武宁县大坑矿区工程地质特征与评价分析

    张元雪

    摘要：本文以大坑钒矿为实际案例，分析了大坑矿区的工程地质特征、对矿区开采中的工程地质问题进行了预测和评价，得出了大坑矿区的工程地质条件属复杂类型，同时对矿区开采中的可能存在工程地质问题提供了防治措施。

    关键词：大坑矿区；矿床；程地质特征；评价；防治

    1、工程概况

    大坑矿区位于武宁县澧溪镇境内，地理坐标：东经114°52′45″～114°54′45″，北纬29°17′45″～29°18′15″。属沉积石煤型钒矿，储量达到中型规模，矿山目前还未开采。

    2、工程地质特征

    2.1岩（土）层（体）工程地质特征

    矿区岩类主要为沉积碎屑岩，次为第四系松散、松软岩。

    （1）第四系松散、松软岩类

    山坡、坡麓地带，为残积、残坡积成因，岩性为碎石土、含碎石粉质粘土，松散—中等密实，厚度0.60～21.39m。呈不连续、零散分布。

    山前、坡谷地带为坡洪、冲洪积成因，岩性为夹碎石或砾石粉质粘土，松散，具中～高压缩性，厚度小于5m。

    （2）沉积碎屑岩

    由寒武系下统王音铺组与震旦系上统皮园村组地层组成。

    寒武系下统王音铺组（∈1w）：是矿区赋矿岩层，岩性为以黑色炭质泥（页）岩为主，夹石煤层，薄层状、条带状硅质岩，白云岩透镜体，厚度75～230m。与下伏底板岩层震旦系上统皮园村组（Z2p）呈整合接触，东部呈断层接触。

    钒矿体主要赋存于炭质页岩、石煤层中，产状与地层大致一致，总体走向近东西，倾向南，倾角12～58°，矿体呈层状、似层状、透镜状产出。该层是矿体的直接顶或底板层位，炭质页岩及石煤层呈片理状，碎裂结构，炭质泥岩、条带状硅质岩白云岩透镜体受滑脱断裂影响岩石节理裂隙发育，岩石完整性不同程度受到破坏，降低了顶板岩层的稳固性。新鲜完整岩石干燥单轴抗压强度Rc=29.6～68.9MPa，岩石饱和单轴抗压强度Rb=13.6～51.0MPa，内聚力3.9～5.1 MPa，内摩擦角41.1°～44°，软化系数0.45～0.75，属半坚硬-软弱岩石。地表岩石风化强烈。

    震旦系上统皮园村组（Z2p）：为矿体直接底板岩层。

    岩性为微细层理状硅质岩，夹泥质粉砂岩或炭质泥岩、块状硅质岩、炭质泥岩、含炭硅质岩、夹硅质泥岩。该地层与上覆王音铺组地层部分呈滑脱断裂接触，并因滑脱断裂影响，接触带岩石碎裂明显，完整性差。新鲜完整岩石较坚硬，岩石干燥单轴抗压强度Rc=39.1～67.1MPa，岩石饱和单轴抗压强度Rb=20.4～47.7MPa，内聚力4.4～5.1 MPa，内摩擦角43°～45.6°。总体属半坚硬—软弱岩石。

    2.2岩石风化与风化带特征

    岩石风化取决于岩石内在物理、化学风化机制，风化程度与岩石的结构、构造、节理裂隙发育程度和地表水、地下水的活动及地形、地貌、气候因素等地质环境条件有密切的关系，是多种因素的综合。

    地表调查与钻孔岩芯观察，岩石风化强度由表及里过渡，风化状态由土状过渡到碎屑状、碎块状至原岩，风化后的岩石呈散体状、土状、团块状，块体间无粘结，风化岩体力学强度低。风化带深度在平面上深浅不一，浅处一般0.6～4m，普遍达5～11m，局部似风化凹槽，深度12～23.43m。风化作用而形成的软弱夹层等软弱结构面发育，沿倾向延伸可达数十米，沿构造破碎带风化影响延深更大。

    2. 3构造破碎带工程地质特征

    矿区东部发育寒武系下统王音辅组与震旦系上统皮园村组之间层间破碎带，表现为影响宽度几米至数十米变化不一的硅化破碎带，部分见碎裂岩，断层擦痕及阶步，局部硅化较强、地层缺失，衍生构造裂隙、构造破碎带发育。对顶底板岩层完整性和稳固性造成破坏，同时亦形成地下水的强富水带和承压含水区，钻孔揭露时，均表现出高水头性质或涌水现象。亦将是坑道渗水、涌水强烈的部位，是发生片帮、掉块、垮坍等现象极易的部位。

    2. 4各类结构面特征与组合关系及对岩体稳定性影响

    1、层面与节理裂隙面

    该结构面一般结合紧密，层面与节理裂隙一般延伸有限，倾向垂深与宽度均不明显，属于Ⅳ级结构面。

    岩体层面往往被裂隙及裂隙与裂隙间的相互切割，使岩体的完整性受到破坏，影响岩体的力学性质及局部稳定性。多组裂隙互为交织，则形成节理裂隙密集带，成为不良工程地质带。

    2、断裂面与软弱面

    矿区该两结构面具有一定规模，一般走向延伸较大，可达数百米以内，倾向垂深达数十米以上。结构面分级属于Ⅱ级结构面。

    矿区压或压扭性断裂面，结构面光滑，擦痕明显，一般呈平直或舒缓波状延伸，可见长度数米至数十米，临空一侧岩体沿结构面易整体滑落；张或张扭性断裂面粗糙，多呈齿状，阶步显见，沿结构面双侧派生的张性节理密集，岩石碎裂，极易發生掉块与崩落；软弱带内岩性软弱易崩解，软弱结构面临空岩体易发生崩塌。

    2. 5岩体结构

    根据钻孔岩芯状态，矿区内王音铺组地层岩体结构形态为块状、层状和薄层状结构体，属层状、薄层状结构体，岩体中以Ⅲ、Ⅳ级结构面为常见，除构造破碎带、节理裂隙密集带、软弱夹层、石煤层岩石质量指标RQD极低或无外，一般均可获得较高的RQD值，岩芯呈柱状、短柱状；皮园村组地层岩体结构形态为层状和薄层状结构体，属层状、薄层状结构体，岩体中以Ⅲ、Ⅳ级结构面为常见，除构造破碎带、节理裂隙密集带、软弱夹层岩石质量指标RQD极低或无外，一般RQD值中等，岩芯呈短柱状、块状。

    2.6工程地质岩组划分

    根据岩（石）体质量综合评价，矿区内岩（石）体可划分为三个工程地质岩组，即坚固岩组、次坚固岩组、不坚固岩组。

    首先是坚固岩组

    岩组的岩石质量等级为Ⅰ、Ⅱ类，岩体质量为一般或中等。岩石坚硬，岩体较完整-完整，岩芯状态呈长柱状、短柱状，少量块状。根据岩组RQD统计：该岩组在王音铺组岩体中占14.7%；在皮园村组岩体中钻孔控制深度内未见。此类岩组中的井巷、围岩稳固性好，坑道无需支护。

    其次是次坚固岩组

    岩组的岩石质量等级为Ⅲ类，岩体质量为坏或差的。岩石较坚硬。岩体中Ⅲ、Ⅳ级结构面较发育，岩体中等完整，岩芯以短柱状为主，次为碎块状。该岩组在王音铺组钻孔揭露岩体中占31%；在皮园村组钻孔揭露岩体中占46.65%。倾向垂深厚度一般大于10m。据统计，倾向垂深厚度1～5m的占10.2%；5～10m的占21.2%；10～15m的占25.3%；15～20m的占18.3%；大于20～40m的占25%。此类岩组井巷围岩稳固性一般或中等，局部会有片帮、掉块，需稀疏支护。

    第三是不坚固岩组

    由岩石质量等级为Ⅳ、Ⅴ，岩体质量为坏或极坏的岩类组成，即含括风化带、软弱蚀变带、软弱夹层、节理裂隙密集带、未胶结的构造挤压破碎带内的各类松散、破碎、软弱岩类及第四系松散岩。岩组特点是岩性质弱，力学强度低，岩芯呈土状、团块状、碎屑状及碎块状，亦有少量块状、柱状体，但岩块强度实际无意义。钻孔揭露风化带以下，该岩组体现为带状延伸，产状及厚度与构造破碎带、构造裂隙带、软弱蚀变带等规模基本一致。倾向延深标高至- 10m以下，但宽度不大亦无连续性。根据钻孔统计，矿床内该岩组在揭露的岩体中占54.2%，倾向垂深厚度最小0.74m，最大53.1m；垂深厚度1～5m的占8.7%，5～10m的占19.8%，大于10m的占71.5%。此类岩组井巷围岩稳固性差，坑道揭露时易冒顶、溃塌、泥流，需及时支护。

    3、大坑矿工程地质评价

    3.1露天采场边坡稳定性及主要工程地质问题预测与防治意见

    （1）露天采场边坡稳定性评价

    矿体产状与岩层产状基本一致，总体倾向南，走向近东西，其中26～40线矿体连续性较好，平面上分布1V～7V七个矿体，层状、似层状产出；42线仅分布1V单个矿体，产于滑脱断裂上盘近断裂接触带。露采矿坑底界+150m标高以上设边坡角70°水平投影：26～40线采坑东西境界长约1665m，南北最宽处28～32线达380m，南北平均宽223m，面积376849m2；42线采坑东西境界长约200m，南北平均宽约68m，面积13451m2。受矿床地形高度控制，26～40线采坑边坡最大高度可达100～130m，最低处位于34线、36～38线南部冲谷地带，边坡高5～10m；42线采坑边坡高度50～70m。露采边坡整体北高南低。

    从矿床岩层产状基本可知，北侧边坡为顺向坡，南侧为逆向坡，东西两侧一般为斜向坡或横向坡。根据矿床矿岩岩性结构组合与岩组工程地质特性，不难推定，露采边坡体大多由不坚固、次坚固岩组构成，且均属岩土混合坡型，受不良岩组与不利结构影响，边坡稳定性一般较差。

    （2）露采边坡主要工程地质问题预测与防治意见

    露采边坡岩性组合复杂，不良岩组与不利结构面构成边坡不稳定因素，在内外地质营力作用下，露采边坡局部或大部发生崩塌、滑坡等次生地质灾害的可能性较大，而成为露采边坡主要的工程地质问题，因此，建议开采前应进行边坡稳定性专项研究，确定合理、安全的开采边坡设计方案，开采中须采取必要、可行的防护措施。

    3.2井巷围岩稳固性及主要工程地质问题预测与防治意见

    （1）井巷围岩稳固性评价

    矿床最低开采标高0m以上，由震旦系上统皮园村硅质岩（底板）及寒武系下统王音铺组组成井巷围岩。根据矿床岩石（体）质量评价与工程地质岩组统计，矿床岩石质量等级Ⅰ～Ⅱ类、岩体质量分级中等，划分为坚固岩组的仅占矿床岩体总厚度的14.7%；岩石质量等级为Ⅲ类、岩体质量分级为差，划分为次坚固岩组的在王音铺组岩体中占31%，在控制底板皮园村组岩体中占46.65%；岩石质量等级为Ⅳ～Ⅴ类、岩体质量分级为坏，划分为不坚固岩组的在王音铺组岩体中占54.2%，在控制底板皮园村组岩体中占53.35%。由此可见，井巷开采中，坑道多穿行于不良岩组中，因此，多数井巷围岩稳固性差。

    （2）井巷开采主要工程地质问题预测与防治意见

    如前所述，礦床不良岩组占主位，是矿床开采中发生不良工程地质问题的主要因素。在不良岩组中穿行的坑道，产生片帮、掉块、冒顶、溃塌、涌泥、鼓涨与局部变形等是井巷开采中主要工程地质问题。井掘进中应及时施以稳固可靠的支护，同时采空矿房应留足安全矿柱，巷道运行中应加强防护与监测。

    结束语：矿床岩石（体）质量以Ⅳ、Ⅴ级占主位，矿体围岩破碎，断裂破碎带及衍生破碎带与各类结构面发育，露采边坡稳定性较差，巷道普遍存在变形破坏，因此矿区工程地质条件为复杂类型，矿山未来开采中应高度重视工程地质问题，加强防治。

    参考文献

    [1]常士骠、张苏民、项勃等《工程地质手册》（第四版）中国建筑工业出版社2006

    [2] 左建、温庆博、孔庆瑞、杨武成、周林飞等《工程地质及水文地质》（第三版）中国水利水电出版社2013.

    [3] 江西省地矿局赣西北大队《武宁县大坑钒矿详查报告》2012