嫩江市铜山铜矿工程地质特性及地下开采稳定性研究

王宇晨

（黑龙江多宝山铜业股份有限公司，黑龙江 黑河 161416）

1 地质概况

铜山矿所处大地构造位置为大兴安岭地槽褶皱系东段罕达气褶皱带的西部，三矿沟至裸河北西向构造带的多宝山复背斜的南西翼。矿区出露的地层有古生界奥陶系中统铜山组、多宝山组及第四系全新统堆积物。矿区内主要发育有北西向构造、东西向构造及南北向构造。矿区岩浆活动主要表现为两种方式，即火山活动和侵入活动。火山活动以奥陶世中期多宝山组地层中的安山岩和英安岩为代表；侵入活动以石炭世早期至晚期多宝山超单元，三叠世早期窝里河超单元及与其伴生的脉岩为代表[1]。矿区内围岩蚀变具多期次、多阶段的特点。其形成与本区构造及岩浆活动密切相关，将矿区内围岩蚀变划分为四期，即零蚀变期、第一蚀变期、第二蚀变期和第三蚀变期。地下水主要有第四系松散岩类孔隙水和基岩风化带网状裂隙水两种类型。第四系松散岩类孔隙水分布区远离矿体，对矿床开采无影响。仅基岩风化带网状裂隙水含水层与浅层矿体接触，为矿床直接充水的含水层。铜山矿属风化裂隙充水的水文地质条件简单的矿床。铜山矿矿床走向为280°～310°向南西倾，倾角为40°～80°，铜平均品位0.54%，属规模大但品位低的厚大矿床，采用无底柱分段崩落法开采。

2 工程地质特征

2.1 工程地质岩带、岩组特征

根据地层、构造、岩性、岩石风化程度，共划分五个工程地质岩带、九个工程地质岩组。现按岩带垂向分布顺序叙述如下：

（1）第四糸松散岩带：在矿区广泛分布，主要由残坡积粘土碎石组成，一般厚3m～5m，局部地段厚达23.83m。呈散体结构，属最不稳定岩组。

（2）岩石风化带：在测区广泛分布，一般埋深3m～5m，最深达24m。厚度25m～40m，最厚达65m。上覆残坡积粘土碎石层，下伏新鲜基岩。依据岩石风化程度，将风化带划分为强风化岩组和弱风化岩组。

强风化岩组：强风化岩组和弱风化岩组界面一般埋深10m～15m，最深43.35m。一般厚度4m～13m。根据前人工程地质编录资料，强风化岩组岩芯多为碎块状、少为短柱状、泥土状[2]。岩石大部分退色，部分矿物粘土化。岩石抗压强度较低，平均抗压强度为21.8MPa，最大24.2MPa，属较弱岩石类。该岩组裂隙极其发育，每米5～10条，裂面铁锰染强烈，含水特征明显。岩体呈碎裂结构，属不稳定岩组。

弱风化岩组：位于强风化岩组之下，一般厚20m～30m，最厚50m。根据前人工程地质编录资料得知，岩芯多为短柱状，少为长柱状或块状。岩石新鲜，力学强度高，平均抗压强度为93.4MPa，属坚硬岩石。本岩组裂隙较少，每米1～3条不等。裂面具轻微铁锰染，含水恃征较为明显。岩体呈块状结构，较为稳定[3]。

（3）完整岩石带：矿床及围岩的百分之八十为完整岩石带，主要由奥陶系中统多宝山组铜山组地层和多宝山超单元铜山Ⅰ号矿体单元等侵入体组成。岩石新鲜未受风化和构造作用破坏，但均有不同程度的蚀变。根据岩石成因类型，可划分四个工程地质岩组。从钻孔岩芯工程地质编录和岩石力学性能试验资料统计得知，各岩组间接触密合，四个岩组无一属软弱岩层（体），均为坚硬类岩石。本带岩体呈整体结构，稳定性好。

（4）断层构造破碎岩带：为铜山断层压碎岩组，主要由断层泥、断层角砾组成，厚度2m～25m，倾向南，倾角35°～45°，属软弱岩石散体结构，最不稳定。

（5）节理（片理）裂隙密集岩带：岩石受节理、片理及小断层等结构面切割，抗压强度低，平均为29.0MPa～34.1MPa，属半坚硬—软弱岩石类型。多分布于铜山断层压碎岩组的两侧，多呈条带状，局部呈透镜状。厚5m～20m，最厚65m，该带岩体为镶嵌结构，欠稳定。

2.2 结构面

矿区构造结构面可划为三级，主要有Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ级结构面。Ⅰ级结构面有多宝山倒转背斜、北西向压性断裂、北东向张性断裂，为成矿前或成矿期构造，与区域构造联系密切，形成的破碎带远离矿体。Ⅱ级结构面为铜山断层破碎带，该结构面充填有断层泥和断层角砾，压性特征明显，该结构面直接切割矿体，形成Ⅰ、Ⅱ号矿体底板。Ⅳ级结构面主要为Ⅱ级结构面派生的节理面、片理面和较小断层面，呈密集状分布于铜山断层破碎带两侧，形成节理（片理）裂隙密集带，多分布于Ⅰ、Ⅱ号矿体底板段，对矿床开采影响较大。

Ⅰ号矿体适宜露天开采，组成边坡的岩石主要为绿泥石化绢云母化-石英化绢云母化的安山岩、安山质凝灰岩、石英长石砂岩、英云闪长岩等。除第四系、强风化带、断层破碎带、节理（片理）裂隙密集带外，岩石抗压强度均大于60MPa，属坚硬岩石类。

Ⅱ号矿体的顶板岩石抗压强度40.1MPa～58.0MPa、底板岩石抗压强度40.1MPa～52.5MPa，矿体的力学指标为33.2MPa～66.3MPa。类比己采三十余年的三矿沟铜矿，完整岩石段的井巷围岩稳固性一直很好，无需采取支护措施。而构造破碎地段的井巷围岩稳固性较差，采取支护措施后方可施工。而通过铜山断层破碎带岩石节理（片理）裂隙密集带地段的井巷围岩稳固性差，施工时可根据具体情况采取相应的支护措施。

铜山矿属块状岩类中等工程地质类型矿床。

3 工程地质条件评价

3.1 Ⅰ号矿体露采边坡稳定性评价

3.1.1 露采边坡工程地质特征

Ⅰ号矿体适宜露天开采，本次评价露采场拟选在D1056线—D1084线一带。该地段地面标高530m左右，Ⅰ号矿体最大埋深标高370m。设计最大坡高160m。现已开采，露采位置在D1056线-D1088线，己采至标高至508m～505m。组成边坡的岩石，主要为绿泥石化绢云母化、石英化绢云母化的安山岩、安山质凝灰岩、石英长石砂岩、英云闪长岩等。除第四系、强风化带、断层破碎带、节理（片理）裂隙密集带外，岩石抗压强度均大于60MPa，属坚硬岩石类。岩石产状多呈厚层状，向南陡倾，倾角70°左右。

3.1.2 建议最终边坡角的确定

采坑东部己挖至标高505m左右，边坡角在32°～38°左右，西部己挖至标高在507m左右，边坡角在45°左右。采用类比法选择采场最终边坡角。类比对象为多宝山铜矿床Ⅰ号带露采场边坡和三矿沟铜矿露采场边坡。多宝山铜矿床Ⅰ号带露采场边坡属无水弱风化带地段。岩石为蚀变花岗闪长岩，抗压强度均大于60MPa。采场坡高35m，坡面与水平面夹角35°～45°不等。现己停采近40年。采坑坑底裸露无堆积物，只在坡角见少量转石，无整体滑动迹象。三矿沟铜矿露采场，属小型开采规模，边坡为无水弱风化带，岩石由蚀变花岗闪长岩、大理岩、角岩、硅灰岩等组成，抗压强度均大于60MPa。采场坡高60m，停采30年来，在70°～80°的边坡段经常出现局部掉块现象。Ⅰ号矿体未来露采边坡，风化带以下地段为无水新鲜基岩段，风化带地段地下水疏干后，亦属于无水或局部渗水边坡[4-6]。虽然未来边坡高度及规模大于类比对象，但综合考虑工程地质条件还是较优于类比对象，故建议未来露采场最终边坡角，南、东、西侧边坡采用48°，北侧边坡受铜山断层制约，应放缓边坡角，可采用35°～45°。

3.1.3 边坡稳定性评价

根据Ⅰ号矿体围岩岩带岩组及其结构面的工程地质特征，对露天采场各边坡评述如下：

（1）南、东、西三侧边坡稳定性评述：按坡高160m，最终边坡角45°进行设计所形成的边坡体，除第四系、风化带和节理（片理）裂隙密集带外，均由整体块状或厚层状岩体组成，岩石坚硬。岩层均向南陡倾，倾角70°左右，南侧边坡与岩层倾向相反，东、西两侧边坡与岩层倾向垂直。地下水仅在风化带坡段渗出，对边坡破坏作用微弱。故南、东、西三侧边坡稳定条件充足，无滑坡因素存在，为稳定边坡。但在第四系、强风化坡段和节理（片理）裂隙密集带局部坡段仍存在坍塌掉块等欠稳定因素。

（2）北侧边坡稳定性评述：由于铜山断层破碎带中的断层泥和角砾极不稳定，北侧边坡选铜山断层下盘断面为界，边坡角35°～45°，坡面呈舒缓波状。边坡岩体呈块状、厚层状构造。边坡岩层向南陡倾，倾角70°左右。虽然边坡坡向与岩层倾向顺向，但坡角小于岩层倾角，为稳定型组合。其它条件与南、东、西边坡相同，故该边坡也为稳定边坡。但仍注意第四系、强风化带坡段和局部节理（片理）裂隙密集带地段存在欠稳定因素。

3.2 Ⅱ号矿体地下井巷围岩稳定性评价

Ⅱ号矿体埋藏深，埋藏深度在29.6m～348.7m，适宜地下井巷法开采。根据矿山工程地质调查资料，采用类比法评价。类比对象为三矿沟铜矿。该矿岩石力学强度、构造发育程度等工程地质特征与本矿基本相似。Ⅱ号矿体的顶板岩石抗压强度40.1MPa～58.0MPa、底板岩石力抗压强度40.1MPa～52.5MPa，矿体的力学指标为33.2MPa～66.3MPa。见Ⅱ号矿体的顶板、底板岩石、矿体的力学指标表。

矿区西南约24km为三矿沟铜矿，三矿沟铜矿己开采三十余年，完整岩石段的井巷围岩稳固性一直很好，无需采取支护措施。而构造破碎地段的井巷围岩稳固性较差，采取支护措施后方可施工。根据类比原理可知，本矿未来地下井巷开采时，大部分地段岩石完整，围岩稳固性好。而通过铜山断层破碎带石节理（片理）裂隙密集带地段的井巷围岩稳固性差，施工时可根据具体情况采取相应的支护措施。

3.3 断层突水影响评价及建议

矿区附近水资源不丰富，没有大的河流、湖泊等大规模的地表水体。矿区属嫩江水系近上游地段，最大河流嫩江位于矿区以西20km处，历年最大流量3500m3/s，年平均流量32.4～165m3/s，1～3月份往往断流。矿区及附近地表水不甚发育，主要分布一些季节性河流。矿区内有多宝山小溪，矿区外东部有裸河、北部有窝里河、南部有泥鳅河、西南部有关鸟河，但水量均很小。矿区位于寒温带大陆性季风气候区，夏季短暂，冬季寒冷漫长，冰冻期近8个月之久。矿区年降雨量531mm～586mm，最大日降雨量61.2mm，6～8月份为雨季，年蒸发量869mm～990mm，蒸发量大于降雨量。

铜山断层（F6）位于矿区北部，从1040勘探线向西至多宝山矿区西沟，断层走向东西，从1040勘探线向东，断层走向南东东，倾向南，倾角一般在30°～40°，沿倾斜方向倾角变陡，沿走向东部比西部倾角略陡。断层面微呈舒缓波状，断层内见有断层泥和大小不等、分布零乱、比较疏松的角砾，有的角砾具片理化现象，说明断裂先压后张，具多次活动的特点。由于断层在平面上未与大型地面水体连通，仅接受地下岩体裂隙水的补给，水源不充分，所以该断层在井巷掘进施工时具有降压疏干的条件。各分段进路巷道穿越断层，经过多水平多点降压疏干后，断层体的来水量与压力都将大大减小。

为防范断层突水给井下开采造成的威胁，在巷道掘进至靠近断层附近前，必须先进行水平超前钻探探水，查明断层赋存状态，如断面为承压充水断层，平巷掘进的探水孔可与放水降压工作相结合，以避免出现大的突然涌水，同时达到降压疏干的目的。

4 地下采场稳定性分析

无底柱分段崩落法采矿，要求上盘围岩不断崩落，一方面保证回采阶段上方形成足够的废石层，维持正常回采，另一方面使空区压力转移到外围，采场压力得到释放，防止在上盘矿岩交界处出现过度的应力集中现象。围岩稳固，不能自行垮落时要实施人工放顶，以免采场压力过大。当中区矿段落后于两侧回采时，起到支撑上盘围岩，阻止围岩垮落的作用，也使得自身受到上盘围岩的巨大压力。

大间距无底柱分段崩落法加大了进路间距，间柱的抗压、抗剪能力较强，减少了对岩体的破坏扰动和应力集中，改善了地压状况，这对埋藏深、地压大、矿岩破碎的矿山极为有利。有限元分析结果表明，在相同条件下，20m×20m的采场结构参数应力集中程度比15m×15m的采场结构参数应力集中有了较大的改善，明显地提高了巷道的稳定性和安全性，减少了支护量。总之，对于采用无底柱分段崩落法的矿山，增大进路间距是改善地压问题的有效手段，加大进路间距有利于间柱或采场的稳定。加大间距对采场地压状况的改善，在不稳矿体采区或其它矿岩不稳矿床具有重要的意义。

通过进路巷道群开挖的数值模拟，并对开挖过程围岩的位移、应力和塑性区进行分析，发现开挖后塑性区范围不大，巷道具有良好的稳定性。因此，设计拟采用的进路参数从巷道稳定性方面看是较合理的方案。另外，当开采深度大于350m时，在临近上盘围岩的应力集中区和临近下盘断层的应力异化集中区，需要采取一定的巷道支护措施，确保回采期间巷道的稳定性。

根据上述岩爆倾向性判断，矿山基建和生产期间可能伴有无至弱岩爆的发生。为保证安全生产，避免人员伤亡，建议在基建期间，采用便携式声发射仪监测、磁场检测仪监测和现场观察记录等方法监测岩爆；在生产期，在主要工程部位布置监测点埋设探头，建立岩爆监测网站，形成岩爆监测系统。