罗河铁矿岩体节理裂隙倾角调查与统计研究

2021-06-18朱宗杰孙仕平王世松刘成皓

现代矿业 2021年4期

朱宗杰孙仕平王世松刘成皓

（安徽马钢罗河矿业有限责任公司）

岩体在受到一定的地质构造作用后会发生破损、断裂，沿断裂面而无显著位移的断裂构造被称为节理裂隙，节理裂隙直接影响着岩体的完整性与稳定性。在地下矿山，节理裂隙发育的采区较容易发生工程事故，并且随着矿井深度加深、地应力增大，导致矿山深部岩体节理裂隙更加发育，对矿山的生产形成了严重威胁［1-3］。因此，对地下矿山节理裂隙的调查与统计分析，将有助于分析矿区岩体质量，规避岩体破碎区域，保证高效安全地生产［4］。一般来说，节理裂隙调查与统计的主要内容为节理裂隙的产状信息（倾角、倾向）、连通率、间距或频数、密度和排列形式等［5］。其中，节理裂隙组的倾角不同，会造成不同程度的岩体强度弱化，影响岩体宏观力学行为的表达。所以，研究节理裂隙的倾角，对岩体工程稳定性、安全性、风险与灾害预防等的评估具有重要意义［6-8］。

罗河铁矿位于安徽省合肥市庐江县境内，为我国大型硫铁矿矿山，矿区内存在大量含硫软弱节理裂隙，需要进行节理裂隙的调查与统计分析，摸底矿区岩体强度质量情况。本研究通过对罗河铁矿的节理裂隙进行数字近景摄影调查，统计和分析节理裂隙倾角分布特征，为罗河铁矿工程布置提供科学依据。

1 工程地质概况

1.1 工程地质岩组

1.1.1 松散岩岩组（Ⅰ）

岩性主要为粉质黏土、黏土夹碎石等，厚度在0～20 m，分布较广泛，可塑～硬塑，属中等压缩性土。

1.1.2 风化岩岩组（Ⅱ）

团块～碎裂结构，也称风化带，岩性包括粗安岩、火山角砾岩、凝灰质粉砂岩、角砾凝灰岩等。风化带埋深1.70～96.27 m，顶板标高为73.67～-56.83 m。岩体风化出现裂隙、节理，大多呈网状，岩石多具高岭石化、水云母化，岩芯破裂，岩石力学强度低，岩体完整性差，岩石质量劣。

1.1.3 火山岩类岩组（Ⅲ）

按岩性自上而下分述如下。

（1）复屑凝灰岩。主要由细火山角砾岩及少许凝灰质粉砂岩等构成。裂隙不发育，岩芯大体完整，由于岩石结构和胶结不同，岩性软硬不够均一。岩块抗压强度为26.46～61.74 MPa，黏聚力为1.27～3.92 MPa，内摩擦角为53°～56°，抗拉强度为1.176～1.372 MPa。

（2）上部粗安岩。分布广泛，厚度由东至西为100～314 m，底板平均标高为-155 m，主要由辉石粗安岩、粗安岩、黑云母粗安岩，杏仁状粗安岩等组成，一般较致密坚硬。200 m以上裂隙较发育，以倾角45°～60°、70°～85°2组为主，由碳酸盐脉填充。该段具有不同程度的碳酸盐化、高岭石化、水云母化，局部较强，引起岩石松软破碎，强度降低。该段空间分布规律性不详，就其总量来看，大致分布标高在-10～-160 m，尤以-40～-130 m居多。由西至东呈波状起伏，厚度由小至大，如0～7线，标高在-30～-110 m，厚度为10～25 m；7～11线，标高在-80～-150 m，厚度为15～30 m；11～19线，标高在0～-130 m，厚度为20～50 m。岩块抗压强度为49～98.98 MPa，黏聚力为2.35～13.23 MPa，内摩擦角为51°～54° ，抗拉强度为1.176～6.762 MPa。

（3）凝灰岩。位于粗安岩之下，底板平均标高-260 m，主要由凝灰岩、凝灰质粉砂岩、粉砂质凝灰岩和含砾凝灰岩等组成。质地较软，裂隙少且以陡倾角为主，由碳酸盐、硬石膏脉等填充。岩石大部分均受水云母化，高岭石化，绿泥石化等影响，致使岩石结构普遍松软，强度降低，钻进过程中常发生坍塌和缩径现象。岩芯虽完整，但经过10～20 d后，绝大部分自形解体呈土状或碎块状。其分布标高由东至西上限为-120～-220 m，下限为-280～-380 m，厚度为10～80 m。岩块抗压强度为28.42～68.60 MPa，黏聚力为1.176～5.39 MPa，内摩擦角为54°～59°，抗拉强度为0.392～1.960 MPa。

（4）次生石英岩。分布于凝灰岩段之下，在0、1、9、13线附近直接与矿体接触，由东至西增厚，呈分支复合现象，底板平均标高-345 m。厚度为10～100 m，平均厚度为67 m。主要由乳白色及褐灰色的次生石英岩及少量黄铁矿化、高岭石化、水云母化等次生石英岩组成。岩性一般致密硬脆，孔洞分布较普遍，孔隙率达4%～11%。岩石受构造影响明显，呈角砾状、碎裂状，裂隙以倾角为70°～80°、近水平和网状为主，被后期石膏、黄铁矿及少量碳酸盐类充填。胶结不紧密，岩芯采取率很低，平均仅50%左右。岩块抗压强度为82.32～150.92 MPa，黏聚力为11.76～21.56 MPa，内摩擦角为51°～58°，抗拉强度为3.234～9.114 MPa。

（5）下部蚀变粗安岩。该段为矿体顶板，由东至西底板标高为-410～-620 m，主要由水云母化、高岭石化蚀变粗安岩，水云母，高岭石岩及部分膏辉岩，碱性长石岩，硬石膏次生石英岩组成。少数地段裂隙发育，多为硬石膏填充，岩性一般致密，但由于局部受水云母化、高岭石化、碳酸盐化等影响，强度不高，岩石松软破碎，在钻进中常见坍塌现象。松软破碎岩石在标高-320～-580 m较为发育，厚度为10～120 m。其中9线以东的松软破碎岩石分布标高在-410～-460 m，厚度为10～50 m；9线以西则分布在-450～-560 m，厚度为10～60 m。在ZK156、ZK154、ZK98、ZK916、ZK01、ZK22、ZK210等孔矿体顶板中，岩芯破碎，呈土状或破碎状。岩石力学强度离散性较大，岩块抗压强度为35.28～193.06 MPa，黏聚力为4.41～16.66 MPa，内摩擦角为48°～63°，抗拉强度为1.764～7.546 MPa。

1.1.4 矿体及底板

矿体由东至西底板标高一般在-500～-690 m以下，厚度起伏变化较大，主要由块状、粒状、花斑状等磁铁矿组成，其中夹少量膏辉岩、碱性长石岩。岩性一般强度高且密度大，裂隙较不发育，矿体内部除局部受蚀变及构造影响破裂外，一般完整。岩块抗压强度为130.34～163.66 MPa，黏聚力为10.78～16.66 MPa，内摩擦角为54°～59°，抗拉强度为5.096～8.330 MPa。

矿层底板一般由较致密坚硬的碱性长石岩、膏辉岩等组成。裂隙不发育，岩芯完整。岩块抗压强度为75.56～152.98 MPa，黏聚力为5.39～13.72 MPa，内摩擦角为52°～54°，抗拉强度为1.862～6.076 MPa。

1.2 破碎段发育情况

破碎段在空间分布上具有如下的规律性。

（1）标高在0～-200 m，多发育在粗安岩中，其分布较零乱，厚度一般为2～30 m，最大为60 m。其中大于10 m的破碎段在平面上多表现出北西与北东向展布。

（2）由东至西上限为-170～-380 m，下限-300～-500 m，主要分布于次生石英岩中，厚度为5～100 m。一般破碎严重，多呈带状或似层状分布，与岩层产状大体一致。钻进至破碎带时，常发生坍塌、石块掉落、严重漏水等现象。

（3）次生石英岩下部的粗安岩段中也有部分破碎段发育。分布标高为-410～-550 m，较零乱。在矿床北东部和西南部，有部分破碎带直接发育在矿体顶板上，这在某种程度上降低了矿体顶板的稳固性。

1.3 岩石物理力学分析

矿山进行了主井、副井、进风井及回风井的工程地质勘探工作，进行了大量的岩体物理力学性质试验，分析结果见表1。

1.4 岩体结构分类

本矿床是由大型高磷高硫含钒磁铁矿及大型硫铁矿、大型硬石膏矿构成的多种隐伏矿床。受构造、岩性、蚀变等因素影响，矿体、围岩特征具有一定的分布规律，并直接影响开采后空区的稳定性。矿山在生产过程中，根据矿床岩体的岩性、结构、风化程度将矿体及围岩划分成不同的工程地质岩组，并按中国科学院地质研究所提供的岩体结构分类进行评价，详见表2。

1.5 断裂影响情况

矿区内主要有2条较大的断裂，一条为最发育的F001断层（北东向），宽度为50～150 m，该断层位于矿区西部，对目前一期的地下采矿影响较小，但对二期巷道建设和采矿活动引起地表的沉降有重要影响；另一条为F201断层（北西向），该断层位于矿区西方向部位，走向300°～320°，断裂带周围岩石破碎，对目前一期的地下采矿影响较小，但对采矿活动引起地表沉降起控制作用。其他断裂多位于矿体上部，对地下开采活动影响较小。

1.6 力学分区

《安徽马钢罗河铁矿一期工程充填法开采初步设计说明书》（中冶北方工程技术有限公司，2012年5月）根据矿体赋存条件、矿区构造及区域应力场特征，设计将矿区分为5个岩石力学区。一区为西北端部，二区为西南端部，三区为南部，四区为东端部，五区为北部。各区岩体错动角见表3。

一区在矿区西北方向边缘位置，矿体埋藏较深，发育有矿区内的最大断裂带F001断裂，该断裂带直接影响并控制开采后的地表变形，F001断裂周围的岩体质量很差，矿区开采及巷道建设等应重点关注其影响，根据岩体RQD值，本区的岩体属于差—中等岩体。

二区在矿区西南方向边缘位置，矿体埋藏较深，本区内发育有矿区内较大的F201断裂，F201断裂带会影响开采后的矿体地表变形，断裂带周围的岩体质量较差，矿区开采及巷道建设等应重点关注其影响，根据岩体RQD值，本区的岩体属于中等—好岩体。

三区在矿区南方向位置，矿体埋藏相对较浅，本区矿体与北部矿体相比厚度较薄。本区主要发育有少量北北东向断裂，对地表沉降影响较小，岩体完整性较好，根据岩体RQD值，岩体属于中等—好岩体。仅在318～360 m发育的凝灰岩段、234～245 m发育的粗安斑岩裂隙发育，岩体完整性差。

四区在矿区东方向边缘位置，矿体埋深相对较浅，矿体较厚，少量发育有北北东向断裂及北西向断裂，对地表变形的影响较小。本区的地表邻近高速公路——合肥—铜陵高速公路，要重视矿体开采对地表沉降的影响。本区浅部受风化作用影响，岩体破碎，强度低；深部岩体局部质量较差，主要是少量凝灰质粉砂岩段、凝灰岩段、蚀变的凝灰岩段，岩体强度低；其它部位岩体完整性好，强度较高，根据岩体RQD值，岩体属于中等—好岩体。

五区在矿区北方向位置，埋深相对较浅，矿体较厚，主要发育有北北东向断裂，对地表变形的影响较小。本区岩体完整性较好，除上部受风化和断裂构造影响，还有在350～400 m发育的次石英岩段，岩体较破碎，其它部位岩体质量较好，根据岩体RQD值，岩体属于中等—好岩体。

矿区应力特征复杂，又由于矿体开采深度较大，局部岩石完整性好，具备诱发岩爆的基本条件，对此，应在今后的生产过程中进一步调查分析。

1.7 矿山工程地质条件现状

根据目前正在施工的井筒工程地质勘察结果，主井、副井、废石井、进风井、回风井均没有发现较严重的不良工程隐患，岩体完整性较好，仅有个别岩层岩体破碎，稳定性较差。

根据开拓工程揭露，矿体内部岩性包括磁铁矿、膏辉岩、碱性长石岩，岩石较致密坚硬，裂隙不发育，岩体稳定性较好。只有局部发育高岭石化、绿泥石化等蚀变，导致岩石比较松软，主要在矿区靠近西侧、开拓工程和采场偏上部混合矿层中，岩石蚀变较强，具高岭石化、硅化，裂隙和孔洞发育，坑道掘进过程中容易产生超挖现象。主要支护措施为挂网、表面喷浆、锚杆支护。在当前矿山生产过程中没有发现冒落、片帮、掉顶等不良工程现象。

综上所述，矿体顶底板围岩岩体质量良好，稳定性良好。

2 倾角分布特征分析

本研究获取节理裂隙的方法为数字近景摄影测量方法，利用手持设备在临近岩体露头处进行拍摄即可，无需接触岩体结构面，然后通过软件分析识别照片上的节理裂隙。经过对罗河铁矿-455～-515 m矿区的现场调查拍摄，共获得节理裂隙7 400条。

整个矿区节理裂隙倾角可大致分为3组：第一组倾角为0～30°，占节理裂隙总数的30.7%，平均倾角为14.4°；第二组倾角为30°～60°，占节理裂隙总数的29.3%，平均倾角为45.5°；第三组倾角为60°～90°，占节理裂隙总数的40%，平均倾角为75.3°。大多数节理裂隙的倾角分布在60°～90°。整个矿区节理裂隙倾角玫瑰图、柱状分布图分别见图1、图2。

根据图1和图2可知，全矿区节理裂隙倾角为60°～90°的节理裂隙条数占比近40%，同样能分为3组：第一组倾角为60°～70°，占节理裂隙总数的12.7%，平均倾角为67.1°；第二组倾角为70°～80°，占节理裂隙总数的12.9%，平均倾角为74.9°；第三组倾角为80°～90°，占节理裂隙总数的14.2%，平均倾角为85.3°。倾角分布为80°～90°的节理裂隙占比最多。

根据图3所示，全矿区各水平节理裂隙倾角分布不尽相同，-508 m水平矿区的节理裂隙尤其发育，占全矿区总数近22.1%，而-455，-470，-515 m水平矿区岩体节理裂隙密度较大，-494与-485 m水平矿区节理裂隙仅占全区的1.3%；-470与-508 m水平节理裂隙数目按倾角分布趋势相同，在30°～50°区间内最少；-455与-515 m水平矿区节理裂隙数目按倾角分布趋势相同，随倾角增大而逐渐增多。