羅河鐵礦巖體節(jié)理裂隙傾角調查與統(tǒng)計研究

朱宗杰 孫仕平 王世松 劉成皓

（安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責任公司）

巖體在受到一定的地質構造作用后會發(fā)生破損、斷裂，沿斷裂面而無顯著位移的斷裂構造被稱為節(jié)理裂隙，節(jié)理裂隙直接影響著巖體的完整性與穩(wěn)定性。在地下礦山，節(jié)理裂隙發(fā)育的采區(qū)較容易發(fā)生工程事故，并且隨著礦井深度加深、地應力增大，導致礦山深部巖體節(jié)理裂隙更加發(fā)育，對礦山的生產形成了嚴重威脅［1-3］。因此，對地下礦山節(jié)理裂隙的調查與統(tǒng)計分析，將有助于分析礦區(qū)巖體質量，規(guī)避巖體破碎區(qū)域，保證高效安全地生產［4］。一般來說，節(jié)理裂隙調查與統(tǒng)計的主要內容為節(jié)理裂隙的產狀信息（傾角、傾向）、連通率、間距或頻數(shù)、密度和排列形式等［5］。其中，節(jié)理裂隙組的傾角不同，會造成不同程度的巖體強度弱化，影響巖體宏觀力學行為的表達。所以，研究節(jié)理裂隙的傾角，對巖體工程穩(wěn)定性、安全性、風險與災害預防等的評估具有重要意義［6-8］。

羅河鐵礦位于安徽省合肥市廬江縣境內，為我國大型硫鐵礦礦山，礦區(qū)內存在大量含硫軟弱節(jié)理裂隙，需要進行節(jié)理裂隙的調查與統(tǒng)計分析，摸底礦區(qū)巖體強度質量情況。本研究通過對羅河鐵礦的節(jié)理裂隙進行數(shù)字近景攝影調查，統(tǒng)計和分析節(jié)理裂隙傾角分布特征，為羅河鐵礦工程布置提供科學依據(jù)。

1 工程地質概況

1.1 工程地質巖組

1.1.1 松散巖巖組（Ⅰ）

巖性主要為粉質黏土、黏土夾碎石等，厚度在0～20 m，分布較廣泛，可塑～硬塑，屬中等壓縮性土。

1.1.2 風化巖巖組（Ⅱ）

團塊～碎裂結構，也稱風化帶，巖性包括粗安巖、火山角礫巖、凝灰質粉砂巖、角礫凝灰?guī)r等。風化帶埋深1.70～96.27 m，頂板標高為73.67～-56.83 m。巖體風化出現(xiàn)裂隙、節(jié)理，大多呈網狀，巖石多具高嶺石化、水云母化，巖芯破裂，巖石力學強度低，巖體完整性差，巖石質量劣。

1.1.3 火山巖類巖組（Ⅲ）

按巖性自上而下分述如下。

（1）復屑凝灰?guī)r。主要由細火山角礫巖及少許凝灰質粉砂巖等構成。裂隙不發(fā)育，巖芯大體完整，由于巖石結構和膠結不同，巖性軟硬不夠均一。巖塊抗壓強度為26.46～61.74 MPa，黏聚力為1.27～3.92 MPa，內摩擦角為53°～56°，抗拉強度為1.176～1.372 MPa。

（2）上部粗安巖。分布廣泛，厚度由東至西為100～314 m，底板平均標高為-155 m，主要由輝石粗安巖、粗安巖、黑云母粗安巖，杏仁狀粗安巖等組成，一般較致密堅硬。200 m以上裂隙較發(fā)育，以傾角45°～60°、70°～85°2組為主，由碳酸鹽脈填充。該段具有不同程度的碳酸鹽化、高嶺石化、水云母化，局部較強，引起巖石松軟破碎，強度降低。該段空間分布規(guī)律性不詳，就其總量來看，大致分布標高在-10～-160 m，尤以-40～-130 m居多。由西至東呈波狀起伏，厚度由小至大，如0～7線，標高在-30～-110 m，厚度為10～25 m；7～11線，標高在-80～-150 m，厚度為15～30 m；11～19線，標高在0～-130 m，厚度為20～50 m。巖塊 抗 壓 強 度 為49～98.98 MPa，黏 聚 力 為2.35～13.23 MPa，內 摩 擦 角 為51°～54° ，抗 拉 強 度 為1.176～6.762 MPa。

（3）凝灰?guī)r。位于粗安巖之下，底板平均標高-260 m，主要由凝灰?guī)r、凝灰質粉砂巖、粉砂質凝灰?guī)r和含礫凝灰?guī)r等組成。質地較軟，裂隙少且以陡傾角為主，由碳酸鹽、硬石膏脈等填充。巖石大部分均受水云母化，高嶺石化，綠泥石化等影響，致使巖石結構普遍松軟，強度降低，鉆進過程中常發(fā)生坍塌和縮徑現(xiàn)象。巖芯雖完整，但經過10～20 d后，絕大部分自形解體呈土狀或碎塊狀。其分布標高由東至西上限為-120～-220 m，下限為-280～-380 m，厚度為10～80 m。巖塊抗壓強度為28.42～68.60 MPa，黏聚力為1.176～5.39 MPa，內摩擦角為54°～59°，抗拉強度為0.392～1.960 MPa。

（4）次生石英巖。分布于凝灰?guī)r段之下，在0、1、9、13線附近直接與礦體接觸，由東至西增厚，呈分支復合現(xiàn)象，底板平均標高-345 m。厚度為10～100 m，平均厚度為67 m。主要由乳白色及褐灰色的次生石英巖及少量黃鐵礦化、高嶺石化、水云母化等次生石英巖組成。巖性一般致密硬脆，孔洞分布較普遍，孔隙率達4%～11%。巖石受構造影響明顯，呈角礫狀、碎裂狀，裂隙以傾角為70°～80°、近水平和網狀為主，被后期石膏、黃鐵礦及少量碳酸鹽類充填。膠結不緊密，巖芯采取率很低，平均僅50%左右。巖塊抗壓強度為82.32～150.92 MPa，黏聚力為11.76～21.56 MPa，內摩擦角為51°～58°，抗拉強度為3.234～9.114 MPa。

（5）下部蝕變粗安巖。該段為礦體頂板，由東至西底板標高為-410～-620 m，主要由水云母化、高嶺石化蝕變粗安巖，水云母，高嶺石巖及部分膏輝巖，堿性長石巖，硬石膏次生石英巖組成。少數(shù)地段裂隙發(fā)育，多為硬石膏填充，巖性一般致密，但由于局部受水云母化、高嶺石化、碳酸鹽化等影響，強度不高，巖石松軟破碎，在鉆進中常見坍塌現(xiàn)象。松軟破碎巖石在標高-320～-580 m較為發(fā)育，厚度為10～120 m。其中9線以東的松軟破碎巖石分布標高在-410～-460 m，厚度為10～50 m；9線以西則分布在-450～-560 m，厚度為10～60 m。在ZK156、ZK154、ZK98、ZK916、ZK01、ZK22、ZK210等孔礦體頂板中，巖芯破碎，呈土狀或破碎狀。巖石力學強度離散性較大，巖塊抗壓強度為35.28～193.06 MPa，黏聚力為4.41～16.66 MPa，內摩擦角為48°～63°，抗拉強度為1.764～7.546 MPa。

1.1.4 礦體及底板

礦體由東至西底板標高一般在-500～-690 m以下，厚度起伏變化較大，主要由塊狀、粒狀、花斑狀等磁鐵礦組成，其中夾少量膏輝巖、堿性長石巖。巖性一般強度高且密度大，裂隙較不發(fā)育，礦體內部除局部受蝕變及構造影響破裂外，一般完整。巖塊抗壓強 度 為130.34～163.66 MPa，黏 聚 力 為10.78～16.66 MPa，內摩擦角為54°～59°，抗拉強度為5.096～8.330 MPa。

礦層底板一般由較致密堅硬的堿性長石巖、膏輝巖等組成。裂隙不發(fā)育，巖芯完整。巖塊抗壓強度為75.56～152.98 MPa，黏聚力為5.39～13.72 MPa，內摩擦角為52°～54°，抗拉強度為1.862～6.076 MPa。

1.2 破碎段發(fā)育情況

破碎段在空間分布上具有如下的規(guī)律性。

（1）標高在0～-200 m，多發(fā)育在粗安巖中，其分布較零亂，厚度一般為2～30 m，最大為60 m。其中大于10 m的破碎段在平面上多表現(xiàn)出北西與北東向展布。

（2）由東至西上限為-170～-380 m，下限-300～-500 m，主要分布于次生石英巖中，厚度為5～100 m。一般破碎嚴重，多呈帶狀或似層狀分布，與巖層產狀大體一致。鉆進至破碎帶時，常發(fā)生坍塌、石塊掉落、嚴重漏水等現(xiàn)象。

（3）次生石英巖下部的粗安巖段中也有部分破碎段發(fā)育。分布標高為-410～-550 m，較零亂。在礦床北東部和西南部，有部分破碎帶直接發(fā)育在礦體頂板上，這在某種程度上降低了礦體頂板的穩(wěn)固性。

1.3 巖石物理力學分析

礦山進行了主井、副井、進風井及回風井的工程地質勘探工作，進行了大量的巖體物理力學性質試驗，分析結果見表1。

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1.4 巖體結構分類

本礦床是由大型高磷高硫含釩磁鐵礦及大型硫鐵礦、大型硬石膏礦構成的多種隱伏礦床。受構造、巖性、蝕變等因素影響，礦體、圍巖特征具有一定的分布規(guī)律，并直接影響開采后空區(qū)的穩(wěn)定性。礦山在生產過程中，根據(jù)礦床巖體的巖性、結構、風化程度將礦體及圍巖劃分成不同的工程地質巖組，并按中國科學院地質研究所提供的巖體結構分類進行評價，詳見表2。

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1.5 斷裂影響情況

礦區(qū)內主要有2條較大的斷裂，一條為最發(fā)育的F001斷層（北東向），寬度為50～150 m，該斷層位于礦區(qū)西部，對目前一期的地下采礦影響較小，但對二期巷道建設和采礦活動引起地表的沉降有重要影響；另一條為F201斷層（北西向），該斷層位于礦區(qū)西方向部位，走向300°～320°，斷裂帶周圍巖石破碎，對目前一期的地下采礦影響較小，但對采礦活動引起地表沉降起控制作用。其他斷裂多位于礦體上部，對地下開采活動影響較小。

1.6 力學分區(qū)

《安徽馬鋼羅河鐵礦一期工程充填法開采初步設計說明書》（中冶北方工程技術有限公司，2012年5月）根據(jù)礦體賦存條件、礦區(qū)構造及區(qū)域應力場特征，設計將礦區(qū)分為5個巖石力學區(qū)。一區(qū)為西北端部，二區(qū)為西南端部，三區(qū)為南部，四區(qū)為東端部，五區(qū)為北部。各區(qū)巖體錯動角見表3。

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一區(qū)在礦區(qū)西北方向邊緣位置，礦體埋藏較深，發(fā)育有礦區(qū)內的最大斷裂帶F001斷裂，該斷裂帶直接影響并控制開采后的地表變形，F(xiàn)001斷裂周圍的巖體質量很差，礦區(qū)開采及巷道建設等應重點關注其影響，根據(jù)巖體RQD值，本區(qū)的巖體屬于差—中等巖體。

二區(qū)在礦區(qū)西南方向邊緣位置，礦體埋藏較深，本區(qū)內發(fā)育有礦區(qū)內較大的F201斷裂，F(xiàn)201斷裂帶會影響開采后的礦體地表變形，斷裂帶周圍的巖體質量較差，礦區(qū)開采及巷道建設等應重點關注其影響，根據(jù)巖體RQD值，本區(qū)的巖體屬于中等—好巖體。

三區(qū)在礦區(qū)南方向位置，礦體埋藏相對較淺，本區(qū)礦體與北部礦體相比厚度較薄。本區(qū)主要發(fā)育有少量北北東向斷裂，對地表沉降影響較小，巖體完整性較好，根據(jù)巖體RQD值，巖體屬于中等—好巖體。僅在318～360 m發(fā)育的凝灰?guī)r段、234～245 m發(fā)育的粗安斑巖裂隙發(fā)育，巖體完整性差。

四區(qū)在礦區(qū)東方向邊緣位置，礦體埋深相對較淺，礦體較厚，少量發(fā)育有北北東向斷裂及北西向斷裂，對地表變形的影響較小。本區(qū)的地表鄰近高速公路——合肥—銅陵高速公路，要重視礦體開采對地表沉降的影響。本區(qū)淺部受風化作用影響，巖體破碎，強度低；深部巖體局部質量較差，主要是少量凝灰質粉砂巖段、凝灰?guī)r段、蝕變的凝灰?guī)r段，巖體強度低；其它部位巖體完整性好，強度較高，根據(jù)巖體RQD值，巖體屬于中等—好巖體。

五區(qū)在礦區(qū)北方向位置，埋深相對較淺，礦體較厚，主要發(fā)育有北北東向斷裂，對地表變形的影響較小。本區(qū)巖體完整性較好，除上部受風化和斷裂構造影響，還有在350～400 m發(fā)育的次石英巖段，巖體較破碎，其它部位巖體質量較好，根據(jù)巖體RQD值，巖體屬于中等—好巖體。

礦區(qū)應力特征復雜，又由于礦體開采深度較大，局部巖石完整性好，具備誘發(fā)巖爆的基本條件，對此，應在今后的生產過程中進一步調查分析。

1.7 礦山工程地質條件現(xiàn)狀

根據(jù)目前正在施工的井筒工程地質勘察結果，主井、副井、廢石井、進風井、回風井均沒有發(fā)現(xiàn)較嚴重的不良工程隱患，巖體完整性較好，僅有個別巖層巖體破碎，穩(wěn)定性較差。

根據(jù)開拓工程揭露，礦體內部巖性包括磁鐵礦、膏輝巖、堿性長石巖，巖石較致密堅硬，裂隙不發(fā)育，巖體穩(wěn)定性較好。只有局部發(fā)育高嶺石化、綠泥石化等蝕變，導致巖石比較松軟，主要在礦區(qū)靠近西側、開拓工程和采場偏上部混合礦層中，巖石蝕變較強，具高嶺石化、硅化，裂隙和孔洞發(fā)育，坑道掘進過程中容易產生超挖現(xiàn)象。主要支護措施為掛網、表面噴漿、錨桿支護。在當前礦山生產過程中沒有發(fā)現(xiàn)冒落、片幫、掉頂?shù)炔涣脊こ态F(xiàn)象。

綜上所述，礦體頂?shù)装鍑鷰r巖體質量良好，穩(wěn)定性良好。

2 傾角分布特征分析

本研究獲取節(jié)理裂隙的方法為數(shù)字近景攝影測量方法，利用手持設備在臨近巖體露頭處進行拍攝即可，無需接觸巖體結構面，然后通過軟件分析識別照片上的節(jié)理裂隙。經過對羅河鐵礦-455～-515 m礦區(qū)的現(xiàn)場調查拍攝，共獲得節(jié)理裂隙7 400條。

整個礦區(qū)節(jié)理裂隙傾角可大致分為3組：第一組傾角為0～30°，占節(jié)理裂隙總數(shù)的30.7%，平均傾角為14.4°；第二組傾角為30°～60°，占節(jié)理裂隙總數(shù)的29.3%，平均傾角為45.5°；第三組傾角為60°～90°，占節(jié)理裂隙總數(shù)的40%，平均傾角為75.3°。大多數(shù)節(jié)理裂隙的傾角分布在60°～90°。整個礦區(qū)節(jié)理裂隙傾角玫瑰圖、柱狀分布圖分別見圖1、圖2。

根據(jù)圖1和圖2可知，全礦區(qū)節(jié)理裂隙傾角為60°～90°的節(jié)理裂隙條數(shù)占比近40%，同樣能分為3組：第一組傾角為60°～70°，占節(jié)理裂隙總數(shù)的12.7%，平均傾角為67.1°；第二組傾角為70°～80°，占節(jié)理裂隙總數(shù)的12.9%，平均傾角為74.9°；第三組傾角為80°～90°，占節(jié)理裂隙總數(shù)的14.2%，平均傾角為85.3°。傾角分布為80°～90°的節(jié)理裂隙占比最多。

根據(jù)圖3所示，全礦區(qū)各水平節(jié)理裂隙傾角分布不盡相同，-508 m水平礦區(qū)的節(jié)理裂隙尤其發(fā)育，占全礦區(qū)總數(shù)近22.1%，而-455，-470，-515 m水平礦區(qū)巖體節(jié)理裂隙密度較大，-494與-485 m水平礦區(qū)節(jié)理裂隙僅占全區(qū)的1.3%；-470與-508 m水平節(jié)理裂隙數(shù)目按傾角分布趨勢相同，在30°～50°區(qū)間內最少；-455與-515 m水平礦區(qū)節(jié)理裂隙數(shù)目按傾角分布趨勢相同，隨傾角增大而逐漸增多。

3 結論

（1）利用數(shù)字近景攝影方法獲取7 400余條節(jié)理裂隙幾何參數(shù)及其相關信息。

（2）傾角在60°～90°的節(jié)理裂隙約占整個礦區(qū)節(jié)理裂隙的40%，為優(yōu)勢節(jié)理裂隙組。

（3）-455，-470，-508，-515 m水平礦區(qū)的節(jié)理裂隙較為發(fā)育，傾角大小分布趨勢與全區(qū)趨勢近似，節(jié)理的分布密度較大，表明這些水平的巖體穩(wěn)定性相對較差，需采取適當監(jiān)測措施，在開采作業(yè)中值得警惕。