鄂西边家坪方解石矿床地质特征及开采技术条件分析

宋澄尘

摘要：边家坪方解石矿床位于鄂西长阳，方解石矿化主要呈脉状、透镜状产于上寒武统三游洞组白云岩断层破碎带中，成因类型属热液充填型。矿层CaCO3平均含量均大于工业指标96%，工业类型为优质方解石矿石，矿石质量好，纯度高，可以达到重钙粉、电石、冶金溶剂、制碱石灰岩等的标准。矿区水文地质条件复杂程度属简单类型、工程地质条件复杂程度属复杂类型、环境地质条件复杂程度属中等类型，综合开采技术条件复杂程度是以工程地质问题和环境地质问题为主的矿床。

关键词：方解石；地质特征；三游洞组；开采技术条件；边家坪；鄂西

1.引言

重質碳酸钙，简称重钙，是由方解石磨碎而成，具有化学纯度高、稳定、白度高、干燥、硬度低、无臭、无味等优点，是重要的绿色环保、节能减排的非金属矿物材料，符合我国持续发展战略[1]。其根据产品质量、纯度不同分别应用于橡胶行业、塑料行业、油漆行业、水性涂料行业、造纸行业、防火天花板行业、人造大理石行业、建筑行业以及食品、医药、化妆品、牙膏、饲料等不同行业[2]。

鄂西边家坪方解石矿床位于长阳土家族自治县大堰乡边家坪村境内，是近年来新发现的一处非金属建材矿床。前期地质工作程度较低，矿床地质特征未有系统总结，其开采技术条件（水文、工程、环境地质）还缺乏分析。因此本文在野外地质调查的基础上，总结了矿区地质条件、矿体和矿石特征，探讨了方解石开采的技术条件，以期为矿床后续开发提供理论参考。

2.区域地质

研究区大地构造位置位于华南版块（I）扬子陆块（II）上扬子陆块（III）恩施褶皱区（IV）中的长阳褶皱束（V）。出露地层主要有寒武系～三叠系下统地层，除缺失志留系中上统、泥盆系下统和石炭系外，地层发育较齐全[4]。矿区方解石主要分布在寒武系上统三游洞组中，主要为一套细晶白云岩。矿区属长阳褶皱束东延部分，位于杉帽山背斜南翼近核部，区内地层呈南西倾斜的单斜构造。发育三条断裂，为本区的赋矿构造，断裂带中方解石充填，并伴有溶洞、裂隙，方解石化特征明显，形成较纯方解石。区域为沉积岩区，无岩浆岩和区域变质岩分布[5]。

3.矿床地质特征

3.1矿区地质特征

矿区出露地层为寒武系上统三游洞组（∈3sn）和第四系地层。三游洞组上部颜色较深，风化后多呈黑色，以块状白云岩、白云质灰岩为主，下部色浅，风化面呈深灰色，以块状白云质灰岩、灰岩为主，有时夹有鲕状灰岩、砂质灰岩、白云质页岩。该组厚度约440m～785m。矿区位于杉帽山背斜南翼近核部，地层呈南西倾斜的单斜构造，倾向245°左右，倾角3°～5°。区内见三条断层F1、F2、F3，为本矿的赋矿构造，F1断层面产状230°∠83°，F2断层面产状122°∠82°，F3断层面产状22°∠80°，为带右移性质正断层。断裂带中角砾岩充填，并伴有溶洞、裂隙，方解石化特征明显，形成较纯方解石脉。

3.2矿体特征

方解石矿化呈脉状、透镜状展布，产于断层破碎带中，产状与断层面产状一致，平均倾角83°，Ⅰ号矿体长约922m，厚4.06m～7.10m，平均厚度5.58m，厚度变化系数为28.26%，小于50%，表明矿层厚度变化系数小，矿体厚度较稳定。Ⅱ号矿体230m，平均厚度4m；Ⅲ号矿体220m，平均厚度4m。

矿体为断层角砾岩，由块状、脉状、网格状方解石矿石与碳酸盐岩角砾组成，厚度1m～5m；顶底板围岩由三游洞群厚层白云质灰岩，矿体及其顶底板，岩石致密，属硬质岩类；岩体完整性好，属较稳定类型。

矿区最大矿体为I号矿体，矿石充填于F1断裂带中，呈脉状展布，属热液充填型矿体。通过沿脉走向追索及巷道工程揭露，平均146°。矿体呈透镜状，产状与断层面产状一致，平均倾角87°，据已有资料及本次野外地质工作沿脉追索，Ⅰ号矿体长约922m，厚4.06m～7.10m，平均厚度5.58m，厚度相对较稳定，厚度变化系数为28.26%，小于50%，表明矿层厚度变化系数小，矿体厚度较稳定。

3.3矿石特征

工业矿石为原生方解石矿石，风化、半风化矿石不具工业价值。经过多年的地表露天开采，矿区地表已不可见风（氧）化带。矿石为细晶方解石，白色块状，全部由不等粒方解石矿物组成，粒径3mm～10mm不等，呈他形镶嵌结构，参差状断口，解理时见弯曲现象，最大特征是常有不规则分布的糜棱岩化方解石脉，宽0.1mm～ 3mm，其细脉较平直，大体平行。方解石矿石为浅白色，透明或半透明，具玻璃光泽，有互相斜交的三向完全解理、破碎后成菱形碎块，比重为2.6t/m3。矿石矿物主要为方解石（方解石含量>96%），少量灰岩团块，极少石英等。

矿石化学组分主要有CaCO3、SiO2、Fe2O3等，其中F1样品CaCO3含量平均98.61%，矿层顶底板CaCO3含量分别为57.42%和54.96%。矿层CaCO3平均含量均大于工业指标96%。矿石工业类型为优质方解石矿石。该矿区方解石矿石质量好，纯度高，可以达到重钙粉、电石、冶金溶剂、制碱石灰岩等的标准。

4.开采技术条件

4.1水文地质条件

矿为山区地貌，植被发育，平均降水量为1600mm左右，降水多集中在5月份～8月份。无常流水系和水体，大气降水沿山坡往下汇入沟谷，排出区外。矿区含水层为寒武系上统三游洞群厚层白云质灰岩岩溶-裂隙含水层和第四系松散堆积孔隙水含水层。三游洞群厚层白云质灰岩岩溶-裂隙含水层广泛发育有石芽、溶沟、落水洞、溶洞等地貌特征，属于典型的卡斯特地貌。白云质灰岩溶蚀裂隙发育程度均较高，外加断裂构造的影响，岩石的透水性很强，但含水富水性很弱，基本不含水，大气降水排泄容易。因此，大气降水时附近水流会汇聚到矿井中，形成暂时性流水或积水。同时也存在生产生活用水不足的现状，生活用水来源于远距离的管道运输自来水。

矿区内广泛发育碳酸盐岩，沉积厚度大，且裸露地表，岩溶发育。岩溶形态主要有溶沟、溶蚀洼地、落水洞、溶洞、溶孔等。其中落水洞、溶洞、溶蚀裂隙等直接为充水含水层提供了良好的补给通道。经采坑揭露，地表附近溶洞多被经落水洞进入其中的第四系堆积物填充，方解石矿脉附近溶洞多为方解石结晶成矿提供了空间，其大小不一，形状不一，小者直径数厘米，大着直径数十米。地表径流较发育，雨后暴涨，属山涧季节性溪流，矿区井下开采深度为+450m以上，位于最低侵蚀基准面以上。

Ⅰ号矿体实行井下开采，发生重大突水事件的可能性较小，但矿体顶底板都为碳酸盐岩，透水性强，在暴雨、连阴雨天期间，可能使矿井内迅速汇集大量积水，影响矿山生产和人员安全。在矿山采矿过程中应注意加强疏水沟排水系统的建设。矿区矿体均位于侵蚀基准面以上，利于矿区自然排水，矿层顶底板均为透水不含水层。矿区水文地质条件复杂程度属简单类型。

4.2工程地质条件

岩体类工程地质类型：根据矿区内岩、矿石的物理力学性质、岩性与结构及工程地质性能不同或差异，将其工程类型划分为岩体、土体两大类，岩体主要包括碳酸盐岩、方解石脉体，土体为第四系松散残坡积层。

层状碳酸盐岩坚硬工程地质岩组，主要由寒武系上统三游洞群厚层白云质灰岩组成，岩性组合较单一，节理不发育，裂隙发育程度较低，地表岩溶发育，岩石力学强度较高。

方解石脉体较硬工程地质岩组，发育于断层破碎带中，夹杂有少量的围岩，方解石重结晶程度较好，其岩性组合较单一，节理不发育，裂隙发育程度较低，岩石力学强度较高，性脆，抗压、抗拉能力强。

松散土类工程地质岩组，松散的粘土、粘土夹碎石类，矿区内主要为第四系残坡积层，上部为土黄色粘土、粉质砂土；下部为灰岩碎块石，燧石岩块夹砂及泥质物。岩性为第四系残坡积层，含碎块沙质粘土，碎块石大小混杂，含量不均，结构松散。土体力学强度随厚度、密实程度及土体中碎塊石含量不同而变化较大，易产生地基（面）不均匀沉降和边坡失稳。

矿层顶底板稳固性评价：矿体的顶底板均为寒武系上统三游洞群上段厚层状白云质灰岩，岩体稳固性为较稳固，岩体完整性为较完整。矿层顶底板均属坚硬性岩石，抗压、抗剪、抗拉强度大，力学性能较好。

影响矿层顶底板稳定性的因素除岩性外，还与断层破碎带有关，因方解石矿体是沿张扭性断裂破碎带呈脉状产出，矿层顶底板受断裂带影响较大，在局部地段节理裂隙发育，方解石矿在井工开采过程中应加强支护，确保安全生产。

矿层的顶底板稳定性较好，因方解石矿体是沿张扭性断裂破碎带呈脉状产出，矿层顶底板局部地段受断裂影响较大，节理裂隙发育，对矿床开采影响较大，矿山在开采过程中应加强支护，并做好巷道的监测工作。

工程地质类型的确定：矿层的顶、底板及矿体岩（矿）石力学性质均较好，均属坚硬的层状碳酸盐岩岩组组成，岩体总体中等完整，稳固性较好，井下开采巷道总体易支护；因方解石矿体是沿张扭性断裂破碎带呈脉状产出，矿层顶底板局部地段受断裂影响较大，井下开采巷道局部地段可能存在一定的安全隐患，故矿区工程地质条件复杂程度属复杂类型。

4.3环境地质条件

地壳稳定性评价：鄂西南山区自第三纪喜山期以来，地壳运动主要表现为间歇性、不均匀抬升为主，地震地质背景总体显示为弱震、微震频繁，震源深度浅的特征。本区一带地震活动水平不高。

地面与斜坡稳定性现状评价：工作区内地形坡度多在10°～25°之间，其地形坡度较平缓，在缓坡及凹地发育第四系沉积盖层，厚度均小于1m，盖层均为残、坡及冲积成因的砂质粘土及碎块石土，其土体结构松散，抗剪强度低，按其发育位置地形地貌条件，第四系盖层处于较稳定～稳定级，不属滑坡易发地貌。工作区山体相对高差较小，由于构成山体岩石力学性能较好，山体自然稳定性较好，根据初步调查，区内尚未发生崩塌、滑坡、泥（水）石流等地质灾害，地表及斜坡处于稳定状态。

露天采坑地质环境现状评价：采坑顶、底板地层含水性弱、透水性强，无渗水、涌水现象，发生重大突水事件的可能性较小。但在暴雨季节，大气降水易迅速向采坑汇聚，形成大量积水，影响矿山生产和人员安全。采坑边帮坡度较大，危岩体较多，稳定性较差，存在落石撒落和坠落的安全隐患。因此矿山采矿过程中应注意加强四周疏水沟排水系统的建设和边帮稳定性监测和治理工作。

地温：井下未发现地温异常现象，属地温正常区。转为井下开采后，矿井开采深度不大，节理裂隙发育，地形切割剧烈，有利于地下水的排泄而降温。但地温随着开采深度增加会增高，在今后的开采过程中，必须加强地温的监测，采取有效措施防止地温的增高，避免热害的发生。

采空区塌陷对地面变形影响：采空区将会破坏地应力的平衡，上部岩层随之产生弯曲、塌落。采空高度越大，则张裂变形影响高度越大，致使地表下沉变形，将对地面工矿设施安全产生危险。同时采矿爆破震动对地面建筑物结构安全有一定的影响，可引起地面建筑物开裂变形。特别对近地表附近开采时，这种影响明显。危及矿山附近居民住宅的安全。危及上部矿山井下开采区的安全。

矿渣堆土石方量增加：随着采矿活动的进行，矿渣堆的土石量将随之增加，其稳定性随之降低，可能会为泥石流提供丰富的物质来源，增加潜在泥石流的危害强度。故矿山应根据出渣量，及时做好相应的防范工作，譬如修建尾矿坝、挡土墙、建立矿渣堆监管监测机制等，必要时要对可能受到危害的房屋、人、牲畜等及时搬迁、撤离。

环境地质类型的确定：矿区属低山区，山体坡度一般小于25°，地表多为基岩裸露，植被发育；区内岩土体现状稳定性较好，未发现有滑坡崩塌、泥石流、塌陷地质灾害；矿层的顶、底板及矿体岩（矿）石力学性质均较好，岩体总体中等完整，稳固性较好；矿区为地震烈度Ⅵ级地区，为不易诱发地震区。矿山环境地质条件复杂程度属中等类型。

5.结论

（1）方解石矿化主要呈脉状、透镜状产于上寒武统三游洞组白云岩断层破碎带中，成因类型属热液充填型。

（2）矿区水文地质条件复杂程度属简单类型、工程地质条件复杂程度属复杂类型、环境地质条件复杂程度属中等类型，综合开采技术条件复杂程度是以工程地质问题和环境地质问题为主的矿床。

参考文献：

[1]马亚梦，谭秀民，张秀峰，等.我国重质碳酸钙产业现状及发展建议[J].矿产保护与利用， 2005（03）： 75-79.

[2]李顺庭，宗兆建，张汉成，等.西南天山巴什苏洪方解石矿床的初步发现[J].矿产勘查， 2018， 9（07）： 1334-1341.

[3]李祖斌.浅谈方解石矿床开采技术[J].建材与装饰， 2013（23）： 254-255.

[4]秦元奎，边敏，杨宏伟，等.鄂西泥盆纪沉积铁矿成矿岩相古地理条件分析[J].资源环境与工程， 2015（02）： 132-139.

[5]惠博.鄂西宁乡式铁矿沉积特征及成因[D].成都理工大学， 2014.