嫩江市銅山銅礦工程地質特性及地下開采穩定性研究

王宇晨

（黑龍江多寶山銅業股份有限公司，黑龍江 黑河 161416）

1 地質概況

銅山礦所處大地構造位置為大興安嶺地槽褶皺系東段罕達氣褶皺帶的西部，三礦溝至裸河北西向構造帶的多寶山復背斜的南西翼。礦區出露的地層有古生界奧陶系中統銅山組、多寶山組及第四系全新統堆積物。礦區內主要發育有北西向構造、東西向構造及南北向構造。礦區巖漿活動主要表現為兩種方式，即火山活動和侵入活動。火山活動以奧陶世中期多寶山組地層中的安山巖和英安巖為代表；侵入活動以石炭世早期至晚期多寶山超單元，三疊世早期窩里河超單元及與其伴生的脈巖為代表[1]。礦區內圍巖蝕變具多期次、多階段的特點。其形成與本區構造及巖漿活動密切相關，將礦區內圍巖蝕變劃分為四期，即零蝕變期、第一蝕變期、第二蝕變期和第三蝕變期。地下水主要有第四系松散巖類孔隙水和基巖風化帶網狀裂隙水兩種類型。第四系松散巖類孔隙水分布區遠離礦體，對礦床開采無影響。僅基巖風化帶網狀裂隙水含水層與淺層礦體接觸，為礦床直接充水的含水層。銅山礦屬風化裂隙充水的水文地質條件簡單的礦床。銅山礦礦床走向為280°～310°向南西傾，傾角為40°～80°，銅平均品位0.54%，屬規模大但品位低的厚大礦床，采用無底柱分段崩落法開采。

2 工程地質特征

2.1 工程地質巖帶、巖組特征

根據地層、構造、巖性、巖石風化程度，共劃分五個工程地質巖帶、九個工程地質巖組。現按巖帶垂向分布順序敘述如下：

（1）第四糸松散巖帶：在礦區廣泛分布，主要由殘坡積粘土碎石組成，一般厚3m～5m，局部地段厚達23.83m。呈散體結構，屬最不穩定巖組。

（2）巖石風化帶：在測區廣泛分布，一般埋深3m～5m，最深達24m。厚度25m～40m，最厚達65m。上覆殘坡積粘土碎石層，下伏新鮮基巖。依據巖石風化程度，將風化帶劃分為強風化巖組和弱風化巖組。

強風化巖組：強風化巖組和弱風化巖組界面一般埋深10m～15m，最深43.35m。一般厚度4m～13m。根據前人工程地質編錄資料，強風化巖組巖芯多為碎塊狀、少為短柱狀、泥土狀[2]。巖石大部分退色，部分礦物粘土化。巖石抗壓強度較低，平均抗壓強度為21.8MPa，最大24.2MPa，屬較弱巖石類。該巖組裂隙極其發育，每米5～10條，裂面鐵錳染強烈，含水特征明顯。巖體呈碎裂結構，屬不穩定巖組。

弱風化巖組：位于強風化巖組之下，一般厚20m～30m，最厚50m。根據前人工程地質編錄資料得知，巖芯多為短柱狀，少為長柱狀或塊狀。巖石新鮮，力學強度高，平均抗壓強度為93.4MPa，屬堅硬巖石。本巖組裂隙較少，每米1～3條不等。裂面具輕微鐵錳染，含水恃征較為明顯。巖體呈塊狀結構，較為穩定[3]。

（3）完整巖石帶：礦床及圍巖的百分之八十為完整巖石帶，主要由奧陶系中統多寶山組銅山組地層和多寶山超單元銅山Ⅰ號礦體單元等侵入體組成。巖石新鮮未受風化和構造作用破壞，但均有不同程度的蝕變。根據巖石成因類型，可劃分四個工程地質巖組。從鉆孔巖芯工程地質編錄和巖石力學性能試驗資料統計得知，各巖組間接觸密合，四個巖組無一屬軟弱巖層（體），均為堅硬類巖石。本帶巖體呈整體結構，穩定性好。

（4）斷層構造破碎巖帶：為銅山斷層壓碎巖組，主要由斷層泥、斷層角礫組成，厚度2m～25m，傾向南，傾角35°～45°，屬軟弱巖石散體結構，最不穩定。

（5）節理（片理）裂隙密集巖帶：巖石受節理、片理及小斷層等結構面切割，抗壓強度低，平均為29.0MPa～34.1MPa，屬半堅硬—軟弱巖石類型。多分布于銅山斷層壓碎巖組的兩側，多呈條帶狀，局部呈透鏡狀。厚5m～20m，最厚65m，該帶巖體為鑲嵌結構，欠穩定。

2.2 結構面

礦區構造結構面可劃為三級，主要有Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ級結構面。Ⅰ級結構面有多寶山倒轉背斜、北西向壓性斷裂、北東向張性斷裂，為成礦前或成礦期構造，與區域構造聯系密切，形成的破碎帶遠離礦體。Ⅱ級結構面為銅山斷層破碎帶，該結構面充填有斷層泥和斷層角礫，壓性特征明顯，該結構面直接切割礦體，形成Ⅰ、Ⅱ號礦體底板。Ⅳ級結構面主要為Ⅱ級結構面派生的節理面、片理面和較小斷層面，呈密集狀分布于銅山斷層破碎帶兩側，形成節理（片理）裂隙密集帶，多分布于Ⅰ、Ⅱ號礦體底板段，對礦床開采影響較大。

Ⅰ號礦體適宜露天開采，組成邊坡的巖石主要為綠泥石化絹云母化-石英化絹云母化的安山巖、安山質凝灰巖、石英長石砂巖、英云閃長巖等。除第四系、強風化帶、斷層破碎帶、節理（片理）裂隙密集帶外，巖石抗壓強度均大于60MPa，屬堅硬巖石類。

Ⅱ號礦體的頂板巖石抗壓強度40.1MPa～58.0MPa、底板巖石抗壓強度40.1MPa～52.5MPa，礦體的力學指標為33.2MPa～66.3MPa。類比己采三十余年的三礦溝銅礦，完整巖石段的井巷圍巖穩固性一直很好，無需采取支護措施。而構造破碎地段的井巷圍巖穩固性較差，采取支護措施后方可施工。而通過銅山斷層破碎帶巖石節理（片理）裂隙密集帶地段的井巷圍巖穩固性差，施工時可根據具體情況采取相應的支護措施。

銅山礦屬塊狀巖類中等工程地質類型礦床。

3 工程地質條件評價

3.1 Ⅰ號礦體露采邊坡穩定性評價

3.1.1 露采邊坡工程地質特征

Ⅰ號礦體適宜露天開采，本次評價露采場擬選在D1056線—D1084線一帶。該地段地面標高530m左右，Ⅰ號礦體最大埋深標高370m。設計最大坡高160m。現已開采，露采位置在D1056線-D1088線，己采至標高至508m～505m。組成邊坡的巖石，主要為綠泥石化絹云母化、石英化絹云母化的安山巖、安山質凝灰巖、石英長石砂巖、英云閃長巖等。除第四系、強風化帶、斷層破碎帶、節理（片理）裂隙密集帶外，巖石抗壓強度均大于60MPa，屬堅硬巖石類。巖石產狀多呈厚層狀，向南陡傾，傾角70°左右。

3.1.2 建議最終邊坡角的確定

采坑東部己挖至標高505m左右，邊坡角在32°～38°左右，西部己挖至標高在507m左右，邊坡角在45°左右。采用類比法選擇采場最終邊坡角。類比對象為多寶山銅礦床Ⅰ號帶露采場邊坡和三礦溝銅礦露采場邊坡。多寶山銅礦床Ⅰ號帶露采場邊坡屬無水弱風化帶地段。巖石為蝕變花崗閃長巖，抗壓強度均大于60MPa。采場坡高35m，坡面與水平面夾角35°～45°不等?，F己停采近40年。采坑坑底裸露無堆積物，只在坡角見少量轉石，無整體滑動跡象。三礦溝銅礦露采場，屬小型開采規模，邊坡為無水弱風化帶，巖石由蝕變花崗閃長巖、大理巖、角巖、硅灰巖等組成，抗壓強度均大于60MPa。采場坡高60m，停采30年來，在70°～80°的邊坡段經常出現局部掉塊現象。Ⅰ號礦體未來露采邊坡，風化帶以下地段為無水新鮮基巖段，風化帶地段地下水疏干后，亦屬于無水或局部滲水邊坡[4-6]。雖然未來邊坡高度及規模大于類比對象，但綜合考慮工程地質條件還是較優于類比對象，故建議未來露采場最終邊坡角，南、東、西側邊坡采用48°，北側邊坡受銅山斷層制約，應放緩邊坡角，可采用35°～45°。

3.1.3 邊坡穩定性評價

根據Ⅰ號礦體圍巖巖帶巖組及其結構面的工程地質特征，對露天采場各邊坡評述如下：

（1）南、東、西三側邊坡穩定性評述：按坡高160m，最終邊坡角45°進行設計所形成的邊坡體，除第四系、風化帶和節理（片理）裂隙密集帶外，均由整體塊狀或厚層狀巖體組成，巖石堅硬。巖層均向南陡傾，傾角70°左右，南側邊坡與巖層傾向相反，東、西兩側邊坡與巖層傾向垂直。地下水僅在風化帶坡段滲出，對邊坡破壞作用微弱。故南、東、西三側邊坡穩定條件充足，無滑坡因素存在，為穩定邊坡。但在第四系、強風化坡段和節理（片理）裂隙密集帶局部坡段仍存在坍塌掉塊等欠穩定因素。

（2）北側邊坡穩定性評述：由于銅山斷層破碎帶中的斷層泥和角礫極不穩定，北側邊坡選銅山斷層下盤斷面為界，邊坡角35°～45°，坡面呈舒緩波狀。邊坡巖體呈塊狀、厚層狀構造。邊坡巖層向南陡傾，傾角70°左右。雖然邊坡坡向與巖層傾向順向，但坡角小于巖層傾角，為穩定型組合。其它條件與南、東、西邊坡相同，故該邊坡也為穩定邊坡。但仍注意第四系、強風化帶坡段和局部節理（片理）裂隙密集帶地段存在欠穩定因素。

3.2 Ⅱ號礦體地下井巷圍巖穩定性評價

Ⅱ號礦體埋藏深，埋藏深度在29.6m～348.7m，適宜地下井巷法開采。根據礦山工程地質調查資料，采用類比法評價。類比對象為三礦溝銅礦。該礦巖石力學強度、構造發育程度等工程地質特征與本礦基本相似。Ⅱ號礦體的頂板巖石抗壓強度40.1MPa～58.0MPa、底板巖石力抗壓強度40.1MPa～52.5MPa，礦體的力學指標為33.2MPa～66.3MPa。見Ⅱ號礦體的頂板、底板巖石、礦體的力學指標表。

礦區西南約24km為三礦溝銅礦，三礦溝銅礦己開采三十余年，完整巖石段的井巷圍巖穩固性一直很好，無需采取支護措施。而構造破碎地段的井巷圍巖穩固性較差，采取支護措施后方可施工。根據類比原理可知，本礦未來地下井巷開采時，大部分地段巖石完整，圍巖穩固性好。而通過銅山斷層破碎帶石節理（片理）裂隙密集帶地段的井巷圍巖穩固性差，施工時可根據具體情況采取相應的支護措施。

3.3 斷層突水影響評價及建議

礦區附近水資源不豐富，沒有大的河流、湖泊等大規模的地表水體。礦區屬嫩江水系近上游地段，最大河流嫩江位于礦區以西20km處，歷年最大流量3500m3/s，年平均流量32.4～165m3/s，1～3月份往往斷流。礦區及附近地表水不甚發育，主要分布一些季節性河流。礦區內有多寶山小溪，礦區外東部有裸河、北部有窩里河、南部有泥鰍河、西南部有關鳥河，但水量均很小。礦區位于寒溫帶大陸性季風氣候區，夏季短暫，冬季寒冷漫長，冰凍期近8個月之久。礦區年降雨量531mm～586mm，最大日降雨量61.2mm，6～8月份為雨季，年蒸發量869mm～990mm，蒸發量大于降雨量。

銅山斷層（F6）位于礦區北部，從1040勘探線向西至多寶山礦區西溝，斷層走向東西，從1040勘探線向東，斷層走向南東東，傾向南，傾角一般在30°～40°，沿傾斜方向傾角變陡，沿走向東部比西部傾角略陡。斷層面微呈舒緩波狀，斷層內見有斷層泥和大小不等、分布零亂、比較疏松的角礫，有的角礫具片理化現象，說明斷裂先壓后張，具多次活動的特點。由于斷層在平面上未與大型地面水體連通，僅接受地下巖體裂隙水的補給，水源不充分，所以該斷層在井巷掘進施工時具有降壓疏干的條件。各分段進路巷道穿越斷層，經過多水平多點降壓疏干后，斷層體的來水量與壓力都將大大減小。

為防范斷層突水給井下開采造成的威脅，在巷道掘進至靠近斷層附近前，必須先進行水平超前鉆探探水，查明斷層賦存狀態，如斷面為承壓充水斷層，平巷掘進的探水孔可與放水降壓工作相結合，以避免出現大的突然涌水，同時達到降壓疏干的目的。

4 地下采場穩定性分析

無底柱分段崩落法采礦，要求上盤圍巖不斷崩落，一方面保證回采階段上方形成足夠的廢石層，維持正常回采，另一方面使空區壓力轉移到外圍，采場壓力得到釋放，防止在上盤礦巖交界處出現過度的應力集中現象。圍巖穩固，不能自行垮落時要實施人工放頂，以免采場壓力過大。當中區礦段落后于兩側回采時，起到支撐上盤圍巖，阻止圍巖垮落的作用，也使得自身受到上盤圍巖的巨大壓力。

大間距無底柱分段崩落法加大了進路間距，間柱的抗壓、抗剪能力較強，減少了對巖體的破壞擾動和應力集中，改善了地壓狀況，這對埋藏深、地壓大、礦巖破碎的礦山極為有利。有限元分析結果表明，在相同條件下，20m×20m的采場結構參數應力集中程度比15m×15m的采場結構參數應力集中有了較大的改善，明顯地提高了巷道的穩定性和安全性，減少了支護量。總之，對于采用無底柱分段崩落法的礦山，增大進路間距是改善地壓問題的有效手段，加大進路間距有利于間柱或采場的穩定。加大間距對采場地壓狀況的改善，在不穩礦體采區或其它礦巖不穩礦床具有重要的意義。

通過進路巷道群開挖的數值模擬，并對開挖過程圍巖的位移、應力和塑性區進行分析，發現開挖后塑性區范圍不大，巷道具有良好的穩定性。因此，設計擬采用的進路參數從巷道穩定性方面看是較合理的方案。另外，當開采深度大于350m時，在臨近上盤圍巖的應力集中區和臨近下盤斷層的應力異化集中區，需要采取一定的巷道支護措施，確保回采期間巷道的穩定性。

根據上述巖爆傾向性判斷，礦山基建和生產期間可能伴有無至弱巖爆的發生。為保證安全生產，避免人員傷亡，建議在基建期間，采用便攜式聲發射儀監測、磁場檢測儀監測和現場觀察記錄等方法監測巖爆；在生產期，在主要工程部位布置監測點埋設探頭，建立巖爆監測網站，形成巖爆監測系統。