李国山 钟兆泓 赵 鹏

(长沙有色冶金设计研究院有限公司)

贵州林歹铝土矿深部带压开采评价

李国山 钟兆泓 赵 鹏

(长沙有色冶金设计研究院有限公司)

贵州林歹铝土矿水文地质条件复杂，矿层间接底板为栖霞茅口组灰岩含水层，地下水制约了矿山的深部开采。通过对矿体底板隔水层赋存地质条件、隔水性能、构造因素以及下伏含水层水压及富水性的研究，采用量化指标对矿层带压开采做出综合技术评价，并根据矿区岩层组合引入摆佐组和梁山组“复合式”隔水岩体概念。研究结果表明：梁山组、摆佐组隔水层具有良好的隔水效果，矿山深部矿体带压开采可行。

铝土矿 底板突水 带压开采 矿山防治水 复合式隔水岩体

林歹铝土矿位于贵州省清镇市中部，主要开采对象为林歹铝土矿区魏家寨矿段，矿山于1993年建成投产，现已开拓1 332,1 290,1 240,1 190 m 4个中段。2004年7月，采用盲斜井开拓1 190 m中段，经过多年开采，至2008年6月，1 190 m中段以上矿石已经开采完毕。由于魏家寨矿段水文地质条件复杂，上下盘均分布有含水层，下盘主要含水层有栖霞—茅口灰岩、摆佐灰岩含水层，上盘主要含水层有清虚洞—高台组含水层，且矿区岩溶发育，矿山在基建和生产过程中发生过突水、突泥淹井事故，致使1 190～1 040 m未得到开拓。

由于深部开采地应力大，矿层采动破坏深度加大，且随着地下水压力的增大, 突水威胁更大。因此，进行深部带压开采研究具有重要意义[1-3]。

1 矿山水文地质概况

该矿区为三面环山向北开口的狭长型槽谷，属裸露型岩溶充水矿床，汇水面积约5.04 km2，大气降水为主要补给源。矿区有3组含水层、两组隔水层，自然条件下，含水层之间无水力联系，地下岩溶水垂直分带明显。当地侵蚀基准面是控制岩溶发育的主要因素，也是地下水主要排泄区。矿区含、隔水层如图1所示。

林歹矿区魏家寨矿段位于矿区中东部。由于地层倒转，寒武系清虚洞—高台组岩溶裂隙含水层构成矿床顶板直接充水含水层，总厚约300 m，分布于山坡上，节理裂隙发育，溶洞只在个别地段见到，富水性中等。由于采矿活动引起顶板冒落，该含水层的地下水可通过采场直接进入巷道。

图1 含矿系与含水层、隔水层关系示意

石炭系下统摆佐组裂隙溶洞含水层构成矿床底板直接充水含水层，总厚48～75 m，分布于山坡上，节理裂隙及溶洞发育，富水性强，运输大巷及穿脉均在该层内，该含水层的地下水可直接进入巷道。目前地下水位已降至1 208 m标高，接近现最低开采标高1 190 m，据井下观测，地下水均来源于巷道两端进水。

二叠系下统栖霞—茅口组溶洞裂隙含水层为矿床底板间接充水含水层，位于萨拉河谷地内，总厚约250 m。地下溶洞、地下径流带发育，富水性强，与摆佐组裂隙溶洞含水层之间有16～23 m厚的梁山组页岩、砂岩隔水层。该含水层对矿床充水的影响程度取决于对梁山组隔层的破坏程度。

2 带压开采可行性研究

2.1 带压开采的适用条件

带压开采的适用条件[4]：①开采矿层底板以下的隔水层，厚度愈大防护作用愈强；②隔水层的岩性组合有利于抗衡水压；③采场构造相对简单, 无直接贯通含水层通道。

2.2 隔水层赋存特征

贵州林歹铝土矿矿层主要赋存于石炭系下统九架炉组(C1j)，二叠系下统梁山组(P1l)为矿层的间接底板，厚度16～23 m，其上为摆佐组灰岩(C1b),厚度48～75 m，两层相叠加组成“复合式”隔水岩体，总厚度64～98 m。该层在矿区内广泛分布，属中等较完整岩石，稳定性较好。

梁山组隔水层底部以浅黄色黏土页岩为主，但亦常见黑色炭质页岩；中下部为灰色厚层及中厚层状石英质砂岩，夹薄层黑色页岩；上部为黑色炭质页岩及砂质页岩。该层有如下特点：①厚度较稳定，岩性致密，尤其是石英砂岩胶结紧密、无孔裂隙发育、地面无泉水出路；②在自然状态下，摆佐组地下水位要高于栖霞—茅口组地下水位20 m左右(图1)，说明梁山组能起到隔水作用；③依据1963年前CK108、CK107孔摆佐组裂隙溶洞含水层抽水试验，同时观测Ⅱ#孔(位于栖霞—茅口组)水位未有变化，而东面距抽水孔81.31 m的CK1孔(位于摆佐组)水位下降1.02 m，说明梁山组隔水层的隔水效果良好;④魏家寨矿段最低开采标高已达1 190 m中段，与1963年前原始地下水位相比，矿体直接底板摆佐组裂隙溶洞含水层水位最大降深已达123.15 m，而间接底板强含水层栖霞—茅口组水位只下降了3.89 m，由此可以看出，矿体的间接底板梁山组仍然起隔水作用。

2.3 隔水层物理力学性质

由于1963年地质报告中所列矿层顶板岩石力学性质试验缺少梁山组岩石测试资料，目前只能根据1 290 m中段巷道揭露该层的情况进行描述：观察点673.90～687.90 m为黑色薄层炭质页岩、灰白色中厚层石英砂岩，有两组裂隙相互截切，裂隙闭合无充填。采用相似岩石进行类比，确定该层抗压强度为48.6 MPa，岩石等级为Ⅲ～Ⅳ级。岩体质量评价如表1所示。

表1 林歹铝土矿岩体质量评价

通过对隔水层的物理力学性质及岩体稳定性的评价，本层属半坚硬岩石，岩体质量等级为中等较完整，稳定性好。

2.4 栖霞—茅口组灰岩含水层富水性研究

梁山组隔水层上部的摆佐组裂隙溶洞含水层随着矿体的开采延深被逐步疏干，唯下部的栖霞—茅口组溶洞裂隙含水层对矿坑构成突水威胁。本层梁山组成条带状分布于矿区东部斜坡地带，钻孔揭露最大厚度150.69 m。该含水层代表性水文地质参数见表2。

栖霞—茅口组灰岩含水层水压较大，富水性中等，岩溶发育，一旦采矿错动该岩层，易引起矿坑突水、突泥，地面易形成塌陷，从而酿成安全事故。

表2 林歹铝土矿栖霞—茅口组灰岩水文地质参数

2.5 矿区断裂带及其导水性

矿区内断裂发育，据坑道水文地质调查，1 290 m 中段南翼巷道揭露F25、F27、F29、F31断层，表现为裂隙溶洞发育、岩石破碎，开挖时有涌水、涌泥现象；1 240 m中段巷道揭露F27、F29断层，表现为裂隙较发育，见小规模溶洞，F31、F32未见明显通过现象，总体上1 240 m中段断层破碎带不发育，涌水主要来源于巷道两端；1 190 m中段巷道未见断层，仅在局部有滴水现象，涌水主要来源于巷道两端及其穿脉。

矿井编录资料表明，近地表巷道揭露断层时，溶蚀严重，断层均导水，随着巷道延深，发现断层发育深度不大，并未向下延深，溶蚀程度也随着深度的不断延深而减弱。根据目前资料，断层未在石炭系灰岩含水层与二叠系栖霞-茅口组含水层之间形成地下水通道。

2.6 采矿方法对底板(摆佐组)扰动破坏的影响

矿压破坏深度的大小与回采工作面尺寸、采矿方法、矿层厚度及倾角、开采深度、顶板岩性、构造等因素有关，其中最主要的是工作面斜长。根据山东科技大学、邯郸矿务局及煤炭科学研究总院北京开采所的经验公式, 煤层底板破坏深度与工作面倾斜长度呈线性关系。根据有关矿山对工作面测试资料，矿压对矿层底板岩层的破坏深度为6～14 m。底板破坏深度与工作面斜长关系的经验公式：

h1=1.86+0.11L,

(1)

式中,h1为采矿引起底板破坏深度，m；L为工作面斜长，m。

通过式(1)计算，工作面斜长L为50 m，底板破坏深度h1为7.36 m。

2.7 安全开采所需隔水层厚度的确定

隔水层阻水能力的大小是带压安全开采的关键，为此，需按矿区实际水压力计算满足带压开采的安全隔水层厚度。

2.7.1 公式计算法

根据《矿区水文地质工程地质勘探规范》GB 12719-91，计算安全隔水层厚度

(2)

式中，m为采掘工作面底板最大宽度,按房柱法确定，8 m；r为隔水层岩石容重，为2.67 t/m3；Kp为隔水层岩石抗拉强度，为1.4 MPa；H为隔水层底板承受的水头压力，开采到1 040 m标高时梁山组所承受的水压为2.73 MPa。

将各参数代入式(2)，计算得出底板安全隔水层厚度为7.87 m。

综合考虑采矿方法对底板隔水层的扰动破坏程度及采矿工作面尺寸等因素，还需加上式(1)计算的结果，得到最大水压下的隔水层底板破坏深度为15.23 m。

2.7.2 类比法

借鉴国内煤矿带压开采的实际资料，采用突水系数法[5](即每米隔水层所能承受的静水压力)确定安全隔水层厚度。

借鉴与本矿类似的煤矿资料，对底板构造破坏地段的突水系数为0.04～0.05 MPa/m，正常地段为0.1 MPa/m。根据GB 12719-91，正常块段的突水系数不大于0.15 MPa：

d=p/Ts,

(3)

式中,Ts为突水系数，0.1 MPa/m；p为隔水层承受的水压，2.73 MPa。

根据参数计算，得安全隔水层厚度27.3 m。

综合以上计算结果，最终取其算术平均值作为安全隔水层厚度，即21.26 m。

3 隔水层隔水性能综合评价

由以上分析可知，梁山组隔水层为矿层间接底板，厚度16～23 m，其上为摆佐组灰岩，厚度48～75 m，两层叠加组成的“复合式”隔水岩体总厚度64～98 m，该层在矿区内广泛分布，属中等较完整岩石，稳定性较好。由计算可知安全隔水层厚度21.26 m，实际隔水层厚度为安全隔水层厚度的3～4.6倍，当开采中段达到1040m中段时，崩落界线距离梁山组顶板约60 m，梁山组、摆佐组隔水层具有良好的隔水效果，深部矿体可以带压开采。

4 结 论

(1)通过对矿体底板隔水岩层的赋存特征和性能研究，以及对岩体结构—阻水能力、岩体强度—抗破坏能力关系的分析，根据矿区岩层组合，引入摆佐组和梁山组复合式隔水岩体概念，对指导本矿山带压开采和防治水提供了新思路。

(2)随着巷道延深，断层未向下延深，溶蚀程度减弱，断层未在摆佐组和栖霞—茅口组之间形成地下水通道。

(3)梁山组隔水层属半坚硬岩石，较完整，稳定性好。在承受2.73 MPa静水压力下，梁山组、摆佐组的复合式隔水岩体实际岩层厚度大于所需安全隔水厚度(21.26 m)的3～4.6倍，因此开采至 1 040 m 标高时，矿层间接底板梁山组隔水层仍具有隔水作用，带压开采可行。

[1] 李建民,张壮路,张瑞玺.赵各庄矿深部带压开采评价[J].煤炭学报,2005(5):8-11.

[2] 张金才,刘天泉.论煤层底板采动裂隙带的深度及分布特征[J].煤炭学报,1990(2):46-55.

[3] 张乐中.煤矿深部开采底板突水机理研究[D].西安:长安大学,2013.

[4] 李彩惠.带压开采防治水技术及研究方向[J].煤矿开采,2010(1):57-59.

[5] 李本军,刘海新,刘晓威.突水系数法在煤矿深部开采中的应用[J].河北工程大学学报：自然科学版,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)

李国山(1981—)，男，工程师，硕士，410011 湖南省长沙市解放中路199号。