武寧縣大坑礦區(qū)工程地質(zhì)特征與評價分析

張元雪

摘要：本文以大坑釩礦為實際案例，分析了大坑礦區(qū)的工程地質(zhì)特征、對礦區(qū)開采中的工程地質(zhì)問題進行了預測和評價，得出了大坑礦區(qū)的工程地質(zhì)條件屬復雜類型，同時對礦區(qū)開采中的可能存在工程地質(zhì)問題提供了防治措施。

關(guān)鍵詞：大坑礦區(qū)；礦床；程地質(zhì)特征；評價；防治

1、工程概況

大坑礦區(qū)位于武寧縣澧溪鎮(zhèn)境內(nèi)，地理坐標：東經(jīng)114°52′45″～114°54′45″，北緯29°17′45″～29°18′15″。屬沉積石煤型釩礦，儲量達到中型規(guī)模，礦山目前還未開采。

2、工程地質(zhì)特征

2.1巖（土）層（體）工程地質(zhì)特征

礦區(qū)巖類主要為沉積碎屑巖，次為第四系松散、松軟巖。

（1）第四系松散、松軟巖類

山坡、坡麓地帶，為殘積、殘坡積成因，巖性為碎石土、含碎石粉質(zhì)粘土，松散—中等密實，厚度0.60～21.39m。呈不連續(xù)、零散分布。

山前、坡谷地帶為坡洪、沖洪積成因，巖性為夾碎石或礫石粉質(zhì)粘土，松散，具中～高壓縮性，厚度小于5m。

（2）沉積碎屑巖

由寒武系下統(tǒng)王音鋪組與震旦系上統(tǒng)皮園村組地層組成。

寒武系下統(tǒng)王音鋪組（∈1w）：是礦區(qū)賦礦巖層，巖性為以黑色炭質(zhì)泥（頁）巖為主，夾石煤層，薄層狀、條帶狀硅質(zhì)巖，白云巖透鏡體，厚度75～230m。與下伏底板巖層震旦系上統(tǒng)皮園村組（Z2p）呈整合接觸，東部呈斷層接觸。

釩礦體主要賦存于炭質(zhì)頁巖、石煤層中，產(chǎn)狀與地層大致一致，總體走向近東西，傾向南，傾角12～58°，礦體呈層狀、似層狀、透鏡狀產(chǎn)出。該層是礦體的直接頂或底板層位，炭質(zhì)頁巖及石煤層呈片理狀，碎裂結(jié)構(gòu)，炭質(zhì)泥巖、條帶狀硅質(zhì)巖白云巖透鏡體受滑脫斷裂影響巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石完整性不同程度受到破壞，降低了頂板巖層的穩(wěn)固性。新鮮完整巖石干燥單軸抗壓強度Rc=29.6～68.9MPa，巖石飽和單軸抗壓強度Rb=13.6～51.0MPa，內(nèi)聚力3.9～5.1 MPa，內(nèi)摩擦角41.1°～44°，軟化系數(shù)0.45～0.75，屬半堅硬-軟弱巖石。地表巖石風化強烈。

震旦系上統(tǒng)皮園村組（Z2p）：為礦體直接底板巖層。

巖性為微細層理狀硅質(zhì)巖，夾泥質(zhì)粉砂巖或炭質(zhì)泥巖、塊狀硅質(zhì)巖、炭質(zhì)泥巖、含炭硅質(zhì)巖、夾硅質(zhì)泥巖。該地層與上覆王音鋪組地層部分呈滑脫斷裂接觸，并因滑脫斷裂影響，接觸帶巖石碎裂明顯，完整性差。新鮮完整巖石較堅硬，巖石干燥單軸抗壓強度Rc=39.1～67.1MPa，巖石飽和單軸抗壓強度Rb=20.4～47.7MPa，內(nèi)聚力4.4～5.1 MPa，內(nèi)摩擦角43°～45.6°?？傮w屬半堅硬—軟弱巖石。

2.2巖石風化與風化帶特征

巖石風化取決于巖石內(nèi)在物理、化學風化機制，風化程度與巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、節(jié)理裂隙發(fā)育程度和地表水、地下水的活動及地形、地貌、氣候因素等地質(zhì)環(huán)境條件有密切的關(guān)系，是多種因素的綜合。

地表調(diào)查與鉆孔巖芯觀察，巖石風化強度由表及里過渡，風化狀態(tài)由土狀過渡到碎屑狀、碎塊狀至原巖，風化后的巖石呈散體狀、土狀、團塊狀，塊體間無粘結(jié)，風化巖體力學強度低。風化帶深度在平面上深淺不一，淺處一般0.6～4m，普遍達5～11m，局部似風化凹槽，深度12～23.43m。風化作用而形成的軟弱夾層等軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，沿傾向延伸可達數(shù)十米，沿構(gòu)造破碎帶風化影響延深更大。

2. 3構(gòu)造破碎帶工程地質(zhì)特征

礦區(qū)東部發(fā)育寒武系下統(tǒng)王音輔組與震旦系上統(tǒng)皮園村組之間層間破碎帶，表現(xiàn)為影響寬度幾米至數(shù)十米變化不一的硅化破碎帶，部分見碎裂巖，斷層擦痕及階步，局部硅化較強、地層缺失，衍生構(gòu)造裂隙、構(gòu)造破碎帶發(fā)育。對頂?shù)装鍘r層完整性和穩(wěn)固性造成破壞，同時亦形成地下水的強富水帶和承壓含水區(qū)，鉆孔揭露時，均表現(xiàn)出高水頭性質(zhì)或涌水現(xiàn)象。亦將是坑道滲水、涌水強烈的部位，是發(fā)生片幫、掉塊、垮坍等現(xiàn)象極易的部位。

2. 4各類結(jié)構(gòu)面特征與組合關(guān)系及對巖體穩(wěn)定性影響

1、層面與節(jié)理裂隙面

該結(jié)構(gòu)面一般結(jié)合緊密，層面與節(jié)理裂隙一般延伸有限，傾向垂深與寬度均不明顯，屬于Ⅳ級結(jié)構(gòu)面。

巖體層面往往被裂隙及裂隙與裂隙間的相互切割，使巖體的完整性受到破壞，影響巖體的力學性質(zhì)及局部穩(wěn)定性。多組裂隙互為交織，則形成節(jié)理裂隙密集帶，成為不良工程地質(zhì)帶。

2、斷裂面與軟弱面

礦區(qū)該兩結(jié)構(gòu)面具有一定規(guī)模，一般走向延伸較大，可達數(shù)百米以內(nèi)，傾向垂深達數(shù)十米以上。結(jié)構(gòu)面分級屬于Ⅱ級結(jié)構(gòu)面。

礦區(qū)壓或壓扭性斷裂面，結(jié)構(gòu)面光滑，擦痕明顯，一般呈平直或舒緩波狀延伸，可見長度數(shù)米至數(shù)十米，臨空一側(cè)巖體沿結(jié)構(gòu)面易整體滑落；張或張扭性斷裂面粗糙，多呈齒狀，階步顯見，沿結(jié)構(gòu)面雙側(cè)派生的張性節(jié)理密集，巖石碎裂，極易發(fā)生掉塊與崩落；軟弱帶內(nèi)巖性軟弱易崩解，軟弱結(jié)構(gòu)面臨空巖體易發(fā)生崩塌。

2. 5巖體結(jié)構(gòu)

根據(jù)鉆孔巖芯狀態(tài)，礦區(qū)內(nèi)王音鋪組地層巖體結(jié)構(gòu)形態(tài)為塊狀、層狀和薄層狀結(jié)構(gòu)體，屬層狀、薄層狀結(jié)構(gòu)體，巖體中以Ⅲ、Ⅳ級結(jié)構(gòu)面為常見，除構(gòu)造破碎帶、節(jié)理裂隙密集帶、軟弱夾層、石煤層巖石質(zhì)量指標RQD極低或無外，一般均可獲得較高的RQD值，巖芯呈柱狀、短柱狀；皮園村組地層巖體結(jié)構(gòu)形態(tài)為層狀和薄層狀結(jié)構(gòu)體，屬層狀、薄層狀結(jié)構(gòu)體，巖體中以Ⅲ、Ⅳ級結(jié)構(gòu)面為常見，除構(gòu)造破碎帶、節(jié)理裂隙密集帶、軟弱夾層巖石質(zhì)量指標RQD極低或無外，一般RQD值中等，巖芯呈短柱狀、塊狀。

2.6工程地質(zhì)巖組劃分

根據(jù)巖（石）體質(zhì)量綜合評價，礦區(qū)內(nèi)巖（石）體可劃分為三個工程地質(zhì)巖組，即堅固巖組、次堅固巖組、不堅固巖組。

首先是堅固巖組

巖組的巖石質(zhì)量等級為Ⅰ、Ⅱ類，巖體質(zhì)量為一般或中等。巖石堅硬，巖體較完整-完整，巖芯狀態(tài)呈長柱狀、短柱狀，少量塊狀。根據(jù)巖組RQD統(tǒng)計：該巖組在王音鋪組巖體中占14.7%；在皮園村組巖體中鉆孔控制深度內(nèi)未見。此類巖組中的井巷、圍巖穩(wěn)固性好，坑道無需支護。

其次是次堅固巖組

巖組的巖石質(zhì)量等級為Ⅲ類，巖體質(zhì)量為壞或差的。巖石較堅硬。巖體中Ⅲ、Ⅳ級結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，巖體中等完整，巖芯以短柱狀為主，次為碎塊狀。該巖組在王音鋪組鉆孔揭露巖體中占31%；在皮園村組鉆孔揭露巖體中占46.65%。傾向垂深厚度一般大于10m。據(jù)統(tǒng)計，傾向垂深厚度1～5m的占10.2%；5～10m的占21.2%；10～15m的占25.3%；15～20m的占18.3%；大于20～40m的占25%。此類巖組井巷圍巖穩(wěn)固性一般或中等，局部會有片幫、掉塊，需稀疏支護。

第三是不堅固巖組

由巖石質(zhì)量等級為Ⅳ、Ⅴ，巖體質(zhì)量為壞或極壞的巖類組成，即含括風化帶、軟弱蝕變帶、軟弱夾層、節(jié)理裂隙密集帶、未膠結(jié)的構(gòu)造擠壓破碎帶內(nèi)的各類松散、破碎、軟弱巖類及第四系松散巖。巖組特點是巖性質(zhì)弱，力學強度低，巖芯呈土狀、團塊狀、碎屑狀及碎塊狀，亦有少量塊狀、柱狀體，但巖塊強度實際無意義。鉆孔揭露風化帶以下，該巖組體現(xiàn)為帶狀延伸，產(chǎn)狀及厚度與構(gòu)造破碎帶、構(gòu)造裂隙帶、軟弱蝕變帶等規(guī)?；疽恢?。傾向延深標高至- 10m以下，但寬度不大亦無連續(xù)性。根據(jù)鉆孔統(tǒng)計，礦床內(nèi)該巖組在揭露的巖體中占54.2%，傾向垂深厚度最小0.74m，最大53.1m；垂深厚度1～5m的占8.7%，5～10m的占19.8%，大于10m的占71.5%。此類巖組井巷圍巖穩(wěn)固性差，坑道揭露時易冒頂、潰塌、泥流，需及時支護。

3、大坑礦工程地質(zhì)評價

3.1露天采場邊坡穩(wěn)定性及主要工程地質(zhì)問題預測與防治意見

（1）露天采場邊坡穩(wěn)定性評價

礦體產(chǎn)狀與巖層產(chǎn)狀基本一致，總體傾向南，走向近東西，其中26～40線礦體連續(xù)性較好，平面上分布1V～7V七個礦體，層狀、似層狀產(chǎn)出；42線僅分布1V單個礦體，產(chǎn)于滑脫斷裂上盤近斷裂接觸帶。露采礦坑底界+150m標高以上設邊坡角70°水平投影：26～40線采坑東西境界長約1665m，南北最寬處28～32線達380m，南北平均寬223m，面積376849m2；42線采坑東西境界長約200m，南北平均寬約68m，面積13451m2。受礦床地形高度控制，26～40線采坑邊坡最大高度可達100～130m，最低處位于34線、36～38線南部沖谷地帶，邊坡高5～10m；42線采坑邊坡高度50～70m。露采邊坡整體北高南低。

從礦床巖層產(chǎn)狀基本可知，北側(cè)邊坡為順向坡，南側(cè)為逆向坡，東西兩側(cè)一般為斜向坡或橫向坡。根據(jù)礦床礦巖巖性結(jié)構(gòu)組合與巖組工程地質(zhì)特性，不難推定，露采邊坡體大多由不堅固、次堅固巖組構(gòu)成，且均屬巖土混合坡型，受不良巖組與不利結(jié)構(gòu)影響，邊坡穩(wěn)定性一般較差。

（2）露采邊坡主要工程地質(zhì)問題預測與防治意見

露采邊坡巖性組合復雜，不良巖組與不利結(jié)構(gòu)面構(gòu)成邊坡不穩(wěn)定因素，在內(nèi)外地質(zhì)營力作用下，露采邊坡局部或大部發(fā)生崩塌、滑坡等次生地質(zhì)災害的可能性較大，而成為露采邊坡主要的工程地質(zhì)問題，因此，建議開采前應進行邊坡穩(wěn)定性專項研究，確定合理、安全的開采邊坡設計方案，開采中須采取必要、可行的防護措施。

3.2井巷圍巖穩(wěn)固性及主要工程地質(zhì)問題預測與防治意見

（1）井巷圍巖穩(wěn)固性評價

礦床最低開采標高0m以上，由震旦系上統(tǒng)皮園村硅質(zhì)巖（底板）及寒武系下統(tǒng)王音鋪組組成井巷圍巖。根據(jù)礦床巖石（體）質(zhì)量評價與工程地質(zhì)巖組統(tǒng)計，礦床巖石質(zhì)量等級Ⅰ～Ⅱ類、巖體質(zhì)量分級中等，劃分為堅固巖組的僅占礦床巖體總厚度的14.7%；巖石質(zhì)量等級為Ⅲ類、巖體質(zhì)量分級為差，劃分為次堅固巖組的在王音鋪組巖體中占31%，在控制底板皮園村組巖體中占46.65%；巖石質(zhì)量等級為Ⅳ～Ⅴ類、巖體質(zhì)量分級為壞，劃分為不堅固巖組的在王音鋪組巖體中占54.2%，在控制底板皮園村組巖體中占53.35%。由此可見，井巷開采中，坑道多穿行于不良巖組中，因此，多數(shù)井巷圍巖穩(wěn)固性差。

（2）井巷開采主要工程地質(zhì)問題預測與防治意見

如前所述，礦床不良巖組占主位，是礦床開采中發(fā)生不良工程地質(zhì)問題的主要因素。在不良巖組中穿行的坑道，產(chǎn)生片幫、掉塊、冒頂、潰塌、涌泥、鼓漲與局部變形等是井巷開采中主要工程地質(zhì)問題。井掘進中應及時施以穩(wěn)固可靠的支護，同時采空礦房應留足安全礦柱，巷道運行中應加強防護與監(jiān)測。

結(jié)束語：礦床巖石（體）質(zhì)量以Ⅳ、Ⅴ級占主位，礦體圍巖破碎，斷裂破碎帶及衍生破碎帶與各類結(jié)構(gòu)面發(fā)育，露采邊坡穩(wěn)定性較差，巷道普遍存在變形破壞，因此礦區(qū)工程地質(zhì)條件為復雜類型，礦山未來開采中應高度重視工程地質(zhì)問題，加強防治。

參考文獻

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