武寧縣大坑礦區工程地質特征與評價分析

張元雪

摘要：本文以大坑釩礦為實際案例，分析了大坑礦區的工程地質特征、對礦區開采中的工程地質問題進行了預測和評價，得出了大坑礦區的工程地質條件屬復雜類型，同時對礦區開采中的可能存在工程地質問題提供了防治措施。

關鍵詞：大坑礦區；礦床；程地質特征；評價；防治

1、工程概況

大坑礦區位于武寧縣澧溪鎮境內，地理坐標：東經114°52′45″～114°54′45″，北緯29°17′45″～29°18′15″。屬沉積石煤型釩礦，儲量達到中型規模，礦山目前還未開采。

2、工程地質特征

2.1巖（土）層（體）工程地質特征

礦區巖類主要為沉積碎屑巖，次為第四系松散、松軟巖。

（1）第四系松散、松軟巖類

山坡、坡麓地帶，為殘積、殘坡積成因，巖性為碎石土、含碎石粉質粘土，松散—中等密實，厚度0.60～21.39m。呈不連續、零散分布。

山前、坡谷地帶為坡洪、沖洪積成因，巖性為夾碎石或礫石粉質粘土，松散，具中～高壓縮性，厚度小于5m。

（2）沉積碎屑巖

由寒武系下統王音鋪組與震旦系上統皮園村組地層組成。

寒武系下統王音鋪組（∈1w）：是礦區賦礦巖層，巖性為以黑色炭質泥（頁）巖為主，夾石煤層，薄層狀、條帶狀硅質巖，白云巖透鏡體，厚度75～230m。與下伏底板巖層震旦系上統皮園村組（Z2p）呈整合接觸，東部呈斷層接觸。

釩礦體主要賦存于炭質頁巖、石煤層中，產狀與地層大致一致，總體走向近東西，傾向南，傾角12～58°，礦體呈層狀、似層狀、透鏡狀產出。該層是礦體的直接頂或底板層位，炭質頁巖及石煤層呈片理狀，碎裂結構，炭質泥巖、條帶狀硅質巖白云巖透鏡體受滑脫斷裂影響巖石節理裂隙發育，巖石完整性不同程度受到破壞，降低了頂板巖層的穩固性。新鮮完整巖石干燥單軸抗壓強度Rc=29.6～68.9MPa，巖石飽和單軸抗壓強度Rb=13.6～51.0MPa，內聚力3.9～5.1 MPa，內摩擦角41.1°～44°，軟化系數0.45～0.75，屬半堅硬-軟弱巖石。地表巖石風化強烈。

震旦系上統皮園村組（Z2p）：為礦體直接底板巖層。

巖性為微細層理狀硅質巖，夾泥質粉砂巖或炭質泥巖、塊狀硅質巖、炭質泥巖、含炭硅質巖、夾硅質泥巖。該地層與上覆王音鋪組地層部分呈滑脫斷裂接觸，并因滑脫斷裂影響，接觸帶巖石碎裂明顯，完整性差。新鮮完整巖石較堅硬，巖石干燥單軸抗壓強度Rc=39.1～67.1MPa，巖石飽和單軸抗壓強度Rb=20.4～47.7MPa，內聚力4.4～5.1 MPa，內摩擦角43°～45.6°。總體屬半堅硬—軟弱巖石。

2.2巖石風化與風化帶特征

巖石風化取決于巖石內在物理、化學風化機制，風化程度與巖石的結構、構造、節理裂隙發育程度和地表水、地下水的活動及地形、地貌、氣候因素等地質環境條件有密切的關系，是多種因素的綜合。

地表調查與鉆孔巖芯觀察，巖石風化強度由表及里過渡，風化狀態由土狀過渡到碎屑狀、碎塊狀至原巖，風化后的巖石呈散體狀、土狀、團塊狀，塊體間無粘結，風化巖體力學強度低。風化帶深度在平面上深淺不一，淺處一般0.6～4m，普遍達5～11m，局部似風化凹槽，深度12～23.43m。風化作用而形成的軟弱夾層等軟弱結構面發育，沿傾向延伸可達數十米，沿構造破碎帶風化影響延深更大。

2. 3構造破碎帶工程地質特征

礦區東部發育寒武系下統王音輔組與震旦系上統皮園村組之間層間破碎帶，表現為影響寬度幾米至數十米變化不一的硅化破碎帶，部分見碎裂巖，斷層擦痕及階步，局部硅化較強、地層缺失，衍生構造裂隙、構造破碎帶發育。對頂底板巖層完整性和穩固性造成破壞，同時亦形成地下水的強富水帶和承壓含水區，鉆孔揭露時，均表現出高水頭性質或涌水現象。亦將是坑道滲水、涌水強烈的部位，是發生片幫、掉塊、垮坍等現象極易的部位。

2. 4各類結構面特征與組合關系及對巖體穩定性影響

1、層面與節理裂隙面

該結構面一般結合緊密，層面與節理裂隙一般延伸有限，傾向垂深與寬度均不明顯，屬于Ⅳ級結構面。

巖體層面往往被裂隙及裂隙與裂隙間的相互切割，使巖體的完整性受到破壞，影響巖體的力學性質及局部穩定性。多組裂隙互為交織，則形成節理裂隙密集帶，成為不良工程地質帶。

2、斷裂面與軟弱面

礦區該兩結構面具有一定規模，一般走向延伸較大，可達數百米以內，傾向垂深達數十米以上。結構面分級屬于Ⅱ級結構面。

礦區壓或壓扭性斷裂面，結構面光滑，擦痕明顯，一般呈平直或舒緩波狀延伸，可見長度數米至數十米，臨空一側巖體沿結構面易整體滑落；張或張扭性斷裂面粗糙，多呈齒狀，階步顯見，沿結構面雙側派生的張性節理密集，巖石碎裂，極易發生掉塊與崩落；軟弱帶內巖性軟弱易崩解，軟弱結構面臨空巖體易發生崩塌。

2. 5巖體結構

根據鉆孔巖芯狀態，礦區內王音鋪組地層巖體結構形態為塊狀、層狀和薄層狀結構體，屬層狀、薄層狀結構體，巖體中以Ⅲ、Ⅳ級結構面為常見，除構造破碎帶、節理裂隙密集帶、軟弱夾層、石煤層巖石質量指標RQD極低或無外，一般均可獲得較高的RQD值，巖芯呈柱狀、短柱狀；皮園村組地層巖體結構形態為層狀和薄層狀結構體，屬層狀、薄層狀結構體，巖體中以Ⅲ、Ⅳ級結構面為常見，除構造破碎帶、節理裂隙密集帶、軟弱夾層巖石質量指標RQD極低或無外，一般RQD值中等，巖芯呈短柱狀、塊狀。

2.6工程地質巖組劃分

根據巖（石）體質量綜合評價，礦區內巖（石）體可劃分為三個工程地質巖組，即堅固巖組、次堅固巖組、不堅固巖組。

首先是堅固巖組

巖組的巖石質量等級為Ⅰ、Ⅱ類，巖體質量為一般或中等。巖石堅硬，巖體較完整-完整，巖芯狀態呈長柱狀、短柱狀，少量塊狀。根據巖組RQD統計：該巖組在王音鋪組巖體中占14.7%；在皮園村組巖體中鉆孔控制深度內未見。此類巖組中的井巷、圍巖穩固性好，坑道無需支護。

其次是次堅固巖組

巖組的巖石質量等級為Ⅲ類，巖體質量為壞或差的。巖石較堅硬。巖體中Ⅲ、Ⅳ級結構面較發育，巖體中等完整，巖芯以短柱狀為主，次為碎塊狀。該巖組在王音鋪組鉆孔揭露巖體中占31%；在皮園村組鉆孔揭露巖體中占46.65%。傾向垂深厚度一般大于10m。據統計，傾向垂深厚度1～5m的占10.2%；5～10m的占21.2%；10～15m的占25.3%；15～20m的占18.3%；大于20～40m的占25%。此類巖組井巷圍巖穩固性一般或中等，局部會有片幫、掉塊，需稀疏支護。

第三是不堅固巖組

由巖石質量等級為Ⅳ、Ⅴ，巖體質量為壞或極壞的巖類組成，即含括風化帶、軟弱蝕變帶、軟弱夾層、節理裂隙密集帶、未膠結的構造擠壓破碎帶內的各類松散、破碎、軟弱巖類及第四系松散巖。巖組特點是巖性質弱，力學強度低，巖芯呈土狀、團塊狀、碎屑狀及碎塊狀，亦有少量塊狀、柱狀體，但巖塊強度實際無意義。鉆孔揭露風化帶以下，該巖組體現為帶狀延伸，產狀及厚度與構造破碎帶、構造裂隙帶、軟弱蝕變帶等規模基本一致。傾向延深標高至- 10m以下，但寬度不大亦無連續性。根據鉆孔統計，礦床內該巖組在揭露的巖體中占54.2%，傾向垂深厚度最小0.74m，最大53.1m；垂深厚度1～5m的占8.7%，5～10m的占19.8%，大于10m的占71.5%。此類巖組井巷圍巖穩固性差，坑道揭露時易冒頂、潰塌、泥流，需及時支護。

3、大坑礦工程地質評價

3.1露天采場邊坡穩定性及主要工程地質問題預測與防治意見

（1）露天采場邊坡穩定性評價

礦體產狀與巖層產狀基本一致，總體傾向南，走向近東西，其中26～40線礦體連續性較好，平面上分布1V～7V七個礦體，層狀、似層狀產出；42線僅分布1V單個礦體，產于滑脫斷裂上盤近斷裂接觸帶。露采礦坑底界+150m標高以上設邊坡角70°水平投影：26～40線采坑東西境界長約1665m，南北最寬處28～32線達380m，南北平均寬223m，面積376849m2；42線采坑東西境界長約200m，南北平均寬約68m，面積13451m2。受礦床地形高度控制，26～40線采坑邊坡最大高度可達100～130m，最低處位于34線、36～38線南部沖谷地帶，邊坡高5～10m；42線采坑邊坡高度50～70m。露采邊坡整體北高南低。

從礦床巖層產狀基本可知，北側邊坡為順向坡，南側為逆向坡，東西兩側一般為斜向坡或橫向坡。根據礦床礦巖巖性結構組合與巖組工程地質特性，不難推定，露采邊坡體大多由不堅固、次堅固巖組構成，且均屬巖土混合坡型，受不良巖組與不利結構影響，邊坡穩定性一般較差。

（2）露采邊坡主要工程地質問題預測與防治意見

露采邊坡巖性組合復雜，不良巖組與不利結構面構成邊坡不穩定因素，在內外地質營力作用下，露采邊坡局部或大部發生崩塌、滑坡等次生地質災害的可能性較大，而成為露采邊坡主要的工程地質問題，因此，建議開采前應進行邊坡穩定性專項研究，確定合理、安全的開采邊坡設計方案，開采中須采取必要、可行的防護措施。

3.2井巷圍巖穩固性及主要工程地質問題預測與防治意見

（1）井巷圍巖穩固性評價

礦床最低開采標高0m以上，由震旦系上統皮園村硅質巖（底板）及寒武系下統王音鋪組組成井巷圍巖。根據礦床巖石（體）質量評價與工程地質巖組統計，礦床巖石質量等級Ⅰ～Ⅱ類、巖體質量分級中等，劃分為堅固巖組的僅占礦床巖體總厚度的14.7%；巖石質量等級為Ⅲ類、巖體質量分級為差，劃分為次堅固巖組的在王音鋪組巖體中占31%，在控制底板皮園村組巖體中占46.65%；巖石質量等級為Ⅳ～Ⅴ類、巖體質量分級為壞，劃分為不堅固巖組的在王音鋪組巖體中占54.2%，在控制底板皮園村組巖體中占53.35%。由此可見，井巷開采中，坑道多穿行于不良巖組中，因此，多數井巷圍巖穩固性差。

（2）井巷開采主要工程地質問題預測與防治意見

如前所述，礦床不良巖組占主位，是礦床開采中發生不良工程地質問題的主要因素。在不良巖組中穿行的坑道，產生片幫、掉塊、冒頂、潰塌、涌泥、鼓漲與局部變形等是井巷開采中主要工程地質問題。井掘進中應及時施以穩固可靠的支護，同時采空礦房應留足安全礦柱，巷道運行中應加強防護與監測。

結束語：礦床巖石（體）質量以Ⅳ、Ⅴ級占主位，礦體圍巖破碎，斷裂破碎帶及衍生破碎帶與各類結構面發育，露采邊坡穩定性較差，巷道普遍存在變形破壞，因此礦區工程地質條件為復雜類型，礦山未來開采中應高度重視工程地質問題，加強防治。

參考文獻

[1]常士驃、張蘇民、項勃等《工程地質手冊》（第四版）中國建筑工業出版社2006

[2] 左建、溫慶博、孔慶瑞、楊武成、周林飛等《工程地質及水文地質》（第三版）中國水利水電出版社2013.

[3] 江西省地礦局贛西北大隊《武寧縣大坑釩礦詳查報告》2012