万古金矿水体下开采安全论证

聂都超，游勇，周国，邹雄

(湖南黄金洞大万矿业有限责任公司， 湖南 岳阳市 414500)

1 矿区水文地质及开采技术条件

湖南黄金洞大万矿业有限责任公司万古金矿（以下简称万古金矿）是湖南省具有重要开采价值的金矿床之一。万古金矿部分采场位于江东水库库尾地下，属于典型的水体下开采。

矿区主要位于当地侵蚀基准面以下，位于中-厚层冷家溪群板岩、粉砂质板岩、绢云母板岩隔水层之中。矿体围岩为薄层—中厚层、软弱—坚硬岩石，岩性完整致密，稳定性较好，工程地质复杂程度属中等类型。矿床水文地质勘探类型为构造裂隙充水的简单偏中等类型，矿区主要岩层如下：

（1）第四系孔隙潜水含水层：分布于矿区山间、谷地，厚度为2.00 m～22.72 m，岩性主要为黏土、砂土、砂砾石和碎石土，主要成分为板岩、砂岩、硅质岩和石英，导水性强、低洼处储水性能较好。该层接受大气降水后，直接补给下伏的基岩风化裂隙含水层，二者形成统一含水层；

（2）冷家溪群坪原组板岩风化裂隙含水层（Ptp）：主要成分为褐黄色、黄色、浅灰色板岩及砂质板岩，节理裂隙发育。裂面常见褐铁矿浸染，并见铁质薄膜或褐铁矿化及石英呈脉状穿插，风化层厚度为4.80 m～40.21 m。该层接受大气降水及上覆第四系含水层补给；

（3）冷家溪群坪原组板岩砂质板岩隔水层（Ptp）：分布于整个矿区，呈单斜产出，走向北西，倾向北东，倾角为37°～80°，主要成分为灰绿色、砂质和粉砂质板岩，薄至中厚层状。岩层稳定连续，为一良好隔水层。

矿区构造主要为断裂构造，褶皱不发育，总体为一单斜构造，有北西（西）向和北东向两组。北西（西）向断裂发育较早，与矿化关系密切，有F16、F18、F19断层，其走向与区域地层走向大体一致，倾向北东，倾角为20°～86°，断层带宽为0.25 m～16.10 m。北东向断裂有F3～F8、F10、F11断层，走向一般为300°～50°，倾向南东，倾角为20°～71°。断层带宽度为0.6 m～12.0 m，角砾呈棱角—次棱角状，胶结松散。

2 水下开采矿体基本地质特征

万古矿区已探明的⑦、⑧、⑨、⑩号矿体及布置的采掘工程位于江东水库尾部，矿体的走向与水库库身走向大体上一致，平面重叠部分约占江东水库库身的1/3，巷道最高标高为+5 m，最低标高为-218.626 m，巷道离水库底部最小距离为89 m。目前，-100 m以上已经采空，水库底及周边没有发生地表塌陷、开裂、沉降等现象。

⑦、⑧、⑨、⑩号矿体的基本地质特征见表1。

3 水体下开采安全论证

3.1 岩层移动的形式及覆岩破坏的分带

岩层移动的表现形式主要有：弯曲、冒落（垮落）、岩石沿层面滑动、垮落岩石的下滑（或滚动）、底板岩层的隆起。在工程应用上，将岩层移动稳定后的矿体覆岩按其受开采影响受到的破坏程度划分为三个开采影响带，即：底部的垮落带、中部的断裂带和上部的弯曲带，简称“三带”，如图1所示。

1.2.2 外植体诱导 全部接种工作均在经严格灭菌的超净工作台上进行。消毒后的茎段在无菌条件下接种诱导，诱导试验方案见表2。接种数量为每种配方33瓶，每个处理接种10～11瓶，每瓶接4～5块外植体，重复2～3次，若由于一些外界或人为原因接种量适当增加。

表1 矿体基本地质特征

图1 覆岩破坏的分带

影响覆岩破坏的因素主要有：覆岩的力学性质和结构特征、采矿方法和顶板管理方法、矿体倾角、开采深度与高度、开采范围（面积）大小、开采速度与时间、重复采动等。

3.2 上覆岩层破坏高度的计算分析

根据《湖南省平江县万古矿区万古金矿资源储量核实报告》，矿体上覆岩层为软弱—坚硬、薄层—中厚层状板岩，粉砂质板岩岩性综合体。确定覆岩岩性属中硬性，以此计算覆岩破坏高度。依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》（2017）中冒落带和导水裂缝带高度的计算公式进行计算。其中倾斜（α=0°～54°）矿层中硬岩的计算公式为：

冒（垮）落带最大高度：

导水裂缝带高度：

急倾斜（α=55°～90°）矿层中硬岩的计算公式为：

冒（垮）落带最大高度：

导水裂缝带高度：

式中，∑m为累计采厚，m；h为回采阶段垂高，40 m；±为误差值，取“+”。

表2 冒落带、导水裂缝带高度计算结果

3.3 安全防水矿岩柱的计算

根据“三下”规程，确定水体采动等级为Ⅰ级，不允许导水裂缝带波及水体。因此，确定留设的安全矿岩柱类型为顶板防水安全矿岩柱。

根据资源报告，第四系松散含孔隙水层直接与基岩接触，接受上覆第四系含水层和大气降水补给，含弱风化裂隙水，安全防水矿岩柱的最小高度应考虑基岩风化带深度，即：

式中，Hsh为安全防水矿岩柱高度，m；Hb为保护层厚度，m；Hfe为基岩风化带深度，m。

安全防水矿岩柱的计算结果见表3。

表3 安全防水矿岩柱的计算结果/m

3.4 安全开采上限的确定

库底（水体底界面）标高约+94 m，为矿段内最低侵蚀基准面，94减去表3中的HSh可得：⑦号矿体安全开采上限为+50.6 m；⑧号矿体安全开采上限为+5.86 m；⑨号矿体安全开采上限为+40.64 m；⑩号矿体安全开采上限为+24.45 m。

3.5 综合分析

万古金矿目前采矿范围为-30 m～-220 m，均在安全限采标高以下，导水裂缝带发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，导水裂缝带不会波及江东水库的水体。即：导水裂缝带不会形成矿井水与江东水库水的通道。

为验证开采上限的有效性，分析各矿体的安全防水矿岩柱，并计算得到各矿体的安全系数如下：⑦号矿体为 4.74；⑧号矿体为 1.74；⑨号矿体为2.88；⑩号矿体为 1.78。由此可见，各矿体的安全防水矿岩柱采场远小于基岩岩柱尺寸，导水裂缝带为补给水库水体。所以，对导水裂缝带进行分析，⑦、⑧、⑨、⑩号矿体在安全开采上限以下进行采矿是安全的。

但是，除导水裂缝带外，矿井顶板水害的导水通道还可能有导水断层，如F10(对⑩号矿体开采有影响)，以及不良封闭钻孔等。因此，位于水库下面的采场在采掘过程中，必须制定专项矿井水害防治措施，同时需加强矿井水文地质观测与研究以及探放水工作。

4 水下开采对江东水库的影响分析

（1）影响水源的分析。开采产生的导水裂缝带未波及水体（江东水库底），对水库及坝体的影响可能是发育在裂缝带之上的弯曲带。弯曲带在平面上表现为盆地。位于移动盆地内的建（构）筑物可能遭受损害。在工程应用上，以移动角来圈定地表移动盆地的危险移动边界。

（2）开采对水库坝体的影响分析。矿体平均倾角为40°；走向（端部）移动角为72°；下山（上盘）移动角为48°；上山（下盘）移动角为72°；松散层移动角为45°。

根据矿体分布及矿体与江东水库的相互位置关系，地下开采对坝体的影响主要是走向（端部）移动角影响，其次是下山（上盘）移动角影响。采用垂直剖面法计算，可得：走向（端部）移动影响距离：开采范围以东约106 m；下山（上盘）移动角影响距离：最低开采边界的平面投影线沿矿体倾向方向向外伸展347 m。而开采范围最东边界（距坝体最近）距坝体中心线距离为900 m，说明开采引发的地表移动与变形影响范围未及江东水库坝体，即万古金矿在现有准采范围内的采矿活动，对江东水库坝体的稳定性没有影响。

（3）开采对水库储水性能的影响分析。赋存在整体弯曲带内的岩层（如板岩、粉砂质板岩）受开采影响后，一般仍能保留原始的完整性，其隔水性能良好，水体下的整体弯曲带的厚度远大于保护层的厚度，可以判定整体弯曲带可有效阻隔水库内水体流入开采区，即开采不会破坏江东水库储水的完整性。

（4）水杉洞断层（F10）防隔水矿（岩）柱计算。水杉洞断层（F10）发育在矿区南东角，为张应力形成的张性断层，赋存长度约350 m，属成矿期后构造，走向为40°，倾向南东，倾角为20°～71°。该断层切割了⑩号矿脉，使矿脉错移10 m～70 m，因其穿过江东水库库尾，可能将水库水导入井下，潜在引发透水事故的危险，必须在断层的上、下盘留设断层防隔水矿（岩）柱，阻断其导水性。断层防隔水矿（岩）柱按式（6）计算：

式中，L为矿（岩）柱留设的宽度，m；K为安全系数，一般取2～5，本次计算取5；M为矿层厚度或采高，m，本次计算取2.8 m；P为水头压力，本次计算取3.25 MPa；KP为矿体的抗拉强度；本次计算按矿区最软弱岩层取42.0 MPa。计算得到L=3.4 m，小于20 m。根据现行相关规程的要求，断层防隔水矿（岩）柱取20 m。即：在断层上、下盘(均开采的条件下)各自留设法线厚度20 m的矿（岩）体作为安全矿柱。

5 结语

（1）根据水体下开采的技术理论，结合万古金矿具体的地质开采条件，对江东水库下采矿的安全性进行综合分析、评价和论证。着重对上覆岩层破坏高度进行计算，分析了地表移动与变形情况，为实现江东水库下安全采矿提供技术保障。

（2）在充分分析岩层移动稳定后的矿体围（覆）岩的分带，预计导水裂缝带高度的基础上，根据江东水库采动等级，允许采动程度确定各矿体安全防水矿柱厚度分别是：⑦号矿体是 43.40 m，⑧号矿体是88.14 m，⑨号矿体是53.36 m，⑩号矿体是69.55 m。据此可以划定⑦号矿体+50 m（计算标高+50.6m）、⑧号矿体+5 m（计算标高+5.86 m）、⑨号矿体+40（计算标高+40.4 m）、⑩号矿体+24 m（计算标高+24.45 m）以上为禁采区。

（3）结合当前开采现状，并通过有效性验证，得出各矿体现状条件下开采的安全系数均在 1.74以上，据此可以判断，现状条件下的开采活动不会引发江东水库的水贯入井下，但要充分关注断裂构造、不良封闭钻孔等诱发透水事故。

（4）根据移动角所圈定的地表移动与变形的范围未触及江东水库坝体，由此判定开采活动不会影响江东水库坝体的稳定性和水库储水的完整性，即：水库不受开采的影响，是安全的。