贊比亞巴魯巴銅礦地質(zhì)特征及對采礦工程的約束

周應(yīng)華，董凱程

（1.中色盧安夏銅業(yè)有限公司，盧安夏90456；2.中國有色礦業(yè)集團(tuán)有限公司，北京100029；3.北京礦冶研究總院，北京100160）

中國有色礦業(yè)集團(tuán)有限公司在美國次貸危機(jī)爆發(fā)后的2009年通過參與國際競標(biāo)的手段收購了處于停產(chǎn)的贊比亞盧安夏銅業(yè)公司，并注冊成立了中色盧安銅業(yè)有限公司。巴魯巴銅礦是接管的礦山資產(chǎn)之一，其位于中非銅（鈷）成礦帶贊比亞境內(nèi)銅帶省盧安夏市羅恩－穆利亞希盆地北緣。礦山于1973年開始投產(chǎn)，是一座已有40余年開采歷史的老井采礦山，并已累計(jì)產(chǎn)出礦石含銅量100萬t以上。筆者根據(jù)已有成礦帶研究成果以及巴魯巴銅礦的長期勘查、開發(fā)情況，論述巴魯巴銅礦礦床地質(zhì)、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特征以及對采礦工程的內(nèi)在約束。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 區(qū)域地層

銅礦帶區(qū)域地層具有明顯的二元結(jié)構(gòu)特征，即地層由基底雜巖和上覆沉積蓋層組成?；纂s巖主要包括強(qiáng)烈褶皺的盧弗布（Lufubu）黑云母石英片巖、穆瓦純（Muva）石英巖和云母片巖，且其中有堿性花崗巖、偉晶巖和石英脈侵入到盧弗布片巖中；上覆沉積蓋層主要由加丹加系和第三系、第四系河湖相沉積物構(gòu)成。加丹加系自下而上可分為礦山（Mine）統(tǒng)和昆德隆古（Kundelungu）統(tǒng)。銅鈷礦化與礦山統(tǒng)下羅恩（Roan）群地層關(guān)系最為密切，羅恩－穆利亞希盆地已發(fā)現(xiàn)的包含巴魯巴銅礦在內(nèi)的8個礦床均賦存在下羅恩群碳質(zhì)泥質(zhì)巖中，礦體明顯受層位控制。贊比亞類型銅礦床不同于民主剛果沙壩型銅礦床，含礦層一般分布多個層位，各礦層位之間存在低品位銅礦化，銅礦體累計(jì)厚度5～50m右，全銅平均品位2%～4%；而民主剛果境內(nèi)沙壩型銅礦床一般主要由上部和下部兩個銅（鈷）礦層組成，累計(jì)厚度15～55m左右。

1.2 區(qū)域構(gòu)造

巴魯巴銅礦位于中非由伸展褶皺、逆沖、推覆、疊置作用過程形成的大型盧弗里安（Lufilian）弧形構(gòu)造帶東南段，卡弗（Kafue）背斜西南側(cè)的羅恩－穆利亞希盆地。羅恩－穆利亞希褶皺盆地是一結(jié)構(gòu)簡單封閉的沉積盆地，由復(fù)式向斜構(gòu)造構(gòu)成。盆地內(nèi)至少發(fā)育了三期明顯的構(gòu)造活動。最早一期構(gòu)造運(yùn)動伴隨堿性花崗巖、偉晶巖等侵入到基底盧弗布片巖中；第二期構(gòu)造動表現(xiàn)為穆瓦石英板片巖被大范圍錯斷，并廣泛發(fā)育剪性張裂隙；第三期盧弗里安構(gòu)造運(yùn)動影響了區(qū)內(nèi)加丹加系所有巖石地層單元，并對成礦產(chǎn)生了重要影響［1－3］。貫穿加丹加系的大型斷裂構(gòu)造并不發(fā)育，該沉積層內(nèi)主要發(fā)育一些小尺度的同沉積斷層。

2 礦床地質(zhì)

2.1 地層

礦區(qū)揭露的地層可分為基底雜巖和上覆晚元古代加丹加系沉積蓋層。基底雜巖包括盧弗布系片巖、石英巖和穆瓦系云母片巖、石英巖；其中盧弗布巖層中有片麻狀花崗巖侵入到其中。加丹加系沉積蓋層呈角度不整合于基底雜巖之上，而其中羅恩群與銅成礦作用關(guān)系最為密切，因此，羅恩群也被研究得也最為詳細(xì)。羅恩群自老到新被劃分為下羅恩群和上羅恩群，分述如下。

下羅恩群包括RL7、RL6、RL5、RL4和RL3共五個組。RL7厚度變化較大，由底礫巖、風(fēng)蝕石英砂巖、泥質(zhì)石英巖、底盤變礫巖、過渡片巖組成。底礫巖厚度穩(wěn)定，礦區(qū)范圍內(nèi)廣泛分布，揭露厚度一般為30m。風(fēng)蝕石英砂巖中有保存完整的大型交錯層理，比較穩(wěn)固，節(jié)理發(fā)育且含少量水。?？梢姷奖〉淖冑|(zhì)礫巖層，在接近基底礫巖附近尤為發(fā)育。泥質(zhì)石英巖位于風(fēng)成砂巖石英巖之上，主要由石英、細(xì)粒長石、黑云母和粘土礦物組成。底盤變礫巖由較大的次圓狀風(fēng)成卵石、泥質(zhì)石英巖、石英脈組成，偶爾可見花崗巖卵石，基質(zhì)通常為長英質(zhì)、碳質(zhì)，有時可見到過渡云母片巖、過渡片巖，其分布呈現(xiàn)由礦區(qū)東部往西從厚變薄至逐漸尖滅的漸變特征。變礫巖的頂部有時會有礦化，而其上部過渡帶片巖基本上都含礦。RL6厚度30～65m，平均厚度約40m，由底部白云質(zhì)片巖和上部泥質(zhì)巖組成，該組地層是巴魯巴銅礦的含礦層位。RL5厚度40～100m，由互層泥質(zhì)巖組成，含石英砂礫巖。RL4為由綠色頁巖和含燧石互層白云巖組成，是本區(qū)的主含水層。RL3厚度120～150m，由長石石英砂巖組成，發(fā)育大型交錯層理，且該層含有較為穩(wěn)定的赤鐵礦層。

上羅恩群分為RU2、RU1兩個組，RU1由泥質(zhì)巖和白云巖組成；RU2由泥質(zhì)砂巖和砂質(zhì)泥質(zhì)巖組成，發(fā)育交錯層理。

2.2 構(gòu)造

巴魯巴銅礦位于羅恩－穆利亞希盆地北緣，整體上受復(fù)式向斜褶皺構(gòu)造的控制，褶皺軸北西—南東走向，并向北西方向側(cè)伏，側(cè)伏角約12°。褶皺構(gòu)造是主要的控礦構(gòu)造。區(qū)內(nèi)大規(guī)模斷層作用不發(fā)育，然而小規(guī)模與巖層層理產(chǎn)狀近一致的層間正斷層以及節(jié)理、劈理和一些次生裂隙較為發(fā)育，但空間展布上一般延伸較短，它們的發(fā)育可能與伸展褶皺作用有關(guān)。這些正斷層主要發(fā)育在礦體底盤與泥質(zhì)石英巖之間。另外，在羅恩－穆利亞希盆地和巴魯巴礦區(qū)內(nèi)可以觀察到由于巖石能干性強(qiáng)烈差異和巖層間擠壓剪切作用形成的石香腸構(gòu)造，盆地南緣發(fā)育的莢狀褶皺構(gòu)造，強(qiáng)烈褶皺擠壓形成的正扇形軸面劈理構(gòu)造以及褶皺作用引起的牽引構(gòu)造等構(gòu)造形跡。

3 礦體地質(zhì)特征

3.1 礦體賦存展布特征

巴魯巴銅礦走向延伸3.5km，最大傾向延伸/寬度1.5km，平均厚度8m，平均含銅品位2.5%，并與東部巴魯巴東礦體之間有1公里的貧礦帶。目前剩余礦體平均厚度4～5m，平均含銅品位2%。

巴魯巴礦體是羅恩－穆利亞希盆地已發(fā)現(xiàn)的唯一鈷含量較高的礦體，且礦體受強(qiáng)烈褶皺構(gòu)造作用的影響，礦體由復(fù)式向斜構(gòu)造組成，形態(tài)復(fù)雜，走向近東西向，整體向北西側(cè)伏，且復(fù)式向斜由東往西漸次開闊。從礦體產(chǎn)狀和形態(tài)上可將巴魯巴銅礦劃分為北翼陡傾角區(qū)和中部、南翼緩傾角區(qū)。北陡傾角區(qū)礦體傾向南西210°，傾角45～90°；中部和南翼緩傾角區(qū)構(gòu)成次級背斜，次級背斜軸向南東—北西向，并使向斜一翼抬升200余米。另外，接管時北翼陡傾角區(qū)礦體基本采罄，目前采礦活動主要集中在緩傾角的中部和南部地區(qū)，而該區(qū)域地層產(chǎn)狀不穩(wěn)定，呈波狀變化［4－5］。

礦體層位主要分布于RL7頂部及RL6底部透閃石白云質(zhì)片巖中，并呈現(xiàn)出以下垂向礦物組合分帶特征。從礦體底盤至頂盤可分為：輝銅礦－赤銅礦－硫銅鈷礦混合薄礦帶，厚度一般小于兩米，局部偶見自然銅，特別是在巴魯巴礦體的西區(qū)。該礦帶全銅品位一般可達(dá)3%，鈷品位0.2%；黃銅礦－硫銅鈷礦帶厚度一般小于4m，全銅品位一般為1.5%，鈷品位0.08%～0.01%；黃銅礦－黃鐵礦帶，厚度為3～15m，該層巖性主要上白云質(zhì)片巖和泥質(zhì)巖，向上過渡到上盤含浸染狀黃鐵礦的泥質(zhì)巖中，且黃鐵礦中含有鈷。礦體與上下盤圍巖界線呈漸變過渡關(guān)系，靠取樣分析劃定。從礦區(qū)東部至西部也表現(xiàn)出由輝銅礦－斑銅礦－黃銅礦－黃鐵礦的側(cè)向分帶特征［6］。

3.2 礦石組成、組構(gòu)及分帶特征

巴魯巴銅礦礦體巖石主要由含透閃石云母白云質(zhì)片巖、風(fēng)蝕砂巖、石英巖、泥質(zhì)巖等構(gòu)成。礦石礦物主要為黃銅礦、斑銅礦、輝銅礦、黃鐵礦、硫銅鈷礦、磁黃鐵礦、自然銅、孔雀石、假孔雀石、硅孔雀石和赤銅礦等組成，脈石礦物主要由石英、長石、碳酸鹽礦物、云母、滑石、透閃石、陽起石、方柱石、鐵的氧化物和其它的一些副礦物組成。

礦石結(jié)構(gòu)有它形、半自形、自形粒狀結(jié)構(gòu)，包含結(jié)構(gòu)、脈狀結(jié)構(gòu)、固溶體分離結(jié)構(gòu)、反應(yīng)邊結(jié)構(gòu)、格子結(jié)構(gòu)、充填結(jié)構(gòu)和鑲邊結(jié)構(gòu)。硫銅鈷礦與黃銅礦、斑銅礦、輝銅礦鑲嵌關(guān)系較為復(fù)雜。石構(gòu)造類型復(fù)雜，有塊狀構(gòu)造、密集浸染狀構(gòu)造，網(wǎng)脈狀、細(xì)脈狀構(gòu)造等，具體見圖1。

圖1 巴魯巴銅礦礦石結(jié)構(gòu)特征

利用分析全銅含量和氧化銅含量計(jì)算的礦石氧化率可將礦體分為氧化礦體和硫化礦體。氧化礦體從東至西分布范圍可達(dá)3km，主要集中分布于巴魯巴礦北翼陡傾角區(qū)，整體氧化深度可至地表以下110m，礦體厚度10m左右，局部氧化深底可以很深，如東采區(qū)540m分段水平就發(fā)現(xiàn)大量的赤銅礦、藍(lán)銅礦和硅孔雀石，這可能是由于地下水的氧化作用所致。

4 工程和水文地質(zhì)特征

巴魯巴銅礦工程巖石力學(xué)地質(zhì)特征方面表現(xiàn)為礦體頂板的含礦泥質(zhì)巖的抗壓強(qiáng)度一般都大于100MPa（表1），抗壓和穩(wěn)定性較差的為礦體含礦過渡帶片巖以及礦體底板變礫巖，而過渡帶片巖為賦礦層位之一。另外，含礦巖石及其近礦圍巖由于遭受淺變質(zhì)作用和強(qiáng)烈的構(gòu)造變形，巖石較破碎。巖體構(gòu)造面弱面主要是變余沉積層理，其次是片理和節(jié)理，巖石中除了沉積層理面外，還形成了許多變質(zhì)結(jié)構(gòu)面和構(gòu)造結(jié)構(gòu)面。層理面一般較平整，容易引起較大范圍的巖石滑動；變質(zhì)作用形成的片理短小、分布極密，加之片巖軟弱夾層較多，對工程具有較大的影響（圖2）；構(gòu)造結(jié)構(gòu)面較少，主要為一些規(guī)模小的正斷層，對工程具有一定的影響?？偟膩碇v，礦體下盤和近礦圍巖巖石工程力學(xué)地質(zhì)特征表現(xiàn)為松、軟、弱和破碎等特征，穩(wěn)定性差，對采礦工程布置產(chǎn)生重要影響［7－8］。

圖2 粉紅色含鐵泥質(zhì)層間滑動面

巴魯巴銅礦的主含水層為RL4組的遂石白云巖，位于礦體上盤，該含水層屬于溶隙含水，水量豐富。受褶皺構(gòu)造的影響，該含水層至礦體頂板的距離120～300m不等，水文地質(zhì)條件復(fù)雜。開展采礦前，需進(jìn)行疏干排水活動。

表1 巴魯巴礦巖石抗壓強(qiáng)度

5 地質(zhì)狀況對采礦的內(nèi)在約束

根據(jù)對巴魯巴礦地質(zhì)特征的論述，可以得出巴魯巴礦產(chǎn)出地質(zhì)情況異常復(fù)雜，對采礦的約束也必將是多層次的。

礦床地質(zhì)方面，由于北翼傾角大于45°的陡傾角厚大礦體基本采罄，目前采礦活動主要集中在薄且緩的中部和南翼礦體，而后者由于受次級背斜褶皺構(gòu)造的影響，礦體產(chǎn)狀局部常呈波狀變化，勘查礦體難度也大，且影響采礦工程采準(zhǔn)巷道的有效布置且緩傾角。其次，由褶皺擠壓向剪切拉伸構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換過程中，礦體變薄，部分變?yōu)榉墙?jīng)濟(jì)礦體，制約礦石資源的回收和采礦效率。另外，褶皺過程中的擠壓、剪切和拉伸等構(gòu)造作用同時也影響巖石的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，特別是底盤運(yùn)輸巷道設(shè)計(jì)要適當(dāng)遠(yuǎn)離礦體底盤與泥質(zhì)石英巖的結(jié)構(gòu)裂面。

工程地質(zhì)方面，巴魯巴銅礦礦體下部過渡帶片巖和底盤變礫巖抗壓強(qiáng)度為55～85MPa，為最薄弱的層位，特別是過渡帶片巖。實(shí)際也證明巷道布置在礦體過渡帶片巖成型困難，容易坍塌，而不得不設(shè)計(jì)離礦體2m以上距離。同時，由于礦體及近礦圍巖工程巖石力學(xué)性質(zhì)差，導(dǎo)致單個采場規(guī)模結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)小，采場間柱、頂柱相對偏多，礦石損失率增加。

水文地質(zhì)方面，巴魯巴礦主含水層分布于礦體上盤，采礦活動開展前必需詳細(xì)了解水文地質(zhì)情況和進(jìn)行疏干排水作業(yè)，確保礦山生產(chǎn)安全。

6 結(jié)論

1）巴魯巴銅礦地質(zhì)情況復(fù)雜，深化礦床成因和成礦規(guī)律認(rèn)識，有針對性地對重點(diǎn)區(qū)域加強(qiáng)礦產(chǎn)勘查工作，摸清礦體產(chǎn)出情況，對巴魯巴這樣的礦山顯得尤為重要和突出。

2）平時工作就需著重總結(jié)緩傾角區(qū)礦體產(chǎn)狀變化規(guī)律，加強(qiáng)探礦勘查工作；查明礦區(qū)構(gòu)造結(jié)構(gòu)面等弱面的空間分布位置和規(guī)模，為采礦設(shè)計(jì)實(shí)時提供建設(shè)性意見。

3）查清局部氧化帶的規(guī)模和范圍，為采出配礦提供合理化建議，以降低對選礦回收率的影響。

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