嫩江市銅山銅礦工程地質(zhì)特性及地下開(kāi)采穩(wěn)定性研究

王宇晨

（黑龍江多寶山銅業(yè)股份有限公司，黑龍江 黑河 161416）

1 地質(zhì)概況

銅山礦所處大地構(gòu)造位置為大興安嶺地槽褶皺系東段罕達(dá)氣褶皺帶的西部，三礦溝至裸河北西向構(gòu)造帶的多寶山復(fù)背斜的南西翼。礦區(qū)出露的地層有古生界奧陶系中統(tǒng)銅山組、多寶山組及第四系全新統(tǒng)堆積物。礦區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有北西向構(gòu)造、東西向構(gòu)造及南北向構(gòu)造。礦區(qū)巖漿活動(dòng)主要表現(xiàn)為兩種方式，即火山活動(dòng)和侵入活動(dòng)。火山活動(dòng)以?shī)W陶世中期多寶山組地層中的安山巖和英安巖為代表；侵入活動(dòng)以石炭世早期至晚期多寶山超單元，三疊世早期窩里河超單元及與其伴生的脈巖為代表[1]。礦區(qū)內(nèi)圍巖蝕變具多期次、多階段的特點(diǎn)。其形成與本區(qū)構(gòu)造及巖漿活動(dòng)密切相關(guān)，將礦區(qū)內(nèi)圍巖蝕變劃分為四期，即零蝕變期、第一蝕變期、第二蝕變期和第三蝕變期。地下水主要有第四系松散巖類孔隙水和基巖風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水兩種類型。第四系松散巖類孔隙水分布區(qū)遠(yuǎn)離礦體，對(duì)礦床開(kāi)采無(wú)影響。僅基巖風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水含水層與淺層礦體接觸，為礦床直接充水的含水層。銅山礦屬風(fēng)化裂隙充水的水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的礦床。銅山礦礦床走向?yàn)?80°～310°向南西傾，傾角為40°～80°，銅平均品位0.54%，屬規(guī)模大但品位低的厚大礦床，采用無(wú)底柱分段崩落法開(kāi)采。

2 工程地質(zhì)特征

2.1 工程地質(zhì)巖帶、巖組特征

根據(jù)地層、構(gòu)造、巖性、巖石風(fēng)化程度，共劃分五個(gè)工程地質(zhì)巖帶、九個(gè)工程地質(zhì)巖組?，F(xiàn)按巖帶垂向分布順序敘述如下：

（1）第四糸松散巖帶：在礦區(qū)廣泛分布，主要由殘坡積粘土碎石組成，一般厚3m～5m，局部地段厚達(dá)23.83m。呈散體結(jié)構(gòu)，屬最不穩(wěn)定巖組。

（2）巖石風(fēng)化帶：在測(cè)區(qū)廣泛分布，一般埋深3m～5m，最深達(dá)24m。厚度25m～40m，最厚達(dá)65m。上覆殘坡積粘土碎石層，下伏新鮮基巖。依據(jù)巖石風(fēng)化程度，將風(fēng)化帶劃分為強(qiáng)風(fēng)化巖組和弱風(fēng)化巖組。

強(qiáng)風(fēng)化巖組：強(qiáng)風(fēng)化巖組和弱風(fēng)化巖組界面一般埋深10m～15m，最深43.35m。一般厚度4m～13m。根據(jù)前人工程地質(zhì)編錄資料，強(qiáng)風(fēng)化巖組巖芯多為碎塊狀、少為短柱狀、泥土狀[2]。巖石大部分退色，部分礦物粘土化。巖石抗壓強(qiáng)度較低，平均抗壓強(qiáng)度為21.8MPa，最大24.2MPa，屬較弱巖石類。該巖組裂隙極其發(fā)育，每米5～10條，裂面鐵錳染強(qiáng)烈，含水特征明顯。巖體呈碎裂結(jié)構(gòu)，屬不穩(wěn)定巖組。

弱風(fēng)化巖組：位于強(qiáng)風(fēng)化巖組之下，一般厚20m～30m，最厚50m。根據(jù)前人工程地質(zhì)編錄資料得知，巖芯多為短柱狀，少為長(zhǎng)柱狀或塊狀。巖石新鮮，力學(xué)強(qiáng)度高，平均抗壓強(qiáng)度為93.4MPa，屬堅(jiān)硬巖石。本巖組裂隙較少，每米1～3條不等。裂面具輕微鐵錳染，含水恃征較為明顯。巖體呈塊狀結(jié)構(gòu)，較為穩(wěn)定[3]。

（3）完整巖石帶：礦床及圍巖的百分之八十為完整巖石帶，主要由奧陶系中統(tǒng)多寶山組銅山組地層和多寶山超單元銅山Ⅰ號(hào)礦體單元等侵入體組成。巖石新鮮未受風(fēng)化和構(gòu)造作用破壞，但均有不同程度的蝕變。根據(jù)巖石成因類型，可劃分四個(gè)工程地質(zhì)巖組。從鉆孔巖芯工程地質(zhì)編錄和巖石力學(xué)性能試驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)得知，各巖組間接觸密合，四個(gè)巖組無(wú)一屬軟弱巖層（體），均為堅(jiān)硬類巖石。本帶巖體呈整體結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性好。

（4）斷層構(gòu)造破碎巖帶：為銅山斷層壓碎巖組，主要由斷層泥、斷層角礫組成，厚度2m～25m，傾向南，傾角35°～45°，屬軟弱巖石散體結(jié)構(gòu)，最不穩(wěn)定。

（5）節(jié)理（片理）裂隙密集巖帶：巖石受節(jié)理、片理及小斷層等結(jié)構(gòu)面切割，抗壓強(qiáng)度低，平均為29.0MPa～34.1MPa，屬半堅(jiān)硬—軟弱巖石類型。多分布于銅山斷層壓碎巖組的兩側(cè)，多呈條帶狀，局部呈透鏡狀。厚5m～20m，最厚65m，該帶巖體為鑲嵌結(jié)構(gòu)，欠穩(wěn)定。

2.2 結(jié)構(gòu)面

礦區(qū)構(gòu)造結(jié)構(gòu)面可劃為三級(jí)，主要有Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面。Ⅰ級(jí)結(jié)構(gòu)面有多寶山倒轉(zhuǎn)背斜、北西向壓性斷裂、北東向張性斷裂，為成礦前或成礦期構(gòu)造，與區(qū)域構(gòu)造聯(lián)系密切，形成的破碎帶遠(yuǎn)離礦體。Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面為銅山斷層破碎帶，該結(jié)構(gòu)面充填有斷層泥和斷層角礫，壓性特征明顯，該結(jié)構(gòu)面直接切割礦體，形成Ⅰ、Ⅱ號(hào)礦體底板。Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面主要為Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面派生的節(jié)理面、片理面和較小斷層面，呈密集狀分布于銅山斷層破碎帶兩側(cè)，形成節(jié)理（片理）裂隙密集帶，多分布于Ⅰ、Ⅱ號(hào)礦體底板段，對(duì)礦床開(kāi)采影響較大。

Ⅰ號(hào)礦體適宜露天開(kāi)采，組成邊坡的巖石主要為綠泥石化絹云母化-石英化絹云母化的安山巖、安山質(zhì)凝灰?guī)r、石英長(zhǎng)石砂巖、英云閃長(zhǎng)巖等。除第四系、強(qiáng)風(fēng)化帶、斷層破碎帶、節(jié)理（片理）裂隙密集帶外，巖石抗壓強(qiáng)度均大于60MPa，屬堅(jiān)硬巖石類。

Ⅱ號(hào)礦體的頂板巖石抗壓強(qiáng)度40.1MPa～58.0MPa、底板巖石抗壓強(qiáng)度40.1MPa～52.5MPa，礦體的力學(xué)指標(biāo)為33.2MPa～66.3MPa。類比己采三十余年的三礦溝銅礦，完整巖石段的井巷圍巖穩(wěn)固性一直很好，無(wú)需采取支護(hù)措施。而構(gòu)造破碎地段的井巷圍巖穩(wěn)固性較差，采取支護(hù)措施后方可施工。而通過(guò)銅山斷層破碎帶巖石節(jié)理（片理）裂隙密集帶地段的井巷圍巖穩(wěn)固性差，施工時(shí)可根據(jù)具體情況采取相應(yīng)的支護(hù)措施。

銅山礦屬塊狀巖類中等工程地質(zhì)類型礦床。

3 工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)

3.1 Ⅰ號(hào)礦體露采邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1.1 露采邊坡工程地質(zhì)特征

Ⅰ號(hào)礦體適宜露天開(kāi)采，本次評(píng)價(jià)露采場(chǎng)擬選在D1056線—D1084線一帶。該地段地面標(biāo)高530m左右，Ⅰ號(hào)礦體最大埋深標(biāo)高370m。設(shè)計(jì)最大坡高160m?，F(xiàn)已開(kāi)采，露采位置在D1056線-D1088線，己采至標(biāo)高至508m～505m。組成邊坡的巖石，主要為綠泥石化絹云母化、石英化絹云母化的安山巖、安山質(zhì)凝灰?guī)r、石英長(zhǎng)石砂巖、英云閃長(zhǎng)巖等。除第四系、強(qiáng)風(fēng)化帶、斷層破碎帶、節(jié)理（片理）裂隙密集帶外，巖石抗壓強(qiáng)度均大于60MPa，屬堅(jiān)硬巖石類。巖石產(chǎn)狀多呈厚層狀，向南陡傾，傾角70°左右。

3.1.2 建議最終邊坡角的確定

采坑?xùn)|部己挖至標(biāo)高505m左右，邊坡角在32°～38°左右，西部己挖至標(biāo)高在507m左右，邊坡角在45°左右。采用類比法選擇采場(chǎng)最終邊坡角。類比對(duì)象為多寶山銅礦床Ⅰ號(hào)帶露采場(chǎng)邊坡和三礦溝銅礦露采場(chǎng)邊坡。多寶山銅礦床Ⅰ號(hào)帶露采場(chǎng)邊坡屬無(wú)水弱風(fēng)化帶地段。巖石為蝕變花崗閃長(zhǎng)巖，抗壓強(qiáng)度均大于60MPa。采場(chǎng)坡高35m，坡面與水平面夾角35°～45°不等?，F(xiàn)己停采近40年。采坑坑底裸露無(wú)堆積物，只在坡角見(jiàn)少量轉(zhuǎn)石，無(wú)整體滑動(dòng)跡象。三礦溝銅礦露采場(chǎng)，屬小型開(kāi)采規(guī)模，邊坡為無(wú)水弱風(fēng)化帶，巖石由蝕變花崗閃長(zhǎng)巖、大理巖、角巖、硅灰?guī)r等組成，抗壓強(qiáng)度均大于60MPa。采場(chǎng)坡高60m，停采30年來(lái)，在70°～80°的邊坡段經(jīng)常出現(xiàn)局部掉塊現(xiàn)象。Ⅰ號(hào)礦體未來(lái)露采邊坡，風(fēng)化帶以下地段為無(wú)水新鮮基巖段，風(fēng)化帶地段地下水疏干后，亦屬于無(wú)水或局部滲水邊坡[4-6]。雖然未來(lái)邊坡高度及規(guī)模大于類比對(duì)象，但綜合考慮工程地質(zhì)條件還是較優(yōu)于類比對(duì)象，故建議未來(lái)露采場(chǎng)最終邊坡角，南、東、西側(cè)邊坡采用48°，北側(cè)邊坡受銅山斷層制約，應(yīng)放緩邊坡角，可采用35°～45°。

3.1.3 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)Ⅰ號(hào)礦體圍巖巖帶巖組及其結(jié)構(gòu)面的工程地質(zhì)特征，對(duì)露天采場(chǎng)各邊坡評(píng)述如下：

（1）南、東、西三側(cè)邊坡穩(wěn)定性評(píng)述：按坡高160m，最終邊坡角45°進(jìn)行設(shè)計(jì)所形成的邊坡體，除第四系、風(fēng)化帶和節(jié)理（片理）裂隙密集帶外，均由整體塊狀或厚層狀巖體組成，巖石堅(jiān)硬。巖層均向南陡傾，傾角70°左右，南側(cè)邊坡與巖層傾向相反，東、西兩側(cè)邊坡與巖層傾向垂直。地下水僅在風(fēng)化帶坡段滲出，對(duì)邊坡破壞作用微弱。故南、東、西三側(cè)邊坡穩(wěn)定條件充足，無(wú)滑坡因素存在，為穩(wěn)定邊坡。但在第四系、強(qiáng)風(fēng)化坡段和節(jié)理（片理）裂隙密集帶局部坡段仍存在坍塌掉塊等欠穩(wěn)定因素。

（2）北側(cè)邊坡穩(wěn)定性評(píng)述：由于銅山斷層破碎帶中的斷層泥和角礫極不穩(wěn)定，北側(cè)邊坡選銅山斷層下盤斷面為界，邊坡角35°～45°，坡面呈舒緩波狀。邊坡巖體呈塊狀、厚層狀構(gòu)造。邊坡巖層向南陡傾，傾角70°左右。雖然邊坡坡向與巖層傾向順向，但坡角小于巖層傾角，為穩(wěn)定型組合。其它條件與南、東、西邊坡相同，故該邊坡也為穩(wěn)定邊坡。但仍注意第四系、強(qiáng)風(fēng)化帶坡段和局部節(jié)理（片理）裂隙密集帶地段存在欠穩(wěn)定因素。

3.2 Ⅱ號(hào)礦體地下井巷圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

Ⅱ號(hào)礦體埋藏深，埋藏深度在29.6m～348.7m，適宜地下井巷法開(kāi)采。根據(jù)礦山工程地質(zhì)調(diào)查資料，采用類比法評(píng)價(jià)。類比對(duì)象為三礦溝銅礦。該礦巖石力學(xué)強(qiáng)度、構(gòu)造發(fā)育程度等工程地質(zhì)特征與本礦基本相似。Ⅱ號(hào)礦體的頂板巖石抗壓強(qiáng)度40.1MPa～58.0MPa、底板巖石力抗壓強(qiáng)度40.1MPa～52.5MPa，礦體的力學(xué)指標(biāo)為33.2MPa～66.3MPa。見(jiàn)Ⅱ號(hào)礦體的頂板、底板巖石、礦體的力學(xué)指標(biāo)表。

礦區(qū)西南約24km為三礦溝銅礦，三礦溝銅礦己開(kāi)采三十余年，完整巖石段的井巷圍巖穩(wěn)固性一直很好，無(wú)需采取支護(hù)措施。而構(gòu)造破碎地段的井巷圍巖穩(wěn)固性較差，采取支護(hù)措施后方可施工。根據(jù)類比原理可知，本礦未來(lái)地下井巷開(kāi)采時(shí)，大部分地段巖石完整，圍巖穩(wěn)固性好。而通過(guò)銅山斷層破碎帶石節(jié)理（片理）裂隙密集帶地段的井巷圍巖穩(wěn)固性差，施工時(shí)可根據(jù)具體情況采取相應(yīng)的支護(hù)措施。

3.3 斷層突水影響評(píng)價(jià)及建議

礦區(qū)附近水資源不豐富，沒(méi)有大的河流、湖泊等大規(guī)模的地表水體。礦區(qū)屬嫩江水系近上游地段，最大河流嫩江位于礦區(qū)以西20km處，歷年最大流量3500m3/s，年平均流量32.4～165m3/s，1～3月份往往斷流。礦區(qū)及附近地表水不甚發(fā)育，主要分布一些季節(jié)性河流。礦區(qū)內(nèi)有多寶山小溪，礦區(qū)外東部有裸河、北部有窩里河、南部有泥鰍河、西南部有關(guān)鳥(niǎo)河，但水量均很小。礦區(qū)位于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，夏季短暫，冬季寒冷漫長(zhǎng)，冰凍期近8個(gè)月之久。礦區(qū)年降雨量531mm～586mm，最大日降雨量61.2mm，6～8月份為雨季，年蒸發(fā)量869mm～990mm，蒸發(fā)量大于降雨量。

銅山斷層（F6）位于礦區(qū)北部，從1040勘探線向西至多寶山礦區(qū)西溝，斷層走向東西，從1040勘探線向東，斷層走向南東東，傾向南，傾角一般在30°～40°，沿傾斜方向傾角變陡，沿走向東部比西部?jī)A角略陡。斷層面微呈舒緩波狀，斷層內(nèi)見(jiàn)有斷層泥和大小不等、分布零亂、比較疏松的角礫，有的角礫具片理化現(xiàn)象，說(shuō)明斷裂先壓后張，具多次活動(dòng)的特點(diǎn)。由于斷層在平面上未與大型地面水體連通，僅接受地下巖體裂隙水的補(bǔ)給，水源不充分，所以該斷層在井巷掘進(jìn)施工時(shí)具有降壓疏干的條件。各分段進(jìn)路巷道穿越斷層，經(jīng)過(guò)多水平多點(diǎn)降壓疏干后，斷層體的來(lái)水量與壓力都將大大減小。

為防范斷層突水給井下開(kāi)采造成的威脅，在巷道掘進(jìn)至靠近斷層附近前，必須先進(jìn)行水平超前鉆探探水，查明斷層賦存狀態(tài)，如斷面為承壓充水?dāng)鄬?，平巷掘進(jìn)的探水孔可與放水降壓工作相結(jié)合，以避免出現(xiàn)大的突然涌水，同時(shí)達(dá)到降壓疏干的目的。

4 地下采場(chǎng)穩(wěn)定性分析

無(wú)底柱分段崩落法采礦，要求上盤圍巖不斷崩落，一方面保證回采階段上方形成足夠的廢石層，維持正?；夭桑硪环矫媸箍諈^(qū)壓力轉(zhuǎn)移到外圍，采場(chǎng)壓力得到釋放，防止在上盤礦巖交界處出現(xiàn)過(guò)度的應(yīng)力集中現(xiàn)象。圍巖穩(wěn)固，不能自行垮落時(shí)要實(shí)施人工放頂，以免采場(chǎng)壓力過(guò)大。當(dāng)中區(qū)礦段落后于兩側(cè)回采時(shí)，起到支撐上盤圍巖，阻止圍巖垮落的作用，也使得自身受到上盤圍巖的巨大壓力。

大間距無(wú)底柱分段崩落法加大了進(jìn)路間距，間柱的抗壓、抗剪能力較強(qiáng)，減少了對(duì)巖體的破壞擾動(dòng)和應(yīng)力集中，改善了地壓狀況，這對(duì)埋藏深、地壓大、礦巖破碎的礦山極為有利。有限元分析結(jié)果表明，在相同條件下，20m×20m的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)力集中程度比15m×15m的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)力集中有了較大的改善，明顯地提高了巷道的穩(wěn)定性和安全性，減少了支護(hù)量?？傊瑢?duì)于采用無(wú)底柱分段崩落法的礦山，增大進(jìn)路間距是改善地壓?jiǎn)栴}的有效手段，加大進(jìn)路間距有利于間柱或采場(chǎng)的穩(wěn)定。加大間距對(duì)采場(chǎng)地壓狀況的改善，在不穩(wěn)礦體采區(qū)或其它礦巖不穩(wěn)礦床具有重要的意義。

通過(guò)進(jìn)路巷道群開(kāi)挖的數(shù)值模擬，并對(duì)開(kāi)挖過(guò)程圍巖的位移、應(yīng)力和塑性區(qū)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)開(kāi)挖后塑性區(qū)范圍不大，巷道具有良好的穩(wěn)定性。因此，設(shè)計(jì)擬采用的進(jìn)路參數(shù)從巷道穩(wěn)定性方面看是較合理的方案。另外，當(dāng)開(kāi)采深度大于350m時(shí)，在臨近上盤圍巖的應(yīng)力集中區(qū)和臨近下盤斷層的應(yīng)力異化集中區(qū)，需要采取一定的巷道支護(hù)措施，確?；夭善陂g巷道的穩(wěn)定性。

根據(jù)上述巖爆傾向性判斷，礦山基建和生產(chǎn)期間可能伴有無(wú)至弱巖爆的發(fā)生。為保證安全生產(chǎn)，避免人員傷亡，建議在基建期間，采用便攜式聲發(fā)射儀監(jiān)測(cè)、磁場(chǎng)檢測(cè)儀監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)觀察記錄等方法監(jiān)測(cè)巖爆；在生產(chǎn)期，在主要工程部位布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)探頭，建立巖爆監(jiān)測(cè)網(wǎng)站，形成巖爆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。