李 跳，文國(guó)忠

(1.湖南省地球物理地球化學(xué)勘查院，湖南長(zhǎng)沙 410026；2.湖南省水工環(huán)地質(zhì)工程勘察院，湖南長(zhǎng)沙 410026)

基于工程地質(zhì)力學(xué)的渣滓溪銻礦巖體穩(wěn)定性研究

李 跳1，文國(guó)忠2

(1.湖南省地球物理地球化學(xué)勘查院，湖南長(zhǎng)沙 410026；2.湖南省水工環(huán)地質(zhì)工程勘察院，湖南長(zhǎng)沙 410026)

為研究湘西南地區(qū)銻礦山地下開(kāi)采時(shí)開(kāi)挖工程的穩(wěn)定性狀況，通過(guò)對(duì)揭露巖體進(jìn)行工程地質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、巖石力學(xué)特性參數(shù)室內(nèi)試驗(yàn)和工程巖體系統(tǒng)性分級(jí)等，得出了特定巖性的分級(jí)特點(diǎn)，主礦體屬于中等的Ⅲ級(jí)巖體，其余圍巖屬于良好的Ⅱ級(jí)巖體，推導(dǎo)出工程地質(zhì)力學(xué)系列因素對(duì)工程穩(wěn)定性的影響，為確定井下開(kāi)采順序、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、采場(chǎng)穩(wěn)定性等提供基礎(chǔ)依據(jù)。

工程地質(zhì)調(diào)查；巖石力學(xué)特性參數(shù)；巖體分級(jí)；工程穩(wěn)定性

1 概 述

渣滓溪銻礦位于湖南西南部雪峰山區(qū)域，地處資水和沅水兩大水系的分水嶺地帶。區(qū)內(nèi)地形陡峻，切割較深，溪溝一般呈“V”形谷，屬于中低山區(qū)。

礦區(qū)位于黔陽(yáng)—溆浦新華夏系與冷家溪東西向構(gòu)造斜接復(fù)合部位之南緣，地處新華夏系北段向東偏斜之構(gòu)造帶中。礦區(qū)地層由連續(xù)沉積的層紋狀板巖、凝灰質(zhì)板巖和層凝灰?guī)r夾石英巖狀砂巖、長(zhǎng)石石英砂巖、凝灰質(zhì)砂巖和凝灰?guī)r這樣一套沉積—變質(zhì)碎屑巖類(lèi)和火山變質(zhì)碎屑巖類(lèi)的復(fù)雜巖石所組成，隸屬于板溪群五強(qiáng)溪組第一和第二段層位。地層走向45°～78°，傾向南東，傾角一般為52°～60°；局部巖層倒轉(zhuǎn)，傾向北西。根據(jù)沉積韻律，巖性及巖石組合，礦區(qū)地層共劃分為兩段九層，總厚度為1080～1530 m。區(qū)內(nèi)巖漿巖極不發(fā)育；圍巖蝕變微弱，只限于礦體兩側(cè)數(shù)毫米至數(shù)十公分，主要蝕變?yōu)楣杌螢橥噬疤妓猁}化。

區(qū)內(nèi)圍巖蝕變微弱，主要蝕變?yōu)楣杌螢橥噬疤妓猁}化。礦區(qū)構(gòu)造以斷裂構(gòu)造為主，局部略有起伏，形成小的背、向斜。礦床成因類(lèi)型為中低溫?zé)嵋轰R礦床，工業(yè)類(lèi)型為裂隙充填脈狀輝銻礦床。本區(qū)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，區(qū)內(nèi)無(wú)大的地表水體，巖石含水性微弱。

2 工程地質(zhì)及巖體發(fā)育狀調(diào)查

2.1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查目的與意義

為研究渣滓溪銻礦深部礦體開(kāi)采時(shí)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)和回采順序，以及采場(chǎng)的穩(wěn)定性，在已經(jīng)取得基礎(chǔ)力學(xué)數(shù)據(jù)的同時(shí)，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)巖體工程地質(zhì)(節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況)和水文地質(zhì)條件(巖體自然含水和滲水功能)的調(diào)查，通過(guò)結(jié)合兩者的分析和考慮，最終確定巖體的質(zhì)量級(jí)別和穩(wěn)定性程度，作為研究巖土工程整體布局和施工技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)資料，特開(kāi)展了全礦人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)以及宏觀地壓活動(dòng)的全面調(diào)查，調(diào)查目的如下：

(1)對(duì)渣滓溪銻礦目前所開(kāi)拓的各中段巷道內(nèi)所揭露的各種巖體進(jìn)行工程地質(zhì)以及一些巖體的變形情況的調(diào)查和了解，以確定渣滓溪銻礦各種巖體的工程地質(zhì)條件、地壓活動(dòng)狀況和發(fā)展趨勢(shì)；

(2)根據(jù)礦體和圍巖節(jié)理、裂隙現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料，劃分工程地質(zhì)巖組，評(píng)價(jià)不同巖組的工程地質(zhì)條件，結(jié)合前期室內(nèi)巖石力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)成果，進(jìn)行巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)；

(3)結(jié)合前期室內(nèi)巖石力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)成果，確定巖體力學(xué)參數(shù)，為渣滓溪銻礦穩(wěn)定性分析提供基礎(chǔ)資料。

2.2 調(diào)查方法、對(duì)象及內(nèi)容

本次調(diào)查采用單位體積內(nèi)統(tǒng)計(jì)法，現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)線(xiàn)測(cè)定法等，對(duì)渣滓溪銻礦的銻礦體、凝灰質(zhì)砂巖巖組和凝灰質(zhì)板巖巖組內(nèi)發(fā)育的節(jié)理和裂隙的形態(tài)狀況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，包括如下幾個(gè)方面：產(chǎn)狀，間距，長(zhǎng)度，節(jié)理張開(kāi)長(zhǎng)度與充填情況，節(jié)理面兩壁的光滑度情況，地下水狀況。

2.3 調(diào)查結(jié)果

2.3.1 銻礦體

銻礦體結(jié)構(gòu)類(lèi)型為碎裂結(jié)構(gòu)，節(jié)理方位較多，主要發(fā)育有3組節(jié)理，節(jié)理類(lèi)型主要為剪節(jié)理，裂隙內(nèi)充填有方解石、鐵泥質(zhì)等。兩組主要節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀為129°∠65°，48°∠42°。平均體積節(jié)理密度Jv為11.2條/m3，經(jīng)換算的RQD值為78.04%。

(1)129°∠65°節(jié)理組。節(jié)理等密度值為22.32%，節(jié)理、裂隙面為閉合的剪節(jié)理，有1～2 mm方解石、鐵質(zhì)充填物，節(jié)理、裂隙面為平直、光滑，節(jié)理、裂隙面潮濕，長(zhǎng)度大于3 m；節(jié)理間距在16～57 cm之間，平均間距約為27.3 cm，平均密度約為3.67條/m。

(2)48°∠42°節(jié)理組。節(jié)理等密度值為14.95%，節(jié)理、裂隙面為閉合的剪節(jié)理，有1～2 mm泥質(zhì)、鐵質(zhì)及方解石充填物，節(jié)理、裂隙面為平整，較破碎，節(jié)理、裂隙面潮濕，長(zhǎng)度大于1.5 m；節(jié)理間距在17～28 cm之間，平均間距約為23 cm，平均密度約為4.35條/m。

2.3.2 凝灰質(zhì)砂巖

凝灰質(zhì)砂巖巖組結(jié)構(gòu)類(lèi)型為碎裂結(jié)構(gòu)，節(jié)理方位變化較大，主要發(fā)育有3組節(jié)理，節(jié)理裂隙特性、充填物情況、節(jié)理面狀況以及節(jié)理裂隙的含水情況與礦體的基本一致。3組主要節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀分別為189°∠76°，342°∠43°和24°∠76°。平均體積節(jié)理密度 Jv為7.83條/m3，經(jīng)換算的 RQD值為89.16%。

(1)189°∠76°節(jié)理組。節(jié)理等密度值為29.70%，節(jié)理、裂隙面為閉合的剪節(jié)理，有1～2 mm方解石充填物，節(jié)理、裂隙面為平直，節(jié)理、裂隙面潮濕，長(zhǎng)度大于2 m；節(jié)理間距在20～71 cm之間，平均間距約為43 cm，平均密度約為2.33條/m。

(2)342°∠43°節(jié)理組。節(jié)理等密度值為12.32%，節(jié)理、裂隙面為閉合的剪節(jié)理，有1～10 mm方解石充填物，節(jié)理、裂隙面為平直，較破碎，節(jié)理、裂隙面潮濕，長(zhǎng)度大于2 m；節(jié)理間距在21～33 cm之間，平均間距約為 27 cm，平均密度約為 3.70條/m。

(3)24°∠76°節(jié)理組。節(jié)理等密度值為19.12%，節(jié)理、裂隙面為閉合的剪節(jié)理，有1～2 mm方解石、泥質(zhì)充填物，節(jié)理、裂隙面為平整，破碎，節(jié)理、裂隙面潮濕，長(zhǎng)度大于2 m；節(jié)理間距在28～110 cm之間，平均間距約為55.67 cm，平均密度約為1. 80條/m。

2.3.3 凝灰質(zhì)板巖

凝灰質(zhì)板巖巖組結(jié)構(gòu)類(lèi)型為層狀結(jié)構(gòu)，主要發(fā)育的節(jié)理有兩組，和部分零星分布和發(fā)育的節(jié)理，節(jié)理性質(zhì)為剪節(jié)理，節(jié)理裂隙特性、充填物情況、節(jié)理面狀況以及節(jié)理裂隙的含水情況與礦體的基本一致。該巖組內(nèi)發(fā)育的兩組節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀分別為138°∠72°和338°∠70°。平均體積節(jié)理密度為8.99條/m3，經(jīng)換算的RQD值為85.33%。

(1)138°∠72°節(jié)理組。節(jié)理等密度值為21.55%，節(jié)理、裂隙面為閉合的剪節(jié)理，有1～2 mm方解石充填物，節(jié)理、裂隙面為平直，節(jié)理、裂隙面潮濕，長(zhǎng)度大于2 m；節(jié)理間距在5～52 cm之間，平均間距約為27.69 cm，平均密度約為3.61條/m。

(2)338°∠70°節(jié)理組。節(jié)理等密度值為13.26%，節(jié)理、裂隙面為閉合的剪節(jié)理，有1～5 mm方解石、泥質(zhì)充填物，節(jié)理、裂隙面為平直、光滑，節(jié)理、裂隙面潮濕，長(zhǎng)度大于2 m；節(jié)理間距在6～41 cm之間，平均間距約為18.6 cm，平均密度約為5.38條/m。

3 巖石物理力學(xué)室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)

對(duì)該礦山的各種巖塊，包括銻礦體、凝灰質(zhì)砂巖、凝灰質(zhì)板巖，進(jìn)行了一系列的室內(nèi)物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試，包括巖石單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、彈性模量和泊松比等。

此次試驗(yàn)全部在室內(nèi)加工試塊進(jìn)行試驗(yàn)，在250 t全數(shù)字型液壓伺服剛性巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上完成部分試驗(yàn)內(nèi)容，用圓盤(pán)劈裂方法在30 t萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上完成抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。部分試塊的實(shí)驗(yàn)情況如圖1和圖2所示，部分同一種巖性不同巖石試件單軸壓縮條件下的載荷—位移曲線(xiàn)如圖3和圖4所示。最終力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖1 銻礦體單軸抗壓破壞后的形態(tài)

圖2 凝灰質(zhì)板巖單軸抗壓破壞后的形態(tài)

圖3 銻礦體單軸壓縮載荷－位移曲線(xiàn)

圖4 凝灰質(zhì)板巖單軸壓縮載荷－位移曲線(xiàn)

表1 試驗(yàn)成果匯總

4 巖體質(zhì)量類(lèi)型的級(jí)別和評(píng)價(jià)

選擇合適的巖體分級(jí)方法進(jìn)行巖體質(zhì)量分級(jí)至關(guān)重要，目前，主要采用的分級(jí)方法有RQD值分級(jí)、RMR分級(jí)、Q系統(tǒng)分級(jí)等方法。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)調(diào)查，結(jié)合巖石物理力學(xué)參數(shù)，綜合評(píng)價(jià)得出的各巖體分級(jí)及其穩(wěn)定性結(jié)果如表2所示。

表2 巖體分級(jí)結(jié)果

5 結(jié) 論

(1)凝灰質(zhì)砂巖巖組屬于較好的Ⅱ級(jí)巖體，屬于上等穩(wěn)固性的巖體，除特殊大型破碎帶發(fā)育地外，其余均比較適合開(kāi)挖地下工程，且基本無(wú)需支護(hù)，且穩(wěn)固持續(xù)時(shí)間將較長(zhǎng)。

(2)凝灰質(zhì)板巖巖組均為較好的Ⅱ級(jí)巖體，屬于上等穩(wěn)固性的巖體，除特殊大型破碎帶發(fā)育地外其余均比較適合開(kāi)挖地下工程，且基本無(wú)需支護(hù)，且穩(wěn)固持續(xù)時(shí)間將較長(zhǎng)。

(3)銻礦體為一般巖體，屬于中等穩(wěn)固性Ⅲ級(jí)巖體，屬于中等穩(wěn)固性適合開(kāi)采的礦體，在礦體厚度不大的情況下可以開(kāi)挖大型采場(chǎng)，能夠維持在回采期間的穩(wěn)定性。

[1] 李偉明，姜凡均，等.黃崗礦業(yè)公司Ⅲ礦區(qū)巖體工程地質(zhì)條件及質(zhì)量評(píng)價(jià)研究[J].采礦技術(shù)，2011，11(5).

[2] 李學(xué)鋒，徐必根，唐紹輝，等.大型復(fù)雜群空區(qū)下采場(chǎng)穩(wěn)定性分析[J].采礦技術(shù)，2010，10(3)：52-55.

[3] 黃 剛，蔡嗣經(jīng)，張亞?wèn)|，等.白象山鐵礦采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)值模擬優(yōu)化[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2014，34(4)：8-10.

[4] 蔡 斌，喻 勇.《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》與Q分類(lèi)法、RMR分類(lèi)法的關(guān)系及變形參數(shù)估算[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001，10(8)：1677-1679

[5] 盛 佳，劉志華.巖石點(diǎn)載荷強(qiáng)度試驗(yàn)中強(qiáng)度指數(shù)計(jì)算方法的選擇[J].采礦技術(shù)，2013，13(1)：24-27.

[6] 李 佳，鄧榮貴.單軸和雙軸壓縮下裂隙性巖石力學(xué)特性試驗(yàn)研究[D].重慶：西南交通大學(xué)，2011.

[7] 文 興.非連續(xù)復(fù)雜群空區(qū)穩(wěn)定性分析和治理方案研究[D].長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，2012.

[8] 王志毅.劈裂法測(cè)定巖石的抗拉強(qiáng)度[J].大眾科技，2009(12)：58-69.

[9] 曹文貴，張永杰.基于非對(duì)稱(chēng)三角模糊的巖石抗剪強(qiáng)度參數(shù)確定方法研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，7(26)：1340-1346.

2016-06-14)

李 跳(1982-)，男，湖南長(zhǎng)沙人，工程師，主要從事固體礦產(chǎn)勘查，儲(chǔ)量，開(kāi)發(fā)利用方案，礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評(píng)價(jià)評(píng)估和地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、評(píng)估、勘查等研究工作，Email：81762526＠qq.com。