李國山 鐘兆泓 趙 鵬

(長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司)

貴州林歹鋁土礦深部帶壓開采評(píng)價(jià)

李國山 鐘兆泓 趙 鵬

(長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司)

貴州林歹鋁土礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜，礦層間接底板為棲霞茅口組灰?guī)r含水層，地下水制約了礦山的深部開采。通過對(duì)礦體底板隔水層賦存地質(zhì)條件、隔水性能、構(gòu)造因素以及下伏含水層水壓及富水性的研究，采用量化指標(biāo)對(duì)礦層帶壓開采做出綜合技術(shù)評(píng)價(jià)，并根據(jù)礦區(qū)巖層組合引入擺佐組和梁山組“復(fù)合式”隔水巖體概念。研究結(jié)果表明：梁山組、擺佐組隔水層具有良好的隔水效果，礦山深部礦體帶壓開采可行。

鋁土礦 底板突水 帶壓開采 礦山防治水 復(fù)合式隔水巖體

林歹鋁土礦位于貴州省清鎮(zhèn)市中部，主要開采對(duì)象為林歹鋁土礦區(qū)魏家寨礦段，礦山于1993年建成投產(chǎn)，現(xiàn)已開拓1 332,1 290,1 240,1 190 m 4個(gè)中段。2004年7月，采用盲斜井開拓1 190 m中段，經(jīng)過多年開采，至2008年6月，1 190 m中段以上礦石已經(jīng)開采完畢。由于魏家寨礦段水文地質(zhì)條件復(fù)雜，上下盤均分布有含水層，下盤主要含水層有棲霞—茅口灰?guī)r、擺佐灰?guī)r含水層，上盤主要含水層有清虛洞—高臺(tái)組含水層，且礦區(qū)巖溶發(fā)育，礦山在基建和生產(chǎn)過程中發(fā)生過突水、突泥淹井事故，致使1 190～1 040 m未得到開拓。

由于深部開采地應(yīng)力大，礦層采動(dòng)破壞深度加大，且隨著地下水壓力的增大, 突水威脅更大。因此，進(jìn)行深部帶壓開采研究具有重要意義[1-3]。

1 礦山水文地質(zhì)概況

該礦區(qū)為三面環(huán)山向北開口的狹長型槽谷，屬裸露型巖溶充水礦床，匯水面積約5.04 km2，大氣降水為主要補(bǔ)給源。礦區(qū)有3組含水層、兩組隔水層，自然條件下，含水層之間無水力聯(lián)系，地下巖溶水垂直分帶明顯。當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面是控制巖溶發(fā)育的主要因素，也是地下水主要排泄區(qū)。礦區(qū)含、隔水層如圖1所示。

林歹礦區(qū)魏家寨礦段位于礦區(qū)中東部。由于地層倒轉(zhuǎn)，寒武系清虛洞—高臺(tái)組巖溶裂隙含水層構(gòu)成礦床頂板直接充水含水層，總厚約300 m，分布于山坡上，節(jié)理裂隙發(fā)育，溶洞只在個(gè)別地段見到，富水性中等。由于采礦活動(dòng)引起頂板冒落，該含水層的地下水可通過采場直接進(jìn)入巷道。

圖1 含礦系與含水層、隔水層關(guān)系示意

石炭系下統(tǒng)擺佐組裂隙溶洞含水層構(gòu)成礦床底板直接充水含水層，總厚48～75 m，分布于山坡上，節(jié)理裂隙及溶洞發(fā)育，富水性強(qiáng)，運(yùn)輸大巷及穿脈均在該層內(nèi)，該含水層的地下水可直接進(jìn)入巷道。目前地下水位已降至1 208 m標(biāo)高，接近現(xiàn)最低開采標(biāo)高1 190 m，據(jù)井下觀測，地下水均來源于巷道兩端進(jìn)水。

二疊系下統(tǒng)棲霞—茅口組溶洞裂隙含水層為礦床底板間接充水含水層，位于薩拉河谷地內(nèi)，總厚約250 m。地下溶洞、地下徑流帶發(fā)育，富水性強(qiáng)，與擺佐組裂隙溶洞含水層之間有16～23 m厚的梁山組頁巖、砂巖隔水層。該含水層對(duì)礦床充水的影響程度取決于對(duì)梁山組隔層的破壞程度。

2 帶壓開采可行性研究

2.1 帶壓開采的適用條件

帶壓開采的適用條件[4]：①開采礦層底板以下的隔水層，厚度愈大防護(hù)作用愈強(qiáng)；②隔水層的巖性組合有利于抗衡水壓；③采場構(gòu)造相對(duì)簡單, 無直接貫通含水層通道。

2.2 隔水層賦存特征

貴州林歹鋁土礦礦層主要賦存于石炭系下統(tǒng)九架爐組(C1j)，二疊系下統(tǒng)梁山組(P1l)為礦層的間接底板，厚度16～23 m，其上為擺佐組灰?guī)r(C1b),厚度48～75 m，兩層相疊加組成“復(fù)合式”隔水巖體，總厚度64～98 m。該層在礦區(qū)內(nèi)廣泛分布，屬中等較完整巖石，穩(wěn)定性較好。

梁山組隔水層底部以淺黃色黏土頁巖為主，但亦常見黑色炭質(zhì)頁巖；中下部為灰色厚層及中厚層狀石英質(zhì)砂巖，夾薄層黑色頁巖；上部為黑色炭質(zhì)頁巖及砂質(zhì)頁巖。該層有如下特點(diǎn)：①厚度較穩(wěn)定，巖性致密，尤其是石英砂巖膠結(jié)緊密、無孔裂隙發(fā)育、地面無泉水出路；②在自然狀態(tài)下，擺佐組地下水位要高于棲霞—茅口組地下水位20 m左右(圖1)，說明梁山組能起到隔水作用；③依據(jù)1963年前CK108、CK107孔擺佐組裂隙溶洞含水層抽水試驗(yàn)，同時(shí)觀測Ⅱ#孔(位于棲霞—茅口組)水位未有變化，而東面距抽水孔81.31 m的CK1孔(位于擺佐組)水位下降1.02 m，說明梁山組隔水層的隔水效果良好;④魏家寨礦段最低開采標(biāo)高已達(dá)1 190 m中段，與1963年前原始地下水位相比，礦體直接底板擺佐組裂隙溶洞含水層水位最大降深已達(dá)123.15 m，而間接底板強(qiáng)含水層棲霞—茅口組水位只下降了3.89 m，由此可以看出，礦體的間接底板梁山組仍然起隔水作用。

2.3 隔水層物理力學(xué)性質(zhì)

由于1963年地質(zhì)報(bào)告中所列礦層頂板巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)缺少梁山組巖石測試資料，目前只能根據(jù)1 290 m中段巷道揭露該層的情況進(jìn)行描述：觀察點(diǎn)673.90～687.90 m為黑色薄層炭質(zhì)頁巖、灰白色中厚層石英砂巖，有兩組裂隙相互截切，裂隙閉合無充填。采用相似巖石進(jìn)行類比，確定該層抗壓強(qiáng)度為48.6 MPa，巖石等級(jí)為Ⅲ～Ⅳ級(jí)。巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)如表1所示。

表1 林歹鋁土礦巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)

通過對(duì)隔水層的物理力學(xué)性質(zhì)及巖體穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)，本層屬半堅(jiān)硬巖石，巖體質(zhì)量等級(jí)為中等較完整，穩(wěn)定性好。

2.4 棲霞—茅口組灰?guī)r含水層富水性研究

梁山組隔水層上部的擺佐組裂隙溶洞含水層隨著礦體的開采延深被逐步疏干，唯下部的棲霞—茅口組溶洞裂隙含水層對(duì)礦坑構(gòu)成突水威脅。本層梁山組成條帶狀分布于礦區(qū)東部斜坡地帶，鉆孔揭露最大厚度150.69 m。該含水層代表性水文地質(zhì)參數(shù)見表2。

棲霞—茅口組灰?guī)r含水層水壓較大，富水性中等，巖溶發(fā)育，一旦采礦錯(cuò)動(dòng)該巖層，易引起礦坑突水、突泥，地面易形成塌陷，從而釀成安全事故。

表2 林歹鋁土礦棲霞—茅口組灰?guī)r水文地質(zhì)參數(shù)

2.5 礦區(qū)斷裂帶及其導(dǎo)水性

礦區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，據(jù)坑道水文地質(zhì)調(diào)查，1 290 m 中段南翼巷道揭露F25、F27、F29、F31斷層，表現(xiàn)為裂隙溶洞發(fā)育、巖石破碎，開挖時(shí)有涌水、涌泥現(xiàn)象；1 240 m中段巷道揭露F27、F29斷層，表現(xiàn)為裂隙較發(fā)育，見小規(guī)模溶洞，F(xiàn)31、F32未見明顯通過現(xiàn)象，總體上1 240 m中段斷層破碎帶不發(fā)育，涌水主要來源于巷道兩端；1 190 m中段巷道未見斷層，僅在局部有滴水現(xiàn)象，涌水主要來源于巷道兩端及其穿脈。

礦井編錄資料表明，近地表巷道揭露斷層時(shí)，溶蝕嚴(yán)重，斷層均導(dǎo)水，隨著巷道延深，發(fā)現(xiàn)斷層發(fā)育深度不大，并未向下延深，溶蝕程度也隨著深度的不斷延深而減弱。根據(jù)目前資料，斷層未在石炭系灰?guī)r含水層與二疊系棲霞-茅口組含水層之間形成地下水通道。

2.6 采礦方法對(duì)底板(擺佐組)擾動(dòng)破壞的影響

礦壓破壞深度的大小與回采工作面尺寸、采礦方法、礦層厚度及傾角、開采深度、頂板巖性、構(gòu)造等因素有關(guān)，其中最主要的是工作面斜長。根據(jù)山東科技大學(xué)、邯鄲礦務(wù)局及煤炭科學(xué)研究總院北京開采所的經(jīng)驗(yàn)公式, 煤層底板破壞深度與工作面傾斜長度呈線性關(guān)系。根據(jù)有關(guān)礦山對(duì)工作面測試資料，礦壓對(duì)礦層底板巖層的破壞深度為6～14 m。底板破壞深度與工作面斜長關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式：

h1=1.86+0.11L,

(1)

式中,h1為采礦引起底板破壞深度，m；L為工作面斜長，m。

通過式(1)計(jì)算，工作面斜長L為50 m，底板破壞深度h1為7.36 m。

2.7 安全開采所需隔水層厚度的確定

隔水層阻水能力的大小是帶壓安全開采的關(guān)鍵，為此，需按礦區(qū)實(shí)際水壓力計(jì)算滿足帶壓開采的安全隔水層厚度。

2.7.1 公式計(jì)算法

根據(jù)《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》GB 12719-91，計(jì)算安全隔水層厚度

(2)

式中，m為采掘工作面底板最大寬度,按房柱法確定，8 m；r為隔水層巖石容重，為2.67 t/m3；Kp為隔水層巖石抗拉強(qiáng)度，為1.4 MPa；H為隔水層底板承受的水頭壓力，開采到1 040 m標(biāo)高時(shí)梁山組所承受的水壓為2.73 MPa。

將各參數(shù)代入式(2)，計(jì)算得出底板安全隔水層厚度為7.87 m。

綜合考慮采礦方法對(duì)底板隔水層的擾動(dòng)破壞程度及采礦工作面尺寸等因素，還需加上式(1)計(jì)算的結(jié)果，得到最大水壓下的隔水層底板破壞深度為15.23 m。

2.7.2 類比法

借鑒國內(nèi)煤礦帶壓開采的實(shí)際資料，采用突水系數(shù)法[5](即每米隔水層所能承受的靜水壓力)確定安全隔水層厚度。

借鑒與本礦類似的煤礦資料，對(duì)底板構(gòu)造破壞地段的突水系數(shù)為0.04～0.05 MPa/m，正常地段為0.1 MPa/m。根據(jù)GB 12719-91，正常塊段的突水系數(shù)不大于0.15 MPa：

d=p/Ts,

(3)

式中,Ts為突水系數(shù)，0.1 MPa/m；p為隔水層承受的水壓，2.73 MPa。

根據(jù)參數(shù)計(jì)算，得安全隔水層厚度27.3 m。

綜合以上計(jì)算結(jié)果，最終取其算術(shù)平均值作為安全隔水層厚度，即21.26 m。

3 隔水層隔水性能綜合評(píng)價(jià)

由以上分析可知，梁山組隔水層為礦層間接底板，厚度16～23 m，其上為擺佐組灰?guī)r，厚度48～75 m，兩層疊加組成的“復(fù)合式”隔水巖體總厚度64～98 m，該層在礦區(qū)內(nèi)廣泛分布，屬中等較完整巖石，穩(wěn)定性較好。由計(jì)算可知安全隔水層厚度21.26 m，實(shí)際隔水層厚度為安全隔水層厚度的3～4.6倍，當(dāng)開采中段達(dá)到1040m中段時(shí)，崩落界線距離梁山組頂板約60 m，梁山組、擺佐組隔水層具有良好的隔水效果，深部礦體可以帶壓開采。

4 結(jié) 論

(1)通過對(duì)礦體底板隔水巖層的賦存特征和性能研究，以及對(duì)巖體結(jié)構(gòu)—阻水能力、巖體強(qiáng)度—抗破壞能力關(guān)系的分析，根據(jù)礦區(qū)巖層組合，引入擺佐組和梁山組復(fù)合式隔水巖體概念，對(duì)指導(dǎo)本礦山帶壓開采和防治水提供了新思路。

(2)隨著巷道延深，斷層未向下延深，溶蝕程度減弱，斷層未在擺佐組和棲霞—茅口組之間形成地下水通道。

(3)梁山組隔水層屬半堅(jiān)硬巖石，較完整，穩(wěn)定性好。在承受2.73 MPa靜水壓力下，梁山組、擺佐組的復(fù)合式隔水巖體實(shí)際巖層厚度大于所需安全隔水厚度(21.26 m)的3～4.6倍，因此開采至 1 040 m 標(biāo)高時(shí)，礦層間接底板梁山組隔水層仍具有隔水作用，帶壓開采可行。

[1] 李建民,張壯路,張瑞璽.趙各莊礦深部帶壓開采評(píng)價(jià)[J].煤炭學(xué)報(bào),2005(5):8-11.

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[3] 張樂中.煤礦深部開采底板突水機(jī)理研究[D].西安:長安大學(xué),2013.

[4] 李彩惠.帶壓開采防治水技術(shù)及研究方向[J].煤礦開采,2010(1):57-59.

[5] 李本軍,劉海新,劉曉威.突水系數(shù)法在煤礦深部開采中的應(yīng)用[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2011(3):68-70.

Evaluation of Deep Mining with Pressure of Lindai Bauxite from Guizhou Province

Li Guoshan Zhong Zhaohong Zhao Peng

(Changsha Engineering and Research Institute Ltd of Nonferrous Metallurgy)

The hydrological condition of Lindai bauxie mine,Guizhou province is composite, the indirect seam floor is Qixia-Maokou limestone aquifer, the deep mining is restricted by groundwater. The geology conditions, waterproof performance and structural factors of the water-resisting layer of orebody floor are analyzed, the water pressure and water content of underlying aquifer are discussed. Seam mining with pressure is comprehensive technical evaluated by using the quantitative indicators, besides that, according to the strata combinations of mining area, the concepts of "composite type" water-resisting rock mass of Baizuo formation and Liangshan formation are introduced. The results show that the water-resisting effect of the water-resisting layers of Baizuo formation and Liangshan formation are good, so, the scheme of deep mining with pressure is feasible.

Bauxite mine, Water-inrush floor, Mining with pressure, Water prevention of mines, Composite impermeable rock

2015-03-16)

李國山(1981—)，男，工程師，碩士，410011 湖南省長沙市解放中路199號(hào)。