金山店鐵礦東區(qū)膨脹巖形成機理及預測

梅群力 ，陳清運，黃 杰，彭靜波 ，陳星亮

1．中國黃金集團新疆金灘礦業(yè)有限公司，新疆 鄯善 838200；2．武漢工程大學資源與土木工程學院，湖北 武漢 430074；3．武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430074

0 引 言

金山店鐵礦東區(qū)自－270m水平放頂以來，由膨脹巖引起了一系列工程地質災害.如，－340m中段電梯因縮井而提前報廢，－298m、－312m分段聯(lián)絡道與進路一掘即冒，成巷率極低；－410m中段礦石溜井幾乎全部垮塌，運輸大巷多處出現(xiàn)大面積冒頂.根據塌陷地段及已揭露工程的地質調查分析，東區(qū)膨脹巖體地段，工程地質特征表現(xiàn)在：膨脹巖體分布范圍廣，斷層和破碎帶穿過的地段，一般形成極強膨脹性巖體；在節(jié)理分布稀疏基本完整膨脹巖體中開掘工程，易于出現(xiàn)誤判，使得支護不及時或強度不夠，隨著時間推移，往往導致圍巖出現(xiàn)大面積垮落.

曲永新等按成因將膨脹巖分為：泥質類膨脹巖，斷層泥類膨脹巖，含硬石膏、無水芒硝類膨脹巖，蒙脫石化侵入巖類膨脹巖和蒙脫石化凝灰?guī)r類膨脹巖［1－2］.在膨脹巖類鑒定上，主要有礦物學法、巖石化學法、物理學法，用得比較多的是前兩種.曲永新按不規(guī)則巖塊干燥飽和吸水率來判別巖石的膨脹性［3］，朱訓國以膨脹巖中親水礦物含量，并輔以巖塊干燥飽和吸水率、極限膨脹量、極限膨脹力指標進行巖石膨脹性分類［4］.

只有弄清東區(qū)膨脹巖形成機理，才能正確預測膨脹巖分布范圍，為開拓、采準工程布置位置的選擇，及井巷工程支護方式確定提供依據.本文采用X射線衍射法檢測膨脹巖中膨脹礦物的種類及含量，使用電鏡掃描法進行膨脹巖的巖相鑒定，利用能譜法檢測膨脹巖中元素的含量，以此確定膨脹巖的原巖.在此基礎上，根據工程地質，膨脹巖形成的物質基礎和動力條件推斷膨脹巖形成機理、發(fā)育規(guī)律，并預測膨脹巖體分布范圍.

1 工程背景

東區(qū)控礦層位有三迭系中統(tǒng)灰?guī)r組（T2）和三迭系下統(tǒng)大冶群的第五巖性段至第七巖性段（T1dy5－7），主要由白云質灰?guī)r和白云巖組成，鎂元素含量較高，w（MgO）＝8．7%～8．76%，且地下水中 Mg2＋的含量也比較高.東區(qū)巖漿巖的原始巖漿屬過渡型的堿鈣性Ⅰ型花崗巖漿，它是燕山早期第二段第二次和燕山晚期第二次上侵活動形成的中淺成侵入雜巖體.圍巖蝕變較強烈，各蝕變帶蝕變強度以控礦斷裂、構造破裂帶兩側強度最大，而且蝕變強度與礦體規(guī)模有著一定的依賴關系.

東區(qū)圍巖構造復雜，二級斷裂較多.東區(qū)下盤圍巖構造形跡主要表現(xiàn)為走向近東西的斷裂帶，可見四條相互平行排列的主干斷層F1～F4，對礦體下盤圍巖破壞嚴重.層間滑動破碎帶位于東區(qū)T2－3pq與 T2＋T1dy7地層分界線附近，在該兩組地層間因巖性差異較大故發(fā)生滑動.破碎帶產狀與地層產狀一致，沿破碎帶磁鐵礦化、矽卡巖化及蛇紋石化強烈，或被磁鐵礦體、矽卡巖體所占據，兩側巖體碎裂厲害.成礦后擠壓破碎帶位于東區(qū)南側100m范圍內，發(fā)育有2～3條東西走向的擠壓破碎帶.破碎帶寬約 7～15m，走向長 400～600m，傾向南， 傾角60°～75°.該破碎帶的特點是位移不大，巖石中節(jié)理裂隙縱橫交錯，特別是碳酸鹽網脈每厘米可達 3～8 條，夾有糜棱巖 0．3～1m.

礦體下盤巖漿巖本身并不含水，但是遇上規(guī)模較大、延伸較遠的構造斷裂而又溝通了含水帶時，則可以產生突水.2006年8月24日，－410m水平175#W130處巷道頂板出現(xiàn)涌水，涌水量25 m3/h，時間為46d.2007年3月20日，－410m水平180#S176m工作面突發(fā)涌水，涌水量高達170m3/h.東區(qū)下盤巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，這些節(jié)理與斷層存在水力聯(lián)系，構成一個充水網絡.根據鉆孔不同深度取水樣進行分析，地下水化學類型及礦化度見表1.

由表1可知，相對于西區(qū)的CK238孔水文監(jiān)測資料，可以看出，東區(qū)地下水中Mg2＋含量比西區(qū)高一倍左右.

表1 地下水質分析Table 1 Quality analysis of the ground water

2 膨脹礦物與膨脹巖的原巖

2．1 膨脹礦物檢測

在膨脹巖巷道工作面進行采樣，分別選取完整巖樣5塊，編號1－5，明顯膨脹巖樣2塊，編號6－7.采用X射線衍射法，檢測膨脹巖中膨脹礦物的種類及含量.部分巖樣檢測頻譜見圖1.

依據巖樣X射線衍射檢測結果，膨脹巖中礦物組分及含量見表2.

圖1 4#巖樣X射線衍射檢測圖譜Fig．1 X ray diffraction pattern of the 4#sample

表2 膨脹巖礦物組分及含量Table 2 Mineral composition and contentof the expansive rock w/%

由表2可見，巖樣中膨脹礦物主要有蒙脫石、伊利石和高嶺石，三者之和在15%～40%之間，以蒙脫石為主.其中6#巖樣是強膨脹巖，膨脹礦物全為蒙脫石.蒙脫石屬強膨脹礦物，伊利石次之，高嶺石再次.根據曲永新提出的分類標準［5］，蒙脫石含量大于7%即為膨脹巖，因此上述巖樣全為膨脹巖.

2．2 膨脹巖巖相鑒定

采用電鏡掃描法，分別就3#、5#和7#巖樣進行了巖相鑒定，其中7#巖樣蒙脫石化嚴重，部分結果見圖2～圖3．

圖2 3#巖樣切片掃描結果Fig．2 Slice scanning resultof the 3#rock sample

圖3 7#巖樣切片掃描結果Fig．3 Slice scanning resultof the 7#rock sample

鑒定結果為，巖樣呈斑狀結構，斑晶為斜長石（10%～15%），黑云母（10%），石英（5%）；基質為斜長石（50%～70%），鉀長石（2%～10%），石英（3%～10%）.綜合各方面特征，膨脹巖原巖為石英閃長巖.

2．3 膨脹巖化學法檢測

2．3．1 膨脹巖化學元素及含量 采用電子能譜儀（EDS）檢測巖樣中的化學元素及其含量，儀器型號ISM－5510LV.部分檢測能譜見圖4～圖5.檢測結果及分析見表3.依表3，進行巖樣元素含量比對，見圖6.

圖4 3#巖樣檢測能譜圖Fig．4 Energy spectrum of the 3#rock sample

圖5 7#巖樣檢測能譜圖Fig．5 Energy spectrum of the 7#rock sample

由圖6可見，3種巖樣所含元素含量走勢基本一致，僅Si、Ca、Al等元素的含量差別較大.由于7#巖樣比3#和5#巖樣的蝕變強烈，表現(xiàn)出氧化鋁的含量降低，而氧化鎂含量增高的明顯趨勢，符合火成巖同晶置換時元素的變化規(guī)律性［6］.

表3 巖樣化學元素分析Table 3 Chemical elementanalysis results of the rock samples w/%

圖 6 3#、5#、7# 巖樣元素對比Fig．6 Elements comparison of the 3#，5#and 7#rock sample s

2．3．2 膨脹巖原巖的確定 膨脹巖主要元素分析，一般以元素的氧化物質量分數的形式表達.依據表3檢測結果與東區(qū)地質勘探報告上出現(xiàn)的三大類巖石進行氧化物比對，通過誤差分析最后確定膨脹巖的原巖.由于7#巖樣蒙脫石化嚴重，使用3#和5#巖樣元素含量均值與各種巖石進行比對.參與比對的巖類有角巖、砂巖、頁巖、矽卡巖、火成巖等類別.部分巖類與巖樣比對見圖7～圖9.

圖7 巖樣與砂巖元素比對Fig．7 Elements comparison of the rock sample and sand rock

圖8 巖樣與矽卡巖元素比對Fig．8 Elements comparison of the rock sample and skarn

圖9 巖樣與火成巖元素比對Fig．9 Elementscomparison of the rock sampleand igneous rock

由圖7～圖9可見，從變化趨勢上來看，巖樣與變質巖中的英長角巖、變余砂巖和泥質角巖比較吻合；巖樣與矽卡巖比對的結果比較分散，基本上可以排除膨脹巖的原巖是矽卡巖的可能性；巖樣與火成巖變化趨勢一致.為了進一步弄清膨脹巖的原巖，將上述初選巖石與巖樣進一步進行比對.

將初選巖石、全部火成巖與巖樣進行比對，根據誤差大小，確定膨脹巖的原巖，結果見表4.

表4 火成巖、變質巖礦物含量與巖樣比對結果Table 4 Mineral content comparison of the samples,igneous rock andmetamorphic rock

為了避免因元素含量不同而影響方差的大小，將原巖和巖樣中各元素氧化物的含量進行歸一化處理，通過比對原巖與巖樣的含量，計算其方差，以方差的大小確定其偏離程度.同時，考慮原巖在低溫熱液蝕變過程中表現(xiàn)出“失Al3＋增Mg2＋”的規(guī)律，及巖相分析的結果，進行綜合分析，最后確定膨脹巖的原巖.由表4可見，巖樣礦物檢驗結果表明，膨脹巖與東區(qū)出現(xiàn)的石英二長巖最接近，但巖相研究表明，巖樣中鉀長石與斜長石的含量差別較大，故可以排除石英二長巖的可能性.花崗閃長巖中的Si含量比巖樣中Si含量高，可能性不大.巖樣與石英閃長巖接近，符合“失 Al3＋增 Mg2＋”的規(guī)律.

綜上所述，經比對，變質巖中最有可能成為膨脹巖體原巖的是泥質角巖，但均方差大于石英閃長巖比對的結果，由此可見，該膨脹巖體的原巖為石英閃長巖.

3 膨脹巖形成機理

3．1 膨脹巖體的低溫熱液蝕變形成機理

東區(qū)礦體下盤圍巖分別為二長花崗巖、石英閃長巖、大理巖和角巖，控礦地層和地下水中Mg2+的含量比較高，在巖漿后期低溫熱液變質作用下，石英閃長巖（斑狀石英閃長巖）發(fā)生火成巖蒙脫石化蝕變，形成厚度達80～100m的蝕變帶，離礦體越近蝕變越劇烈.蒙脫石化的斑狀石英閃長巖屬于中膨脹性至弱膨脹性巖石，如果膨脹巖中節(jié)理裂隙充填膨脹剝蝕物厚度大于5mm，則變?yōu)閺娕蛎浶詭r石.

3．2 強膨脹巖體的地質構造形成機理

東區(qū)下盤圍巖構造復雜，二級斷裂較多.下盤圍巖中存在四條走向近東西的主干斷裂帶F1～F4，成礦后期發(fā)育有2～3條與F3或F4相平行排列的擠壓破碎帶，破碎帶寬約7～15m，走向長400～600m，傾向南，傾角60°～75°.這些結構面穿過東區(qū)下盤已蒙脫石化的石英閃長巖體，并與外界構成水力聯(lián)系.發(fā)生碳酸鹽化、綠泥石化、赤鐵礦化和片理化，形成斷層泥、破碎帶、層間滑動帶、礦巖接觸帶類膨脹巖類型.破碎帶、斷裂帶、礦巖接觸帶、及充填于節(jié)理裂隙中的膨脹剝蝕礦物屬于劇膨脹巖.

3．3 近礦膨脹巖的接觸熱力變質形成機理

近礦圍巖，由于有鐵質元素參加，主要發(fā)生接觸熱力變質作用、接觸交代變質作用，形成綠泥石化膨脹巖，厚度在5m左右.近礦圍巖蝕變較強烈，各蝕變帶蝕變強度以在控礦斷裂、構造破裂帶兩側強度最大，而且蝕變強度與礦體規(guī)模存在一定的依賴關系.沿礦巖接觸帶磁鐵礦化、矽卡巖化及蛇紋石化強烈，或被磁鐵礦體、矽卡巖體所占據.

4 膨脹巖體發(fā)育規(guī)律及預測

經工程地質調查分析，膨脹巖體發(fā)育表現(xiàn)出一定的規(guī)律性：

a．大理巖層被石英閃長巖侵占缺失，該處石英閃長巖易于蝕變?yōu)榕蛎泿r.地質報告表明，大理巖層位比較穩(wěn)定，除了被F3斷層錯斷，其他部位都是比較完整的.該層平均厚度40～70m，最寬90m.因此，膨脹巖范圍可以藉此尺寸進行圈定.

b．膨脹巖分布的條帶性.現(xiàn)場調查結果表明，近礦膨脹巖蒙脫石化強烈，屬劇膨脹巖，厚度在5m左右，遠離礦體的膨脹巖蒙脫石化逐漸減弱，表現(xiàn)出較強的條帶性；近東西向切割膨脹巖體的斷層、破碎帶，本身表現(xiàn)為粉狀膨脹巖，屬于劇膨脹巖.近斷層和破碎帶巖層為碎裂狀膨脹巖體，遠離之則為塊狀膨脹巖體.

c．膨脹巖的膨脹性與巖體的破裂程度有關.受地質構造運動的影響，蒙脫石化的巖體破裂程度不一致，節(jié)理裂隙發(fā)育地段，膨脹巖蒙脫石化強，表現(xiàn)出劇膨脹巖、強膨脹巖的性質，相反，巖體完整地段，膨脹巖膨脹特性表現(xiàn)弱.

5 結 語

經X射線衍射試驗、電鏡掃描巖相鑒定和電子能譜測試，膨脹礦物主要是蒙脫石，其次為伊利石和高嶺石，膨脹巖的原巖是石英閃長巖.

東區(qū)膨脹巖形成機理有：膨脹巖體的低溫熱液蝕變形成機理、強膨脹巖體的地質構造形成機理、近礦強膨脹巖的熱力接觸變質形成機理.

膨脹巖體發(fā)育表現(xiàn)出大理巖層被石英閃長巖侵占則極易形成膨脹巖，膨脹巖分布的條帶性，膨脹巖的膨脹性與巖體的破裂程度呈正比.

致 謝

感謝國家自然科學基金委員會的資助！

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