黄沙坪矿区岩体工程地质条件及围岩稳定性评价

乔 旭

（广东省核工业地质局二九三大队，广东 广州 510800）

湖南黄沙坪铅锌矿区湖南省郴州市桂阳县黄沙坪街道境内，矿区自1967年投产，是湖南省内最大的铅锌矿开采矿山和原料基地。经过50余年的开采，矿山勘探工作已向深部进发。为判别围岩硐室稳定性，保证矿山安全、高效开采。本文在系统收集黄沙坪矿区中、深部工程地质资料和现场调查、取样工作的基础上，利用岩体质量系数法和岩体质量指标法分别对各类岩石稳固性进行评价，为矿山深部开采提供科学参考。

1 矿区水文地质概况

图1 黄沙坪矿区水文地质边界简图

矿区东、南、西三面环山，区内无明显含水构造带与外界连通，因此矿区为一套相对完整水文地质单元。矿区地貌主要成因类型属侵蚀溶蚀构造地貌的岩溶丘陵、谷地组合地形。地表岩溶丘陵和溶蚀谷地组合形态，丘陵基岩裸露、石芽、溶沟或溶槽广泛发育。

矿区位于南岭纬向构造带东段北缘，耒(阳)-临(武)经向构造带中段，坪-宝复式背斜中。区内构造复杂，发育着一系列复式褶皱和断层。矿区褶皱有宝岭-观音打座复式倒转背斜和上银山含水向斜，断层主要有SN向压扭性断层F1、F2、F3，近EW向张扭性断层，F0、F6、F7、F9等[1]。

矿区出露石炭系下统石磴子组(C1sh)泥晶灰岩，测水组(C1c)砂页岩，梓门桥组(C1z)白云质灰岩、白云岩，第四系残坡积、冲洪积层。其中石炭系下统石磴子组灰岩和梓门桥组白云质灰岩、白云岩为矿区主要含水层。

2 矿区工程地质条件

由于作为矿坑洞室围岩的岩体，岩石工程质量的好坏与岩体结构、岩石风化程度、地下水等因素的影响有关。故以下从多个方面对岩体的质量分类、分级及岩体物理力学与工程地质定性、定量进行研究。

2.1 岩石质量指标（RQD）分类

根据钻孔岩心及坑道围岩的稳定性划分，本矿床目前主要生产在56m、20m、-16m、-56m、-96m、-136m、-176m、-216m等中段，中深部矿床围岩主要是统石磴子组(C1sh)灰岩，遍布所有中段；测水组(C1c)砂页岩，上部生产中段对该层岩石的揭露已证实该层具有较好的隔水性能；梓门桥组(C1z)白云岩、白云质灰岩，在中深部主要标高-30m以上的区段。因F1、F3的影响，是中深部矿床主要充水岩层之一。其岩石质量指标采用（RQD）评价。

（1）石炭系下统梓门桥（C1z）中细晶白云岩夹白云质灰岩，石磴子组（C1sh）含生物碎屑泥晶灰岩：从岩心编录来看，岩心呈柱状、短柱状，节长4.2cm～24.0cm，多数块状岩心断口新鲜，尚属人工机械破碎，RQD大于75%以上。生产坑道已证实开采数年的巷道围岩处于稳定，岩石质量指标好；

（3）岩浆岩石英斑岩体：斑晶以石英为主，少量透长石或正长石及黑云母，据矿坑开采及钻探记录，岩心完整，呈柱状，很少见节理裂隙，RQD＞75%，岩石质量指标属极好范畴。

2.2 岩体基本质量分级

决定岩体工程质量好坏是岩石的坚硬程度和岩体完整程度，在调查成果资料上，对岩体基本质量指标求BQ值，进行岩体分级[2]。

岩体基本质量指标BQ值的计算公式：BQ=90+3Rc+250Kv。

式中：Rc—岩石单轴抗压强度；Kv—岩体完整性系数。

经取样分析，矿区石英斑岩饱和单轴抗压强度（Rc）为157.09（MPa），梓门桥组白云岩为90.1MPa；石磴子灰岩饱和单轴抗压强度分别为70.2MPa，为坚硬岩；测水组砂页岩最小值为12.05MPa，属软岩类。

由于矿区未作岩块纵波速度检测，故用岩体单位体积内结构面系数JU对照取值Kv，见下表1。

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对井下开采中段岩体单位体积内结构面如不连续面、层面、节理面、断层等完整程度调查结果得知：花岗斑岩、石英斑岩2～5条/m3，梓门桥组白云岩、白云质灰岩5～9条/m3，石磴子组含生物碎屑泥晶灰岩8～12条/m3，测水组石英砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩23～31条/m3。石英斑岩Kv取值0.70，梓门桥白云质灰岩Kv取值0.60，石磴子灰岩Kv取值0.55，测水组砂页岩Kv取值0.25。

计算得出花岗斑岩、石英斑岩BO值736.27，梓门桥组BO值510.30，石磴子组BO值438.10，测水组BO值188.65。

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根据岩体质量分级标准，目前矿山生产的90m标高中段及以下中段，花岗斑岩、石英斑岩岩体工程质量属Ⅰ级，采矿坑道及采空区自稳定性好；梓门桥白云质灰岩岩体工程质量属Ⅱ级，自稳定性较好；石磴子组灰岩岩体工程质量属Ⅲ级，自稳定性中等，井巷局部需要支护；测水组砂页岩岩体工程质量属Ⅴ级，自稳定条件较差，井巷工程整体需要支护。

3 井巷围岩稳固性评价

黄沙坪矿体顶、底板岩石有测水组砂页岩，石磴子组灰岩、大理岩，矽卡岩及斑岩类，矿体下盘主要与花岗斑岩接触，极少为矽卡岩或大理岩、灰岩。矿体上盘主要与矽卡岩接触，少数与结晶灰岩或大理岩接触。现对利用岩体质量系数法和岩体质量指标法分别对各类岩石稳固性进行评价。

3.1 岩体质量系数法

计算公式：

式中：Z−−岩体质量系数。I−−岩体完整系数，这里用RQD值代替。f−−结构面摩擦系数。S−−岩块坚硬系数。

其中：

Rc−−岩块饱和轴向抗压强度。

根据水文工程地质编录情况结合前人在本地区的工作资料，岩体完整系数取值为：砂页岩60%、石蹬子组灰岩95%，矽卡岩85%，斑岩类80%；结构面摩擦系数取值为：砂页岩0.40、石蹬子组灰岩0.45，矽卡岩0.45，斑岩类0.55。依据本次调查岩石饱和抗压强度试验结果及前人岩样分析结果，岩块饱和轴向抗压强度取值为：砂页岩100MPa、石蹬子组灰岩80MPa，矽卡岩85MPa，斑岩类125MPa。经上述公式计算各岩体的质量系数Z值分别为砂页岩0.240、石蹬子组灰岩0.342，矽卡岩0.325，斑岩类0.550。依据表2分级标准，则黄沙坪矿区井巷围岩中砂页岩岩体质量坏，其他岩体质量等级一般。

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3.2 岩体质量指标法

同上述取值，各岩体RQD值取值如下：砂页岩60%、石蹬子组灰岩95%、矽卡岩85%、斑岩类80%。岩块饱和轴向抗压强度取值为：砂页岩100MPa、石蹬子组灰岩80MPa、矽卡岩85MPa、斑岩类125MPa。经上述公式计算各岩体的质量系数M值分别为砂页岩0.200、石蹬子组灰岩0.253、矽卡岩0.241、斑岩类0.333。依据岩体质量分级表（表3），在黄沙坪矿区井巷岩体质量中等。

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3.3 结果分析

综上所述，两种不同的井巷围岩稳固性评价方法得出的结论相对应，具有较高的可信度，因此黄沙坪矿区的井巷围岩稳定性评价如下：砂页岩及灰岩：现矿山开采的上部各中段，灰岩稳定性中等，砂页岩稳定性较差，有小规模崩落现象。矿床深部未见砂页岩，灰岩井巷稳固程度中等。矽卡岩：岩石完整性较好，稳固程度中等。斑岩类：岩体呈岩株及岩枝状，且由各种火成岩类构成复式岩体，岩石坚硬，整体较完整，井巷稳固程度中等。但局部地带节理较发育，岩石破碎，岩石稳固性差。

4 结论与建议

（1）石炭系下统梓门桥（C1z）中细晶白云岩夹白云质灰岩，石磴子组（C1sh）含生物碎屑泥晶灰岩岩石质量指标好；石炭系下统测水组（C1c）石英砂岩，粉砂岩，粉砂质泥岩岩石质量指标差；岩浆岩石英斑岩体岩石质量指标极好。

（2）依据不同岩体岩石饱和单轴抗压强度和岩体基本质量指标BQ两者相结合确定岩体基本质量级别，花岗斑岩、石英斑岩岩体工程质量属Ⅰ级，采矿坑道及采空区自稳定性好；梓门桥白云质灰岩岩体工程质量属Ⅱ级，自稳定性较好；石磴子组灰岩岩体工程质量属Ⅲ级，自稳定性中等，井巷局部需要支护；测水组砂页岩岩体工程质量属Ⅴ级，自稳定条件较差，井巷工程整体需要支护。

（3）根据岩体质量系数法和岩体质量指标法，两种不同的井巷围岩稳固性评价方法得出的结论相对应，黄沙坪矿区深部井巷围岩中砂页岩岩体质量坏，其他岩体质量等级一般。

（4）深部生产矿坑采矿时，根据岩体的结构自稳能力，作好工作区内不安全地段的防范措施，实现预防为主，安全第一。