具有重要開采價(jià)值的金礦床之一。萬古金礦部分采場位于江東水庫庫尾地下，屬于典型的水體下開采。

礦區(qū)主要位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下，位于中-厚層冷家溪群板巖、粉砂質(zhì)板巖、絹云母板巖隔水層之中。礦體圍巖為薄層—中厚層、軟弱—堅(jiān)硬巖石，巖性完整致密，穩(wěn)定性較好，工程地質(zhì)復(fù)雜程度屬中等類型。礦床水文地質(zhì)勘探類型為構(gòu)造裂隙充水的簡單偏中等類型，礦區(qū)主要巖層如下：

（1）第四系孔隙潛水含水層：分布于礦區(qū)山間、谷地，厚度為2.00 m～22.72 m，巖性主要為黏土、砂土、砂礫石和碎石土，主要成分為板巖、砂巖、硅質(zhì)巖和石英，導(dǎo)水性強(qiáng)、低洼處儲水性能較好。該層接受大氣降水后，直接補(bǔ)給下伏的基巖風(fēng)化裂隙含水層，二者形成統(tǒng)一含水層；

（2）冷家溪群坪原組板巖風(fēng)化裂隙含水層（Ptp）：主要成分為褐黃色、黃色、淺灰色板巖及砂質(zhì)板巖，節(jié)理裂隙發(fā)育。裂面常見褐鐵礦浸染，并見鐵質(zhì)薄膜或褐鐵礦化及石英呈脈狀穿插，風(fēng)化層厚度為4.80 m～40.21 m。該層接受大氣降水及上覆第四系含水層補(bǔ)給；

（3）冷家溪群坪原組板巖砂質(zhì)板巖隔水層（Ptp）：分布于整個礦區(qū)，呈單斜產(chǎn)出，走向北西，傾向北東，傾角為37°～80°，主要成分為灰綠色、砂質(zhì)和粉砂質(zhì)板巖，薄至中厚層狀。巖層穩(wěn)定連續(xù)，為一良好隔水層。

礦區(qū)構(gòu)造主要為斷裂構(gòu)造，褶皺不發(fā)育，總體為一單斜構(gòu)造，有北西（西）向和北東向兩組。北西（西）向斷裂發(fā)育較早，與礦化關(guān)系密切，有F16、F18、F19斷層，其走向與區(qū)域地層走向大體一致，傾向北東，傾角為20°～86°，斷層帶寬為0.25 m～16.10 m。北東向斷裂有F3～F8、F10、F11斷層，走向一般為300°～50°，傾向南東，傾角為20°～71°。斷層帶寬度為0.6 m～12.0 m，角礫呈棱角—次棱角狀，膠結(jié)松散。

2 水下開采礦體基本地質(zhì)特征

萬古礦區(qū)已探明的⑦、⑧、⑨、⑩號礦體及布置的采掘工程位于江東水庫尾部，礦體的走向與水庫庫身走向大體上一致，平面重疊部分約占江東水庫庫身的1/3，巷道最高標(biāo)高為+5 m，最低標(biāo)高為-218.626 m，巷道離水庫底部最小距離為89 m。目前，-100 m以上已經(jīng)采空，水庫底及周邊沒有發(fā)生地表塌陷、開裂、沉降等現(xiàn)象。

⑦、⑧、⑨、⑩號礦體的基本地質(zhì)特征見表1。

3 水體下開采安全論證

3.1 巖層移動的形式及覆巖破壞的分帶

巖層移動的表現(xiàn)形式主要有：彎曲、冒落（垮落）、巖石沿層面滑動、垮落巖石的下滑（或滾動）、底板巖層的隆起。在工程應(yīng)用上，將巖層移動穩(wěn)定后的礦體覆巖按其受開采影響受到的破壞程度劃分為三個開采影響帶，即：底部的垮落帶、中部的斷裂帶和上部的彎曲帶，簡稱“三帶”，如圖1所示。

1.2.2 外植體誘導(dǎo) 全部接種工作均在經(jīng)嚴(yán)格滅菌的超凈工作臺上進(jìn)行。消毒后的莖段在無菌條件下接種誘導(dǎo)，誘導(dǎo)試驗(yàn)方案見表2。接種數(shù)量為每種配方33瓶，每個處理接種10～11瓶，每瓶接4～5塊外植體，重復(fù)2～3次，若由于一些外界或人為原因接種量適當(dāng)增加。

表1 礦體基本地質(zhì)特征

圖1 覆巖破壞的分帶

影響覆巖破壞的因素主要有：覆巖的力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征、采礦方法和頂板管理方法、礦體傾角、開采深度與高度、開采范圍（面積）大小、開采速度與時間、重復(fù)采動等。

3.2 上覆巖層破壞高度的計(jì)算分析

根據(jù)《湖南省平江縣萬古礦區(qū)萬古金礦資源儲量核實(shí)報(bào)告》，礦體上覆巖層為軟弱—堅(jiān)硬、薄層—中厚層狀板巖，粉砂質(zhì)板巖巖性綜合體。確定覆巖巖性屬中硬性，以此計(jì)算覆巖破壞高度。依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》（2017）中冒落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。其中傾斜（α=0°～54°）礦層中硬巖的計(jì)算公式為：

冒（垮）落帶最大高度：

導(dǎo)水裂縫帶高度：

急傾斜（α=55°～90°）礦層中硬巖的計(jì)算公式為：

冒（垮）落帶最大高度：

導(dǎo)水裂縫帶高度：

式中，∑m為累計(jì)采厚，m；h為回采階段垂高，40 m；±為誤差值，取“+”。

表2 冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算結(jié)果

3.3 安全防水礦巖柱的計(jì)算

根據(jù)“三下”規(guī)程，確定水體采動等級為Ⅰ級，不允許導(dǎo)水裂縫帶波及水體。因此，確定留設(shè)的安全礦巖柱類型為頂板防水安全礦巖柱。

根據(jù)資源報(bào)告，第四系松散含孔隙水層直接與基巖接觸，接受上覆第四系含水層和大氣降水補(bǔ)給，含弱風(fēng)化裂隙水，安全防水礦巖柱的最小高度應(yīng)考慮基巖風(fēng)化帶深度，即：

式中，Hsh為安全防水礦巖柱高度，m；Hb為保護(hù)層厚度，m；Hfe為基巖風(fēng)化帶深度，m。

安全防水礦巖柱的計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 安全防水礦巖柱的計(jì)算結(jié)果/m

3.4 安全開采上限的確定

庫底（水體底界面）標(biāo)高約+94 m，為礦段內(nèi)最低侵蝕基準(zhǔn)面，94減去表3中的HSh可得：⑦號礦體安全開采上限為+50.6 m；⑧號礦體安全開采上限為+5.86 m；⑨號礦體安全開采上限為+40.64 m；⑩號礦體安全開采上限為+24.45 m。

3.5 綜合分析

萬古金礦目前采礦范圍為-30 m～-220 m，均在安全限采標(biāo)高以下，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育的最大高度小于采深，加上最小2 m的第四系黏土的隔水作用，導(dǎo)水裂縫帶不會波及江東水庫的水體。即：導(dǎo)水裂縫帶不會形成礦井水與江東水庫水的通道。

為驗(yàn)證開采上限的有效性，分析各礦體的安全防水礦巖柱，并計(jì)算得到各礦體的安全系數(shù)如下：⑦號礦體為 4.74；⑧號礦體為 1.74；⑨號礦體為2.88；⑩號礦體為 1.78。由此可見，各礦體的安全防水礦巖柱采場遠(yuǎn)小于基巖巖柱尺寸，導(dǎo)水裂縫帶為補(bǔ)給水庫水體。所以，對導(dǎo)水裂縫帶進(jìn)行分析，⑦、⑧、⑨、⑩號礦體在安全開采上限以下進(jìn)行采礦是安全的。

但是，除導(dǎo)水裂縫帶外，礦井頂板水害的導(dǎo)水通道還可能有導(dǎo)水?dāng)鄬?，如F10(對⑩號礦體開采有影響)，以及不良封閉鉆孔等。因此，位于水庫下面的采場在采掘過程中，必須制定專項(xiàng)礦井水害防治措施，同時需加強(qiáng)礦井水文地質(zhì)觀測與研究以及探放水工作。

4 水下開采對江東水庫的影響分析

（1）影響水源的分析。開采產(chǎn)生的導(dǎo)水裂縫帶未波及水體（江東水庫底），對水庫及壩體的影響可能是發(fā)育在裂縫帶之上的彎曲帶。彎曲帶在平面上表現(xiàn)為盆地。位于移動盆地內(nèi)的建（構(gòu)）筑物可能遭受損害。在工程應(yīng)用上，以移動角來圈定地表移動盆地的危險(xiǎn)移動邊界。

（2）開采對水庫壩體的影響分析。礦體平均傾角為40°；走向（端部）移動角為72°；下山（上盤）移動角為48°；上山（下盤）移動角為72°；松散層移動角為45°。

根據(jù)礦體分布及礦體與江東水庫的相互位置關(guān)系，地下開采對壩體的影響主要是走向（端部）移動角影響，其次是下山（上盤）移動角影響。采用垂直剖面法計(jì)算，可得：走向（端部）移動影響距離：開采范圍以東約106 m；下山（上盤）移動角影響距離：最低開采邊界的平面投影線沿礦體傾向方向向外伸展347 m。而開采范圍最東邊界（距壩體最近）距壩體中心線距離為900 m，說明開采引發(fā)的地表移動與變形影響范圍未及江東水庫壩體，即萬古金礦在現(xiàn)有準(zhǔn)采范圍內(nèi)的采礦活動，對江東水庫壩體的穩(wěn)定性沒有影響。

（3）開采對水庫儲水性能的影響分析。賦存在整體彎曲帶內(nèi)的巖層（如板巖、粉砂質(zhì)板巖）受開采影響后，一般仍能保留原始的完整性，其隔水性能良好，水體下的整體彎曲帶的厚度遠(yuǎn)大于保護(hù)層的厚度，可以判定整體彎曲帶可有效阻隔水庫內(nèi)水體流入開采區(qū)，即開采不會破壞江東水庫儲水的完整性。

（4）水杉洞斷層（F10）防隔水礦（巖）柱計(jì)算。水杉洞斷層（F10）發(fā)育在礦區(qū)南東角，為張應(yīng)力形成的張性斷層，賦存長度約350 m，屬成礦期后構(gòu)造，走向?yàn)?0°，傾向南東，傾角為20°～71°。該斷層切割了⑩號礦脈，使礦脈錯移10 m～70 m，因其穿過江東水庫庫尾，可能將水庫水導(dǎo)入井下，潛在引發(fā)透水事故的危險(xiǎn)，必須在斷層的上、下盤留設(shè)斷層防隔水礦（巖）柱，阻斷其導(dǎo)水性。斷層防隔水礦（巖）柱按式（6）計(jì)算：

式中，L為礦（巖）柱留設(shè)的寬度，m；K為安全系數(shù)，一般取2～5，本次計(jì)算取5；M為礦層厚度或采高，m，本次計(jì)算取2.8 m；P為水頭壓力，本次計(jì)算取3.25 MPa；KP為礦體的抗拉強(qiáng)度；本次計(jì)算按礦區(qū)最軟弱巖層取42.0 MPa。計(jì)算得到L=3.4 m，小于20 m。根據(jù)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)程的要求，斷層防隔水礦（巖）柱取20 m。即：在斷層上、下盤(均開采的條件下)各自留設(shè)法線厚度20 m的礦（巖）體作為安全礦柱。

5 結(jié)語

（1）根據(jù)水體下開采的技術(shù)理論，結(jié)合萬古金礦具體的地質(zhì)開采條件，對江東水庫下采礦的安全性進(jìn)行綜合分析、評價(jià)和論證。著重對上覆巖層破壞高度進(jìn)行計(jì)算，分析了地表移動與變形情況，為實(shí)現(xiàn)江東水庫下安全采礦提供技術(shù)保障。

（2）在充分分析巖層移動穩(wěn)定后的礦體圍（覆）巖的分帶，預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂縫帶高度的基礎(chǔ)上，根據(jù)江東水庫采動等級，允許采動程度確定各礦體安全防水礦柱厚度分別是：⑦號礦體是 43.40 m，⑧號礦體是88.14 m，⑨號礦體是53.36 m，⑩號礦體是69.55 m。據(jù)此可以劃定⑦號礦體+50 m（計(jì)算標(biāo)高+50.6m）、⑧號礦體+5 m（計(jì)算標(biāo)高+5.86 m）、⑨號礦體+40（計(jì)算標(biāo)高+40.4 m）、⑩號礦體+24 m（計(jì)算標(biāo)高+24.45 m）以上為禁采區(qū)。

（3）結(jié)合當(dāng)前開采現(xiàn)狀，并通過有效性驗(yàn)證，得出各礦體現(xiàn)狀條件下開采的安全系數(shù)均在 1.74以上，據(jù)此可以判斷，現(xiàn)狀條件下的開采活動不會引發(fā)江東水庫的水貫入井下，但要充分關(guān)注斷裂構(gòu)造、不良封閉鉆孔等誘發(fā)透水事故。

（4）根據(jù)移動角所圈定的地表移動與變形的范圍未觸及江東水庫壩體，由此判定開采活動不會影響江東水庫壩體的穩(wěn)定性和水庫儲水的完整性，即：水庫不受開采的影響，是安全的。