冬瓜山铜矿床岩爆浅析

任富强

(铜陵有色金属集团控股公司, 安徽铜陵市 244000)

冬瓜山铜矿床岩爆浅析

任富强

(铜陵有色金属集团控股公司, 安徽铜陵市 244000)

冬瓜山铜矿床埋藏深,工程地质条件复杂,在其开拓、开采过程中已发生过多次岩爆,岩爆及岩体失稳破坏等已直接影响矿山的生产安全。对该矿的岩爆现象进行分析,提出了一些相应防范措施。

深井开采;岩爆;冬瓜山铜矿

1 矿床地质条件

冬瓜山铜矿床是目前国内发现的埋藏深度最大的一个铜矿床。矿区除部分地段为第四系冲积、坡积层覆盖外,出露地层均为三迭系中下统、局部有上统零星分布;深部工程揭露的地层有二迭系、石炭系、泥盆系上统诸地层。与冬瓜山铜矿床成矿关系较密切的主要有二迭系下统,石炭以及泥盆系上统等地层。

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,岩性坚硬,力学强度高,稳定性好。矿体的底盘主要由石炭系下统高丽山组岩体组成,包括石英长石砂岩、粉砂岩等,岩体比较完整,节理裂隙不发育。矿体的顶盘主要由侵入岩、矽卡岩类岩体和大理岩组成。石英闪长岩是矿区内主要的侵入岩,以岩墙、岩柱产出,呈块状构造、致密坚硬、节理裂隙较少。

2 矿岩体强度分类及岩爆记录

2.1 岩石强度分类

1992年和1994年,北京矿冶研究总院对矿石和顶底板6种岩石和该矿区的大团山矿体采空区处理的岩石进行了物理力学试验工作,1996年9月以后在-910m中段又取得了部分岩样进行试验,取得了大量参数。根据beere和Miller完整岩石强度分类表,可以把试验的7种岩石分为下列几种类型:

(1)强度低的岩石:黄龙组大理岩;

(2)强度中等的岩石:栖霞组大理岩;

(3)高强度的岩石:粉砂岩、矽卡岩、石榴子矽卡岩;

(4)强度很高的岩石:石英闪长岩、含铜磁铁矿。

2.2 现场调查

为了更好地预测工程岩体的稳定性,设计部门对矿岩进行了构造调查,RQD值统计,岩体特征分类等工作。调查的岩体包括矿体及其主要围岩大理岩及石英闪长岩。此外,在-910m部分巷道进行了节理统计。

被调查的几种矿岩体中,断层、节理、裂隙均不发育,绝大部分节理倾角较陡,常无充填物,部分节理中有方解石充填。

2.3 基建工程中岩爆记录

1997年元月,-730m中段盲措施井施工中首次出现弱岩爆现象。

1998年9月,-790m中段东石门迎头,以小断面掘进至53线,在成巷的坑道顶部发生破裂,当时采取锚网支护,继续向前掘进,但支护段破坏越来越严重,部分钢筋整体抛出,锚杆被剪切或是拔出。该处为含铜蛇纹石。

1999年3月～5月,-790m向上斜坡道与运输巷交汇处施工期间发生岩爆,采用锚杆网支护后,锚杆被切断,继而采取措施逐段刷大扎筋浇砼,该地段为矽卡岩,在巷道侧帮上存在一组320°/66°的节理,然而在交汇处的右帮发生1.8m长的一段底鼓。同年3月,-850m水平,一段巷道侧帮顶板发生岩爆,当时有明显的爆裂声(岩石为矽卡岩),历时20余天,锚网支护破坏,部分钢筋网整体抛出,锚杆拔出,相距40m为石英岩。

1999年5月,-875m水仓施工过程中,在巷道直角拐弯处,顶板发生岩爆,面积为10～15m2。

据现场观察和分析,认为1998年9月发生在-790m中段东石门迎头的岩爆是岩体失稳的一种自然现象。当坑道掘进到52线,岩性坚脆的岩体中的初始应力状态受到扰动,掘进迎头进入新的平衡状态,形成局部应力集中,岩体性态发生变化,渐渐地沿软弱面滑落,为了继续掘进,采取锚网支护,但在破碎岩体中顶帮产生严重破裂,局部地段产生塌方,造成施工中断。针对这种不可控的岩石破裂。经工程技术人员商讨并结合现场情况,采取刷一段(1～3m),浇一段(扎筋)砼。巷道刷大成型,发现岩体沿着早已存在着的不连续面上错动,部分是完整岩石的断裂。这是一种不稳定平衡不连续面上的不稳定滑动和不稳定的岩石断裂。

-850m中段,发生岩爆的侧帮顶板,呈劈裂状破裂,有炸裂声,裂纹渐渐扩展,大小不等的碎片剥落或射出,支护的锚网也被破坏,经连续观测发现,是锚杆先被拔出,部分钢筋整体抛出。

最严重的是在-790m中段52线与东迎头正交施工的上斜坡道,岩爆最先出现在顶拱左侧,有的断面在与顶拱对称的帮壁也发生了岩爆。随着巷道向前施工,逐渐过渡到整个顶拱。现场观察发现:岩爆发生一般距施工掌子面1～2m,在36h内活动较频繁,延续2个月左右的时间逐渐减弱或停止。

冬瓜山铜矿试生产以来,50线、54线、56线盘区地压活动非常明显。-760m54线穿脉52-9#采场附近已浇砼的墙体出现严重破坏,已开采结束的-760m50-2#、6#采场底部结构破坏严重,已重新进行了支护。56-6#、8#采场回采过程中56-7#矿柱采场垮掉一半以上。

3 岩爆规律认识

通过以上观察和资料分析,岩爆是地下硐室中岩体失稳的一种自然现象。因地下硐室开挖以后,岩体的初始应力状态受到扰动,掘进作业面地应力进入新的平衡状态,形成局部应力集中,岩体性态发生变化,有的沿软面滑落;在破碎岩体中出现塌方,当岩体进入塑性状态,可能呈脆性破坏。在高应力地段的大断面巷道施工中岩爆十分强烈,以至岩块猛烈喷射,支护破坏,甚至坑道堵塞。

3.1 岩爆发生条件分析

根据对已观察到的几种岩爆分析,认为劈裂破坏和剪切是不同应力水平造成的。劈裂破坏是脆性岩石在低应力水平的断裂现象,-850m和-875m水平的劈裂破坏是脆性断裂,有时是一种缺陷断裂后连贯形成的,在这个过程中岩石释放出来的应变能有限,后期岩爆较弱。剪切破坏是岩石应力达到极限状态时形成的,其破坏区的形态往往受天然岩体中不均匀性和节理,裂隙状的影响,破坏的轮廓线呈不规则形态。象-790m中段东石门和斜坡道为含铜蛇纹石,节理面石化、滑石、蚀变特别强烈,甚至几种蚀变迭加。这一地段由软岩层向较硬岩层施工时,岩爆最严重。

3.2 岩层性质与岩爆

已发生岩爆地段的岩石主要是闪长岩和矽化闪长岩,矽卡岩和含铜蛇纹石,岩爆多发生在硬、脆性岩石中,以及刚度不同的岩石交界处,并且发生在刚度较大的岩层中。

3.3 岩爆的共同特点

(1)所有的岩爆都发生在正在全断面掘进巷道的直线段的区域内或是正交巷道的交叉口处。

(2)有光泽、有玻璃状的岩石已经有破碎迹象的岩石和容易被划出线条的软岩石向硬岩过度易发生岩爆。

(3)观察记录发现,在破裂的地段或破裂的工作面很少能产生岩爆(蚀变带除外)。

(4)岩爆多发生在掌子面爆破后1～2个小班内,说明岩爆的发生有一个能量积聚的过程。

(5)盘区矿房、矿柱的轮廓形状、尺寸也与岩爆发生有密切联系,超大矿房,矿柱周边部位应力集中程度不一,特别在应力集中程度相当高的底部结构底脚部位,矿柱采场所受的应力值往往达到或超过发生岩爆的临界应力值,很明显会发生岩爆。

4 预防岩爆应采取的措施

(1)增强施工人员对岩爆的认识,加强安全知识的宣传教育。

(2)施工中注意观察岩爆前兆。

(3)对岩性变化地段及刚度不同的岩石交界处,特别是由较软岩层向较硬岩层施工时,加强观测和现场研究工作。

(4)加强对巷道平面交汇区和巷道空间交错相互影响区,及巷道面突变区域的观察和支护。

(5)北线开拓、探矿工程施工中,适当采用超前钻孔、浅孔爆破方式进行卸压,以减少岩爆的发生。

(6)在爆破后24h内为岩爆发生的敏感期,爆破后应注意新形成巷道和硐室的附近区域。

(7)加强爆破后或循环作业前的找顶问帮,并指派有经验的安全检查员对巷道、硐室的顶板、侧帮和底板进行观测,当发现裂纹快速扩展,围岩剧烈发声,尤其是岩石出现炸裂时,通知相关人员及时撤离危险区域。

(8)所有施工巷道、硐室都应及时作巷道地质素描图,整理、分析、存档。

(9)加强现场监测、工程地质调查,及相关预防措施。

[1]潘长良,等.岩爆预测理论与技术研究总报告[R].96-116-01-01-02,长沙:中南工业大学,1999.

[2]彭怀生,于润沧,张文荣,等.铜陵有色金属(集团)公司冬瓜山铜矿可行性研究报告(第一卷)[R].北京:北京有色治金设计研究总院,1998.

[3]潘长良,谢学斌,曹 平.冬瓜山铜矿床发生岩爆可能性及防治对策探讨[J].中国有色金属学报,1997,7(S2).

[4]唐宝庆,曹 平.引起岩爆因素的探讨[J].江西有色金属,1995,9(4).

[5]曹 平,陈爱华,唐宝庆.岩爆应力判据与岩爆倾向性预测研究初步[J].中南工业大学学报,1998,29(S2).

2009-11-02)

任富强(1952-),男,安徽安庆人,高级工程师,主要从事矿山测量,采矿技术与管理工作,Email:fqren@tlys.cn。