冬瓜山矿体稳定性和岩石力学特性分析_梁炯丰

　JOURNALOFGUANGXIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY　　　Jun.2009　

文章编号　1004-6410(2009)02-0073-04

冬瓜山矿体稳定性和岩石力学特性分析

梁炯丰1,李荣年2,胡　洲3,邓　宇4

(1.东华理工大学土木与环境工程学院,江西抚州　344000,2.辽东学院,辽宁丹东　118003,3.南铁天河建设股份有限公司,江西南昌　330013,4.广西工学院土木建筑工程系,广西柳州　545006)

摘　要:通过对冬瓜山矿体岩石力学特性的分析,探讨了矿体特征及围岩性质、原岩应力、岩石物理力学性质、岩体的整体稳定性,以及矿岩构造条件、采场结构参数和采场回采顺序对巷道稳定性的影响.结果表明:冬瓜山矿体表现出软岩的性质,属于高应力软岩;冬瓜山矿体地应力场的分布规律可以作为矿山设计及岩体稳定性评价的依据;矿岩构造条件对矿床开采过程巷道的稳定性不会造成较大的影响;选择合适的采场结构参数和采场回采顺序,可减小对巷道稳定性的影响.

关　键　词:矿体;力学特性;稳定性中图分类号:TD313　　　　文献标识码:A

0　引言

铜陵有色金属(集团)公司狮子山矿区冬瓜山矿床是目前国内发现的首例埋深近千米的特大型铜矿床.该矿地处安徽省铜陵市东南7km,矿区分布面积约4.5km2,深度约1000m,在此范围内共有铜、硫、铁核矿体126个,其中I#矿体为主矿体,铜储量占该矿床铜总储量的49%左右.I#矿体赋存于石碳系黄龙一船山组地质中,矿体受层位控制,形状呈鞍状与背斜形态吻合,产状与围岩产状一致,矿体走向35°,两翼分别北

西及南东倾斜,最大倾角30～35°.矿体沿走向呈波状起伏,总趋势向北东倾伏,倾角6～20°.矿体赋存于-680～-1000m,矿体走向长1810m,水平投影宽204～882m,最大厚度107.7m,最小厚度1.13m,平均厚度40m

[1-2]

.研究冬瓜山矿床岩石的力学特性,对于开采冬瓜山具有现实的意义.

1　冬瓜山矿体岩石力学特性

1.1　矿体特征及围岩性质

　　冬瓜山矿体主要由含铜矽卡岩、含铜黄铁矿、含铜磁黄铁矿、含铜蛇纹岩、含铜磁铁矿等构成.矿体构造简单,节理裂隙不发育、大部分岩性坚硬、力学强度高、稳定性好,但含铜蛇纹岩岩性较差,较破碎,表现出软岩的性质.

矿体底盘直接围岩为石碳系下统高丽山组岩石和石英闪长岩,以高丽山组岩石为主,石英闪长岩仅在矿体的东南部局部构成矿体底板.高丽山组中、上部为灰岩、灰褐色粉砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩、砂质页岩等岩石.下部为褐黄、灰色石英长石砂岩、粉砂质页岩,厚14～24m.矿体底板以角岩化粉砂岩为主[3].

矿体的主要顶盘岩石为黄龙、船山组.该组岩石分布广,主要分布在矿体的西部和北部,岩性变质较深,下部为灰白色中、厚层状白云质大理岩及白云石化大理岩,变质强烈时为镁质大理岩;中、上部常为浅灰—灰白色厚层状、糖粒状大理岩,部分变质强烈地段为钙质矽卡岩,层厚46～68m.1.2　原岩应力

北京有色冶金设计研究总院等单位经过测量研究,得到了狮子山矿区垂深1千多米自上而下均匀分布

收稿日期:2009-04-28基金项目:江西省自然科学基金项目(2007GZC0841)资助.作者简介:梁炯丰(1980-),男,广西藤县人,东华理工大学土木与环境工程学院讲师,硕士.

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广西工学院学报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第20卷

的-280m、-460m、-730m和-910m四个水平的地应力量测值,对认识矿区地应力的特性及规律具有重要的指导作用.通过对全矿区应力场分布特征进行分析和评估,将为解决冬瓜山这样超过千米深矿床的井巷开拓、开采顺序、采矿方法以及岩爆预测和防治等技术问题提供重要基础资料.测量结果见表1.

表1　地应力量测及实验测定结果

测点中段

/m-280-460-730-910

测点岩性

石英闪长岩及矽化闪长岩矿体(含铜矽卡岩、含铜黄铁矿)矿体(含铜矽卡岩等)矽化闪长岩

σ119.3026.0822.4432.7534.3338.10

主应力/Mpa

σ2

15.609.9212.9112.2316.4733.10

σ312.309.7210.998.6913.8431.10

主应力倾角/α°

ααα12318.406.133.082.256.3722.70

27.105.2283.5625.8144.3919.90

56.4081.815.0864.0844.9059.00

β1

主应力方位角/β°

β2β3

147.60150.63172.17317.22152.13150.90

7.3020.47323.50142.95344.8123.70

247.30241.2053.8148.31248.42249.60

　　注:(1)方位角β为主应力在水平面上的投影与正北方向间的夹角,同地理方位,经正北方向为零,顺时针为正;

(2)倾角α为主应力与水平面的夹角,以俯角为正(指向低面),仰角为负.

　　由于矿区地质背景及地质构造条件非常复杂,所以影响矿区地应力场分布状态的地质因素是多种多样的,加之量测方法及实验技术的误差,这都可能影响矿区地应力场的分布状态及实测结果.显然,矿区地应力场是一种不均匀的应力场,不同测点的结果固然不同,即使同一测点的不同测次亦不尽相同,可能存在一定

的差异及分散性.尽管如此,从总体上统观分析来看,矿区的地应力场还是具有明显的分布特征及分布规律,主要表现在以下几个方面:

(1)矿区的地应力无论是σ1、σ2,还是σ3均随深度呈线性增加;

(2)近地表岩体中的地应力不为零,有明显的剥蚀残余应力效应;

(3)σ冬瓜山矿体)大致等于上复岩体的自重应力;3近似为垂直应力,且在深部(

(4)在水平方向或接近水平方向存在明显的地质构造应力,其值比岩体的相应自重垂直应力还要大.最大的地质构造应力作用方向为N61°E左右,其它方向亦存在比较明显的地质构造应力或地质构造残余应力,表明矿区地质构造作用的多期性及多期构造应力场的复合效应;

(5)地应力场三个主应力的方位角β及倾角α分别为:βσ61°,βσ151°,βσ353°,ασ9.5°,1=2=3=1=±ασ20°,ασ65°;2=±3=

(6)矿区总体上三个主应力的比值为:σσσ1∶0.75∶0.5;冬瓜山矿体中三个主应力的比值:1∶2∶3=σ1∶σ2∶σ3=1∶0.85∶0.8.上述地应力场的分布规律可以作为矿山设计及岩体稳定性评价的依据.

1.3　岩石物理力学性质

　　论文在可行性研究阶段做了较深入的前期岩体力学研究工作,得到包括以下几种主要矿岩类型的力学性质和蛇纹岩的力学性质,见表2和表3.

鉴于岩体中含有弱面,岩石力学参数不能直接代替岩体的力学参数,使用中必须做适当折减,同时,还要考虑到蛇纹岩遇水软化的问题.

表2　冬瓜山几种典型矿岩的物理力学性质

各类岩石物理力学参数ρ/g·cm-3Ed/EE/GPaμσc/MPaσt/MPaσc/σtC/MPaφ/°

栖霞组

大理岩　　2.71

1.8722.310.2674.048.968.2612.0045.28

黄龙组

大理岩　　2.70

1.5512.800.3350.383.4014.8211.2339.51

粉砂岩　　2.71

1.8540.400.21187.1719.179.7630.5351.01

石英闪长岩　　　2.72

1.4445.110.26306.5813.9022.0633.0157.01

矽卡岩　　3.22

2.0449.900.31190.3017.1311.1121.4356.21

石榴子

石矽卡岩　　　3.40

2.1150.880.25170.2812.0714.1120.7158.91

含铜磁铁矿　　　3.97

1.9351.480.25304.009.1233.3344.3353.02

　第2期　　　　　　　　　　　梁炯丰等:冬瓜山矿体稳定性和岩石力学特性分析　　　　　　　　　　　　　　　　　75

表3　蛇纹岩的岩石力学参数

岩石名称蛇纹岩

弹性模量

/GPa15.83

泊松比0.22

内摩擦角

/°58.4

粘聚力

/MPa18.58

单轴抗拉强度

/MPa

10.51

单轴抗压强度

/MPa

131.43

1.4　岩体的整体稳定性

冬瓜山矿区虽然受到多次构造活动及岩浆活动的影响,使断裂、褶皱较发育,地质构造比较复杂,但地质构造活动对岩体稳定性造成的影响并不严重,矿床岩体仍具有较好的稳定性.原因为:

(1)矿体埋藏较深,成矿前的主要断裂虽延深至矿体埋藏标高以下,但这些断裂均被成矿期及其以后的闪长岩侵入充填,岩体附近发生的矽卡岩化对断裂带内及近旁的岩石起到了一定的胶结作用;

(2)成矿后的断裂因其延深有限(均小于350m,对深埋于-730m标高以下的主矿体及其周围一定范围内的岩体影响不大;(3)矿床岩体为中厚层状大理岩及砂岩、闪长岩、矽卡岩、这些岩石中节理、裂隙均不发育;

(4)矿床上部二叠系大隆组、龙潭组为矿区内隔水层,阻止了浅部含水层的地下水的下渗,使矿床水文地质条件相对简单化.冬瓜山矿床-730m探矿巷道的揭露及该矿床浅部大团山矿床、狮子山矿床的开采实践也说明冬瓜山矿区的岩体稳定性良好.该矿床节理虽不甚发育,但局部仍有节理相对发育的地段,对这些地段及几组节理交汇地段要引起重视.

1.5　矿岩构造条件对巷道稳定性的影响[4]

　　在冬瓜山矿床勘探与开采设计过程中,通过对矿岩构造特征的大量测试与调查结果分析后认为:除矿体中的主节理组(走向北西—南东,倾角75～85°,倾向南西)和栖霞组大理岩中的次节理组(走向北东东—近东西,倾角70～85°,倾向南略偏东)较发育外,其他岩性中的断层,节理及裂隙均不发育,矿区内岩体主要属块状裂隙岩体,但绝大部分节理倾角较陡,且无充填物,并且极个别地段原岩呈粉状出现.实践表明,上述具有这种特征构造的原岩,在巷道开挖后就会呈现沿节理裂隙开裂垮落的倾向,特别是在冬瓜山深井高应力的条件下,掘进巷道如遇到结构层面相交地段或岩体中有两组以上节理交汇部位,就会产生片状体或三角体冒落.

引起巷道变形破坏的主要原因有:一是因开采深度大,地应力高,在巷道形成过程中,围岩应力,特别预留矿柱中的应力集中,使原岩中存在的固有弱面发生变形破坏;二是受施工或爆破等动态因素的影响,巷道出现片帮冒顶而使巷道的稳定性受到影响.

总体而言,冬瓜山矿区虽然受到多期次构造活动及岩浆活动的影响,部分岩体断裂、褶皱较发育,地质构造比较复杂,但地质构造活动对岩体稳定性造成的影响并不很严重,矿床岩体仍具有较好的完整性,因此,矿岩构造条件对矿床开采过程巷道的稳定性不会造成较大的影响.

1.6　采场结构参数对巷道稳定性的影响

影响巷道稳定性的因素很多,主要的除原岩体构造影响因素外,在相同原岩应力场及岩体强度条件下,选择不同的采场结构参数及巷道工程的布置形式,也是直接影响井下采矿作业安全的重要因素.因此,冬瓜山井下的采切工程设计是经设计研究院综合多种影响地下开挖工程的稳定性因素,进行优化计算,设计的正式施工方案,后再经多家科研人员深入分析研究,选择设计了实施的回采结构参数,即:沿矿体走向布置盘区(100m)再在盘区内布置采场(采场尺寸为100m×18m),主要巷道断尺寸为:高×宽=3.8m×4.4m).因此,该回采方案是在充分考虑矿床原岩自身结构条件及尽可能减小开采时对井下巷道工程的影响等因素基础上提出的优化方案.从而从采场结构上尽可能的避免了因参数设计不当等因素对巷道稳定性造成的影响.1.7　采场回采顺序对巷道稳定性的影响

由于矿体的赋存条件不同,采用前进式或后退式回采其地压显现也不一样,有时有很大的差别.合理的回采顺序对控制地压起很大的作用.利用间隔回采的办法,能大大减轻地压.

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广西工学院学报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第20卷

2　结语

(1)冬瓜山矿体在破碎围岩(蛇纹岩)中的巷道变形随时间变化而增长,表现出软岩的性质,属于高应力软岩;

(2)冬瓜山矿体地应力场的分布规律可以作为矿山设计及岩体稳定性评价的依据;

(3)冬瓜山矿床岩体稳定性良好,但局部仍有节理相对发育的地段开采时要注意;(4)矿岩构造条件对矿床开采过程巷道的稳定性不会造成较大的影响;(5)选择合适的采场结构参数和采场回采顺序,可减小对巷道稳定性的影响.

参　考　文　献:

[1]王立生.冬瓜山铜矿-850m主回风道地下水治理[J].中国矿山工程,2008,37(1):5-7.[2]董世华.冬瓜山铜矿大团山矿床采矿工艺及其应用[J].金属矿山,2007,(8):42-45.

[3]李红阳,杨秋荣,李英杰.安徽冬瓜山铜矿床的地球化学特征[J].地球学报,2006,27(6):552-556.[4]施发伍.冬瓜山铜矿采空区治理及稳定性研究[J].矿业快报,2007,11(11):57-60.

AnalysisontheRockMechanicsBehaviorandStabilityof

DongGuaShan'sOrebody

LIANGJiong-feng,LIRong-nian,HUZhou,DENGYu

1

2

3

4

(1.CollegeofCivilandEnvironmentalEngineering,EastChinaInstituteofTechnology,Fuzhou344000,China;2.LiaoDongCollege,Dandong118003,China;3.Nanchang

RailwayTianheConstructionCompanyLtd.,Nanchang330013,China;

4.DepartmentofCivilEngineering,GuangxiUniversity

ofTechnology,Liuzhou545006,China.)

Abstract:TherockmechanicsbehavioroftheDongGuaShan'sorebodyisanalysed,includingorebodycharac-teristicsandthenature,stress,physicalandmechanicalproperties,andoverallstabilityoftherock.Theeffectofrockstructureconditions,stopestructureparametersandstopeminingorderonlanewaystabilityarealsoanal-ysed.Theresultsshowthat:Dongguashanorebodiesarehighstresssoftrock;thedistributionofstressfieldcanbeusedfordesignandstabilityevaluation;oredepositstectonicconditionswillnothavegreatimpactonthesta-bilityoftheroadwayminingprocess;choosingtherightstopestructureparametersandordercanreducetheim-pactonthestabilityofthetunnel.

Keywords:orebody;mechanicbehavior;stability