节理裂隙分布规律及其与地下巷道、采场围岩稳定性关系的研究

节理裂隙分布规律及其与地下巷道、采场围岩稳定性关系的研究

1新城金矿的工程地质条件新城金矿区是中国最大的黄金矿区之一。1999年，黄金产量达到中国人均规模。该矿位于山东省莱州市金城镇新城村境内。矿区地处胶东半岛西北部望儿山北麓,西临莱州湾,处于低山丘陵向海湾平原过渡地带。地势东南高西北低,东南为波状起伏的丘陵区,海拔标高60～100m,地表切割强烈,冲沟发育,基岩裸露;西北部为微向渤海倾斜的滨海平原,地势平坦,海拔标高20～40m,为第四系所覆盖。从区域构造地质图上看,该矿位于沂沐断裂带的东侧,胶东隆起带的西北部,栖霞复背斜的北翼,黄县-掖县弧形断裂带的的西南端。该矿矿体赋存于焦家断裂带中,该断裂带长超出20km,宽100～200m,平均走向40°,倾向北西,倾角26°～30°。断裂带为一宽大的由角闪岩和花岗质碎裂岩组成的破碎带,沿断裂发育有10～20cm厚的连续的灰黑色及灰白色的断层泥,同时发育有厚度不一,且不连续的糜棱岩、角砾岩等。宽大的碎裂岩在主裂面的上下盘呈现对称状分布,矿体位于主裂面下盘。矿体具有走向短(一般不超过360m),延深大(控制斜深超过1200m),倾角缓(平均倾角29°)的特点。矿体上盘为碎裂岩或断层泥,极不稳定,下盘为蚀变花岗岩,稳定性较好。新城金矿于1980年1月1日建成投产,设计生产规模为日采选矿石500t,1984年达产。1986年自筹资金在原有生产规模基础上将选矿规模扩大到750t/d。1989年10月经国务院批准,矿山开始进行二期改扩建工程。1996年末二期改扩建工程投入试生产,生产规模由原750t/d提高到1250t/d,形成了主竖井加辅助斜坡道开拓系统。其中,竖井已到-476m水平,斜坡道已施工至-430m水平。二期设计采用分区开采,以-280m为界分为上下两个采区,仍采用上向水平分层尾砂胶结充填采矿法。随着开拓工程和采矿作业不断向深部发展,工程地质和矿体赋存条件变得越来越复杂,矿山地压显现越来越突出。为了在复杂的工程地质条件下维护采矿工程的稳定性,保证矿山安全、高效的生产,必须对影响地下采矿系统稳定性的各种地质和工程因素进行充分的调查。为了解决深部开采设计和施工中面临的各种难题,“新城金矿复杂条件矿床采矿方法研究”被列为“九五”国家重点科技攻关项目的一个专题,深部工程地质调查与评价是该专题的基础研究内容之一。2喜山期矿物源区在地质历史中,该区先后经历过的构造运动有:(1)胶东运动(相当于中条运动),造成地槽大规模回返;(2)蓬莱运动,结束了胶东地槽活动的历史,进入了稳定上升的地台阶段;(3)燕山运动,部分地区断裂活动相当强烈,形成大小不等的中生代断陷盆地,并伴随大规模的强烈岩浆活动;(4)喜山期构造运动表现微弱,局部地带产生新生盆地。区域内发育有东西向褶皱构造、新华夏系断裂构造和北西向断裂构造,其中新华夏系断裂在招掖地区控制着金矿的三条主干断裂,自西向东依次为:三山岛断裂,黄-掖弧形断裂,招-平断裂。黄-掖弧形断裂的西南端即为新城金矿床所在的焦家断裂带。焦家主断裂带为北东向压扭性断裂构造,延深、延长均呈开阔的舒缓波状,为本区主要导矿储矿构造(见图1)。区内地层比较简单,大部分被第四系所覆盖。太古界-下元古界胶东群富阳组地层分布在焦家断裂带上盘,另有部分呈俘虏体散布于黑云母花岗岩中。胶东群地层与中生代的岩浆呈侵入体接触或断层接触关系。其主要岩性为条纹条带状混合岩化斜长角闪岩、其次有黑云母角闪片岩、黑云母斜长片麻岩等,呈中深变质且有混合岩化现象。3对矿区节理裂缝的调查、计算和分析3.1节理裂隙的调查、统计与分析节理裂隙是岩体在应力作用下形成的结构面,是构造断裂的一种,没有位移或位移极小,虽然延长不远,纵深发展不大,但数目很多。节理裂隙发育的方位、数量、大小以及形态的不同,控制了矿体及其围岩的稳定性、破坏模式和破坏程度。同时,节理裂隙作为一种构造行迹,可以反映出本区主要构造的轮廓与构造运动的特点。节理裂隙大都与构造应力保持着一定的内在联系,通过节理裂隙可以推断节理裂隙形成时的构造应力场和构造运动方式,为区域构造应力场及构造体系的力学分析提供基础资料。由此可见,节理裂隙的调查、统计和分析是非常有价值的工作,成为本次工程地质调查的主要内容之一。在现场工作中,需要调查矿区节理、裂隙的产状、规模、密度、形态及其组合关系,除对单个节理、裂隙的形态进行描述外,主要对它们的组合关系进行统计研究。调查项目包括:(1)节理方位,即节理面在空间上的分布状态,用倾向和倾角表示。其统计结果用玫瑰花图和极点等密度图表示;(2)节理间距,是反映岩体完整程度和岩石块体大小的重要指标,用线裂隙率Ks(条/m)表示;(3)节理延续性,即节理裂隙沿走向的延伸长度(m);(4)节理张开度与充填情况;(5)节理分布密度,确定节理、裂隙的优势方位及其状况。3.2节理走向和倾向玫瑰花图本次节理裂隙的调查研究,主要集中在-380m、-330m和-280m中段进行,目的是有效掌握矿区深部巷道围岩体中节理裂隙分布及发育规律。共测巷道长度500多米,记录的节理总数330多条(长度超过50cm者)。其中:-380m中段69组,计266条;-280m中段和-330m中段37组,计66条。统计结果见表1。将表1中的实地调查结果和所搜集到的原始地质资料进行系统整理,以节理走向或倾向玫瑰花图的形式,可以较为简单而清楚地反映出该矿区的节理组数、方向及发育特点。-330m和-380m二个水平的节理走向玫瑰花图见图2和图3。另外,还根据岩组学的研究,采取等面积极点投影来表示节理面的产状,即将所统计的节理裂隙的走向、倾向与倾角都投影到吴氏网图上,制成节理极点等密度图。等密图可以定量地反映节理发育的密集程度及其优势方位,这是其它图示方法所不及的,各中段等密度图见图4～图6。3.3不同岩组的节理分布从以上调查结果可以看出,节理裂隙在这几个中段的分布存在以下规律:(1)-280m水平和-330m水平的节理走向分布主要集中于25°～65°之间,而且其分布近似于正态分布函数:(2)-380m水平的节理走向在45°～85°之间分布较多,在75°方向的节理裂隙数量最多。(3)各岩组节理的平均裂隙率在1.3%左右,最大3.9%。在现场调查时发现,主断裂面附近节理较密集,但总的来看,节理裂隙的空间分布还是比较均匀的。(4)节理裂隙一般张开度很小,延展性较差,但有几处也很大。节理裂隙充填物一般很少,甚至没有。节理性质以扭性为主,局部为压扭性,属Ⅳ～Ⅴ级结构面,以整体结构、块状结构为主。总体看来,新城金矿的节理裂隙比较发育,但岩石还是比较致密的,由于受主断裂面的客观影响,使得主结构面附近岩体节理裂隙较为发育,岩体强度有所降低。4矿区岩体质量分类评价4.1岩体质量分级评价根据矿区工程地质、水文地质条件以及矿体赋存条件、节理裂隙发育规律调查的资料,矿区地应力测量和矿岩岩石力学性质试验结果等,采用南非科学和工业研究委员会(CSIR)提出的地质力学分类方法,对矿区分布的主要岩组进行了岩体质量分级评价。CSIR岩体质量分级评价方法主要考虑以下几个因素:(1)完整岩块试件的单轴抗压强度,分值为0～15,强度越高分值越高;(2)岩石质量指标(RQD)值,分值为3～20,RQD值越大分值越高;(3)节理间距:节理之间的相距距离,分值为5～30,间距越大分值越高;(4)节理状况:考虑节理宽度或开口宽度、连续性、表面粗糙度、节理面状况(软或硬)、以及所含的充填物等因素,分值为0～25,节理越闭合、表面越粗糙、岩石越硬分值越高;(5)地下水状况:分值为0～10,地下水越小、环境越干燥分值越高。按总评分值将岩体质量分为五级,见表2。4.2矿岩质量调查和分析采用CSIR方法对岩体质量进行分级评价,主要依据工程地质、水文地质、节理裂隙调查统计的结果和矿岩物理力学性质试验的结果进行。新城金矿有代表性的8种岩组的物理力学性质试验结果见表3。矿区8种岩组的质量分级综合基础指标见表4。4.3开挖体质量变化根据上述指标,对新城金矿有代表性的8种岩组进行了质量分级评价,结果如表5所示。从表中所列新城矿区8种岩组的质量分级指标可以发现,似斑状花岗岩的分级指标为Ⅰ级,岩体质量非常好;绢英岩化花岗闪长岩和绢英岩质碎裂岩属于Ⅱ级,即岩体质量好;而绢英岩化花岗质碎裂岩和破碎带蚀变岩岩组的岩体质量差,其余岩组的质量为中等。另外,在对地下开挖体(巷道、采场或硐室)围岩进行质量评价时,还应考虑开挖体走向与节理方位、倾向之间的相对关系,对表5中所得的岩体的总评分值作出适当修正,因为