金川铜镍硫化矿床Ⅲ矿区工程地质研究

金川铜镍硫化矿床Ⅲ矿区工程地质研究
董培鑫;杨志强;马海志;吴晓光;高谦
【摘要】The research on engineering geology of deposit is an important basis for selection of mining technical condition evaluation and mining method. This paper launch the engineering geological investigation and study,for the study of mining method in the 3rd mining area of Jinchuan.The results of geological analysis are as follows:this mining area is an independent mining area which formed due to faulting, the joint development, its surface smooth and rise steeply, between them exists so many secondary compounds,so the rock is not stable.Research on the rock physical and mechanical properties of mine showed that in the whole ore rock,the ore is the most stable rock,and the second is the footwall, and the worst is the hanging wall.Due to faults,ore rock exists soft fractured zone.Finally,this paper fully uses a variety of exploration data,reveals the mine joint spacing,the rock is crushed and the strike of joint occurrence is North East to North West.Those studies provides basic data for the research on the key technology of mining method,and laid the foundation for the next research.%为了对金川Ⅲ矿区进行采矿技术条件评价及采矿方法分析，开展了矿区的工程地质调查与研究。

根据工程地质调查和节理裂隙分析，得出矿区节理条件以及矿岩体稳定性影响。

通过对矿岩物理力学特性的分析，揭示了在整个矿区中，矿石稳定性最好，下盘次之，上盘最差，且由于断层的存在，矿床岩体存在软弱破碎带。

同时，对多种不同的勘探资料进一步进行分析，得出了该矿区的节理间距、节理产状从北东向北西偏转以及岩石破碎程度等特征。

这些调查和研
究，为金川Ⅲ矿区进行采矿方法及关键技术研究提供了基础数据，并为下一步的研究奠定了理论基础。

【期刊名称】《西北师范大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2014(000)006
【总页数】5页(P99-103)
【关键词】金川Ⅲ矿区;地质调查;数据分析;工程地质研究
【作者】董培鑫;杨志强;马海志;吴晓光;高谦
【作者单位】北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083; 北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101;北京科技大学金
属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083; 金川集团股份有限公司，甘肃金昌 737100;北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101;北京科
技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083; 武警警种学院，北京 102202;北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083
【正文语种】中文
【中图分类】TD862
0 前言
崩落采矿法是以崩落围岩来实现地压管理的采矿方法，具有生产效率高，作业安全，采场结构简单，成本低廉等特点[1].在金川硫化铜镍矿床的4个矿区中，Ⅲ,Ⅳ矿区的矿石品位较低，但是为了满足金川公司长远规划需求，延长矿山寿命，必须将其
作为重要矿产资源予以开发利用.通过采矿方法可行性论证，确定采用开采成本低、效率高的自然崩落采矿法开采.由于自然崩落采矿法在国内外成功应用的范例较少，开采技术条件要求高，采矿风险大，因此该方法的关键技术研究成为了能否成功应用的关键.唐业茂等[2]在分析了自然崩落法的实质和应用背景后，总结出了应用自
然崩落采矿法应该注意的5个问题，其中3个与地质条件和矿岩体性质有关，但
并没有给出如何评价与解决这些问题的方法.在崩落采矿法应用研究上，北京科技
大学于少峰等[3]以位于云南省境内的某铜钼矿为例，利用RQD以及岩体自重应力场等指标对矿体的可崩性进行研究，证明了利用自然崩落法的可行性，这也是使用该方法采矿的常见情况.文献[4]将自然崩落法应用于铜陵县牛山矿业公司3#矿体小型矿山的开采，详细介绍了采用该方法的全过程，具有一定的参考价值.
由于自然崩落法对地质条件和岩石质量有着特殊的要求，因此岩体质量的全面评价是自然崩落法矿山可行性研究和初步设计的重要前提和依据[5].曾认宇等[6]详细地剖析了金川铜镍矿床中断裂系统的形成演化过程，进行了成矿预测，这对找矿有着重要的意义，而对认识金川Ⅲ矿区矿体发展过程和如何采用自然崩落法也具有十分明显的指导意义.贾明涛等[7-9]以1 554 m水平以上的岩体质量调查数据为样品，以RMR评价模型为基础，对金川Ⅲ矿区部分岩石质量进行了评价，具体方法具有借鉴意义，但是缺少矿区的整体评价.而文献[7]为了进行该矿区自然崩落法矿岩块
度预测，也对工程地质特点和1 554 m水平以上的岩体质量进行了评价.
综上所述，为了更好地研究矿体的可崩性，准确、客观地评价和预测待采矿块的工程地质条件与矿岩体力学特性，以及在应力作用下的崩落破坏机理与连续破坏过程，是进行矿块采矿设计(拉底范围、切槽位置与拉底方向等)的基础.文中详细描述了该矿区工程地质条件，并对相关数据进行了有效分析，为矿体可崩性经验预测提供了依据.
1 Ⅲ矿区地质构造与矿岩特性
矿区地质构造特征主要是矿区的地质构造所残留的断层、软弱破碎带以及节理、裂隙、层理等地质不连续面.通过对断层、破碎带等大的断裂构造的位置、产状的测定，预测及评价对矿体崩落过程的影响.对节理、裂隙等结构面进行统计分析，确
定节理主优势面产状、间距或密度，用来评价节理对矿岩体特性的影响.
1.1 Ⅲ矿区断裂构造特征
金川Ⅲ矿区本属I矿区含矿岩体的西北延伸部分，由于成矿后受F8断层的构造作用，将其错开并向西南移动约800 m，形成了一个独立的矿区，矿区位置如图1
所示.
图1 金川矿区地质构造及Ⅲ矿区的位置Fig 1 The geological structure of Jinchuan mining area and position of the 3rd mining area
1.1.1 矿区的断层 1)F8断层.本断层主要位于矿区的东南侧，属平推逆断层，沿北东—南西走向约5.3 km，南东倾向，大约80°～85°的倾角，有宽度为15～32 m 的断层破碎带.Ⅲ矿区正是因为断层F8的错动，导致Ⅰ矿区含矿超基性的岩体西段沿南西方向发生约800 m的位移而形成的.4行附近的矿体被F8断层直接切割，
使矿体发生了一定程度的破坏.在矿床开采中，是需要考虑的断裂构造.
2)F36断层.处于沿F8断层的南东侧方向大约120 m处，北东—南西走向，经过
K5,K6两槽，向北东方向延伸至矿区外，在南西方向隐没于第四系中.F36断层使
老地层逆复于第四系之上，也属逆断层.南东倾向，约61°～73°的倾角，断层宽度仅有1～2 m.F36和F8断层在矿区内均是凹槽边缘的控制构造，不同的是，F36
处于凹槽的南东一侧，与含超基性岩体没有直接接触，并且断层破碎带较窄，规模较小，所以，矿床开采受F36断层影响较小，在采矿时可以不予考虑.
3)其他.① 第一组断裂.该组断裂方向N55°～70°W，与地层走向基本一致；均发生在两种不同岩层之间，岩石破碎带宽度一般3～5 m，几十厘米的破碎带比较普遍；
② 第二组断裂.该组断裂方向N37°～62°E，与地层走向斜交，将岩石切割成三角
状棱面体碎块，破碎带宽度一般1.5～4.0 m.
金川Ⅲ矿区是由于断层F8的错动才形成的一个独立矿体，因此，断层F8对该矿体产生剧烈的影响，尤其对矿体的东段4～6行上盘围岩影响更加显著.而位于矿体上盘的断层F3和矿体东端的F36两条断层离1号矿体较远，对矿岩的稳定性影响不甚剧烈，但断层F3可能对58号矿体产生影响.
1.1.2 节理裂隙特征矿岩体中分布有3组节理裂隙：① N33°～62°W；② N15°～55°E；③ N60°E.其中，第一组最发育，后两组次之.节理裂隙成因主要分为两类：一般分布在基岩剖面上部约50 m的风化裂隙，以及在其以下分布很深的构造裂隙.节理面光滑、直立，且伴有如绿泥石、滑石等充填的次生物质，使得矿岩的不稳定性增强.
1.2 Ⅲ矿区矿岩物理力学特性
表1～3给出了矿岩的物理力学参数.根据地质勘探报告和镍钴院所提交的岩石力学试验数据的统计分析结果显示(表3)，上盘岩石平均单轴抗压强度(47 MPa)低于下盘(51.3 MPa)，而上、下盘围岩质量差于矿体(64.6 MPa).整个矿块的平均抗压强度为54.3 MPa.也就是说，矿体稳定性最好，其次是下盘围岩，最差的是上盘围岩. 断层F8的存在，加之矿体边缘绿泥石片岩破碎带等的影响，造成极不稳定的软弱破碎带在矿块岩体内局部赋存，尤其整个矿体形态不归整，在其中穿插夹石，是自然崩落法采矿最不利的地质条件，可能导致矿石的严重损失与贫化.因此，调整放矿位置，实施严格的放矿管理对Ⅲ矿区崩落法采矿是十分必要的.
2 金川Ⅲ矿区地质数据分析与评价
Ⅲ矿区属于一个正在进行基建的矿山，不仅资料缺乏，而且受工程施工的限制，不具备开展充分现场地质调查的条件，因此，为了进一步研究Ⅲ矿区的节理裂隙发育情况，弥补资料不足对研究带来的不利影响，研究中不仅搜集Ⅲ矿区探矿阶段的地质资料，还采用了两次补充勘探数据，并参考与Ⅲ矿区具有相近地质条件的龙首矿
区资料，尤其充分利用了Ⅲ矿区自然崩落法研究进行的12个新钻钻孔的测试数据.新钻钻孔节理统计部分结果见表4和表5,图2给出了钻孔Zk01的节理玫瑰图. 表1 岩矿石物理力学性质试验结果Tab 1 The results of physical and mechanical properties of the rock注：表内数据为风干状态下的试验结果.岩矿石名称抗压强度/MPa最大最小平均抗剪强度/MPa最大最小平均普氏系数最大最小平均内摩擦角/(°)最大最小平均试样个数斜长角闪岩54.802.7618.40——10.105.000.301.8078.7016.7046.105大理岩41.803.3337.50———
4.203.303.7076.0071.6073.802辉绿岩——70.20—————7.00——81.801绿泥石片岩——7.85—————0.80——38.701花岗片麻岩
75.902.9040.4018.6016.3017.208.003.004.0082.9071.6077.204黑云母片麻岩50.5042.9046.7016.3014.3015.305.004.004.5078.7076.0077.302花岗岩——72.90—————7.00——81.901混合岩——10.30—————10.00——84.301煌斑岩——76.60——25.70——8.00——82.901综合均值
36.7014.604.1067.3018氧化带矿石
35.204.4522.4019.603.3311.503.500.402.4076.0021.8056.505原生带矿石103.6051.8067.9015.406.629.4710.005.007.5084.3076.0084.705综合均值45.2010.505.0070.6010斜长角闪岩29.502.7612.80——
5.563.000.301.3071.601
6.7039.603大理岩
96.6050.9073.7014.006.0910.0010.005.007.5084.3078.7081.502黑云母片麻岩61.703.8733.5015.9014.0014.906.000.403.4080.5021.8056.103白岗岩——59.40——5.88——6.00——80.501绿泥石片岩19.902.4910.10———
2.000.201.406
3.4038.7052.103花岗岩——46.80——26.80——5.00——78.701综合均值32.5011.40
4.1058.9013新层角砾(泥)4.740.240.94———0.170.020.13——0.005
表2 金川Ⅲ矿区新钻钻孔岩芯试验结果Tab 2 Test results of the new drill core from Jinchuan 3rd mining area组号岩性试样块数抗压强度/MPa弹性模量
/GPa泊松比1矿石998.0232.950.262二辉橄榄岩974.6414.010.243大理岩980.3725.680.264花岗岩9117.50 36.880.24
表3 金川Ⅲ矿区矿岩单轴抗压强度Tab 3 The uniaxial compressive strength of rock from Jinchuan 3rd mining area位置上盘围岩中部矿体下盘围岩整个矿块σc统计值/MPa均值均方差47.024.1均值均方差64.640.7均值均方差51.320.5均值均方差54.39.2
表4 基于钻孔的节理间距统计分析结果(cm)Tab 4 The statistical analysis results of joints spacing based on the boreholes钻孔编号最小值最大值平均值中值标准差概率分布形式Zk010.011.490.570.540.326对数正态
Zk020.013.390.230.120.303负指数Zk030.011.900.220.160.225负指数
Zk040.014.440.230.120.332负指数Zk050.019.900.340.140.633负指数
Zk060.6213.352.341.262.658负指数Zk070.013.720.250.130.348负指数
Zk080.011.960.630.630.350对数正态Zk090.015.070.210.120.314负指数
Zk100.012.920.200.130.237负指数Zk120.021.530.590.560.352负指数
表5 全部钻孔节理统计分析结果Tab 5 The statistical analysis results of the whole joint spacing注：概率分布为负指数分布.最小值最大值平均值中间值标准方差0.010 cm13.350 cm0.374 cm0.210 cm0.467 cm
(a)钻孔Zk01节理等密度图
(b)钻孔Zk01节理玫瑰图图2 岩体节理裂隙分析图Fig 2 Joint analysis chart of the rock masses
3 结论
工程地质评价是进行自然崩落法数值分析的基础，能否获得客观全面的地质情况，
能否科学有效地进行地质评价分析，是自然崩落法研究能否成功的重要基础.本研究不但应用了前期的地质资料，本着科学负责的精神，又新钻12个钻孔进行统计分析，充分揭示了矿区的基本产状分布.通过地质评价和数据分析可以了解到：1)金川Ⅲ矿区是由于断层F8的错动才形成的一个独立矿体，断层F8对该将矿体产生剧烈的影响，尤其对矿体的东段4～6行上盘围岩影响更加显著.位于矿体上盘的断层F3和矿体东端的F36两条断层离1号矿体较远，对矿岩的稳定性影响不甚剧烈，但断层F3可能对58号矿体产生影响.
2)从有限的节理裂隙调查统计分析结果表明，1号矿体节理主要发育有3组节理：
① N33°～62°W；② N15°～55°E；③ N60°E.其中，第一组最发育，后两组次之.
3)稳定性方面，矿体稳定性最好，其次是下盘围岩，最差的是上盘围岩.
4)由于断层F8的存在使矿块岩体内赋存局部极不稳定的软弱破碎带，地质条件较差，可能导致矿石的严重损失与贫化.需要进行放矿位置的调整，并实施严格的放矿管理.
通过对于金川Ⅲ矿区地质数据处理与分析结果，可以得到以下结论：
a)基于钻孔所获得的节理最大间距13.35 cm，最小间距0.100 cm，平均值0.374 cm.由此可知，Ⅲ矿区1号矿体节理发育，岩体非常破碎.
b)根据Ⅲ矿区新钻12个钻孔的统计数据，分析表明，仅有2个钻孔的节理间距服从对数正态分布，其余均服从负指数分布.
c)新钻的10个钻孔的节理统计分析结果显示，Ⅲ矿区1号矿岩体节理产状分布较为复杂，岩体具有多方向多组节理，表现出一定程度的均匀分布特性.但岩体主要以北西向节理为主，北东向次之，北南向节理也占有一定的比例.
d)据5，6行钻孔的节理统计分析，发现节理产状由下盘的北东向逐渐向上盘的北西向偏转.
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