衡阳市七里井矿区2～6线矿段钙芒硝矿硐室水溶法开采对围岩稳定性影响评价

衡阳市七里井矿区2～6线矿段钙芒硝矿硐室水溶法开采对围岩稳定性影响评价

作者：余小宁

来源：《中国化工贸易·上旬刊》2018年第10期

摘要：本文从矿山水文地质、工程地质及矿层特征入手，针对硐室水溶法开采原理及特点，通过分析、计算，从而了解了钙芒硝矿硐室水溶法开采对矿层顶板围岩稳定性的影响程度，为矿山开采地表变形控制提供了理论依据。

关键词：钙芒硝矿;硐室水溶法;稳定性

随着化学工业的发展，无水硫酸钠（即无水芒硝、元明粉）被广泛应用于玻璃、造纸、洗涤剂、维尼纶纺丝、医药、有色冶金、皮革及饲料添加剂等行业，钙芒硝矿是生产无水硫酸钠的主要工业原料。衡阳盆地钙芒硝矿资源极为丰富，其中：衡阳市七里井矿区2～6线矿段钙芒硝矿为目前正在试开采的矿山之一，其采矿方法为目前最为先进的硐室水溶采矿法，该采矿法开采强度及开采厚度较大，形成的采空区面积大，对矿层及矿层围岩稳定性有一定影响，为最大程度地减少矿业活动对矿体围岩的扰动，防止发生地面变形破坏，现就该采矿法对矿体围的稳定性影响进行评价，以供矿山安全生产参考。

1 矿区概况

1.1 地层及岩性

矿区位于衡阳盆地中北部，属河谷冲积平原与低缓丘陵区，地貌单元为湘江二级阶地及构造剥蚀红层中丘地貌。矿区内出露的地层主要为第四系（Q）及下第三系霞流市组高岭段

（E2x2）、茶山坳段（E2x1）地层，其中，下第三系霞茶山坳段（E2x1）自上而下分E2x1-1～E2x1-5五个岩性带，本矿段仅揭露E2x1-5～E2x1-3三个岩性带，本矿段揭露地层特征见表1。

1.2 水文地质简况

矿区含水层主要为第四系松散岩类孔隙水含水层（I）、下第三系霞流市组泥岩、砂岩风化裂隙潜水含水层（Ⅱ）和下第三系霞流市组泥岩、砂岩裂隙-溶孔承压水含水层（Ⅲ），隔水层主要为矿层顶板（泥岩、粉砂质泥岩及含膏钙芒硝泥岩）隔水层。矿区为以裂隙水充水为主的水文地质条件中等类型。本矿段含（隔）水层特征见表2。

1.3 工程地质简况

矿山地处衡阳盆地中北部，为下第三系“红层”分布区，岩性主要为一套紫红色泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及粉砂岩，其次为含膏钙芒硝泥岩、钙芒硝矿层及岩盐矿层。矿区岩石成分以泥质为主，岩石遇水易软化、膨胀或易溶解，工程地质条件属中等类型。矿区岩石力学性质见表3。

1.4 钙芒硝矿层特征

1.4.1 矿层赋存部位、形态、产状及规模

矿层赋存于下第三系霞流市组茶山坳段第四岩性带（E2x1-4）-上硫酸盐带中，矿体形态简单，呈层状产出，产状稳定，与地层一致，倾角5～10°，东西宽大于1300m，南北长

1400m。矿层最大埋深313.47m，最小埋深64.26m，矿层顶板标高-5.44～-246.11m，矿层厚14.13～126.34m，平均厚度67.53m。

1.4.2 矿石的化学组分

钙芒硝的分子式为CaSO4·Na2SO4，矿石中主要化学成份为Na2SO4，平均品位25.38～36.22%。

1.4.3 矿层顶底板围岩特征

钙芒硝矿层直接顶板为含膏钙芒硝泥岩，厚7.06～39.78m，平均厚21.65m;间接顶板为下第三系霞流市组茶山坳段第五岩性段（E2x1-5）紫红色泥岩、粉砂质泥岩、细砂岩及青灰色泥岩，厚度22.78～263.84m，一般厚150m左右。矿层底板为岩盐岩，厚度大于424m。

2 开采设计概况

2.1 硐室水溶采矿方法简介

钙芒硝的分子式为CaSO4·Na2SO4，其中Na2SO4易溶于水，CaSO4难溶于水。硐室水溶采矿法就是利用水溶性的差异，从钙芒硝矿中提取高浓度的Na2SO4水溶液，该采矿法以钙芒硝矿层为开采对象，溶浸采场为开采单元，通过在掘进采场内打眼巷道、切割巷道、爆破回采的方式形成标准矿房，爆破崩落的矿石堆于矿房内就地溶浸，除溶解的粗硝水被提取外，其余残碴及不溶物均原地充填于矿房中，以支撑矿层顶板和上覆岩层。该采矿法实质上是（原地）充填（水溶）采矿法，为目前钙芒硝矿最为先进的采矿方法，其相似于煤炭行业的充填采矿法。

2.2 相关技术参数

①标准矿房：斜长80m，宽12m，高13m;

②爆破补偿空间系数KB：KB=15%;

③矿体平均品位：Na2SO4 ：28.78%;CaSO4：38.28%;

④矿石比重：2.7t/m3;

⑤矿石中其他水不溶物含量：17.94%;

⑥溶浸矿石中Na2SO4 回收率：85%;残余物中Na2SO4含量：15%。

3 采空区围岩稳定性评价

3.1 采空区岩层移动特征

地下硐室水溶法采矿过程中，由于巷道掘进、爆破回采、粗硝水提取工程活动，破坏了矿层上覆岩体的原始应力平衡状态，在上覆岩层自重的作用下，将产生冒落、垮塌、移动变形，形成三个不同的破坏带，即：冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。

3.1.1 冒落带特征

冒落带为采场矿石采出后，矿层顶板岩石的原始应力状态遭到破坏，失去支撑而产生裂缝、断裂，呈现出不规则冒落，形成冒落带，这时，采场内的采出空间在逐渐被冒落矿石充填而缩小、消失，而未冒落的岩石支撑在已冒落的岩石之上，冒落岩石在顶板压力的作用下被逐渐压实，形成新的平衡，冒落带的发展过程即告停止。

3.1.2 裂隙带特征

裂隙带位于冒落带之上，由于冒落后的岩石未被完全压实，以及冒落带内岩石未完全接触到矿层老顶，上部岩石在重力作用下，仍有较为剧烈的移动，在岩层节理裂隙较为发育部位，仍会产生较大的离层和断裂，岩体整体性遭到破坏，从而形成裂隙带。

3.1.3 弯曲下沉带特征

由于弯曲下沉带远离采空区，因此，岩层的下降值小于岩层本身所能承受的张力，移动过程是连续而有规律的，呈平缓下沉趋势，岩层的整体未遭受到破坏。

3.2 地层沉降分析计算

3.2.1 采空区高度计算

以一条矿房（长L=80m，宽b=12m，高h=13m）为例，计算爆破回采矿量、矿物有用成份、残余物等数据，具体计算结果如下：