聶都超，游勇，周國(guó)，鄒雄

(湖南黃金洞大萬(wàn)礦業(yè)有限責(zé)任公司， 湖南 岳陽(yáng)市 414500)

1 礦區(qū)水文地質(zhì)及開(kāi)采技術(shù)條件

湖南黃金洞大萬(wàn)礦業(yè)有限責(zé)任公司萬(wàn)古金礦（以下簡(jiǎn)稱萬(wàn)古金礦）是湖南省具有重要開(kāi)采價(jià)值的金礦床之一。萬(wàn)古金礦部分采場(chǎng)位于江東水庫(kù)庫(kù)尾地下，屬于典型的水體下開(kāi)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(jiǎn)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(chǔ)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(jiàn)褐鐵礦浸染，并見(jiàn)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(gè)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(kāi)采礦體基本地質(zhì)特征

萬(wàn)古礦區(qū)已探明的⑦、⑧、⑨、⑩號(hào)礦體及布置的采掘工程位于江東水庫(kù)尾部，礦體的走向與水庫(kù)庫(kù)身走向大體上一致，平面重疊部分約占江東水庫(kù)庫(kù)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(kù)底部最小距離為89 m。目前，-100 m以上已經(jīng)采空，水庫(kù)底及周邊沒(méi)有發(fā)生地表塌陷、開(kāi)裂、沉降等現(xiàn)象。

⑦、⑧、⑨、⑩號(hào)礦體的基本地質(zhì)特征見(jiàn)表1。

3 水體下開(kāi)采安全論證

3.1 巖層移動(dòng)的形式及覆巖破壞的分帶

巖層移動(dòng)的表現(xiàn)形式主要有：彎曲、冒落（垮落）、巖石沿層面滑動(dòng)、垮落巖石的下滑（或滾動(dòng)）、底板巖層的隆起。在工程應(yīng)用上，將巖層移動(dòng)穩(wěn)定后的礦體覆巖按其受開(kāi)采影響受到的破壞程度劃分為三個(gè)開(kāi)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(jiǎn)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(tái)上進(jìn)行。消毒后的莖段在無(wú)菌條件下接種誘導(dǎo)，誘導(dǎo)試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。接種數(shù)量為每種配方33瓶，每個(gè)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(kāi)采深度與高度、開(kāi)采范圍（面積）大小、開(kāi)采速度與時(shí)間、重復(fù)采動(dòng)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(wàn)古礦區(qū)萬(wàn)古金礦資源儲(chǔ)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(kāi)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(dòng)等級(jí)為Ⅰ級(jí)，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(jiàn)表3。

表3 安全防水礦巖柱的計(jì)算結(jié)果/m

3.4 安全開(kāi)采上限的確定

庫(kù)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(hào)礦體安全開(kāi)采上限為+50.6 m；⑧號(hào)礦體安全開(kāi)采上限為+5.86 m；⑨號(hào)礦體安全開(kāi)采上限為+40.64 m；⑩號(hào)礦體安全開(kāi)采上限為+24.45 m。

3.5 綜合分析

萬(wàn)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(huì)波及江東水庫(kù)的水體。即：導(dǎo)水裂縫帶不會(huì)形成礦井水與江東水庫(kù)水的通道。

為驗(yàn)證開(kāi)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(hào)礦體為 4.74；⑧號(hào)礦體為 1.74；⑨號(hào)礦體為2.88；⑩號(hào)礦體為 1.78。由此可見(jiàn)，各礦體的安全防水礦巖柱采場(chǎng)遠(yuǎn)小于基巖巖柱尺寸，導(dǎo)水裂縫帶為補(bǔ)給水庫(kù)水體。所以，對(duì)導(dǎo)水裂縫帶進(jìn)行分析，⑦、⑧、⑨、⑩號(hào)礦體在安全開(kāi)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)鄬樱鏔10(對(duì)⑩號(hào)礦體開(kāi)采有影響)，以及不良封閉鉆孔等。因此，位于水庫(kù)下面的采場(chǎng)在采掘過(guò)程中，必須制定專項(xiàng)礦井水害防治措施，同時(shí)需加強(qiáng)礦井水文地質(zhì)觀測(cè)與研究以及探放水工作。

4 水下開(kāi)采對(duì)江東水庫(kù)的影響分析

（1）影響水源的分析。開(kāi)采產(chǎn)生的導(dǎo)水裂縫帶未波及水體（江東水庫(kù)底），對(duì)水庫(kù)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(dòng)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(dòng)角來(lái)圈定地表移動(dòng)盆地的危險(xiǎn)移動(dòng)邊界。

（2）開(kāi)采對(duì)水庫(kù)壩體的影響分析。礦體平均傾角為40°；走向（端部）移動(dòng)角為72°；下山（上盤）移動(dòng)角為48°；上山（下盤）移動(dòng)角為72°；松散層移動(dòng)角為45°。

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

（3）開(kāi)采對(duì)水庫(kù)儲(chǔ)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(kāi)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(kù)內(nèi)水體流入開(kāi)采區(qū)，即開(kāi)采不會(huì)破壞江東水庫(kù)儲(chǔ)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(zhǎng)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(hào)礦脈，使礦脈錯(cuò)移10 m～70 m，因其穿過(guò)江東水庫(kù)庫(kù)尾，可能將水庫(kù)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(kāi)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(yǔ)

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

（2）在充分分析巖層移動(dòng)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(kù)采動(dòng)等級(jí)，允許采動(dòng)程度確定各礦體安全防水礦柱厚度分別是：⑦號(hào)礦體是 43.40 m，⑧號(hào)礦體是88.14 m，⑨號(hào)礦體是53.36 m，⑩號(hào)礦體是69.55 m。據(jù)此可以劃定⑦號(hào)礦體+50 m（計(jì)算標(biāo)高+50.6m）、⑧號(hào)礦體+5 m（計(jì)算標(biāo)高+5.86 m）、⑨號(hào)礦體+40（計(jì)算標(biāo)高+40.4 m）、⑩號(hào)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(kāi)采現(xiàn)狀，并通過(guò)有效性驗(yàn)證，得出各礦體現(xiàn)狀條件下開(kāi)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(kāi)采活動(dòng)不會(huì)引發(fā)江東水庫(kù)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(dòng)角所圈定的地表移動(dòng)與變形的范圍未觸及江東水庫(kù)壩體，由此判定開(kāi)采活動(dòng)不會(huì)影響江東水庫(kù)壩體的穩(wěn)定性和水庫(kù)儲(chǔ)水的完整性，即：水庫(kù)不受開(kāi)采的影響，是安全的。