安慶銅礦-400m以下巖體質(zhì)量評價與分析

李大和，況丹陽，李海龍

(1.安慶銅礦，安徽 安慶 246131；2.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦，山東 萊州 261442)

安慶銅礦-400m以下巖體質(zhì)量評價與分析

李大和1，況丹陽2，李海龍2

(1.安慶銅礦，安徽 安慶 246131；2.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦，山東 萊州 261442)

根據(jù)礦體開采要求，通過巖體工程地質(zhì)調(diào)查(巖體構(gòu)造調(diào)查、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀統(tǒng)計)和質(zhì)量綜合評價(巖石堅硬程度、完整程度、基本質(zhì)量分級、工程巖體質(zhì)量級別劃分)對安慶銅礦1#礦體-400m以下巖體質(zhì)量進行綜合評估，結(jié)果表明：巖體結(jié)構(gòu)面可以分為5組，最發(fā)育結(jié)構(gòu)面組優(yōu)勢產(chǎn)狀與F1斷層一致；開采最佳軸線方向為28°方位，重要工程(采場、鑿巖硐室等)一般垂直礦體走向布置，屬于穩(wěn)定性有利方向；四種主要巖體屬于堅硬或較堅硬巖，完整性程度較好，工程巖體級別為III級。所得巖體質(zhì)量評價結(jié)論可為礦山后期開采提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

工程地質(zhì)調(diào)查；巖體質(zhì)量評價；結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀統(tǒng)計

隨著安慶銅礦開采深度不斷增加，不同巖組的分布狀況及規(guī)模發(fā)生變化，對開采穩(wěn)定性有所影響。-400m以下對開采穩(wěn)定有較大影響的主要是大理巖巖組、矽卡巖巖組、蝕變閃長巖組、礦巖巖組及F1斷層破碎帶巖組。本文主要通過巖體工程地質(zhì)調(diào)查和質(zhì)量綜合評價對安慶銅礦1#礦體-400m以下巖體質(zhì)量進行評估和分析，為礦山后期開采提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 巖體工程地質(zhì)調(diào)查

1.1 工程地質(zhì)調(diào)查方法

工程地質(zhì)巖體質(zhì)量分級時，主要考慮兩項因素：一是巖石強度，二是巖體完整性。而巖體完整性是由巖體的結(jié)構(gòu)面特性決定。所謂結(jié)構(gòu)面特性，主要包括發(fā)育程度(密度)、聯(lián)通性(持續(xù)性)、粗糙度、產(chǎn)狀關(guān)系、張開度、充填物、風(fēng)化程度等。結(jié)構(gòu)面對巖體穩(wěn)定性尤為重要，因此巖體構(gòu)造調(diào)查是工程穩(wěn)定性評價的重要基礎(chǔ)。

安慶銅礦井下巖體構(gòu)造調(diào)查采用條帶法。當某組結(jié)構(gòu)面與觀測面平行時，采用條帶法易造成結(jié)構(gòu)面漏測(或抽樣數(shù)量太少而無法統(tǒng)計)，因此應(yīng)結(jié)合實際情況，在同一觀測區(qū)域內(nèi)布置多條不同方向的觀測面，以避免結(jié)構(gòu)面組遺漏。

由于羅盤在磁鐵礦山無法使用，為此將游標量角器改造成具有兩條長翼的測斜規(guī)，對結(jié)構(gòu)面傾向方位進行間接測量。其基本方法為，用測斜規(guī)測量結(jié)構(gòu)面走向與測線的水平夾角，根據(jù)測線已知方位推算結(jié)構(gòu)面傾向方位。測線方位采用大地測量方法提前測定。

1.2 井下巖體構(gòu)造調(diào)查

本次調(diào)查了-400m、-460m、-510m、-560m和-618m五個中段，共布置測線23條，總長度533m。實測22條，總長度519m，實際測量節(jié)理裂隙2528條。測線布置情況見表1。

表1 構(gòu)造調(diào)查布線情況

1.3 巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀統(tǒng)計分析

常用的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀統(tǒng)計分析方法為玫瑰圖方法和施密特極點等值線方法。玫瑰圖法是一種極坐標形式的直方圖方法，最大優(yōu)點是簡單直觀，其缺點主要是只依據(jù)節(jié)理傾向進行分組，觀測數(shù)據(jù)易受到歪曲，誤差較大。施密特極點等值線法由于同時展現(xiàn)了結(jié)構(gòu)面傾向和傾角，較玫瑰圖法更加準確。但是，等值線法中結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的實際平均值與極密點存在差異；另外一個極點一般被多個相鄰節(jié)點統(tǒng)計，容易造成極點密集部位的密集程度放大。

對結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的統(tǒng)計分析，采用基于概率模型的數(shù)理統(tǒng)計學(xué)方法，但目前常用的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀概率分布模型及其統(tǒng)計方法依然存在一些問題或不足。為此，楊小聰教授提出一種結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的橢圓錐分布模型，并形成基于該模型的特征參數(shù)統(tǒng)計方法及巖體結(jié)構(gòu)面分組的動態(tài)聚類分析方法。采用此種分布模型描述結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的分布形態(tài)，簡單直觀，而且更加準確。本次采用這套方法及加拿大Rocscience公司Dips結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計分析軟件，完成了安慶銅礦-400m以下的巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀統(tǒng)計分析。

由于不同巖體及同一巖體在不同區(qū)域，結(jié)構(gòu)面分組數(shù)量及產(chǎn)狀分布一般不同，因此分析應(yīng)按巖組和區(qū)域分組進行。具體分析過程為：首先對每條測線不同巖組的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀進行統(tǒng)計計算，然后對計算結(jié)果進行對比分析，對于同一中段相近測線的同一巖組，若其結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀統(tǒng)計計算結(jié)果(包括分組數(shù)量、優(yōu)勢產(chǎn)狀和分布形態(tài))相近，則將結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀數(shù)據(jù)合并，重新進行統(tǒng)計計算。根據(jù)這一方法，每一組計算結(jié)果表示了某種巖組在某一區(qū)域的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀統(tǒng)計特征。

對-400m以下的礦體、矽卡巖、閃長巖和大理巖進行調(diào)查，將所有測線觀測數(shù)據(jù)合并進行綜合統(tǒng)計，可得到表2和圖1所示結(jié)果。從整體區(qū)域來看，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分組特性也是非常明顯的。總體上看，主要存在5組結(jié)構(gòu)面，它們的優(yōu)勢產(chǎn)狀(傾向∠傾角)分別為247°∠69°、192°∠70°、329°∠88°、327°∠23°和77°∠40°。其中第一組結(jié)構(gòu)面所占比率最大，其優(yōu)勢產(chǎn)狀(247°∠69°)與F1斷層產(chǎn)狀一致，表明與F1斷層平行的節(jié)理最發(fā)育。

2 巖體質(zhì)量綜合評價

2.1 巖石堅硬程度

根據(jù)安慶銅礦-400m以下巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗測試結(jié)果，各主要巖體的巖性較好，巖石堅硬程度如表3所示。

表2 -400m以下各中段的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀綜合統(tǒng)計分析結(jié)果

表3 巖石堅硬程度的定量定性測定結(jié)果

圖1 -400m以下各中段各巖體的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀綜合統(tǒng)計分析圖

2.2 巖體完整程度

巖體的完整程度是根據(jù)構(gòu)造調(diào)查數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。其中，巖體完整性定量指標是通過統(tǒng)計巖體體積節(jié)理數(shù)(Jv)獲得。根據(jù)文獻巖石力學(xué)試驗建議方法，統(tǒng)計每組節(jié)理數(shù)目時應(yīng)當用一定長度的測尺(一般為5m或10m的測尺)沿著有關(guān)節(jié)理組的垂直方向計數(shù)。事實上，由于受揭露面高度的限制，在井下進行結(jié)構(gòu)面的分組判斷是非常困難的，因此在井下現(xiàn)場按有關(guān)標準直接進行結(jié)構(gòu)面組的每米節(jié)理數(shù)測量是不現(xiàn)實的。本次構(gòu)造調(diào)查采用條帶法測量，對測線上下1m的條帶范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)面進行了詳細測量，因此，可以在室內(nèi)采用如下方法測量統(tǒng)計結(jié)構(gòu)面組每米節(jié)理數(shù)：①選定所測條帶，確定統(tǒng)計測量的長度范圍；②做統(tǒng)計范圍內(nèi)所有結(jié)構(gòu)面的跡線素描；③根據(jù)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分組結(jié)果，標識每條跡線的分組號；④對應(yīng)每組結(jié)構(gòu)面，各模擬布置一條5m長的測尺，測尺的布置方向為每組結(jié)構(gòu)面的優(yōu)勢面法線方向，然后做測尺在條帶平面的投影，若投影線被條帶上下界線所截，則根據(jù)所截條帶內(nèi)的投影長度反算出測尺的有效長度；⑤沿條帶中央測線的長度方向，每隔一定距離用各測尺的投影進行量測計數(shù)，即對每一結(jié)構(gòu)面組，用與其對應(yīng)的測尺量測屬于該結(jié)構(gòu)面組的結(jié)構(gòu)面跡線，計算它們的相交數(shù)量，然后取平均值，再除以測尺的有效長度，即得到每組結(jié)構(gòu)面在所測范圍內(nèi)的平均值，求和再加上零散結(jié)構(gòu)面的每米數(shù)，即為所求巖體每米體積節(jié)理數(shù)。

各巖組巖體完整程度的統(tǒng)計結(jié)果如表4所示，巖體體積節(jié)理數(shù)均值是依據(jù)不同統(tǒng)計部位的測線長度加權(quán)平均而得。從表可知，各巖組巖體完整程度在不同部位有所變化，但變化范圍不大，尤其是各巖組的平均完整性程度幾乎相同。總體而言，巖體完整性較好。

2.3 巖體的基本質(zhì)量分級

根據(jù)測定的巖體堅硬性及巖體完整性結(jié)果，即可對各巖組的基本質(zhì)量進行分級，結(jié)果如表5所示，礦體、矽卡巖及蝕變閃長巖的基本質(zhì)量屬于第II級，而大理巖因堅硬程度相對較弱而屬于第III級。事實上，由于各種巖體的堅硬程度都較高(尤其是礦體、矽卡巖和閃長巖)，它們的巖體基本質(zhì)量主要受巖體的完整程度控制，或者說，主要受節(jié)理裂隙的發(fā)育程度所控制。

2.4 工程巖體質(zhì)量級別劃分

工程巖體級別是通過考慮地下水影響、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀(包括結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與洞軸線的關(guān)系)影響及初始應(yīng)力場影響，對巖體基本質(zhì)量指標BQ進行折減修正來確定(表6)。

表4 巖體完整程度的測定結(jié)果

表5 巖體基本質(zhì)量分級結(jié)果

表6 工程巖體質(zhì)量級別劃分結(jié)果

在1#礦體-400～-640m的研究范圍內(nèi)，包括許多巷道及采場，它們有多種布置方向，在不同部位，節(jié)理裂隙的發(fā)育程度及產(chǎn)狀方向也有變化，巖體原巖應(yīng)力也隨深度增加而增大，而且大空場開采將導(dǎo)致巖體應(yīng)力場的巨大變化，因此，在實際工作中最好能根據(jù)不同部位的具體情況確定修正系數(shù)并劃分工程巖體級別。表6的結(jié)果只是從總體上對-400m以下各主要巖體的質(zhì)量指標進行修正，并作出質(zhì)量級別判斷，以供參考。在表6中考慮到1#礦體-400m以下的地下水滲流不明顯，因此忽略該項影響，修正系數(shù)K1取為0；地下最主要的開挖結(jié)構(gòu)(采場及鑿巖硐室的軸向是比較有利方向，但根據(jù)對各水平鑿巖硐室的塊體分析，可以看出一些結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀對不同部位的巖體穩(wěn)定性有著明顯影響，例如，總體而言，北端幫壁和東側(cè)幫壁的穩(wěn)定性就相對較差，因此，對礦體、矽卡巖及閃長巖的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)K2取為0.3。在采場及鑿巖硐室上盤的大理巖部位，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀一般是有利的，因此對大理巖的修正系數(shù)K2取為0.1；根據(jù)安慶銅礦-580m中段原巖應(yīng)力測量與研究結(jié)果，從-400m至-640m巖體的原巖應(yīng)力從中應(yīng)力區(qū)逐步轉(zhuǎn)向高應(yīng)力區(qū)，因此初始應(yīng)力影響修正系數(shù)K3取為0.5。經(jīng)過各影響因素修正之后，得到的各巖體的工程巖體質(zhì)量級別都為第III級，除大理巖外，其他巖體比相應(yīng)的巖體基本質(zhì)量級別下降一級。

3 結(jié) 論

1)F1斷層對巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育及產(chǎn)狀分布有著控制作用。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果，-400m以下巖體結(jié)構(gòu)面可以分為5組，地下巖體最發(fā)育的結(jié)構(gòu)面組的優(yōu)勢產(chǎn)狀與F1斷層是一致的，但這組結(jié)構(gòu)面對于以垂直礦體走向布置的采場而言，影響并不大。

2)根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的綜合統(tǒng)計結(jié)果，地下開采的最佳軸線方向為28°方位，最不利的方向是與第二組結(jié)構(gòu)面走向相同的102°方位和與第一、第三組結(jié)構(gòu)面走向相同的157°、59°方位。安慶銅礦地下重要工程(采場、鑿巖硐室等)一般垂直礦體走向布置，其軸線方向大致為35°方位，屬于穩(wěn)定性有利方向。對于井下一些沿脈工程，其軸線方向一般屬于不利或較不利方向。

3)-400m以下的四種主要巖體中，礦體、矽卡巖及蝕變閃長巖屬于堅硬巖，大理巖屬于堅硬或較堅硬巖。各種巖體的平均體積節(jié)理數(shù)為6.2～6.7條/m3，完整性程度屬于較好。據(jù)此，確定出礦體、矽卡巖及蝕變閃長巖的巖體基本質(zhì)量級別為II級，即較好級；大理巖為III級，即一般級。考慮節(jié)理產(chǎn)狀影響及巖體初始應(yīng)力影響之后，各巖體的工程巖體級別都為III級。

[1] 楊小聰，陳忠輝.安慶銅礦開采過程的數(shù)值模擬[J].有色金屬，2002，54(2):82-87.

[2] FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions)，Version 2.0，User’s Manual[R].USA：Itasca Consulit-ing Group，Inc.，1997.

Quality evaluation and analysis of rock mass below -400m level in Anqing Copper Mine

LI Da-he1，KUANG Dan-yang2，LI Hai-long2

(1.Anqing Copper Mine，Anqing 246131，China；2.Sanshandao Gold Mine of Shandong Gold Mining (Laizhou) Co.，Ltd.，Laizhou 261442，China)

According to mining requirements，rock mass below -400m level of 1#orebody in Anqing Copper Mine are comprehensive evaluated through engineering geological investigation(investigation of rock mass structure，statistic of structural plane occurrence) and quality evaluation(rock hardness degree，integrity condition，basic quality classification，quality classification of engineering rock mass).The results show that rock mass structural planes can be divided into 5 groups，and the advantage occurrence of the most developed structural plane group is in line with F1 fault.28 ° azimuth is the best axis direction of mining，and important project (stope，drilling chamber，etc.) generally is laid out along the direction vertical to the orebody strike，which is helpful to stability.Four kinds of rock mass are hard rock or semi-hard rock，good integrity，and quality of engineering rock masses belongs to III.The conclusion will provide basic data support for later mining.

engineering geological survey；rock mass quality evaluation；statistic of structural plane occurrence

2015-01-05

“十二五”國家科技支撐計劃課題項目資助(編號：2013BAB02B02)

李大和(1967-)，男，安慶銅礦工程師，主要從事礦山開采技術(shù)研究。

TD31;TU45

A

1004-4051(2015)06-0090-04