1、高海拔高品位地下铜矿工程地质调查与岩体质量评价龚永超1,梁巨理1,管桦2,王雄荣2,葛建平2(1.长沙矿山研究院有限责任公司 湖南 长沙 4 1 0 0 1 2;2.四川里伍铜业股份有限公司 四川 成都 6 1 0 0 7 3)摘 要:针对黑牛洞铜矿前期基础资料难以满足采矿方法的优化研究,矿体、围岩实际揭露后稳固性与前期地质资料变化较大、采场支护效果不佳等问题,通过统计窗法、测线法、声波测速等方法开展了高海拔高品位地下铜矿的工程地质调查,同时采用节理岩体的RMR分级法、Q系统分级法和B Q分级法对矿山5种主要矿岩进行了岩体分级和质量评价,并进一步研究了基于岩体质量的分级支护参数。关键词:工程地
2、质调查;质量评价;岩体分级;分级支护0 引言现有采矿作业环境趋向复杂多样化,高海拔、高寒、高应力深井采矿等占比逐渐扩大,矿山工程地质及矿体赋存条件更加复杂,为保证矿山安全、高效回采,必须对矿体赋存的工程地质与岩体质量进行充分的调查与评价13。准确的地质与采矿资料是 后 续 支 护 参 数 设 计 与 采 矿 方 法 选 择 的前提46。黑牛洞铜矿区位于四川省甘孜州九龙县南部,地面 海 拔 标 高 为2 3 0 04 0 0 0 m,平 均 品 位 为2.4 7%,矿山在前期矿床勘探阶段,工程地质调查与岩体质量评价等方面的工作有所欠缺,基础资料难以支撑支护设计与采矿方法研究。矿山采用房柱法开采,
3、矿体及围岩实际揭露后稳固性与前期提供的地质资料变化较大,顶板为极易冒落的云母片岩,不稳固范围厚度为3 1 0m,抗压能力差,采场允许暴露的面积小、时间短,给井下生产带来了严重的安全隐患。针对上述问题,为确保矿区安全高效回采,黑牛洞铜矿开展了工程地质调查与岩体质量评价等工作,进行了基于岩体质量分级评价的支护设计,为井下安全回采奠定基础。1 工程地质调查研究黑牛洞铜矿与采矿工程稳定性关系较为密切的岩体有5种:二云母片岩、二云石英片岩、石英片岩、块状矿、浸染矿。本次工程地质调查涉及黑牛洞铜矿已有的5个中段或水平(3 2 9 0m、3 2 5 0m、3 2 0 0m、3 0 0 0 m和2 8 1 5
4、 m),主 要 有 以 下 两 个方面。(1)现场工程地质调查和测试。主要包括节理裂隙调查统计、岩体质量R Q D值统计与研究、现场岩体声波速度测试等。(2)岩体工程地质研究。划分工程地质岩组,对岩体结构进行分类,包括结构面分级、对结构面类型和 岩 体 结 构 类 型 及 相 应 的 特 征 进 行 分 析研究78。1.1 现场工程地质调查和测试1.1.1 节理裂隙调查节理裂隙调查研究是矿山工程地质调查不可缺少的重要内容,其是岩体质量评价和岩石力学参数工程处理的基础。本次调查采用罗盘、皮尺与钢卷尺按统计窗法和测线法进行(统计窗法计算体积裂隙数,测线法统计节理线密度)。矿山对现有5个中段共计5
5、6处地点的结构面产状进行了测量,总共统计节理2 3 8 6条。调查结果表明:在同一地点一般只有12组节理,节理面多呈闭合状,不夹泥质物,节理面一般为平直,极少呈波状。矿体体积裂隙数平均值为6.7条/m3,裂隙性属于“弱裂隙性”类型;围岩的体积裂隙数平均值为2 4.3条/m3,裂隙性属于“中等裂隙性”类型。3 2 9 0m中段节理裂隙的产状图件如图1所示。运用专用计算软件对节理面的产状进行聚类分I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第2期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.22
6、0 2 3年3月M a r.2 0 2 3DOI:10.13828/ki.ckjs.2023.02.011析,确定了黑牛洞铜矿优势节理面的产状。聚类分析研究结果表明:调查区域内的优势节理有4组,其产状(倾向 倾角)分别为:2 1 3 2 9,2 3 7 2 6,1 3 9 7 4,6 8 6 7。优势节理组的赤平投影图见图2。图1 3 2 9 0中段密图及节理玫瑰花图图2 优势节理组赤平投影1.1.2 岩石质量指标R Q D值研究R Q D值反映了钻探时岩心的完好程度,可用于对岩体进行分类,或对岩体质量进行评价,作为反映工程岩体完整程度的定量参数,该指标被广泛应用于各种工程岩体的稳定性评价。根
7、据S e n和E i s s a研究,当采用测线法统计节理线密度时可采用下式计算R Q D值。R Q D=1 0 0e0.0 1(1+0.0 1)(1)按式(1)计算的R Q D值见表1,不同岩性的R Q D值相差较大,导致矿区岩体质量等级跨度大(级至级都有)。表1 黑牛洞铜矿岩体按R Q D值分类结果岩体类别R Q D/%等级岩石质量岩体完整性二云母片岩2 0.2 2很不好岩体破碎二云石英片岩4 6.7 6不好岩体完整性差石英片岩6 7.7 1中等岩体中等完整浸染矿9 1.9 6很好岩体完整块状矿8 7.8 1好岩体较完整1.1.3 岩体声波速度测试对5种岩体分别进行了现场声波速度测试和室内
8、岩块声波速度测试,测试结果见表2。1.1.4 岩体完整性系数依据 工程岩体分级标准(G B5 0 2 1 8)中岩体完整性系数kv来划分岩体完整度9,确定矿区各种岩体的完整程度,见表2。表2 岩体完整性系数岩体类别现场岩体平均声波速度/(m/s)岩石试块平均声波速度/(m/s)岩体完整性系数kv岩体完整程度评价二云母片岩1 5 5 33 2 9 10.2 2破碎二云石英片岩2 8 7 74 4 5 60.4 2较破碎石英片岩3 6 8 24 6 0 20.6 4较完整浸染矿4 0 3 54 7 6 70.7 2较完整块状矿4 2 2 55 0 6 90.6 9较完整1.2 岩体工程地质研究通过
9、对矿区岩体的工程地质特征调查和分析,黑牛洞铜矿区内的岩体划分为3个工程地质岩组:第四系松散软弱工程地质岩组、伍群中岩带风化岩段变质岩类层状半坚硬工程地质岩组、里伍群中岩带原生岩段变质岩类厚层块状坚硬工程地质岩组。矿区内未发现级结构面,级结构面为矿区倾向南西的单斜构造,该单斜构造实由里伍岩群第三期变形面理(S 3)组成,级结构面不多见,主要为矿体中的断层与褶皱构造,级结构面(节理、裂隙)发育,级结构面(岩层层理)普遍存在。矿区主要以级、级结构面为主。岩体以层状结构为主,层状碎裂结构和块状结构次之。2 岩体质量评价分别采用RMR分级法1 0、Q系统分级法2、B Q分级法1 1对岩体分级,结果见表3
10、、表4、表5。通过调查研究,采用下列经验计算公式来确定工程跨度:W=2E S RQ0.4(2)7龚永超,等:高海拔高品位地下铜矿工程地质调查与岩体质量评价式中,W为无支护隧道最大安全跨度,m;Q为岩体质量指标;E S R为支护比。黑牛洞铜矿使用空场采矿嗣后充填的方式进行回采。将井下采空区看作半永久性工程,取支护比参表3 黑牛洞铜矿岩体RM R分级指标分值岩体类别岩石强度R Q D值节理间距节理状态地下水节理方位修正总分分级二云母片岩4351 01 5-53 2级二云石英片岩7851 21 5-54 2级石英片岩1 21 383 01 5-57 3级块状矿71 782 51 5-56 7级浸染矿
11、72 01 02 21 5-56 9级表4 黑牛洞铜矿岩体Q系统分级岩体类别R Q D/%JnJrJaJwS R FQ值 岩体级别二云母片岩2 0.2 221.0 3.0 1.0 2.01.6 9级二云石英片岩4 6.7 631.0 1.5 1.0 2.05.2 0级石英片岩6 7.7 141.50.7 51.0 2.01 6.9 3级块状矿8 7.8 141.5 1.0 1.0 2.01 6.4 6级浸染矿9 1.9 641.5 1.0 1.0 2.01 7.2 4级注:Jn为节理组数系数;Jr为节理面粗糙度系数;Ja为节理面蚀变程度(变异)系数;Jw为裂隙水影响折减系数;S R F为地应力
12、影响折减系数。表5 黑牛洞铜矿岩体B Q分级结果岩体类别B QB Q岩体基本质量的定性特征级别二云母片岩2 8 6.9 2 5 6.9软硬岩互层,岩体较完整级二云石英片岩3 9 8.4 3 7 8.4较软岩,岩体较破碎级石英片岩5 1 2.8 4 9 2.8坚硬岩,岩体较完整级块状矿4 6 6.4 4 4 6.4坚硬岩,岩体较完整级浸染矿4 4 6.6 4 2 6.6坚硬岩,岩体较完整级注:B Q为岩体基本质量指标;B Q 为岩体基本质量指标修正值。数E S R=2.0 2.5,按式(2)计算无支护情况下采空区的安全跨度W见表6。表6 无支护情况下采空区的安全跨度岩体类别安全跨度/m二云母片岩
13、4.9 3 6.1 6二云石英片岩7.7 4 9.6 7石英片岩1 2.4 0 1 5.5 0块状矿1 2.2 6 1 5.3 3浸染矿1 2.4 9 1 5.6 2 依据现场实践与理论,综合评价结果见表7,除块状矿和浸染矿的分级结果有差异外,3种分级方法的分级结果大体一致,但三者在岩体自稳性能方面的表述(或结果)有差别。表7 3种分级结果汇总及综合评价岩体类别RMR分级Q系统分级B Q分级综合评价二云母片岩级(差岩体)级(差)级(不稳定)级(差岩体)二云石英片岩级(中等岩体)级(中)级(中等稳定)级(一般岩体)石英片岩级(好岩体)级(良)级(稳定)级(好岩体)块状矿级(好岩体)级(良)级(中
14、等稳定)级(一般岩体)浸染矿级(好岩体)级(良)级(中等稳定)级(一般岩体)3 岩体质量分级支护为解决不同岩体等级采场支护问题,基于岩石质量分级评价结果研究不同质量等级的支护设计参数,分级支护参数研究按如下步骤进行。(1)计算围岩最大变形值Ua、塑性区半径R。R=aP+Cc t gCc t g(1-s i n)|1-s i n2 s i n(3)G=E2(1+v)(4)Ua=R2s i n(P+Cc t g)2G a(5)(2)计算由设计黏结强度所控制的Uk。Uk=fc vK(6)(3)确定设计所控制的变形量Us.取Us为最大变形量的1/4,且不大于UkUs=Ua4Uk(7)(4)计算中性点半
15、径和锚杆长度L(查表法)。选取UsUa值,根据 采矿设计手册井巷工程卷,得a,La,锚杆长度L应长于塑性区深,锚杆间距=(0.5 1)L三倍岩石节理间距。上述式中参数:a为采场断面1/2宽度;C为黏结力;P为原岩应力;为内摩擦角;K为剪切刚度8采矿技术2 0 2 3,2 3(2)系数;G为剪切弹性系数;E为弹性模量;v为泊松比;Uk为围岩允许控制变形量;Ua为围岩最大变形值;fc v为设计黏结强度。由上述基于岩体质量的分级支护研究步骤,结合矿山实际使用情况,确定的岩体采场支护方案见表8。表8 岩体采场支护方案采场等级锚杆类型锚杆间距/m锚杆网度/m级岩体(石英片岩)塑性区半径R小于采场断面半径
16、a,能够依靠顶板自身的黏结作用保持稳定性,不需要进行外加支护。级岩体采场(二云石英片岩)4 0m m管缝式锚杆1.5 2.0(1.5 2.0)(1.5 2.0)级岩体采场(二云母片岩)4 0m m管缝式锚杆1.0 1.5(1.0 1.0)(1.5 1.5)4 结论(1)通过对矿区进行工程地质调查,得到了矿区各岩体裂隙性程度,确定了矿区岩体4组优势节理面,依据节理密度换算出不同岩性的R Q D值,测试了现场与室内岩体岩块的声波速度,并进一步确定了岩体完整程度。(2)依据工程地质特征,将矿区岩体划分为3个工程地质岩组,并对岩体结构结构面类型及其特征进行了具体分析。(3)采用节理岩体的RMR分级法、Q系统分级法和B Q分级法对黑牛洞铜矿的5种主要矿岩进行了岩体分级和质量评价,为后续采矿方法设计研究提供了理论依据。(4)完成了基于岩体质量的采场分级支护参数研究,为矿山采场安全回采奠定了基础。参考文献:1 白志华,李万州,李海波,等.红石岩震损高陡边坡工程岩体质量评价J.工程地质学报,2 0 1 8,2 6(0 5):1 1 5 5-1 1 6 1.2江飞飞,李向东,盛佳,等.软弱破碎岩体工程地