節(jié)理裂隙分布規(guī)律及其與地下巷道、采場圍巖穩(wěn)定性關(guān)系的研究

1新城金礦的工程地質(zhì)條件新城金礦區(qū)是中國最大的黃金礦區(qū)之一。1999年，黃金產(chǎn)量達(dá)到中國人均規(guī)模。該礦位于山東省萊州市金城鎮(zhèn)新城村境內(nèi)。礦區(qū)地處膠東半島西北部望兒山北麓,西臨萊州灣,處于低山丘陵向海灣平原過渡地帶。地勢東南高西北低,東南為波狀起伏的丘陵區(qū),海拔標(biāo)高60～100m,地表切割強(qiáng)烈,沖溝發(fā)育,基巖裸露;西北部為微向渤海傾斜的濱海平原,地勢平坦,海拔標(biāo)高20～40m,為第四系所覆蓋。從區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)圖上看,該礦位于沂沐斷裂帶的東側(cè),膠東隆起帶的西北部,棲霞復(fù)背斜的北翼,黃縣-掖縣弧形斷裂帶的的西南端。該礦礦體賦存于焦家斷裂帶中,該斷裂帶長超出20km,寬100～200m,平均走向40°,傾向北西,傾角26°～30°。斷裂帶為一寬大的由角閃巖和花崗質(zhì)碎裂巖組成的破碎帶,沿?cái)嗔寻l(fā)育有10～20cm厚的連續(xù)的灰黑色及灰白色的斷層泥,同時(shí)發(fā)育有厚度不一,且不連續(xù)的糜棱巖、角礫巖等。寬大的碎裂巖在主裂面的上下盤呈現(xiàn)對稱狀分布,礦體位于主裂面下盤。礦體具有走向短(一般不超過360m),延深大(控制斜深超過1200m),傾角緩(平均傾角29°)的特點(diǎn)。礦體上盤為碎裂巖或斷層泥,極不穩(wěn)定,下盤為蝕變花崗巖,穩(wěn)定性較好。新城金礦于1980年1月1日建成投產(chǎn),設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模為日采選礦石500t,1984年達(dá)產(chǎn)。1986年自籌資金在原有生產(chǎn)規(guī)?；A(chǔ)上將選礦規(guī)模擴(kuò)大到750t/d。1989年10月經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn),礦山開始進(jìn)行二期改擴(kuò)建工程。1996年末二期改擴(kuò)建工程投入試生產(chǎn),生產(chǎn)規(guī)模由原750t/d提高到1250t/d,形成了主豎井加輔助斜坡道開拓系統(tǒng)。其中,豎井已到-476m水平,斜坡道已施工至-430m水平。二期設(shè)計(jì)采用分區(qū)開采,以-280m為界分為上下兩個(gè)采區(qū),仍采用上向水平分層尾砂膠結(jié)充填采礦法。隨著開拓工程和采礦作業(yè)不斷向深部發(fā)展,工程地質(zhì)和礦體賦存條件變得越來越復(fù)雜,礦山地壓顯現(xiàn)越來越突出。為了在復(fù)雜的工程地質(zhì)條件下維護(hù)采礦工程的穩(wěn)定性,保證礦山安全、高效的生產(chǎn),必須對影響地下采礦系統(tǒng)穩(wěn)定性的各種地質(zhì)和工程因素進(jìn)行充分的調(diào)查。為了解決深部開采設(shè)計(jì)和施工中面臨的各種難題,“新城金礦復(fù)雜條件礦床采礦方法研究”被列為“九五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目的一個(gè)專題,深部工程地質(zhì)調(diào)查與評價(jià)是該專題的基礎(chǔ)研究內(nèi)容之一。2喜山期礦物源區(qū)在地質(zhì)歷史中,該區(qū)先后經(jīng)歷過的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有:(1)膠東運(yùn)動(dòng)(相當(dāng)于中條運(yùn)動(dòng)),造成地槽大規(guī)?；胤?(2)蓬萊運(yùn)動(dòng),結(jié)束了膠東地槽活動(dòng)的歷史,進(jìn)入了穩(wěn)定上升的地臺(tái)階段;(3)燕山運(yùn)動(dòng),部分地區(qū)斷裂活動(dòng)相當(dāng)強(qiáng)烈,形成大小不等的中生代斷陷盆地,并伴隨大規(guī)模的強(qiáng)烈?guī)r漿活動(dòng);(4)喜山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)微弱,局部地帶產(chǎn)生新生盆地。區(qū)域內(nèi)發(fā)育有東西向褶皺構(gòu)造、新華夏系斷裂構(gòu)造和北西向斷裂構(gòu)造,其中新華夏系斷裂在招掖地區(qū)控制著金礦的三條主干斷裂,自西向東依次為:三山島斷裂,黃-掖弧形斷裂,招-平斷裂。黃-掖弧形斷裂的西南端即為新城金礦床所在的焦家斷裂帶。焦家主斷裂帶為北東向壓扭性斷裂構(gòu)造,延深、延長均呈開闊的舒緩波狀,為本區(qū)主要導(dǎo)礦儲(chǔ)礦構(gòu)造(見圖1)。區(qū)內(nèi)地層比較簡單,大部分被第四系所覆蓋。太古界-下元古界膠東群富陽組地層分布在焦家斷裂帶上盤,另有部分呈俘虜體散布于黑云母花崗巖中。膠東群地層與中生代的巖漿呈侵入體接觸或斷層接觸關(guān)系。其主要巖性為條紋條帶狀混合巖化斜長角閃巖、其次有黑云母角閃片巖、黑云母斜長片麻巖等,呈中深變質(zhì)且有混合巖化現(xiàn)象。3對礦區(qū)節(jié)理裂縫的調(diào)查、計(jì)算和分析3.1節(jié)理裂隙的調(diào)查、統(tǒng)計(jì)與分析節(jié)理裂隙是巖體在應(yīng)力作用下形成的結(jié)構(gòu)面,是構(gòu)造斷裂的一種,沒有位移或位移極小,雖然延長不遠(yuǎn),縱深發(fā)展不大,但數(shù)目很多。節(jié)理裂隙發(fā)育的方位、數(shù)量、大小以及形態(tài)的不同,控制了礦體及其圍巖的穩(wěn)定性、破壞模式和破壞程度。同時(shí),節(jié)理裂隙作為一種構(gòu)造行跡,可以反映出本區(qū)主要構(gòu)造的輪廓與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。節(jié)理裂隙大都與構(gòu)造應(yīng)力保持著一定的內(nèi)在聯(lián)系,通過節(jié)理裂隙可以推斷節(jié)理裂隙形成時(shí)的構(gòu)造應(yīng)力場和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)方式,為區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場及構(gòu)造體系的力學(xué)分析提供基礎(chǔ)資料。由此可見,節(jié)理裂隙的調(diào)查、統(tǒng)計(jì)和分析是非常有價(jià)值的工作,成為本次工程地質(zhì)調(diào)查的主要內(nèi)容之一。在現(xiàn)場工作中,需要調(diào)查礦區(qū)節(jié)理、裂隙的產(chǎn)狀、規(guī)模、密度、形態(tài)及其組合關(guān)系,除對單個(gè)節(jié)理、裂隙的形態(tài)進(jìn)行描述外,主要對它們的組合關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究。調(diào)查項(xiàng)目包括:(1)節(jié)理方位,即節(jié)理面在空間上的分布狀態(tài),用傾向和傾角表示。其統(tǒng)計(jì)結(jié)果用玫瑰花圖和極點(diǎn)等密度圖表示;(2)節(jié)理間距,是反映巖體完整程度和巖石塊體大小的重要指標(biāo),用線裂隙率Ks(條/m)表示;(3)節(jié)理延續(xù)性,即節(jié)理裂隙沿走向的延伸長度(m);(4)節(jié)理張開度與充填情況;(5)節(jié)理分布密度,確定節(jié)理、裂隙的優(yōu)勢方位及其狀況。3.2節(jié)理走向和傾向玫瑰花圖本次節(jié)理裂隙的調(diào)查研究,主要集中在-380m、-330m和-280m中段進(jìn)行,目的是有效掌握礦區(qū)深部巷道圍巖體中節(jié)理裂隙分布及發(fā)育規(guī)律。共測巷道長度500多米,記錄的節(jié)理總數(shù)330多條(長度超過50cm者)。其中:-380m中段69組,計(jì)266條;-280m中段和-330m中段37組,計(jì)66條。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。將表1中的實(shí)地調(diào)查結(jié)果和所搜集到的原始地質(zhì)資料進(jìn)行系統(tǒng)整理,以節(jié)理走向或傾向玫瑰花圖的形式,可以較為簡單而清楚地反映出該礦區(qū)的節(jié)理組數(shù)、方向及發(fā)育特點(diǎn)。-330m和-380m二個(gè)水平的節(jié)理走向玫瑰花圖見圖2和圖3。另外,還根據(jù)巖組學(xué)的研究,采取等面積極點(diǎn)投影來表示節(jié)理面的產(chǎn)狀,即將所統(tǒng)計(jì)的節(jié)理裂隙的走向、傾向與傾角都投影到吳氏網(wǎng)圖上,制成節(jié)理極點(diǎn)等密度圖。等密圖可以定量地反映節(jié)理發(fā)育的密集程度及其優(yōu)勢方位,這是其它圖示方法所不及的,各中段等密度圖見圖4～圖6。3.3不同巖組的節(jié)理分布從以上調(diào)查結(jié)果可以看出,節(jié)理裂隙在這幾個(gè)中段的分布存在以下規(guī)律:(1)-280m水平和-330m水平的節(jié)理走向分布主要集中于25°～65°之間,而且其分布近似于正態(tài)分布函數(shù):(2)-380m水平的節(jié)理走向在45°～85°之間分布較多,在75°方向的節(jié)理裂隙數(shù)量最多。(3)各巖組節(jié)理的平均裂隙率在1.3%左右,最大3.9%。在現(xiàn)場調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn),主斷裂面附近節(jié)理較密集,但總的來看,節(jié)理裂隙的空間分布還是比較均勻的。(4)節(jié)理裂隙一般張開度很小,延展性較差,但有幾處也很大。節(jié)理裂隙充填物一般很少,甚至沒有。節(jié)理性質(zhì)以扭性為主,局部為壓扭性,屬Ⅳ～Ⅴ級結(jié)構(gòu)面,以整體結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)為主?？傮w看來,新城金礦的節(jié)理裂隙比較發(fā)育,但巖石還是比較致密的,由于受主斷裂面的客觀影響,使得主結(jié)構(gòu)面附近巖體節(jié)理裂隙較為發(fā)育,巖體強(qiáng)度有所降低。4礦區(qū)巖體質(zhì)量分類評價(jià)4.1巖體質(zhì)量分級評價(jià)根據(jù)礦區(qū)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件以及礦體賦存條件、節(jié)理裂隙發(fā)育規(guī)律調(diào)查的資料,礦區(qū)地應(yīng)力測量和礦巖巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果等,采用南非科學(xué)和工業(yè)研究委員會(huì)(CSIR)提出的地質(zhì)力學(xué)分類方法,對礦區(qū)分布的主要巖組進(jìn)行了巖體質(zhì)量分級評價(jià)。CSIR巖體質(zhì)量分級評價(jià)方法主要考慮以下幾個(gè)因素:(1)完整巖塊試件的單軸抗壓強(qiáng)度,分值為0～15,強(qiáng)度越高分值越高;(2)巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)值,分值為3～20,RQD值越大分值越高;(3)節(jié)理間距:節(jié)理之間的相距距離,分值為5～30,間距越大分值越高;(4)節(jié)理狀況:考慮節(jié)理寬度或開口寬度、連續(xù)性、表面粗糙度、節(jié)理面狀況(軟或硬)、以及所含的充填物等因素,分值為0～25,節(jié)理越閉合、表面越粗糙、巖石越硬分值越高;(5)地下水狀況:分值為0～10,地下水越小、環(huán)境越干燥分值越高。按總評分值將巖體質(zhì)量分為五級,見表2。4.2礦巖質(zhì)量調(diào)查和分析采用CSIR方法對巖體質(zhì)量進(jìn)行分級評價(jià),主要依據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、節(jié)理裂隙調(diào)查統(tǒng)計(jì)的結(jié)果和礦巖物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行。新城金礦有代表性的8種巖組的物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果見表3。礦區(qū)8種巖組的質(zhì)量分級綜合基礎(chǔ)指標(biāo)見表4。4.3開挖體質(zhì)量變化根據(jù)上述指標(biāo),對新城金礦有代表性的8種巖組進(jìn)行了質(zhì)量分級評價(jià),結(jié)果如表5所示。從表中所列新城礦區(qū)8種巖組的質(zhì)量分級指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn),似斑狀花崗巖的分級指標(biāo)為Ⅰ級,巖體質(zhì)量非常好;絹英巖化花崗閃長巖和絹英巖質(zhì)碎裂巖屬于Ⅱ級,即巖體質(zhì)量好;而絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖和破碎帶蝕變巖巖組的巖體質(zhì)量差,其余巖組的質(zhì)量為中等。另外,在對地下開挖體(巷道、采場或硐室)圍巖進(jìn)行質(zhì)量評價(jià)時(shí),還應(yīng)考慮開挖體走向與節(jié)理方位、傾向之間的相對關(guān)系,對表5中所得的巖體的總評分值作出適當(dāng)修正,因?yàn)?/p>