安慶銅礦-400m以下巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)與分析

李大和，況丹陽(yáng)，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(píng)價(jià)與分析

李大和1，況丹陽(yáng)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(kāi)采要求，通過(guò)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(jì))和質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)(巖石堅(jiān)硬程度、完整程度、基本質(zhì)量分級(jí)、工程巖體質(zhì)量級(jí)別劃分)對(duì)安慶銅礦1#礦體-400m以下巖體質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)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(shì)產(chǎn)狀與F1斷層一致；開(kāi)采最佳軸線方向?yàn)?8°方位，重要工程(采場(chǎng)、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(jiān)硬或較堅(jiān)硬巖，完整性程度較好，工程巖體級(jí)別為III級(jí)。所得巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)論可為礦山后期開(kāi)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(píng)價(jià)；結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)

隨著安慶銅礦開(kāi)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(duì)開(kāi)采穩(wěn)定性有所影響。-400m以下對(duì)開(kāi)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(zhǎng)巖組、礦巖巖組及F1斷層破碎帶巖組。本文主要通過(guò)巖體工程地質(zhì)調(diào)查和質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)對(duì)安慶銅礦1#礦體-400m以下巖體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估和分析，為礦山后期開(kāi)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(jí)時(shí)，主要考慮兩項(xiàng)因素：一是巖石強(qiáng)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(kāi)度、充填物、風(fēng)化程度等。結(jié)構(gòu)面對(duì)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(píng)價(jià)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(dāng)某組結(jié)構(gòu)面與觀測(cè)面平行時(shí)，采用條帶法易造成結(jié)構(gòu)面漏測(cè)(或抽樣數(shù)量太少而無(wú)法統(tǒng)計(jì))，因此應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，在同一觀測(cè)區(qū)域內(nèi)布置多條不同方向的觀測(cè)面，以避免結(jié)構(gòu)面組遺漏。

由于羅盤(pán)在磁鐵礦山無(wú)法使用，為此將游標(biāo)量角器改造成具有兩條長(zhǎng)翼的測(cè)斜規(guī)，對(duì)結(jié)構(gòu)面傾向方位進(jìn)行間接測(cè)量。其基本方法為，用測(cè)斜規(guī)測(cè)量結(jié)構(gòu)面走向與測(cè)線的水平夾角，根據(jù)測(cè)線已知方位推算結(jié)構(gòu)面傾向方位。測(cè)線方位采用大地測(cè)量方法提前測(cè)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(gè)中段，共布置測(cè)線23條，總長(zhǎng)度533m。實(shí)測(cè)22條，總長(zhǎng)度519m，實(shí)際測(cè)量節(jié)理裂隙2528條。測(cè)線布置情況見(jiàn)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(jì)分析

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

對(duì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的統(tǒng)計(jì)分析，采用基于概率模型的數(shù)理統(tǒng)計(jì)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(jì)方法依然存在一些問(wèn)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(jì)方法及巖體結(jié)構(gòu)面分組的動(dòng)態(tài)聚類(lèi)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(jiǎn)單直觀，而且更加準(zhǔn)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(jì)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(jì)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(jìn)行。具體分析過(guò)程為：首先對(duì)每條測(cè)線不同巖組的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，然后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)于同一中段相近測(cè)線的同一巖組，若其結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果(包括分組數(shù)量、優(yōu)勢(shì)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。根據(jù)這一方法，每一組計(jì)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(jì)特征。

對(duì)-400m以下的礦體、矽卡巖、閃長(zhǎng)巖和大理巖進(jìn)行調(diào)查，將所有測(cè)線觀測(cè)數(shù)據(jù)合并進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)，可得到表2和圖1所示結(jié)果。從整體區(qū)域來(lái)看，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分組特性也是非常明顯的?？傮w上看，主要存在5組結(jié)構(gòu)面，它們的優(yōu)勢(shì)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(shì)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(píng)價(jià)

2.1 巖石堅(jiān)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(yàn)測(cè)試結(jié)果，各主要巖體的巖性較好，巖石堅(jiān)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(jì)分析結(jié)果

表3 巖石堅(jiān)硬程度的定量定性測(cè)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(jì)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。其中，巖體完整性定量指標(biāo)是通過(guò)統(tǒng)計(jì)巖體體積節(jié)理數(shù)(Jv)獲得。根據(jù)文獻(xiàn)巖石力學(xué)試驗(yàn)建議方法，統(tǒng)計(jì)每組節(jié)理數(shù)目時(shí)應(yīng)當(dāng)用一定長(zhǎng)度的測(cè)尺(一般為5m或10m的測(cè)尺)沿著有關(guān)節(jié)理組的垂直方向計(jì)數(shù)。事實(shí)上，由于受揭露面高度的限制，在井下進(jìn)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(chǎng)按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)直接進(jìn)行結(jié)構(gòu)面組的每米節(jié)理數(shù)測(cè)量是不現(xiàn)實(shí)的。本次構(gòu)造調(diào)查采用條帶法測(cè)量，對(duì)測(cè)線上下1m的條帶范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)量，因此，可以在室內(nèi)采用如下方法測(cè)量統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)面組每米節(jié)理數(shù)：①選定所測(cè)條帶，確定統(tǒng)計(jì)測(cè)量的長(zhǎng)度范圍；②做統(tǒng)計(jì)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(biāo)識(shí)每條跡線的分組號(hào)；④對(duì)應(yīng)每組結(jié)構(gòu)面，各模擬布置一條5m長(zhǎng)的測(cè)尺，測(cè)尺的布置方向?yàn)槊拷M結(jié)構(gòu)面的優(yōu)勢(shì)面法線方向，然后做測(cè)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(zhǎng)度反算出測(cè)尺的有效長(zhǎng)度；⑤沿條帶中央測(cè)線的長(zhǎng)度方向，每隔一定距離用各測(cè)尺的投影進(jìn)行量測(cè)計(jì)數(shù)，即對(duì)每一結(jié)構(gòu)面組，用與其對(duì)應(yīng)的測(cè)尺量測(cè)屬于該結(jié)構(gòu)面組的結(jié)構(gòu)面跡線，計(jì)算它們的相交數(shù)量，然后取平均值，再除以測(cè)尺的有效長(zhǎng)度，即得到每組結(jié)構(gòu)面在所測(cè)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(jì)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(jì)部位的測(cè)線長(zhǎng)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?？傮w而言，巖體完整性較好。

2.3 巖體的基本質(zhì)量分級(jí)

根據(jù)測(cè)定的巖體堅(jiān)硬性及巖體完整性結(jié)果，即可對(duì)各巖組的基本質(zhì)量進(jìn)行分級(jí)，結(jié)果如表5所示，礦體、矽卡巖及蝕變閃長(zhǎng)巖的基本質(zhì)量屬于第II級(jí)，而大理巖因堅(jiān)硬程度相對(duì)較弱而屬于第III級(jí)。事實(shí)上，由于各種巖體的堅(jiān)硬程度都較高(尤其是礦體、矽卡巖和閃長(zhǎng)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(shuō)，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(jí)別劃分

工程巖體級(jí)別是通過(guò)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(chǎng)影響，對(duì)巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ進(jìn)行折減修正來(lái)確定(表6)。

表4 巖體完整程度的測(cè)定結(jié)果

表5 巖體基本質(zhì)量分級(jí)結(jié)果

表6 工程巖體質(zhì)量級(jí)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(chǎng)，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?qǐng)鲩_(kāi)采將導(dǎo)致巖體應(yīng)力場(chǎng)的巨大變化，因此，在實(shí)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(jí)別。表6的結(jié)果只是從總體上對(duì)-400m以下各主要巖體的質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行修正，并作出質(zhì)量級(jí)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(xiàng)影響，修正系數(shù)K1取為0；地下最主要的開(kāi)挖結(jié)構(gòu)(采場(chǎng)及鑿巖硐室的軸向是比較有利方向，但根據(jù)對(duì)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(duì)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(duì)較差，因此，對(duì)礦體、矽卡巖及閃長(zhǎng)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(chǎng)及鑿巖硐室上盤(pán)的大理巖部位，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀一般是有利的，因此對(duì)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(cè)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(guò)各影響因素修正之后，得到的各巖體的工程巖體質(zhì)量級(jí)別都為第III級(jí)，除大理巖外，其他巖體比相應(yīng)的巖體基本質(zhì)量級(jí)別下降一級(jí)。

3 結(jié) 論

1)F1斷層對(duì)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(jì)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(shì)產(chǎn)狀與F1斷層是一致的，但這組結(jié)構(gòu)面對(duì)于以垂直礦體走向布置的采場(chǎng)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(jì)結(jié)果，地下開(kāi)采的最佳軸線方向?yàn)?8°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(chǎng)、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(duì)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(zhǎng)巖屬于堅(jiān)硬巖，大理巖屬于堅(jiān)硬或較堅(jiān)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(zhǎng)巖的巖體基本質(zhì)量級(jí)別為II級(jí)，即較好級(jí)；大理巖為III級(jí)，即一般級(jí)?？紤]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(jí)別都為III級(jí)。

[1] 楊小聰，陳忠輝.安慶銅礦開(kāi)采過(guò)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(guó)家科技支撐計(jì)劃課題項(xiàng)目資助(編號(hào)：2013BAB02B02)

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

TD31;TU45

A

1004-4051(2015)06-0090-04