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        嫩江市銅山銅礦工程地質(zhì)特性及地下開采穩(wěn)定性研究

        2022-11-18 11:12:13王宇晨
        世界有色金屬 2022年15期
        關(guān)鍵詞:圍巖

        王宇晨

        (黑龍江多寶山銅業(yè)股份有限公司,黑龍江 黑河 161416)

        1 地質(zhì)概況

        銅山礦所處大地構(gòu)造位置為大興安嶺地槽褶皺系東段罕達(dá)氣褶皺帶的西部,三礦溝至裸河北西向構(gòu)造帶的多寶山復(fù)背斜的南西翼。礦區(qū)出露的地層有古生界奧陶系中統(tǒng)銅山組、多寶山組及第四系全新統(tǒng)堆積物。礦區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有北西向構(gòu)造、東西向構(gòu)造及南北向構(gòu)造。礦區(qū)巖漿活動主要表現(xiàn)為兩種方式,即火山活動和侵入活動。火山活動以奧陶世中期多寶山組地層中的安山巖和英安巖為代表;侵入活動以石炭世早期至晚期多寶山超單元,三疊世早期窩里河超單元及與其伴生的脈巖為代表[1]。礦區(qū)內(nèi)圍巖蝕變具多期次、多階段的特點。其形成與本區(qū)構(gòu)造及巖漿活動密切相關(guān),將礦區(qū)內(nèi)圍巖蝕變劃分為四期,即零蝕變期、第一蝕變期、第二蝕變期和第三蝕變期。地下水主要有第四系松散巖類孔隙水和基巖風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水兩種類型。第四系松散巖類孔隙水分布區(qū)遠(yuǎn)離礦體,對礦床開采無影響。僅基巖風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水含水層與淺層礦體接觸,為礦床直接充水的含水層。銅山礦屬風(fēng)化裂隙充水的水文地質(zhì)條件簡單的礦床。銅山礦礦床走向為280°~310°向南西傾,傾角為40°~80°,銅平均品位0.54%,屬規(guī)模大但品位低的厚大礦床,采用無底柱分段崩落法開采。

        2 工程地質(zhì)特征

        2.1 工程地質(zhì)巖帶、巖組特征

        根據(jù)地層、構(gòu)造、巖性、巖石風(fēng)化程度,共劃分五個工程地質(zhì)巖帶、九個工程地質(zhì)巖組?,F(xiàn)按巖帶垂向分布順序敘述如下:

        (1)第四糸松散巖帶:在礦區(qū)廣泛分布,主要由殘坡積粘土碎石組成,一般厚3m~5m,局部地段厚達(dá)23.83m。呈散體結(jié)構(gòu),屬最不穩(wěn)定巖組。

        (2)巖石風(fēng)化帶:在測區(qū)廣泛分布,一般埋深3m~5m,最深達(dá)24m。厚度25m~40m,最厚達(dá)65m。上覆殘坡積粘土碎石層,下伏新鮮基巖。依據(jù)巖石風(fēng)化程度,將風(fēng)化帶劃分為強(qiáng)風(fēng)化巖組和弱風(fēng)化巖組。

        強(qiáng)風(fēng)化巖組:強(qiáng)風(fēng)化巖組和弱風(fēng)化巖組界面一般埋深10m~15m,最深43.35m。一般厚度4m~13m。根據(jù)前人工程地質(zhì)編錄資料,強(qiáng)風(fēng)化巖組巖芯多為碎塊狀、少為短柱狀、泥土狀[2]。巖石大部分退色,部分礦物粘土化。巖石抗壓強(qiáng)度較低,平均抗壓強(qiáng)度為21.8MPa,最大24.2MPa,屬較弱巖石類。該巖組裂隙極其發(fā)育,每米5~10條,裂面鐵錳染強(qiáng)烈,含水特征明顯。巖體呈碎裂結(jié)構(gòu),屬不穩(wěn)定巖組。

        弱風(fēng)化巖組:位于強(qiáng)風(fēng)化巖組之下,一般厚20m~30m,最厚50m。根據(jù)前人工程地質(zhì)編錄資料得知,巖芯多為短柱狀,少為長柱狀或塊狀。巖石新鮮,力學(xué)強(qiáng)度高,平均抗壓強(qiáng)度為93.4MPa,屬堅硬巖石。本巖組裂隙較少,每米1~3條不等。裂面具輕微鐵錳染,含水恃征較為明顯。巖體呈塊狀結(jié)構(gòu),較為穩(wěn)定[3]。

        (3)完整巖石帶:礦床及圍巖的百分之八十為完整巖石帶,主要由奧陶系中統(tǒng)多寶山組銅山組地層和多寶山超單元銅山Ⅰ號礦體單元等侵入體組成。巖石新鮮未受風(fēng)化和構(gòu)造作用破壞,但均有不同程度的蝕變。根據(jù)巖石成因類型,可劃分四個工程地質(zhì)巖組。從鉆孔巖芯工程地質(zhì)編錄和巖石力學(xué)性能試驗資料統(tǒng)計得知,各巖組間接觸密合,四個巖組無一屬軟弱巖層(體),均為堅硬類巖石。本帶巖體呈整體結(jié)構(gòu),穩(wěn)定性好。

        (4)斷層構(gòu)造破碎巖帶:為銅山斷層壓碎巖組,主要由斷層泥、斷層角礫組成,厚度2m~25m,傾向南,傾角35°~45°,屬軟弱巖石散體結(jié)構(gòu),最不穩(wěn)定。

        (5)節(jié)理(片理)裂隙密集巖帶:巖石受節(jié)理、片理及小斷層等結(jié)構(gòu)面切割,抗壓強(qiáng)度低,平均為29.0MPa~34.1MPa,屬半堅硬—軟弱巖石類型。多分布于銅山斷層壓碎巖組的兩側(cè),多呈條帶狀,局部呈透鏡狀。厚5m~20m,最厚65m,該帶巖體為鑲嵌結(jié)構(gòu),欠穩(wěn)定。

        2.2 結(jié)構(gòu)面

        礦區(qū)構(gòu)造結(jié)構(gòu)面可劃為三級,主要有Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ級結(jié)構(gòu)面。Ⅰ級結(jié)構(gòu)面有多寶山倒轉(zhuǎn)背斜、北西向壓性斷裂、北東向張性斷裂,為成礦前或成礦期構(gòu)造,與區(qū)域構(gòu)造聯(lián)系密切,形成的破碎帶遠(yuǎn)離礦體。Ⅱ級結(jié)構(gòu)面為銅山斷層破碎帶,該結(jié)構(gòu)面充填有斷層泥和斷層角礫,壓性特征明顯,該結(jié)構(gòu)面直接切割礦體,形成Ⅰ、Ⅱ號礦體底板。Ⅳ級結(jié)構(gòu)面主要為Ⅱ級結(jié)構(gòu)面派生的節(jié)理面、片理面和較小斷層面,呈密集狀分布于銅山斷層破碎帶兩側(cè),形成節(jié)理(片理)裂隙密集帶,多分布于Ⅰ、Ⅱ號礦體底板段,對礦床開采影響較大。

        Ⅰ號礦體適宜露天開采,組成邊坡的巖石主要為綠泥石化絹云母化-石英化絹云母化的安山巖、安山質(zhì)凝灰?guī)r、石英長石砂巖、英云閃長巖等。除第四系、強(qiáng)風(fēng)化帶、斷層破碎帶、節(jié)理(片理)裂隙密集帶外,巖石抗壓強(qiáng)度均大于60MPa,屬堅硬巖石類。

        Ⅱ號礦體的頂板巖石抗壓強(qiáng)度40.1MPa~58.0MPa、底板巖石抗壓強(qiáng)度40.1MPa~52.5MPa,礦體的力學(xué)指標(biāo)為33.2MPa~66.3MPa。類比己采三十余年的三礦溝銅礦,完整巖石段的井巷圍巖穩(wěn)固性一直很好,無需采取支護(hù)措施。而構(gòu)造破碎地段的井巷圍巖穩(wěn)固性較差,采取支護(hù)措施后方可施工。而通過銅山斷層破碎帶巖石節(jié)理(片理)裂隙密集帶地段的井巷圍巖穩(wěn)固性差,施工時可根據(jù)具體情況采取相應(yīng)的支護(hù)措施。

        銅山礦屬塊狀巖類中等工程地質(zhì)類型礦床。

        3 工程地質(zhì)條件評價

        3.1 Ⅰ號礦體露采邊坡穩(wěn)定性評價

        3.1.1 露采邊坡工程地質(zhì)特征

        Ⅰ號礦體適宜露天開采,本次評價露采場擬選在D1056線—D1084線一帶。該地段地面標(biāo)高530m左右,Ⅰ號礦體最大埋深標(biāo)高370m。設(shè)計最大坡高160m?,F(xiàn)已開采,露采位置在D1056線-D1088線,己采至標(biāo)高至508m~505m。組成邊坡的巖石,主要為綠泥石化絹云母化、石英化絹云母化的安山巖、安山質(zhì)凝灰?guī)r、石英長石砂巖、英云閃長巖等。除第四系、強(qiáng)風(fēng)化帶、斷層破碎帶、節(jié)理(片理)裂隙密集帶外,巖石抗壓強(qiáng)度均大于60MPa,屬堅硬巖石類。巖石產(chǎn)狀多呈厚層狀,向南陡傾,傾角70°左右。

        3.1.2 建議最終邊坡角的確定

        采坑?xùn)|部己挖至標(biāo)高505m左右,邊坡角在32°~38°左右,西部己挖至標(biāo)高在507m左右,邊坡角在45°左右。采用類比法選擇采場最終邊坡角。類比對象為多寶山銅礦床Ⅰ號帶露采場邊坡和三礦溝銅礦露采場邊坡。多寶山銅礦床Ⅰ號帶露采場邊坡屬無水弱風(fēng)化帶地段。巖石為蝕變花崗閃長巖,抗壓強(qiáng)度均大于60MPa。采場坡高35m,坡面與水平面夾角35°~45°不等。現(xiàn)己停采近40年。采坑坑底裸露無堆積物,只在坡角見少量轉(zhuǎn)石,無整體滑動跡象。三礦溝銅礦露采場,屬小型開采規(guī)模,邊坡為無水弱風(fēng)化帶,巖石由蝕變花崗閃長巖、大理巖、角巖、硅灰?guī)r等組成,抗壓強(qiáng)度均大于60MPa。采場坡高60m,停采30年來,在70°~80°的邊坡段經(jīng)常出現(xiàn)局部掉塊現(xiàn)象。Ⅰ號礦體未來露采邊坡,風(fēng)化帶以下地段為無水新鮮基巖段,風(fēng)化帶地段地下水疏干后,亦屬于無水或局部滲水邊坡[4-6]。雖然未來邊坡高度及規(guī)模大于類比對象,但綜合考慮工程地質(zhì)條件還是較優(yōu)于類比對象,故建議未來露采場最終邊坡角,南、東、西側(cè)邊坡采用48°,北側(cè)邊坡受銅山斷層制約,應(yīng)放緩邊坡角,可采用35°~45°。

        3.1.3 邊坡穩(wěn)定性評價

        根據(jù)Ⅰ號礦體圍巖巖帶巖組及其結(jié)構(gòu)面的工程地質(zhì)特征,對露天采場各邊坡評述如下:

        (1)南、東、西三側(cè)邊坡穩(wěn)定性評述:按坡高160m,最終邊坡角45°進(jìn)行設(shè)計所形成的邊坡體,除第四系、風(fēng)化帶和節(jié)理(片理)裂隙密集帶外,均由整體塊狀或厚層狀巖體組成,巖石堅硬。巖層均向南陡傾,傾角70°左右,南側(cè)邊坡與巖層傾向相反,東、西兩側(cè)邊坡與巖層傾向垂直。地下水僅在風(fēng)化帶坡段滲出,對邊坡破壞作用微弱。故南、東、西三側(cè)邊坡穩(wěn)定條件充足,無滑坡因素存在,為穩(wěn)定邊坡。但在第四系、強(qiáng)風(fēng)化坡段和節(jié)理(片理)裂隙密集帶局部坡段仍存在坍塌掉塊等欠穩(wěn)定因素。

        (2)北側(cè)邊坡穩(wěn)定性評述:由于銅山斷層破碎帶中的斷層泥和角礫極不穩(wěn)定,北側(cè)邊坡選銅山斷層下盤斷面為界,邊坡角35°~45°,坡面呈舒緩波狀。邊坡巖體呈塊狀、厚層狀構(gòu)造。邊坡巖層向南陡傾,傾角70°左右。雖然邊坡坡向與巖層傾向順向,但坡角小于巖層傾角,為穩(wěn)定型組合。其它條件與南、東、西邊坡相同,故該邊坡也為穩(wěn)定邊坡。但仍注意第四系、強(qiáng)風(fēng)化帶坡段和局部節(jié)理(片理)裂隙密集帶地段存在欠穩(wěn)定因素。

        3.2 Ⅱ號礦體地下井巷圍巖穩(wěn)定性評價

        Ⅱ號礦體埋藏深,埋藏深度在29.6m~348.7m,適宜地下井巷法開采。根據(jù)礦山工程地質(zhì)調(diào)查資料,采用類比法評價。類比對象為三礦溝銅礦。該礦巖石力學(xué)強(qiáng)度、構(gòu)造發(fā)育程度等工程地質(zhì)特征與本礦基本相似。Ⅱ號礦體的頂板巖石抗壓強(qiáng)度40.1MPa~58.0MPa、底板巖石力抗壓強(qiáng)度40.1MPa~52.5MPa,礦體的力學(xué)指標(biāo)為33.2MPa~66.3MPa。見Ⅱ號礦體的頂板、底板巖石、礦體的力學(xué)指標(biāo)表。

        礦區(qū)西南約24km為三礦溝銅礦,三礦溝銅礦己開采三十余年,完整巖石段的井巷圍巖穩(wěn)固性一直很好,無需采取支護(hù)措施。而構(gòu)造破碎地段的井巷圍巖穩(wěn)固性較差,采取支護(hù)措施后方可施工。根據(jù)類比原理可知,本礦未來地下井巷開采時,大部分地段巖石完整,圍巖穩(wěn)固性好。而通過銅山斷層破碎帶石節(jié)理(片理)裂隙密集帶地段的井巷圍巖穩(wěn)固性差,施工時可根據(jù)具體情況采取相應(yīng)的支護(hù)措施。

        3.3 斷層突水影響評價及建議

        礦區(qū)附近水資源不豐富,沒有大的河流、湖泊等大規(guī)模的地表水體。礦區(qū)屬嫩江水系近上游地段,最大河流嫩江位于礦區(qū)以西20km處,歷年最大流量3500m3/s,年平均流量32.4~165m3/s,1~3月份往往斷流。礦區(qū)及附近地表水不甚發(fā)育,主要分布一些季節(jié)性河流。礦區(qū)內(nèi)有多寶山小溪,礦區(qū)外東部有裸河、北部有窩里河、南部有泥鰍河、西南部有關(guān)鳥河,但水量均很小。礦區(qū)位于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),夏季短暫,冬季寒冷漫長,冰凍期近8個月之久。礦區(qū)年降雨量531mm~586mm,最大日降雨量61.2mm,6~8月份為雨季,年蒸發(fā)量869mm~990mm,蒸發(fā)量大于降雨量。

        銅山斷層(F6)位于礦區(qū)北部,從1040勘探線向西至多寶山礦區(qū)西溝,斷層走向東西,從1040勘探線向東,斷層走向南東東,傾向南,傾角一般在30°~40°,沿傾斜方向傾角變陡,沿走向東部比西部傾角略陡。斷層面微呈舒緩波狀,斷層內(nèi)見有斷層泥和大小不等、分布零亂、比較疏松的角礫,有的角礫具片理化現(xiàn)象,說明斷裂先壓后張,具多次活動的特點。由于斷層在平面上未與大型地面水體連通,僅接受地下巖體裂隙水的補(bǔ)給,水源不充分,所以該斷層在井巷掘進(jìn)施工時具有降壓疏干的條件。各分段進(jìn)路巷道穿越斷層,經(jīng)過多水平多點降壓疏干后,斷層體的來水量與壓力都將大大減小。

        為防范斷層突水給井下開采造成的威脅,在巷道掘進(jìn)至靠近斷層附近前,必須先進(jìn)行水平超前鉆探探水,查明斷層賦存狀態(tài),如斷面為承壓充水?dāng)鄬?,平巷掘進(jìn)的探水孔可與放水降壓工作相結(jié)合,以避免出現(xiàn)大的突然涌水,同時達(dá)到降壓疏干的目的。

        4 地下采場穩(wěn)定性分析

        無底柱分段崩落法采礦,要求上盤圍巖不斷崩落,一方面保證回采階段上方形成足夠的廢石層,維持正常回采,另一方面使空區(qū)壓力轉(zhuǎn)移到外圍,采場壓力得到釋放,防止在上盤礦巖交界處出現(xiàn)過度的應(yīng)力集中現(xiàn)象。圍巖穩(wěn)固,不能自行垮落時要實施人工放頂,以免采場壓力過大。當(dāng)中區(qū)礦段落后于兩側(cè)回采時,起到支撐上盤圍巖,阻止圍巖垮落的作用,也使得自身受到上盤圍巖的巨大壓力。

        大間距無底柱分段崩落法加大了進(jìn)路間距,間柱的抗壓、抗剪能力較強(qiáng),減少了對巖體的破壞擾動和應(yīng)力集中,改善了地壓狀況,這對埋藏深、地壓大、礦巖破碎的礦山極為有利。有限元分析結(jié)果表明,在相同條件下,20m×20m的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)力集中程度比15m×15m的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)力集中有了較大的改善,明顯地提高了巷道的穩(wěn)定性和安全性,減少了支護(hù)量??傊?,對于采用無底柱分段崩落法的礦山,增大進(jìn)路間距是改善地壓問題的有效手段,加大進(jìn)路間距有利于間柱或采場的穩(wěn)定。加大間距對采場地壓狀況的改善,在不穩(wěn)礦體采區(qū)或其它礦巖不穩(wěn)礦床具有重要的意義。

        通過進(jìn)路巷道群開挖的數(shù)值模擬,并對開挖過程圍巖的位移、應(yīng)力和塑性區(qū)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)開挖后塑性區(qū)范圍不大,巷道具有良好的穩(wěn)定性。因此,設(shè)計擬采用的進(jìn)路參數(shù)從巷道穩(wěn)定性方面看是較合理的方案。另外,當(dāng)開采深度大于350m時,在臨近上盤圍巖的應(yīng)力集中區(qū)和臨近下盤斷層的應(yīng)力異化集中區(qū),需要采取一定的巷道支護(hù)措施,確?;夭善陂g巷道的穩(wěn)定性。

        根據(jù)上述巖爆傾向性判斷,礦山基建和生產(chǎn)期間可能伴有無至弱巖爆的發(fā)生。為保證安全生產(chǎn),避免人員傷亡,建議在基建期間,采用便攜式聲發(fā)射儀監(jiān)測、磁場檢測儀監(jiān)測和現(xiàn)場觀察記錄等方法監(jiān)測巖爆;在生產(chǎn)期,在主要工程部位布置監(jiān)測點埋設(shè)探頭,建立巖爆監(jiān)測網(wǎng)站,形成巖爆監(jiān)測系統(tǒng)。

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