高海拔大型铜多金属矿井下工程地质调查与岩体质量评价

戈凯，王亚军，李强

(1.西藏华泰龙矿业开发有限公司，西藏 拉萨 850200；2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012；3.国家金属采矿工程技术研究中心，湖南 长沙 410012)

0 引言

甲玛铜多金属矿二期地下开采范围内二、三标段普遍分布有破碎氧化带。破碎氧化带的Cu 品位较高，约1%左右，伴生有Au、Ag 及Mo 等金属，但氧化率高，并且相对破碎。破碎氧化带内主要含有角岩、矽卡岩和大理岩。破碎氧化带呈现品位富、氧化率高、节理裂隙发育、水文地质简单等典型特征，对掘进与采矿等作业均造成不良的工程影响，主要表现为矿柱压裂、边邦垮塌、顶板垮冒、采准巷道开裂及冒顶等情况。

针对甲玛铜多金属矿二期地下开采破碎氧化带的开采技术条件，为了适应新形势下国家及各级政府相关政策的要求及矿山长远发展的战略需要，提高矿产资源的利用率，确保破碎氧化带矿体的安全回采，亟需开展甲玛铜多金属矿破碎氧化带矿体采矿方法研究。研究适宜于破碎氧化带区域矿体赋存情况的安全可靠的采矿方法，为矿山持续安全稳定的发展提供了重要的技术支撑和保障。开展工程地质调查和岩体质量评价工作，对各岩组的稳定性情况进行定性和定量综合评价及分级，修正破碎氧化带区域内各组岩体的物理力学参数，可为井下采矿方法方案研究提供可靠的参数依据。

1 工程地质调查

本次调查的对象为甲玛铜多金属矿井下的3 种主要岩组：角岩（顶板），矽卡岩（矿体），（3）大理岩（底板）。

1.1 调查的区域与方法

本次结构面现场调查主要集中于矿区井下4320 m 水平1#联道南、4320 m 水平2#联道、4374水平m 1#联道、4440 m 水平3-2-6 东采场1#出矿穿。使用罗盘、皮尺与数码相机等工具观测节理或断层面产状、裂隙宽度及充填物情况、结构面形状及粗糙度、结构面延伸长度、节理间距等情况。调查方位采取了详测线相互垂直的形式[1−2]，以利于调查结果更具有代表性和全面性。本次调查测绘选择各岩组发育的代表性区域进行，调查到的结构面数量见表1。

表1 结构面调查统计

1.2 工程地质调查内容及分析

1.2.1 结构面发育特征

（1）角岩。灰—暗灰色，岩性致密坚硬，为块状构造，多穿插石英脉、硅化及绿泥石条带。节理、裂隙一般为压性，极少量为压扭性，闭合，宽度一般小于1 mm，胶结较好，局部有滴水。结构面以平直光滑为主，少量为平直粗糙。调查区域内角岩结构面绝大多数发育情况表现为V 级结构面，发育两条IV 级结构面，裂隙宽度为10～20 cm；一条III 级结构面，裂隙宽度为10～50 cm。

（2）矽卡岩。灰色—浅绿色，岩性致密坚硬，为块状构造，多穿插石英、方解石脉及硅化条带。节理、裂隙以压性为主，少量为压扭性，闭合，宽度一般小于1 mm，胶结好，基本无水。结构面以平直粗糙为主，少量为平直光滑和弯曲粗糙。调查区域内矽卡岩结构面发育情况均表现为V 级结构面，未见IV 级及以上结构面。

（3）大理岩。灰黑—灰白色，岩性致密坚硬，为块状构造，多穿插石英、方解石脉及硅化条带。节理、裂隙一般为压扭性，极少量为压性，闭合，宽度一般小于1 mm，胶结好，局部淋水。结构面以弯曲粗糙为主，少量为平直粗糙。调查区域内大理岩结构面绝大多数发育情况表现为V 级结构面，仅发育一条III 级结构面。

1.2.2 结构面统计分析

（1）角岩。由dips 统计分析可知，角岩有4组优势结构面，具体分析结果如图1 所示。第1 组：23°∠77°，一般为陡倾角，占89.18%。第2 组：91°∠77°，全部为陡倾角。第3 组：225°∠46°，陡倾角为主，占73.8%。第4 组：286°∠70°，全部为陡倾角。

图1 角岩结构面统计分析结果

（2）矽卡岩。由dips 统计分析可知，矽卡岩有3 组优势结构面，具体分析结果如图2 所示。第1 组：32°∠83°，一般为陡倾角，占83.46%。第2组：305°∠86°，一般为陡倾角，占71.46%。第3组：82°∠85°，全部为陡倾角。

图2 矽卡岩结构面统计分析结果

（3）大理岩。由dips 统计分析可知，大理岩有3 组优势结构面，具体分析结果如图3 所示。第1 组：193°∠87°，一般为陡倾角，占93.44%。第2组：260°∠84°，陡倾角为主，占73.58%。第3 组：303°∠86°，一般为陡倾角，占91.65%。

图3 大理岩结构面统计分析结果

由节理面间距测量的结果，采用下式确定岩石质量指标：

式中，λ表示节理面的密度，与节理间距相关；t为阈值，常值t=0.1 m。

根据结构面的调查统计，3 种岩组结构面平均间距见表2。

表2 结构面平均间距对比

按照ISRM 节理间距的分类方法，甲玛铜多金属矿破碎氧化带区域角岩和矽卡岩的节理平均间距均在6～20 cm 之间，其节理发育的密集程度可归纳为密集；大理岩的节理平均间距均在20～60 cm 之间，其节理发育的密集程度可归纳为中等。

2 岩体质量评级

岩体质量的优劣对岩体工程的整体稳定性有直接影响，熟悉岩体结构特征，对岩体质量进行评价，有助于更好的开展工程设计与现场施工。常用的岩体质量评价方法有：岩土规范法、节理岩体的CSIR 分级法和Q 系统分级法[3−5]。

2.1 岩土规范法

根据《工程地质手册》（第五版）按照岩石坚硬程度（表3）、岩体完整程度（表4），确定岩体基本质量等级分类。

表3 岩石坚硬程度分类

表4 岩体完整程度分类

结合岩体的坚硬程度及完整性情况，将岩体基本质量等级按表5 形式进行分类。

对照表3～表5 所给出的岩体基本质量等级分类，对甲玛铜多金属矿破碎氧化带区域内角岩、矽卡岩和大理岩进行基本质量等级划分，见表6。

表5 岩体基本质量等级分类

表6 岩体基本质量等级分类

2.2 节理岩体的CSIR 分级法

CSIR（RMR）分级法经过多次的实例验证和修改，参照完整的岩石强度、岩石质量指标（RQD）、节理间距、节理状态和地下水条件等5 个分级指标情况，综合各分级指标得分情况得到CSIR（RMR）分级结果。

根据各分级指标得分标准，结合工程地质调查情况，将甲玛铜多金属矿破碎氧化带区域各岩性进行了分类，各岩体节理状态评分见表7，分类结果见表8。

表7 岩体的节理状态评分

表8 岩体的CSIR（RMR）分类结果

2.3 Q 系统分级法

Q 系统分级法为N.Barton 等人提出的一种对岩体质量进行分类的方法。Q值由RQD值、节理组数Jn、节理面粗糙度Jr、节理面蚀变程度Ja、裂隙水影响因素Jw以及地应力影响因素SRF等6 项指标组成，其表达式为：

根据统计分析，岩体质量与Q值之间的定量关系见表9。

表9 Q 分类系统

一般建议采用下列公式计算工程跨度：

式中，W为井下工程无支护最大安全跨度，m；Q为岩体质量指标；ESR为支护比。

对于永久性矿山巷道，可取值ESR=1.6～2.0；对于临时性井下巷道或硐室，可取值ESR=3～5。

表10 为甲玛铜多金属矿破碎氧化带区域主要岩性的Q值以及岩体质量分类类级。将井下采空区看作半永久性工程（控制空场时间，尽快完成空区充填），ESR可取3～3.5，计算采空区无支护时的最大安全跨度。ESR不同取值区间各岩性对应的最大跨度见表11。

表10 Q 系统岩体分级结果

表11 不同岩体的最大安全跨度

2.4 不同方法的岩体质量分级结果汇总及对比

对3 种岩石的不同方法质量分级情况进行汇总分析，最终确定甲玛铜多金属矿破碎氧化带区域岩体的综合分级[6−8]，见表12。

表12 岩体分级结果汇总对比

3 结论与建议

3.1 结论

（1）分别运用岩土规范法、CSIR（RMR）分级法和Q 系统分级法对甲玛铜多金属矿破碎氧化带区域内角岩、矽卡岩和大理岩的岩体质量进行了分级与评价，综合各分级结果可知：角岩、矽卡岩和大理岩的岩体质量均为中等。

（2）根据岩体的Q值，利用经验公式计算得到不同矿岩中永久性矿山巷道、临时性矿山巷道或硐室、半永久性工程（如采空区）无支护时的最大安全跨度。

3.2 建议

（1）对矿区进行了原岩地应力测试，矿山巷道应尽量沿最大主应力方向布置。

（2）因在矿体与顶板角岩间存在一层厚度不均的破碎带，在掘进时，建议超前钻探，若顶板上发育破碎带，应留2～3 m 以上的护顶层。

（3）采用适合金属矿山开采的以声发射/微震为主的地压监测预警措施，对破碎氧化带主要生产区域的稳定性情况进行实时在线监测，对可能发生的地压灾害活动进行预报预警，保障井下施工人员和设备的安全。