富宁铅锌矿地表河流防水保安矿柱厚度的确定

牛淑慧

(云南德诚矿山工程设计有限公司，云南 昆明 650033 )

0 引 言

富宁铅锌矿体主要受北西向构造带控制，赋矿地层多为奥陶系中统宝塔组(O2b)上部灰岩，矿体产于宝塔组(O2b)上部灰岩层间构造带及宝塔组(O2b)灰岩与坡脚组(D1p)的角度不整合面灰岩一侧，受不整合面构造带控制。矿体形态为似层状、透镜状、脉状等，赋矿岩石多为碳酸盐化、硅化同生角砾状灰岩。该矿体在垂直方向下部矿体厚度较大，由下部向浅部逐渐变薄、分叉至尖灭。矿体走向东西，长 750 m，矿体赋存标高434～696 m。矿体倾向173～186°，倾角30～40°。矿体厚1.47～22.82 m，平均厚 7.23 m，属于倾斜薄至中厚矿体，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%。关键是2号线—0号线—1号线范围内的矿体上方有那郎河流过，矿体位置与那郎河空间关系见图1。那郎河是常年性河流，观测流量244～260 L/s,河床底部距离正下方矿体高度60～120 m，平均在 80 m 左右。水体下开采安全与否关键取决于矿体开采引起的导水裂隙带是否导通上部水体，因此，要防止由于开采形成的岩体损伤裂隙带波及到水体或含水层，这就需要留设防水矿柱。本文应用导水裂隙带理论计算公式并结合相关规程规范，在保证回采区及时充填不会发生突水的情况下，对那郎河下防水保安矿柱留设合理的厚度进行研究确定。

图1 矿体位置与那郎河空间关系剖面(0号勘探线)Fig.1 Relationship profile between orebody location and Nalang River (exploration line 0)

1 矿体及其顶底板稳固性评价

矿体顶板围岩，由二类岩石构成，其一为泥盆系下统坡脚组(D1p)下部浅红、浅紫红色、灰黑色粉砂质泥岩和炭质泥岩；其二为奥陶系中统宝塔组(O2b)灰—灰黑色厚层状灰岩、泥质灰岩构成。矿体及底板由奥陶系中统宝塔组(O2b)灰-灰黑色厚层状灰岩、泥质灰岩构成。勘探工作中对矿体及其顶、底板和围岩取物理力学实验样品测定其物理力学性质指标，详见表1。

表1 矿体及其顶底板岩石物理力学性质指标汇总表

根据勘探期间施工钻孔岩芯(图2)统计其RQD值，结合岩石力学抗压强度指标，并计算岩体质量指标M值，评价岩体质量，详见矿区岩体质量评价成果表(表2)。

评价结果：矿体顶板泥岩、灰岩属软弱-半坚硬岩类，岩体属层状结构,岩体质量优，完整性好，顶板岩体稳定性较好；矿体为铅锌矿化灰岩，属半坚硬岩类，岩体完整性好,岩体质量优，矿体岩体稳定性好；矿体底板为灰岩、泥质灰岩，属半坚硬岩类，岩体完整性好,岩体质量优，底板岩体稳定性好。矿体及其顶、底板和围岩，除地表风化较深和构造破碎部位外，均不易产生掉块、冒落、岩爆、底鼓等工程地质问题。

图2 矿体顶板岩芯Fig.2 Ore body roof core

表2 矿区岩体质量评价成果表

通过现场地质勘察可知：矿区地形地貌简单，地形有利于自然排水；矿体及大部分围岩为奥陶系宝塔组(O2b)，属半坚硬-坚硬岩类，层状结构半坚硬岩组，岩性较单一，物理力学性质好，由其构成的空区围岩及上覆岩层稳固性好。

2 矿区水文地质及其评价

矿区属构造侵蚀中低山地形地貌，区内地形起伏较大，冲沟发育，构成典型的散流地形。矿区侵蚀基准面-那郎河流经下伏KT2主矿体段的河床标高(620～650 m)以上各矿体块段及其附近均无大的地表水体、径流渗入矿体；矿体及围岩为弱富水性的含水层组，所含地下水以自然消散为主，形成的矿坑涌水可以忽略；侵蚀基准面以下矿体块段及其围岩弱富水性裂隙含水层中的地下水，直接构成矿床充水水源；地表径流那郎河河水也构成矿床充水水源。各含水层不仅在其露头区接受大气降水补给，而且当地侵蚀基底那郎河河床标高之下还接受地表径流的补给，补给强度较大；主要充水含水层泥盆系下统坡脚组(D1p)、奥陶系中统宝塔组(O2b)岩层富水性及透水性弱-中等，总体赋存地下水水量较小；区内充水性及导水性较强的F4～F6次级断裂对地表水与地下水的潜在勾通对矿坑充水影响不容忽视，侵蚀基准面以上矿坑排水以自然消散为主，无需专门机械设备排水，侵蚀基准面以下矿坑排水需要专业机械设备人工引排。

因此，矿区范围内矿床水文地质条件属以岩溶裂隙含水层直接充水为主的中等类型。

3 采场结构尺寸与采矿方法工艺

为了保护那郎河，确保那郎河水体不受地下采矿活动的影响，提高回收率，降低贫化率，该矿山目前采用对地表扰动程度小且安全可靠的进路式上向水平分层充填法开采。该采矿方法分段高度 15 m，中段高度 90 m，盘区沿走向布置，盘区长度 100 m，盘区宽度为矿体水平厚度。盘区沿走向划分进路，进路宽度一般控制在 4.2 m 左右，盘区之间留设 4 m 的间柱。进路分二步开采，为了加快采场脱水，步骤一：进路采用1∶8灰砂比胶结充填体进行充填；步骤二：进路采用灰砂比1∶15胶结充填体进行充填，底层在进行料浆充填时，可先进行部分废石充填。每个分段划分为4个分层进行回采，每个分层高度3.75 m，控顶高度1.7 m。

4 导水裂隙带理论

导水裂隙带是指岩体中裂缝相互连通，能使水流向采区的断裂带和冒落带的总称，它是综合反映上覆岩体破坏范围及破坏后的导水性能的指标。覆岩破坏，无论是其形态、最大高度还是裂缝的连通性都是有规律可循的。采空区上覆岩层按破坏程度划分为冒落带、裂隙带和整体弯曲带，其中冒落带和裂隙带都是透水的，合称为导水裂隙带[1]，是预测和防治顶板水害的重要依据。对于塑性较好的岩体来说，形成“三带”的过程较为明显；对于可塑性较差的岩体来说，其“三带”发展过程较为剧烈、突然。整体弯曲带的岩层和地表基本是连续的，不存在覆岩破坏与地表破坏的连通性问题，不构成导水通道。按照岩层开裂的程度，导水裂隙带分为4个区域：冒落性破坏区、严重开裂区、一般开裂区和微小开裂区，如图3所示。

图3 覆岩破坏的分带示意Fig.3 Regional sketch map of overburden failure

5 地表河流防水保安矿柱留设

地下岩体在开采之前，处于原始应力平衡状态。采矿作业后，由于形成空区，打破了原岩应力平衡，应力重新分布，以达到新的平衡，在此过程中，顶板岩层不可避免产生变形、沉降甚至塌陷。水体下开采安全与否关键取决于矿体开采引起的导水裂隙带是否导通上部水体[2]。

地表有一条那郎河从矿区穿过，那郎河为北西—东南走向。那郎河主要影响0号剖面附近矿体的开采，0号剖面附近矿体平均厚 7 m。

留设防水保安矿(岩)柱的目的是防止导水裂隙波及水体，确保水体下开采不发生溃水和矿井涌水量不急剧增加，以保持正常工作环境。

图4 防水保安矿(岩)柱留设Fig.4 Layout chart of waterproof security pillar

防水保安矿(岩)柱的最小厚度是导水裂隙的最大高度加上一定厚度的保护层。导水裂隙带是指水体下开采所形成的冒落带和冒落带之上虽未冒落，但具有连通裂隙的岩层的总称，它具有导水性，其高度是崩落带和裂隙带高度之和。

该矿区水文地质条件属于中等类型，根据《矿井水文地质规程》和《采矿设计手册2》的规定，防水保安矿柱的留设不得<20 m 高(图4)。

因那郎河河床底部为厚度较大的泥岩层，属于软弱岩类，矿体直接顶板属于较坚硬岩类，该区域采用分层充填采矿法，对地表扰动程度小，根据《矿井水文地质规程》《采矿设计手册2》和2017年国家安全监管总局 国家煤矿安监局颁布的安监总煤装〔2017〕66号《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，软弱岩类防水保安矿(岩)柱高度计算公式为: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，导水裂隙带高度HL计算公式如式(1)所示。

(1)

其中，保护层厚度Hb计算公式为:

(2)

式(1)(2)中，Hf为防水保安矿(岩)柱高度，m；HL为导水裂缝带最大高度，m；Hb为保护层厚度，m； ∑M为累计法向采厚，0号剖面靠近河床的矿体最大厚度为11 m；n为分层层数，4层(靠近最上一个分段高度为4个分层高)。

综上所述，0号剖面附近的矿体从河床左侧下部基岩垂直向下要留设 30 m 高的防水保安矿(岩)柱。

6 结 论

依据规范规程的导水裂隙带高度的公式，计算分析得出以下结论：

1) 矿体顶板泥岩、灰岩属软弱—半坚硬岩类，属层状结构，岩体完整性好，顶板上覆岩层稳定性较好，有利于那郎河河床底部隔水层的安全稳定。

2)通过以上计算结果，确定该矿山从河床底部垂直向下留设 30 m 高的防水保安矿(岩)柱，切断河水与矿体之间的水力联系；同时为了减少地下开采对地表河流的扰动，井下采矿方法采用分层充填法来确保上部那郎河的长治久安。

3)今后在最大限度地开采有效资源的前提下，要严防河水下渗造成水患，应采取预防水患的安全措施：①加强地表变形监测和井下地压监测，有利于开采过程中对危害、危险源进行及时预测、预报；②定期观测河水流量，对河流入流出流量进行监测；③ 严禁超挖、超采，保证空区及时得到充填。