高海拔大型銅多金屬礦井下工程地質(zhì)調(diào)查與巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)

戈凱，王亞軍，李強(qiáng)

(1.西藏華泰龍礦業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司，西藏 拉薩 850200；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012；3.國(guó)家金屬采礦工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

0 引言

甲瑪銅多金屬礦二期地下開(kāi)采范圍內(nèi)二、三標(biāo)段普遍分布有破碎氧化帶。破碎氧化帶的Cu 品位較高，約1%左右，伴生有Au、Ag 及Mo 等金屬，但氧化率高，并且相對(duì)破碎。破碎氧化帶內(nèi)主要含有角巖、矽卡巖和大理巖。破碎氧化帶呈現(xiàn)品位富、氧化率高、節(jié)理裂隙發(fā)育、水文地質(zhì)簡(jiǎn)單等典型特征，對(duì)掘進(jìn)與采礦等作業(yè)均造成不良的工程影響，主要表現(xiàn)為礦柱壓裂、邊邦垮塌、頂板垮冒、采準(zhǔn)巷道開(kāi)裂及冒頂?shù)惹闆r。

針對(duì)甲瑪銅多金屬礦二期地下開(kāi)采破碎氧化帶的開(kāi)采技術(shù)條件，為了適應(yīng)新形勢(shì)下國(guó)家及各級(jí)政府相關(guān)政策的要求及礦山長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略需要，提高礦產(chǎn)資源的利用率，確保破碎氧化帶礦體的安全回采，亟需開(kāi)展甲瑪銅多金屬礦破碎氧化帶礦體采礦方法研究。研究適宜于破碎氧化帶區(qū)域礦體賦存情況的安全可靠的采礦方法，為礦山持續(xù)安全穩(wěn)定的發(fā)展提供了重要的技術(shù)支撐和保障。開(kāi)展工程地質(zhì)調(diào)查和巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)工作，對(duì)各巖組的穩(wěn)定性情況進(jìn)行定性和定量綜合評(píng)價(jià)及分級(jí)，修正破碎氧化帶區(qū)域內(nèi)各組巖體的物理力學(xué)參數(shù)，可為井下采礦方法方案研究提供可靠的參數(shù)依據(jù)。

1 工程地質(zhì)調(diào)查

本次調(diào)查的對(duì)象為甲瑪銅多金屬礦井下的3 種主要巖組：角巖（頂板），矽卡巖（礦體），（3）大理巖（底板）。

1.1 調(diào)查的區(qū)域與方法

本次結(jié)構(gòu)面現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查主要集中于礦區(qū)井下4320 m 水平1#聯(lián)道南、4320 m 水平2#聯(lián)道、4374水平m 1#聯(lián)道、4440 m 水平3-2-6 東采場(chǎng)1#出礦穿。使用羅盤、皮尺與數(shù)碼相機(jī)等工具觀測(cè)節(jié)理或斷層面產(chǎn)狀、裂隙寬度及充填物情況、結(jié)構(gòu)面形狀及粗糙度、結(jié)構(gòu)面延伸長(zhǎng)度、節(jié)理間距等情況。調(diào)查方位采取了詳測(cè)線相互垂直的形式[1?2]，以利于調(diào)查結(jié)果更具有代表性和全面性。本次調(diào)查測(cè)繪選擇各巖組發(fā)育的代表性區(qū)域進(jìn)行，調(diào)查到的結(jié)構(gòu)面數(shù)量見(jiàn)表1。

表1 結(jié)構(gòu)面調(diào)查統(tǒng)計(jì)

1.2 工程地質(zhì)調(diào)查內(nèi)容及分析

1.2.1 結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征

（1）角巖?；摇祷疑?，巖性致密堅(jiān)硬，為塊狀構(gòu)造，多穿插石英脈、硅化及綠泥石條帶。節(jié)理、裂隙一般為壓性，極少量為壓扭性，閉合，寬度一般小于1 mm，膠結(jié)較好，局部有滴水。結(jié)構(gòu)面以平直光滑為主，少量為平直粗糙。調(diào)查區(qū)域內(nèi)角巖結(jié)構(gòu)面絕大多數(shù)發(fā)育情況表現(xiàn)為V 級(jí)結(jié)構(gòu)面，發(fā)育兩條IV 級(jí)結(jié)構(gòu)面，裂隙寬度為10～20 cm；一條III 級(jí)結(jié)構(gòu)面，裂隙寬度為10～50 cm。

（2）矽卡巖。灰色—淺綠色，巖性致密堅(jiān)硬，為塊狀構(gòu)造，多穿插石英、方解石脈及硅化條帶。節(jié)理、裂隙以壓性為主，少量為壓扭性，閉合，寬度一般小于1 mm，膠結(jié)好，基本無(wú)水。結(jié)構(gòu)面以平直粗糙為主，少量為平直光滑和彎曲粗糙。調(diào)查區(qū)域內(nèi)矽卡巖結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況均表現(xiàn)為V 級(jí)結(jié)構(gòu)面，未見(jiàn)IV 級(jí)及以上結(jié)構(gòu)面。

（3）大理巖?；液凇野咨?，巖性致密堅(jiān)硬，為塊狀構(gòu)造，多穿插石英、方解石脈及硅化條帶。節(jié)理、裂隙一般為壓扭性，極少量為壓性，閉合，寬度一般小于1 mm，膠結(jié)好，局部淋水。結(jié)構(gòu)面以彎曲粗糙為主，少量為平直粗糙。調(diào)查區(qū)域內(nèi)大理巖結(jié)構(gòu)面絕大多數(shù)發(fā)育情況表現(xiàn)為V 級(jí)結(jié)構(gòu)面，僅發(fā)育一條III 級(jí)結(jié)構(gòu)面。

1.2.2 結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)分析

（1）角巖。由dips 統(tǒng)計(jì)分析可知，角巖有4組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，具體分析結(jié)果如圖1 所示。第1 組：23°∠77°，一般為陡傾角，占89.18%。第2 組：91°∠77°，全部為陡傾角。第3 組：225°∠46°，陡傾角為主，占73.8%。第4 組：286°∠70°，全部為陡傾角。

圖1 角巖結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

（2）矽卡巖。由dips 統(tǒng)計(jì)分析可知，矽卡巖有3 組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，具體分析結(jié)果如圖2 所示。第1 組：32°∠83°，一般為陡傾角，占83.46%。第2組：305°∠86°，一般為陡傾角，占71.46%。第3組：82°∠85°，全部為陡傾角。

圖2 矽卡巖結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

（3）大理巖。由dips 統(tǒng)計(jì)分析可知，大理巖有3 組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，具體分析結(jié)果如圖3 所示。第1 組：193°∠87°，一般為陡傾角，占93.44%。第2組：260°∠84°，陡傾角為主，占73.58%。第3 組：303°∠86°，一般為陡傾角，占91.65%。

圖3 大理巖結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

由節(jié)理面間距測(cè)量的結(jié)果，采用下式確定巖石質(zhì)量指標(biāo)：

式中，λ表示節(jié)理面的密度，與節(jié)理間距相關(guān)；t為閾值，常值t=0.1 m。

根據(jù)結(jié)構(gòu)面的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，3 種巖組結(jié)構(gòu)面平均間距見(jiàn)表2。

表2 結(jié)構(gòu)面平均間距對(duì)比

按照ISRM 節(jié)理間距的分類方法，甲瑪銅多金屬礦破碎氧化帶區(qū)域角巖和矽卡巖的節(jié)理平均間距均在6～20 cm 之間，其節(jié)理發(fā)育的密集程度可歸納為密集；大理巖的節(jié)理平均間距均在20～60 cm 之間，其節(jié)理發(fā)育的密集程度可歸納為中等。

2 巖體質(zhì)量評(píng)級(jí)

巖體質(zhì)量的優(yōu)劣對(duì)巖體工程的整體穩(wěn)定性有直接影響，熟悉巖體結(jié)構(gòu)特征，對(duì)巖體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，有助于更好的開(kāi)展工程設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)施工。常用的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)方法有：巖土規(guī)范法、節(jié)理巖體的CSIR 分級(jí)法和Q 系統(tǒng)分級(jí)法[3?5]。

2.1 巖土規(guī)范法

根據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》（第五版）按照巖石堅(jiān)硬程度（表3）、巖體完整程度（表4），確定巖體基本質(zhì)量等級(jí)分類。

表3 巖石堅(jiān)硬程度分類

表4 巖體完整程度分類

結(jié)合巖體的堅(jiān)硬程度及完整性情況，將巖體基本質(zhì)量等級(jí)按表5 形式進(jìn)行分類。

對(duì)照表3～表5 所給出的巖體基本質(zhì)量等級(jí)分類，對(duì)甲瑪銅多金屬礦破碎氧化帶區(qū)域內(nèi)角巖、矽卡巖和大理巖進(jìn)行基本質(zhì)量等級(jí)劃分，見(jiàn)表6。

表5 巖體基本質(zhì)量等級(jí)分類

表6 巖體基本質(zhì)量等級(jí)分類

2.2 節(jié)理巖體的CSIR 分級(jí)法

CSIR（RMR）分級(jí)法經(jīng)過(guò)多次的實(shí)例驗(yàn)證和修改，參照完整的巖石強(qiáng)度、巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD）、節(jié)理間距、節(jié)理狀態(tài)和地下水條件等5 個(gè)分級(jí)指標(biāo)情況，綜合各分級(jí)指標(biāo)得分情況得到CSIR（RMR）分級(jí)結(jié)果。

根據(jù)各分級(jí)指標(biāo)得分標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合工程地質(zhì)調(diào)查情況，將甲瑪銅多金屬礦破碎氧化帶區(qū)域各巖性進(jìn)行了分類，各巖體節(jié)理狀態(tài)評(píng)分見(jiàn)表7，分類結(jié)果見(jiàn)表8。

表7 巖體的節(jié)理狀態(tài)評(píng)分

表8 巖體的CSIR（RMR）分類結(jié)果

2.3 Q 系統(tǒng)分級(jí)法

Q 系統(tǒng)分級(jí)法為N.Barton 等人提出的一種對(duì)巖體質(zhì)量進(jìn)行分類的方法。Q值由RQD值、節(jié)理組數(shù)Jn、節(jié)理面粗糙度Jr、節(jié)理面蝕變程度Ja、裂隙水影響因素Jw以及地應(yīng)力影響因素SRF等6 項(xiàng)指標(biāo)組成，其表達(dá)式為：

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，巖體質(zhì)量與Q值之間的定量關(guān)系見(jiàn)表9。

表9 Q 分類系統(tǒng)

一般建議采用下列公式計(jì)算工程跨度：

式中，W為井下工程無(wú)支護(hù)最大安全跨度，m；Q為巖體質(zhì)量指標(biāo)；ESR為支護(hù)比。

對(duì)于永久性礦山巷道，可取值ESR=1.6～2.0；對(duì)于臨時(shí)性井下巷道或硐室，可取值ESR=3～5。

表10 為甲瑪銅多金屬礦破碎氧化帶區(qū)域主要巖性的Q值以及巖體質(zhì)量分類類級(jí)。將井下采空區(qū)看作半永久性工程（控制空?qǐng)鰰r(shí)間，盡快完成空區(qū)充填），ESR可取3～3.5，計(jì)算采空區(qū)無(wú)支護(hù)時(shí)的最大安全跨度。ESR不同取值區(qū)間各巖性對(duì)應(yīng)的最大跨度見(jiàn)表11。

表10 Q 系統(tǒng)巖體分級(jí)結(jié)果

表11 不同巖體的最大安全跨度

2.4 不同方法的巖體質(zhì)量分級(jí)結(jié)果匯總及對(duì)比

對(duì)3 種巖石的不同方法質(zhì)量分級(jí)情況進(jìn)行匯總分析，最終確定甲瑪銅多金屬礦破碎氧化帶區(qū)域巖體的綜合分級(jí)[6?8]，見(jiàn)表12。

表12 巖體分級(jí)結(jié)果匯總對(duì)比

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

（1）分別運(yùn)用巖土規(guī)范法、CSIR（RMR）分級(jí)法和Q 系統(tǒng)分級(jí)法對(duì)甲瑪銅多金屬礦破碎氧化帶區(qū)域內(nèi)角巖、矽卡巖和大理巖的巖體質(zhì)量進(jìn)行了分級(jí)與評(píng)價(jià)，綜合各分級(jí)結(jié)果可知：角巖、矽卡巖和大理巖的巖體質(zhì)量均為中等。

（2）根據(jù)巖體的Q值，利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到不同礦巖中永久性礦山巷道、臨時(shí)性礦山巷道或硐室、半永久性工程（如采空區(qū)）無(wú)支護(hù)時(shí)的最大安全跨度。

3.2 建議

（1）對(duì)礦區(qū)進(jìn)行了原巖地應(yīng)力測(cè)試，礦山巷道應(yīng)盡量沿最大主應(yīng)力方向布置。

（2）因在礦體與頂板角巖間存在一層厚度不均的破碎帶，在掘進(jìn)時(shí)，建議超前鉆探，若頂板上發(fā)育破碎帶，應(yīng)留2～3 m 以上的護(hù)頂層。

（3）采用適合金屬礦山開(kāi)采的以聲發(fā)射/微震為主的地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警措施，對(duì)破碎氧化帶主要生產(chǎn)區(qū)域的穩(wěn)定性情況進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，對(duì)可能發(fā)生的地壓災(zāi)害活動(dòng)進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警，保障井下施工人員和設(shè)備的安全。