富寧鉛鋅礦地表河流防水保安礦柱厚度的確定

牛淑慧

(云南德誠礦山工程設(shè)計(jì)有限公司，云南 昆明 650033 )

0 引 言

富寧鉛鋅礦體主要受北西向構(gòu)造帶控制，賦礦地層多為奧陶系中統(tǒng)寶塔組(O2b)上部灰?guī)r，礦體產(chǎn)于寶塔組(O2b)上部灰?guī)r層間構(gòu)造帶及寶塔組(O2b)灰?guī)r與坡腳組(D1p)的角度不整合面灰?guī)r一側(cè)，受不整合面構(gòu)造帶控制。礦體形態(tài)為似層狀、透鏡狀、脈狀等，賦礦巖石多為碳酸鹽化、硅化同生角礫狀灰?guī)r。該礦體在垂直方向下部礦體厚度較大，由下部向淺部逐漸變薄、分叉至尖滅。礦體走向東西，長 750 m，礦體賦存標(biāo)高434～696 m。礦體傾向173～186°，傾角30～40°。礦體厚1.47～22.82 m，平均厚 7.23 m，屬于傾斜薄至中厚礦體，Pb品位0.24%～3.00%，平均品位0.84%，Zn品位1.03%～7.99%，平均品位3.13%。關(guān)鍵是2號(hào)線—0號(hào)線—1號(hào)線范圍內(nèi)的礦體上方有那郎河流過，礦體位置與那郎河空間關(guān)系見圖1。那郎河是常年性河流，觀測流量244～260 L/s,河床底部距離正下方礦體高度60～120 m，平均在 80 m 左右。水體下開采安全與否關(guān)鍵取決于礦體開采引起的導(dǎo)水裂隙帶是否導(dǎo)通上部水體，因此，要防止由于開采形成的巖體損傷裂隙帶波及到水體或含水層，這就需要留設(shè)防水礦柱。本文應(yīng)用導(dǎo)水裂隙帶理論計(jì)算公式并結(jié)合相關(guān)規(guī)程規(guī)范，在保證回采區(qū)及時(shí)充填不會(huì)發(fā)生突水的情況下，對(duì)那郎河下防水保安礦柱留設(shè)合理的厚度進(jìn)行研究確定。

圖1 礦體位置與那郎河空間關(guān)系剖面(0號(hào)勘探線)Fig.1 Relationship profile between orebody location and Nalang River (exploration line 0)

1 礦體及其頂?shù)装宸€(wěn)固性評(píng)價(jià)

礦體頂板圍巖，由二類巖石構(gòu)成，其一為泥盆系下統(tǒng)坡腳組(D1p)下部淺紅、淺紫紅色、灰黑色粉砂質(zhì)泥巖和炭質(zhì)泥巖；其二為奧陶系中統(tǒng)寶塔組(O2b)灰—灰黑色厚層狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r構(gòu)成。礦體及底板由奧陶系中統(tǒng)寶塔組(O2b)灰-灰黑色厚層狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r構(gòu)成。勘探工作中對(duì)礦體及其頂、底板和圍巖取物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)樣品測定其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，詳見表1。

表1 礦體及其頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)匯總表

根據(jù)勘探期間施工鉆孔巖芯(圖2)統(tǒng)計(jì)其RQD值，結(jié)合巖石力學(xué)抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，并計(jì)算巖體質(zhì)量指標(biāo)M值，評(píng)價(jià)巖體質(zhì)量，詳見礦區(qū)巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)成果表(表2)。

評(píng)價(jià)結(jié)果：礦體頂板泥巖、灰?guī)r屬軟弱-半堅(jiān)硬巖類，巖體屬層狀結(jié)構(gòu),巖體質(zhì)量優(yōu)，完整性好，頂板巖體穩(wěn)定性較好；礦體為鉛鋅礦化灰?guī)r，屬半堅(jiān)硬巖類，巖體完整性好,巖體質(zhì)量優(yōu)，礦體巖體穩(wěn)定性好；礦體底板為灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，屬半堅(jiān)硬巖類，巖體完整性好,巖體質(zhì)量優(yōu)，底板巖體穩(wěn)定性好。礦體及其頂、底板和圍巖，除地表風(fēng)化較深和構(gòu)造破碎部位外，均不易產(chǎn)生掉塊、冒落、巖爆、底鼓等工程地質(zhì)問題。

圖2 礦體頂板巖芯Fig.2 Ore body roof core

表2 礦區(qū)巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)成果表

通過現(xiàn)場地質(zhì)勘察可知：礦區(qū)地形地貌簡單，地形有利于自然排水；礦體及大部分圍巖為奧陶系寶塔組(O2b)，屬半堅(jiān)硬-堅(jiān)硬巖類，層狀結(jié)構(gòu)半堅(jiān)硬巖組，巖性較單一，物理力學(xué)性質(zhì)好，由其構(gòu)成的空區(qū)圍巖及上覆巖層穩(wěn)固性好。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)及其評(píng)價(jià)

礦區(qū)屬構(gòu)造侵蝕中低山地形地貌，區(qū)內(nèi)地形起伏較大，沖溝發(fā)育，構(gòu)成典型的散流地形。礦區(qū)侵蝕基準(zhǔn)面-那郎河流經(jīng)下伏KT2主礦體段的河床標(biāo)高(620～650 m)以上各礦體塊段及其附近均無大的地表水體、徑流滲入礦體；礦體及圍巖為弱富水性的含水層組，所含地下水以自然消散為主，形成的礦坑涌水可以忽略；侵蝕基準(zhǔn)面以下礦體塊段及其圍巖弱富水性裂隙含水層中的地下水，直接構(gòu)成礦床充水水源；地表徑流那郎河河水也構(gòu)成礦床充水水源。各含水層不僅在其露頭區(qū)接受大氣降水補(bǔ)給，而且當(dāng)?shù)厍治g基底那郎河河床標(biāo)高之下還接受地表徑流的補(bǔ)給，補(bǔ)給強(qiáng)度較大；主要充水含水層泥盆系下統(tǒng)坡腳組(D1p)、奧陶系中統(tǒng)寶塔組(O2b)巖層富水性及透水性弱-中等，總體賦存地下水水量較??；區(qū)內(nèi)充水性及導(dǎo)水性較強(qiáng)的F4～F6次級(jí)斷裂對(duì)地表水與地下水的潛在勾通對(duì)礦坑充水影響不容忽視，侵蝕基準(zhǔn)面以上礦坑排水以自然消散為主，無需專門機(jī)械設(shè)備排水，侵蝕基準(zhǔn)面以下礦坑排水需要專業(yè)機(jī)械設(shè)備人工引排。

因此，礦區(qū)范圍內(nèi)礦床水文地質(zhì)條件屬以巖溶裂隙含水層直接充水為主的中等類型。

3 采場結(jié)構(gòu)尺寸與采礦方法工藝

為了保護(hù)那郎河，確保那郎河水體不受地下采礦活動(dòng)的影響，提高回收率，降低貧化率，該礦山目前采用對(duì)地表擾動(dòng)程度小且安全可靠的進(jìn)路式上向水平分層充填法開采。該采礦方法分段高度 15 m，中段高度 90 m，盤區(qū)沿走向布置，盤區(qū)長度 100 m，盤區(qū)寬度為礦體水平厚度。盤區(qū)沿走向劃分進(jìn)路，進(jìn)路寬度一般控制在 4.2 m 左右，盤區(qū)之間留設(shè) 4 m 的間柱。進(jìn)路分二步開采，為了加快采場脫水，步驟一：進(jìn)路采用1∶8灰砂比膠結(jié)充填體進(jìn)行充填；步驟二：進(jìn)路采用灰砂比1∶15膠結(jié)充填體進(jìn)行充填，底層在進(jìn)行料漿充填時(shí)，可先進(jìn)行部分廢石充填。每個(gè)分段劃分為4個(gè)分層進(jìn)行回采，每個(gè)分層高度3.75 m，控頂高度1.7 m。

4 導(dǎo)水裂隙帶理論

導(dǎo)水裂隙帶是指巖體中裂縫相互連通，能使水流向采區(qū)的斷裂帶和冒落帶的總稱，它是綜合反映上覆巖體破壞范圍及破壞后的導(dǎo)水性能的指標(biāo)。覆巖破壞，無論是其形態(tài)、最大高度還是裂縫的連通性都是有規(guī)律可循的。采空區(qū)上覆巖層按破壞程度劃分為冒落帶、裂隙帶和整體彎曲帶，其中冒落帶和裂隙帶都是透水的，合稱為導(dǎo)水裂隙帶[1]，是預(yù)測和防治頂板水害的重要依據(jù)。對(duì)于塑性較好的巖體來說，形成“三帶”的過程較為明顯；對(duì)于可塑性較差的巖體來說，其“三帶”發(fā)展過程較為劇烈、突然。整體彎曲帶的巖層和地表基本是連續(xù)的，不存在覆巖破壞與地表破壞的連通性問題，不構(gòu)成導(dǎo)水通道。按照巖層開裂的程度，導(dǎo)水裂隙帶分為4個(gè)區(qū)域：冒落性破壞區(qū)、嚴(yán)重開裂區(qū)、一般開裂區(qū)和微小開裂區(qū)，如圖3所示。

圖3 覆巖破壞的分帶示意Fig.3 Regional sketch map of overburden failure

5 地表河流防水保安礦柱留設(shè)

地下巖體在開采之前，處于原始應(yīng)力平衡狀態(tài)。采礦作業(yè)后，由于形成空區(qū)，打破了原巖應(yīng)力平衡，應(yīng)力重新分布，以達(dá)到新的平衡，在此過程中，頂板巖層不可避免產(chǎn)生變形、沉降甚至塌陷。水體下開采安全與否關(guān)鍵取決于礦體開采引起的導(dǎo)水裂隙帶是否導(dǎo)通上部水體[2]。

地表有一條那郎河從礦區(qū)穿過，那郎河為北西—東南走向。那郎河主要影響0號(hào)剖面附近礦體的開采，0號(hào)剖面附近礦體平均厚 7 m。

留設(shè)防水保安礦(巖)柱的目的是防止導(dǎo)水裂隙波及水體，確保水體下開采不發(fā)生潰水和礦井涌水量不急劇增加，以保持正常工作環(huán)境。

圖4 防水保安礦(巖)柱留設(shè)Fig.4 Layout chart of waterproof security pillar

防水保安礦(巖)柱的最小厚度是導(dǎo)水裂隙的最大高度加上一定厚度的保護(hù)層。導(dǎo)水裂隙帶是指水體下開采所形成的冒落帶和冒落帶之上雖未冒落，但具有連通裂隙的巖層的總稱，它具有導(dǎo)水性，其高度是崩落帶和裂隙帶高度之和。

該礦區(qū)水文地質(zhì)條件屬于中等類型，根據(jù)《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》和《采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)2》的規(guī)定，防水保安礦柱的留設(shè)不得<20 m 高(圖4)。

因那郎河河床底部為厚度較大的泥巖層，屬于軟弱巖類，礦體直接頂板屬于較堅(jiān)硬巖類，該區(qū)域采用分層充填采礦法，對(duì)地表擾動(dòng)程度小，根據(jù)《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》《采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)2》和2017年國家安全監(jiān)管總局 國家煤礦安監(jiān)局頒布的安監(jiān)總煤裝〔2017〕66號(hào)《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》，軟弱巖類防水保安礦(巖)柱高度計(jì)算公式為:Hf=HL+Hb=24 m+5.5 m=29.5 m， 留有一定安全富余，Hf取30 m高。

其中，導(dǎo)水裂隙帶高度HL計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

其中，保護(hù)層厚度Hb計(jì)算公式為:

(2)

式(1)(2)中，Hf為防水保安礦(巖)柱高度，m；HL為導(dǎo)水裂縫帶最大高度，m；Hb為保護(hù)層厚度，m； ∑M為累計(jì)法向采厚，0號(hào)剖面靠近河床的礦體最大厚度為11 m；n為分層層數(shù)，4層(靠近最上一個(gè)分段高度為4個(gè)分層高)。

綜上所述，0號(hào)剖面附近的礦體從河床左側(cè)下部基巖垂直向下要留設(shè) 30 m 高的防水保安礦(巖)柱。

6 結(jié) 論

依據(jù)規(guī)范規(guī)程的導(dǎo)水裂隙帶高度的公式，計(jì)算分析得出以下結(jié)論：

1) 礦體頂板泥巖、灰?guī)r屬軟弱—半堅(jiān)硬巖類，屬層狀結(jié)構(gòu)，巖體完整性好，頂板上覆巖層穩(wěn)定性較好，有利于那郎河河床底部隔水層的安全穩(wěn)定。

2)通過以上計(jì)算結(jié)果，確定該礦山從河床底部垂直向下留設(shè) 30 m 高的防水保安礦(巖)柱，切斷河水與礦體之間的水力聯(lián)系；同時(shí)為了減少地下開采對(duì)地表河流的擾動(dòng)，井下采礦方法采用分層充填法來確保上部那郎河的長治久安。

3)今后在最大限度地開采有效資源的前提下，要嚴(yán)防河水下滲造成水患，應(yīng)采取預(yù)防水患的安全措施：①加強(qiáng)地表變形監(jiān)測和井下地壓監(jiān)測，有利于開采過程中對(duì)危害、危險(xiǎn)源進(jìn)行及時(shí)預(yù)測、預(yù)報(bào)；②定期觀測河水流量，對(duì)河流入流出流量進(jìn)行監(jiān)測；③ 嚴(yán)禁超挖、超采，保證空區(qū)及時(shí)得到充填。