赞比亚巴鲁巴铜矿地质特征及对采矿工程的约束

周应华，董凯程

（1.中色卢安夏铜业有限公司，卢安夏90456；2.中国有色矿业集团有限公司，北京100029；3.北京矿冶研究总院，北京100160）

中国有色矿业集团有限公司在美国次贷危机爆发后的2009年通过参与国际竞标的手段收购了处于停产的赞比亚卢安夏铜业公司，并注册成立了中色卢安铜业有限公司。巴鲁巴铜矿是接管的矿山资产之一，其位于中非铜（钴）成矿带赞比亚境内铜带省卢安夏市罗恩－穆利亚希盆地北缘。矿山于1973年开始投产，是一座已有40余年开采历史的老井采矿山，并已累计产出矿石含铜量100万t以上。笔者根据已有成矿带研究成果以及巴鲁巴铜矿的长期勘查、开发情况，论述巴鲁巴铜矿矿床地质、工程地质及水文地质特征以及对采矿工程的内在约束。

1 区域地质背景

1.1 区域地层

铜矿带区域地层具有明显的二元结构特征，即地层由基底杂岩和上覆沉积盖层组成。基底杂岩主要包括强烈褶皱的卢弗布（Lufubu）黑云母石英片岩、穆瓦纯（Muva）石英岩和云母片岩，且其中有碱性花岗岩、伟晶岩和石英脉侵入到卢弗布片岩中；上覆沉积盖层主要由加丹加系和第三系、第四系河湖相沉积物构成。加丹加系自下而上可分为矿山（Mine）统和昆德隆古（Kundelungu）统。铜钴矿化与矿山统下罗恩（Roan）群地层关系最为密切，罗恩－穆利亚希盆地已发现的包含巴鲁巴铜矿在内的8个矿床均赋存在下罗恩群碳质泥质岩中，矿体明显受层位控制。赞比亚类型铜矿床不同于民主刚果沙坝型铜矿床，含矿层一般分布多个层位，各矿层位之间存在低品位铜矿化，铜矿体累计厚度5～50m右，全铜平均品位2%～4%；而民主刚果境内沙坝型铜矿床一般主要由上部和下部两个铜（钴）矿层组成，累计厚度15～55m左右。

1.2 区域构造

巴鲁巴铜矿位于中非由伸展褶皱、逆冲、推覆、叠置作用过程形成的大型卢弗里安（Lufilian）弧形构造带东南段，卡弗（Kafue）背斜西南侧的罗恩－穆利亚希盆地。罗恩－穆利亚希褶皱盆地是一结构简单封闭的沉积盆地，由复式向斜构造构成。盆地内至少发育了三期明显的构造活动。最早一期构造运动伴随碱性花岗岩、伟晶岩等侵入到基底卢弗布片岩中；第二期构造动表现为穆瓦石英板片岩被大范围错断，并广泛发育剪性张裂隙；第三期卢弗里安构造运动影响了区内加丹加系所有岩石地层单元，并对成矿产生了重要影响［1－3］。贯穿加丹加系的大型断裂构造并不发育，该沉积层内主要发育一些小尺度的同沉积断层。

2 矿床地质

2.1 地层

矿区揭露的地层可分为基底杂岩和上覆晚元古代加丹加系沉积盖层。基底杂岩包括卢弗布系片岩、石英岩和穆瓦系云母片岩、石英岩；其中卢弗布岩层中有片麻状花岗岩侵入到其中。加丹加系沉积盖层呈角度不整合于基底杂岩之上，而其中罗恩群与铜成矿作用关系最为密切，因此，罗恩群也被研究得也最为详细。罗恩群自老到新被划分为下罗恩群和上罗恩群，分述如下。

下罗恩群包括RL7、RL6、RL5、RL4和RL3共五个组。RL7厚度变化较大，由底砾岩、风蚀石英砂岩、泥质石英岩、底盘变砾岩、过渡片岩组成。底砾岩厚度稳定，矿区范围内广泛分布，揭露厚度一般为30m。风蚀石英砂岩中有保存完整的大型交错层理，比较稳固，节理发育且含少量水。常可见到薄的变质砾岩层，在接近基底砾岩附近尤为发育。泥质石英岩位于风成砂岩石英岩之上，主要由石英、细粒长石、黑云母和粘土矿物组成。底盘变砾岩由较大的次圆状风成卵石、泥质石英岩、石英脉组成，偶尔可见花岗岩卵石，基质通常为长英质、碳质，有时可见到过渡云母片岩、过渡片岩，其分布呈现由矿区东部往西从厚变薄至逐渐尖灭的渐变特征。变砾岩的顶部有时会有矿化，而其上部过渡带片岩基本上都含矿。RL6厚度30～65m，平均厚度约40m，由底部白云质片岩和上部泥质岩组成，该组地层是巴鲁巴铜矿的含矿层位。RL5厚度40～100m，由互层泥质岩组成，含石英砂砾岩。RL4为由绿色页岩和含燧石互层白云岩组成，是本区的主含水层。RL3厚度120～150m，由长石石英砂岩组成，发育大型交错层理，且该层含有较为稳定的赤铁矿层。

上罗恩群分为RU2、RU1两个组，RU1由泥质岩和白云岩组成；RU2由泥质砂岩和砂质泥质岩组成，发育交错层理。

2.2 构造

巴鲁巴铜矿位于罗恩－穆利亚希盆地北缘，整体上受复式向斜褶皱构造的控制，褶皱轴北西—南东走向，并向北西方向侧伏，侧伏角约12°。褶皱构造是主要的控矿构造。区内大规模断层作用不发育，然而小规模与岩层层理产状近一致的层间正断层以及节理、劈理和一些次生裂隙较为发育，但空间展布上一般延伸较短，它们的发育可能与伸展褶皱作用有关。这些正断层主要发育在矿体底盘与泥质石英岩之间。另外，在罗恩－穆利亚希盆地和巴鲁巴矿区内可以观察到由于岩石能干性强烈差异和岩层间挤压剪切作用形成的石香肠构造，盆地南缘发育的荚状褶皱构造，强烈褶皱挤压形成的正扇形轴面劈理构造以及褶皱作用引起的牵引构造等构造形迹。

3 矿体地质特征

3.1 矿体赋存展布特征

巴鲁巴铜矿走向延伸3.5km，最大倾向延伸/宽度1.5km，平均厚度8m，平均含铜品位2.5%，并与东部巴鲁巴东矿体之间有1公里的贫矿带。目前剩余矿体平均厚度4～5m，平均含铜品位2%。

巴鲁巴矿体是罗恩－穆利亚希盆地已发现的唯一钴含量较高的矿体，且矿体受强烈褶皱构造作用的影响，矿体由复式向斜构造组成，形态复杂，走向近东西向，整体向北西侧伏，且复式向斜由东往西渐次开阔。从矿体产状和形态上可将巴鲁巴铜矿划分为北翼陡倾角区和中部、南翼缓倾角区。北陡倾角区矿体倾向南西210°，倾角45～90°；中部和南翼缓倾角区构成次级背斜，次级背斜轴向南东—北西向，并使向斜一翼抬升200余米。另外，接管时北翼陡倾角区矿体基本采罄，目前采矿活动主要集中在缓倾角的中部和南部地区，而该区域地层产状不稳定，呈波状变化［4－5］。

矿体层位主要分布于RL7顶部及RL6底部透闪石白云质片岩中，并呈现出以下垂向矿物组合分带特征。从矿体底盘至顶盘可分为：辉铜矿－赤铜矿－硫铜钴矿混合薄矿带，厚度一般小于两米，局部偶见自然铜，特别是在巴鲁巴矿体的西区。该矿带全铜品位一般可达3%，钴品位0.2%；黄铜矿－硫铜钴矿带厚度一般小于4m，全铜品位一般为1.5%，钴品位0.08%～0.01%；黄铜矿－黄铁矿带，厚度为3～15m，该层岩性主要上白云质片岩和泥质岩，向上过渡到上盘含浸染状黄铁矿的泥质岩中，且黄铁矿中含有钴。矿体与上下盘围岩界线呈渐变过渡关系，靠取样分析划定。从矿区东部至西部也表现出由辉铜矿－斑铜矿－黄铜矿－黄铁矿的侧向分带特征［6］。

3.2 矿石组成、组构及分带特征

巴鲁巴铜矿矿体岩石主要由含透闪石云母白云质片岩、风蚀砂岩、石英岩、泥质岩等构成。矿石矿物主要为黄铜矿、斑铜矿、辉铜矿、黄铁矿、硫铜钴矿、磁黄铁矿、自然铜、孔雀石、假孔雀石、硅孔雀石和赤铜矿等组成，脉石矿物主要由石英、长石、碳酸盐矿物、云母、滑石、透闪石、阳起石、方柱石、铁的氧化物和其它的一些副矿物组成。

矿石结构有它形、半自形、自形粒状结构，包含结构、脉状结构、固溶体分离结构、反应边结构、格子结构、充填结构和镶边结构。硫铜钴矿与黄铜矿、斑铜矿、辉铜矿镶嵌关系较为复杂。石构造类型复杂，有块状构造、密集浸染状构造，网脉状、细脉状构造等，具体见图1。

图1 巴鲁巴铜矿矿石结构特征

利用分析全铜含量和氧化铜含量计算的矿石氧化率可将矿体分为氧化矿体和硫化矿体。氧化矿体从东至西分布范围可达3km，主要集中分布于巴鲁巴矿北翼陡倾角区，整体氧化深度可至地表以下110m，矿体厚度10m左右，局部氧化深底可以很深，如东采区540m分段水平就发现大量的赤铜矿、蓝铜矿和硅孔雀石，这可能是由于地下水的氧化作用所致。

4 工程和水文地质特征

巴鲁巴铜矿工程岩石力学地质特征方面表现为矿体顶板的含矿泥质岩的抗压强度一般都大于100MPa（表1），抗压和稳定性较差的为矿体含矿过渡带片岩以及矿体底板变砾岩，而过渡带片岩为赋矿层位之一。另外，含矿岩石及其近矿围岩由于遭受浅变质作用和强烈的构造变形，岩石较破碎。岩体构造面弱面主要是变余沉积层理，其次是片理和节理，岩石中除了沉积层理面外，还形成了许多变质结构面和构造结构面。层理面一般较平整，容易引起较大范围的岩石滑动；变质作用形成的片理短小、分布极密，加之片岩软弱夹层较多，对工程具有较大的影响（图2）；构造结构面较少，主要为一些规模小的正断层，对工程具有一定的影响。总的来讲，矿体下盘和近矿围岩岩石工程力学地质特征表现为松、软、弱和破碎等特征，稳定性差，对采矿工程布置产生重要影响［7－8］。

图2 粉红色含铁泥质层间滑动面

巴鲁巴铜矿的主含水层为RL4组的遂石白云岩，位于矿体上盘，该含水层属于溶隙含水，水量丰富。受褶皱构造的影响，该含水层至矿体顶板的距离120～300m不等，水文地质条件复杂。开展采矿前，需进行疏干排水活动。

表1 巴鲁巴矿岩石抗压强度

5 地质状况对采矿的内在约束

根据对巴鲁巴矿地质特征的论述，可以得出巴鲁巴矿产出地质情况异常复杂，对采矿的约束也必将是多层次的。

矿床地质方面，由于北翼倾角大于45°的陡倾角厚大矿体基本采罄，目前采矿活动主要集中在薄且缓的中部和南翼矿体，而后者由于受次级背斜褶皱构造的影响，矿体产状局部常呈波状变化，勘查矿体难度也大，且影响采矿工程采准巷道的有效布置且缓倾角。其次，由褶皱挤压向剪切拉伸构造体制转换过程中，矿体变薄，部分变为非经济矿体，制约矿石资源的回收和采矿效率。另外，褶皱过程中的挤压、剪切和拉伸等构造作用同时也影响岩石的结构强度，特别是底盘运输巷道设计要适当远离矿体底盘与泥质石英岩的结构裂面。

工程地质方面，巴鲁巴铜矿矿体下部过渡带片岩和底盘变砾岩抗压强度为55～85MPa，为最薄弱的层位，特别是过渡带片岩。实际也证明巷道布置在矿体过渡带片岩成型困难，容易坍塌，而不得不设计离矿体2m以上距离。同时，由于矿体及近矿围岩工程岩石力学性质差，导致单个采场规模结构参数设计小，采场间柱、顶柱相对偏多，矿石损失率增加。

水文地质方面，巴鲁巴矿主含水层分布于矿体上盘，采矿活动开展前必需详细了解水文地质情况和进行疏干排水作业，确保矿山生产安全。

6 结论

1）巴鲁巴铜矿地质情况复杂，深化矿床成因和成矿规律认识，有针对性地对重点区域加强矿产勘查工作，摸清矿体产出情况，对巴鲁巴这样的矿山显得尤为重要和突出。

2）平时工作就需着重总结缓倾角区矿体产状变化规律，加强探矿勘查工作；查明矿区构造结构面等弱面的空间分布位置和规模，为采矿设计实时提供建设性意见。

3）查清局部氧化带的规模和范围，为采出配矿提供合理化建议，以降低对选矿回收率的影响。

［1］ F.Mendelsohn.The Geology of the Northern Rhodesian Copperbelt［M］.Macdonald：London，1961：343－405.

［2］ 赵兴国.赞比亚谦比希铜矿矿床地质特征［J］.地质与勘探，2010，46（1）：183－190.

［3］ 王黎栋，万力.古岩溶与油气运移和成藏关系浅析［J］.油气地质与采收率，2006，13（3）：28－30.

［4］ Selley，D.，Broughton，D.，Scott，R.，Hitzman，M.and Barra，F.，A New Look at the Geology of the Zambian Copperbelt［J］.Society of Economic Geologists，100：965－1000.

［5］ 东北大学.巴鲁巴钴精矿细菌选择性浸出/铜矿分离可行性研究结题报告［R］.2012.

［6］ 阎树魁.试论杨家杖子钼矿成矿规律及找矿方向［J］.有色金属（矿山部分），1988，40（4）：21－24.

［7］ 葛良胜，邹依林，李振华，等.云南马厂箐（铜、钼）金矿床地质特征及成因研究［J］.地质与勘探，2002，38（5）：11－17.

［8］ Appendices，Watts，Griffis，McOuat Toronto.1991.Assessment of mineral exploration opportunities in zambia［M］.Canada：1－227.