鄂西邊家坪方解石礦床地質特征及開采技術條件分析

宋澄塵

摘要：邊家坪方解石礦床位于鄂西長陽，方解石礦化主要呈脈狀、透鏡狀產于上寒武統(tǒng)三游洞組白云巖斷層破碎帶中，成因類型屬熱液充填型。礦層CaCO3平均含量均大于工業(yè)指標96%，工業(yè)類型為優(yōu)質方解石礦石，礦石質量好，純度高，可以達到重鈣粉、電石、冶金溶劑、制堿石灰?guī)r等的標準。礦區(qū)水文地質條件復雜程度屬簡單類型、工程地質條件復雜程度屬復雜類型、環(huán)境地質條件復雜程度屬中等類型，綜合開采技術條件復雜程度是以工程地質問題和環(huán)境地質問題為主的礦床。

關鍵詞：方解石；地質特征；三游洞組；開采技術條件；邊家坪；鄂西

1.引言

重質碳酸鈣，簡稱重鈣，是由方解石磨碎而成，具有化學純度高、穩(wěn)定、白度高、干燥、硬度低、無臭、無味等優(yōu)點，是重要的綠色環(huán)保、節(jié)能減排的非金屬礦物材料，符合我國持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[1]。其根據(jù)產品質量、純度不同分別應用于橡膠行業(yè)、塑料行業(yè)、油漆行業(yè)、水性涂料行業(yè)、造紙行業(yè)、防火天花板行業(yè)、人造大理石行業(yè)、建筑行業(yè)以及食品、醫(yī)藥、化妝品、牙膏、飼料等不同行業(yè)[2]。

鄂西邊家坪方解石礦床位于長陽土家族自治縣大堰鄉(xiāng)邊家坪村境內，是近年來新發(fā)現(xiàn)的一處非金屬建材礦床。前期地質工作程度較低，礦床地質特征未有系統(tǒng)總結，其開采技術條件（水文、工程、環(huán)境地質）還缺乏分析。因此本文在野外地質調查的基礎上，總結了礦區(qū)地質條件、礦體和礦石特征，探討了方解石開采的技術條件，以期為礦床后續(xù)開發(fā)提供理論參考。

2.區(qū)域地質

研究區(qū)大地構造位置位于華南版塊（I）揚子陸塊（II）上揚子陸塊（III）恩施褶皺區(qū)（IV）中的長陽褶皺束（V）。出露地層主要有寒武系～三疊系下統(tǒng)地層，除缺失志留系中上統(tǒng)、泥盆系下統(tǒng)和石炭系外，地層發(fā)育較齊全[4]。礦區(qū)方解石主要分布在寒武系上統(tǒng)三游洞組中，主要為一套細晶白云巖。礦區(qū)屬長陽褶皺束東延部分，位于杉帽山背斜南翼近核部，區(qū)內地層呈南西傾斜的單斜構造。發(fā)育三條斷裂，為本區(qū)的賦礦構造，斷裂帶中方解石充填，并伴有溶洞、裂隙，方解石化特征明顯，形成較純方解石。區(qū)域為沉積巖區(qū)，無巖漿巖和區(qū)域變質巖分布[5]。

3.礦床地質特征

3.1礦區(qū)地質特征

礦區(qū)出露地層為寒武系上統(tǒng)三游洞組（∈3sn）和第四系地層。三游洞組上部顏色較深，風化后多呈黑色，以塊狀白云巖、白云質灰?guī)r為主，下部色淺，風化面呈深灰色，以塊狀白云質灰?guī)r、灰?guī)r為主，有時夾有鮞狀灰?guī)r、砂質灰?guī)r、白云質頁巖。該組厚度約440m～785m。礦區(qū)位于杉帽山背斜南翼近核部，地層呈南西傾斜的單斜構造，傾向245°左右，傾角3°～5°。區(qū)內見三條斷層F1、F2、F3，為本礦的賦礦構造，F(xiàn)1斷層面產狀230°∠83°，F(xiàn)2斷層面產狀122°∠82°，F(xiàn)3斷層面產狀22°∠80°，為帶右移性質正斷層。斷裂帶中角礫巖充填，并伴有溶洞、裂隙，方解石化特征明顯，形成較純方解石脈。

3.2礦體特征

方解石礦化呈脈狀、透鏡狀展布，產于斷層破碎帶中，產狀與斷層面產狀一致，平均傾角83°，Ⅰ號礦體長約922m，厚4.06m～7.10m，平均厚度5.58m，厚度變化系數(shù)為28.26%，小于50%，表明礦層厚度變化系數(shù)小，礦體厚度較穩(wěn)定。Ⅱ號礦體230m，平均厚度4m；Ⅲ號礦體220m，平均厚度4m。

礦體為斷層角礫巖，由塊狀、脈狀、網格狀方解石礦石與碳酸鹽巖角礫組成，厚度1m～5m；頂?shù)装鍑鷰r由三游洞群厚層白云質灰?guī)r，礦體及其頂?shù)装澹瑤r石致密，屬硬質巖類；巖體完整性好，屬較穩(wěn)定類型。

礦區(qū)最大礦體為I號礦體，礦石充填于F1斷裂帶中，呈脈狀展布，屬熱液充填型礦體。通過沿脈走向追索及巷道工程揭露，平均146°。礦體呈透鏡狀，產狀與斷層面產狀一致，平均傾角87°，據(jù)已有資料及本次野外地質工作沿脈追索，Ⅰ號礦體長約922m，厚4.06m～7.10m，平均厚度5.58m，厚度相對較穩(wěn)定，厚度變化系數(shù)為28.26%，小于50%，表明礦層厚度變化系數(shù)小，礦體厚度較穩(wěn)定。

3.3礦石特征

工業(yè)礦石為原生方解石礦石，風化、半風化礦石不具工業(yè)價值。經過多年的地表露天開采，礦區(qū)地表已不可見風（氧）化帶。礦石為細晶方解石，白色塊狀，全部由不等粒方解石礦物組成，粒徑3mm～10mm不等，呈他形鑲嵌結構，參差狀斷口，解理時見彎曲現(xiàn)象，最大特征是常有不規(guī)則分布的糜棱巖化方解石脈，寬0.1mm～ 3mm，其細脈較平直，大體平行。方解石礦石為淺白色，透明或半透明，具玻璃光澤，有互相斜交的三向完全解理、破碎后成菱形碎塊，比重為2.6t/m3。礦石礦物主要為方解石（方解石含量>96%），少量灰?guī)r團塊，極少石英等。

礦石化學組分主要有CaCO3、SiO2、Fe2O3等，其中F1樣品CaCO3含量平均98.61%，礦層頂?shù)装錍aCO3含量分別為57.42%和54.96%。礦層CaCO3平均含量均大于工業(yè)指標96%。礦石工業(yè)類型為優(yōu)質方解石礦石。該礦區(qū)方解石礦石質量好，純度高，可以達到重鈣粉、電石、冶金溶劑、制堿石灰?guī)r等的標準。

4.開采技術條件

4.1水文地質條件

礦為山區(qū)地貌，植被發(fā)育，平均降水量為1600mm左右，降水多集中在5月份～8月份。無常流水系和水體，大氣降水沿山坡往下匯入溝谷，排出區(qū)外。礦區(qū)含水層為寒武系上統(tǒng)三游洞群厚層白云質灰?guī)r巖溶-裂隙含水層和第四系松散堆積孔隙水含水層。三游洞群厚層白云質灰?guī)r巖溶-裂隙含水層廣泛發(fā)育有石芽、溶溝、落水洞、溶洞等地貌特征，屬于典型的卡斯特地貌。白云質灰?guī)r溶蝕裂隙發(fā)育程度均較高，外加斷裂構造的影響，巖石的透水性很強，但含水富水性很弱，基本不含水，大氣降水排泄容易。因此，大氣降水時附近水流會匯聚到礦井中，形成暫時性流水或積水。同時也存在生產生活用水不足的現(xiàn)狀，生活用水來源于遠距離的管道運輸自來水。

礦區(qū)內廣泛發(fā)育碳酸鹽巖，沉積厚度大，且裸露地表，巖溶發(fā)育。巖溶形態(tài)主要有溶溝、溶蝕洼地、落水洞、溶洞、溶孔等。其中落水洞、溶洞、溶蝕裂隙等直接為充水含水層提供了良好的補給通道。經采坑揭露，地表附近溶洞多被經落水洞進入其中的第四系堆積物填充，方解石礦脈附近溶洞多為方解石結晶成礦提供了空間，其大小不一，形狀不一，小者直徑數(shù)厘米，大著直徑數(shù)十米。地表徑流較發(fā)育，雨后暴漲，屬山澗季節(jié)性溪流，礦區(qū)井下開采深度為+450m以上，位于最低侵蝕基準面以上。

Ⅰ號礦體實行井下開采，發(fā)生重大突水事件的可能性較小，但礦體頂?shù)装宥紴樘妓猁}巖，透水性強，在暴雨、連陰雨天期間，可能使礦井內迅速匯集大量積水，影響礦山生產和人員安全。在礦山采礦過程中應注意加強疏水溝排水系統(tǒng)的建設。礦區(qū)礦體均位于侵蝕基準面以上，利于礦區(qū)自然排水，礦層頂?shù)装寰鶠橥杆缓畬印５V區(qū)水文地質條件復雜程度屬簡單類型。

4.2工程地質條件

巖體類工程地質類型：根據(jù)礦區(qū)內巖、礦石的物理力學性質、巖性與結構及工程地質性能不同或差異，將其工程類型劃分為巖體、土體兩大類，巖體主要包括碳酸鹽巖、方解石脈體，土體為第四系松散殘坡積層。

層狀碳酸鹽巖堅硬工程地質巖組，主要由寒武系上統(tǒng)三游洞群厚層白云質灰?guī)r組成，巖性組合較單一，節(jié)理不發(fā)育，裂隙發(fā)育程度較低，地表巖溶發(fā)育，巖石力學強度較高。

方解石脈體較硬工程地質巖組，發(fā)育于斷層破碎帶中，夾雜有少量的圍巖，方解石重結晶程度較好，其巖性組合較單一，節(jié)理不發(fā)育，裂隙發(fā)育程度較低，巖石力學強度較高，性脆，抗壓、抗拉能力強。

松散土類工程地質巖組，松散的粘土、粘土夾碎石類，礦區(qū)內主要為第四系殘坡積層，上部為土黃色粘土、粉質砂土；下部為灰?guī)r碎塊石，燧石巖塊夾砂及泥質物。巖性為第四系殘坡積層，含碎塊沙質粘土，碎塊石大小混雜，含量不均，結構松散。土體力學強度隨厚度、密實程度及土體中碎塊石含量不同而變化較大，易產生地基（面）不均勻沉降和邊坡失穩(wěn)。

礦層頂?shù)装宸€(wěn)固性評價：礦體的頂?shù)装寰鶠楹湎瞪辖y(tǒng)三游洞群上段厚層狀白云質灰?guī)r，巖體穩(wěn)固性為較穩(wěn)固，巖體完整性為較完整。礦層頂?shù)装寰鶎賵杂残詭r石，抗壓、抗剪、抗拉強度大，力學性能較好。

影響礦層頂?shù)装宸€(wěn)定性的因素除巖性外，還與斷層破碎帶有關，因方解石礦體是沿張扭性斷裂破碎帶呈脈狀產出，礦層頂?shù)装迨軘嗔褞в绊戄^大，在局部地段節(jié)理裂隙發(fā)育，方解石礦在井工開采過程中應加強支護，確保安全生產。

礦層的頂?shù)装宸€(wěn)定性較好，因方解石礦體是沿張扭性斷裂破碎帶呈脈狀產出，礦層頂?shù)装寰植康囟问軘嗔延绊戄^大，節(jié)理裂隙發(fā)育，對礦床開采影響較大，礦山在開采過程中應加強支護，并做好巷道的監(jiān)測工作。

工程地質類型的確定：礦層的頂、底板及礦體巖（礦）石力學性質均較好，均屬堅硬的層狀碳酸鹽巖巖組組成，巖體總體中等完整，穩(wěn)固性較好，井下開采巷道總體易支護；因方解石礦體是沿張扭性斷裂破碎帶呈脈狀產出，礦層頂?shù)装寰植康囟问軘嗔延绊戄^大，井下開采巷道局部地段可能存在一定的安全隱患，故礦區(qū)工程地質條件復雜程度屬復雜類型。

4.3環(huán)境地質條件

地殼穩(wěn)定性評價：鄂西南山區(qū)自第三紀喜山期以來，地殼運動主要表現(xiàn)為間歇性、不均勻抬升為主，地震地質背景總體顯示為弱震、微震頻繁，震源深度淺的特征。本區(qū)一帶地震活動水平不高。

地面與斜坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀評價：工作區(qū)內地形坡度多在10°～25°之間，其地形坡度較平緩，在緩坡及凹地發(fā)育第四系沉積蓋層，厚度均小于1m，蓋層均為殘、坡及沖積成因的砂質粘土及碎塊石土，其土體結構松散，抗剪強度低，按其發(fā)育位置地形地貌條件，第四系蓋層處于較穩(wěn)定～穩(wěn)定級，不屬滑坡易發(fā)地貌。工作區(qū)山體相對高差較小，由于構成山體巖石力學性能較好，山體自然穩(wěn)定性較好，根據(jù)初步調查，區(qū)內尚未發(fā)生崩塌、滑坡、泥（水）石流等地質災害，地表及斜坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

露天采坑地質環(huán)境現(xiàn)狀評價：采坑頂、底板地層含水性弱、透水性強，無滲水、涌水現(xiàn)象，發(fā)生重大突水事件的可能性較小。但在暴雨季節(jié)，大氣降水易迅速向采坑匯聚，形成大量積水，影響礦山生產和人員安全。采坑邊幫坡度較大，危巖體較多，穩(wěn)定性較差，存在落石撒落和墜落的安全隱患。因此礦山采礦過程中應注意加強四周疏水溝排水系統(tǒng)的建設和邊幫穩(wěn)定性監(jiān)測和治理工作。

地溫：井下未發(fā)現(xiàn)地溫異常現(xiàn)象，屬地溫正常區(qū)。轉為井下開采后，礦井開采深度不大，節(jié)理裂隙發(fā)育，地形切割劇烈，有利于地下水的排泄而降溫。但地溫隨著開采深度增加會增高，在今后的開采過程中，必須加強地溫的監(jiān)測，采取有效措施防止地溫的增高，避免熱害的發(fā)生。

采空區(qū)塌陷對地面變形影響：采空區(qū)將會破壞地應力的平衡，上部巖層隨之產生彎曲、塌落。采空高度越大，則張裂變形影響高度越大，致使地表下沉變形，將對地面工礦設施安全產生危險。同時采礦爆破震動對地面建筑物結構安全有一定的影響，可引起地面建筑物開裂變形。特別對近地表附近開采時，這種影響明顯。危及礦山附近居民住宅的安全。危及上部礦山井下開采區(qū)的安全。

礦渣堆土石方量增加：隨著采礦活動的進行，礦渣堆的土石量將隨之增加，其穩(wěn)定性隨之降低，可能會為泥石流提供豐富的物質來源，增加潛在泥石流的危害強度。故礦山應根據(jù)出渣量，及時做好相應的防范工作，譬如修建尾礦壩、擋土墻、建立礦渣堆監(jiān)管監(jiān)測機制等，必要時要對可能受到危害的房屋、人、牲畜等及時搬遷、撤離。

環(huán)境地質類型的確定：礦區(qū)屬低山區(qū)，山體坡度一般小于25°，地表多為基巖裸露，植被發(fā)育；區(qū)內巖土體現(xiàn)狀穩(wěn)定性較好，未發(fā)現(xiàn)有滑坡崩塌、泥石流、塌陷地質災害；礦層的頂、底板及礦體巖（礦）石力學性質均較好，巖體總體中等完整，穩(wěn)固性較好；礦區(qū)為地震烈度Ⅵ級地區(qū)，為不易誘發(fā)地震區(qū)。礦山環(huán)境地質條件復雜程度屬中等類型。

5.結論

（1）方解石礦化主要呈脈狀、透鏡狀產于上寒武統(tǒng)三游洞組白云巖斷層破碎帶中，成因類型屬熱液充填型。

（2）礦區(qū)水文地質條件復雜程度屬簡單類型、工程地質條件復雜程度屬復雜類型、環(huán)境地質條件復雜程度屬中等類型，綜合開采技術條件復雜程度是以工程地質問題和環(huán)境地質問題為主的礦床。

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