高海拔大型銅多金屬礦井下工程地質調查與巖體質量評價

戈凱，王亞軍，李強

(1.西藏華泰龍礦業開發有限公司，西藏 拉薩 850200；2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012；3.國家金屬采礦工程技術研究中心，湖南 長沙 410012)

0 引言

甲瑪銅多金屬礦二期地下開采范圍內二、三標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，并且相對破碎。破碎氧化帶內主要含有角巖、矽卡巖和大理巖。破碎氧化帶呈現品位富、氧化率高、節理裂隙發育、水文地質簡單等典型特征，對掘進與采礦等作業均造成不良的工程影響，主要表現為礦柱壓裂、邊邦垮塌、頂板垮冒、采準巷道開裂及冒頂等情況。

針對甲瑪銅多金屬礦二期地下開采破碎氧化帶的開采技術條件，為了適應新形勢下國家及各級政府相關政策的要求及礦山長遠發展的戰略需要，提高礦產資源的利用率，確保破碎氧化帶礦體的安全回采，亟需開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域礦體賦存情況的安全可靠的采礦方法，為礦山持續安全穩定的發展提供了重要的技術支撐和保障。開展工程地質調查和巖體質量評價工作，對各巖組的穩定性情況進行定性和定量綜合評價及分級，修正破碎氧化帶區域內各組巖體的物理力學參數，可為井下采礦方法方案研究提供可靠的參數依據。

1 工程地質調查

本次調查的對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 調查的區域與方法

本次結構面現場調查主要集中于礦區井下4320 m 水平1#聯道南、4320 m 水平2#聯道、4374水平m 1#聯道、4440 m 水平3-2-6 東采場1#出礦穿。使用羅盤、皮尺與數碼相機等工具觀測節理或斷層面產狀、裂隙寬度及充填物情況、結構面形狀及粗糙度、結構面延伸長度、節理間距等情況。調查方位采取了詳測線相互垂直的形式[1?2]，以利于調查結果更具有代表性和全面性。本次調查測繪選擇各巖組發育的代表性區域進行，調查到的結構面數量見表1。

表1 結構面調查統計

1.2 工程地質調查內容及分析

1.2.1 結構面發育特征

（1）角巖?；摇祷疑?，巖性致密堅硬，為塊狀構造，多穿插石英脈、硅化及綠泥石條帶。節理、裂隙一般為壓性，極少量為壓扭性，閉合，寬度一般小于1 mm，膠結較好，局部有滴水。結構面以平直光滑為主，少量為平直粗糙。調查區域內角巖結構面絕大多數發育情況表現為V 級結構面，發育兩條IV 級結構面，裂隙寬度為10～20 cm；一條III 級結構面，裂隙寬度為10～50 cm。

（2）矽卡巖。灰色—淺綠色，巖性致密堅硬，為塊狀構造，多穿插石英、方解石脈及硅化條帶。節理、裂隙以壓性為主，少量為壓扭性，閉合，寬度一般小于1 mm，膠結好，基本無水。結構面以平直粗糙為主，少量為平直光滑和彎曲粗糙。調查區域內矽卡巖結構面發育情況均表現為V 級結構面，未見IV 級及以上結構面。

（3）大理巖?；液凇野咨?，巖性致密堅硬，為塊狀構造，多穿插石英、方解石脈及硅化條帶。節理、裂隙一般為壓扭性，極少量為壓性，閉合，寬度一般小于1 mm，膠結好，局部淋水。結構面以彎曲粗糙為主，少量為平直粗糙。調查區域內大理巖結構面絕大多數發育情況表現為V 級結構面，僅發育一條III 級結構面。

1.2.2 結構面統計分析

（1）角巖。由dips 統計分析可知，角巖有4組優勢結構面，具體分析結果如圖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 角巖結構面統計分析結果

（2）矽卡巖。由dips 統計分析可知，矽卡巖有3 組優勢結構面，具體分析結果如圖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 矽卡巖結構面統計分析結果

（3）大理巖。由dips 統計分析可知，大理巖有3 組優勢結構面，具體分析結果如圖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 大理巖結構面統計分析結果

由節理面間距測量的結果，采用下式確定巖石質量指標：

式中，λ表示節理面的密度，與節理間距相關；t為閾值，常值t=0.1 m。

根據結構面的調查統計，3 種巖組結構面平均間距見表2。

表2 結構面平均間距對比

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

2 巖體質量評級

巖體質量的優劣對巖體工程的整體穩定性有直接影響，熟悉巖體結構特征，對巖體質量進行評價，有助于更好的開展工程設計與現場施工。常用的巖體質量評價方法有：巖土規范法、節理巖體的CSIR 分級法和Q 系統分級法[3?5]。

2.1 巖土規范法

根據《工程地質手冊》（第五版）按照巖石堅硬程度（表3）、巖體完整程度（表4），確定巖體基本質量等級分類。

表3 巖石堅硬程度分類

表4 巖體完整程度分類

結合巖體的堅硬程度及完整性情況，將巖體基本質量等級按表5 形式進行分類。

對照表3～表5 所給出的巖體基本質量等級分類，對甲瑪銅多金屬礦破碎氧化帶區域內角巖、矽卡巖和大理巖進行基本質量等級劃分，見表6。

表5 巖體基本質量等級分類

表6 巖體基本質量等級分類

2.2 節理巖體的CSIR 分級法

CSIR（RMR）分級法經過多次的實例驗證和修改，參照完整的巖石強度、巖石質量指標（RQD）、節理間距、節理狀態和地下水條件等5 個分級指標情況，綜合各分級指標得分情況得到CSIR（RMR）分級結果。

根據各分級指標得分標準，結合工程地質調查情況，將甲瑪銅多金屬礦破碎氧化帶區域各巖性進行了分類，各巖體節理狀態評分見表7，分類結果見表8。

表7 巖體的節理狀態評分

表8 巖體的CSIR（RMR）分類結果

2.3 Q 系統分級法

Q 系統分級法為N.Barton 等人提出的一種對巖體質量進行分類的方法。Q值由RQD值、節理組數Jn、節理面粗糙度Jr、節理面蝕變程度Ja、裂隙水影響因素Jw以及地應力影響因素SRF等6 項指標組成，其表達式為：

根據統計分析，巖體質量與Q值之間的定量關系見表9。

表9 Q 分類系統

一般建議采用下列公式計算工程跨度：

式中，W為井下工程無支護最大安全跨度，m；Q為巖體質量指標；ESR為支護比。

對于永久性礦山巷道，可取值ESR=1.6～2.0；對于臨時性井下巷道或硐室，可取值ESR=3～5。

表10 為甲瑪銅多金屬礦破碎氧化帶區域主要巖性的Q值以及巖體質量分類類級。將井下采空區看作半永久性工程（控制空場時間，盡快完成空區充填），ESR可取3～3.5，計算采空區無支護時的最大安全跨度。ESR不同取值區間各巖性對應的最大跨度見表11。

表10 Q 系統巖體分級結果

表11 不同巖體的最大安全跨度

2.4 不同方法的巖體質量分級結果匯總及對比

對3 種巖石的不同方法質量分級情況進行匯總分析，最終確定甲瑪銅多金屬礦破碎氧化帶區域巖體的綜合分級[6?8]，見表12。

表12 巖體分級結果匯總對比

3 結論與建議

3.1 結論

（1）分別運用巖土規范法、CSIR（RMR）分級法和Q 系統分級法對甲瑪銅多金屬礦破碎氧化帶區域內角巖、矽卡巖和大理巖的巖體質量進行了分級與評價，綜合各分級結果可知：角巖、矽卡巖和大理巖的巖體質量均為中等。

（2）根據巖體的Q值，利用經驗公式計算得到不同礦巖中永久性礦山巷道、臨時性礦山巷道或硐室、半永久性工程（如采空區）無支護時的最大安全跨度。

3.2 建議

（1）對礦區進行了原巖地應力測試，礦山巷道應盡量沿最大主應力方向布置。

（2）因在礦體與頂板角巖間存在一層厚度不均的破碎帶，在掘進時，建議超前鉆探，若頂板上發育破碎帶，應留2～3 m 以上的護頂層。

（3）采用適合金屬礦山開采的以聲發射/微震為主的地壓監測預警措施，對破碎氧化帶主要生產區域的穩定性情況進行實時在線監測，對可能發生的地壓災害活動進行預報預警，保障井下施工人員和設備的安全。