冬瓜山铜矿岩层破坏的地质因素及控制措施

冬瓜山铜矿岩层破坏的地质因素及控制措施*胡新付1，唐礼忠2，汪令辉1，2（1．铜陵有色金属（集团）公司冬瓜山铜矿，安徽铜陵市44031；2．中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙410083）摘要：针对冬瓜山铜矿深部开采，从地质特征与采矿方法、工程布置和回采工艺之间的关系论证合理的采矿设计；针对开采中揭露的岩体地压现象，分析采区构造型岩体破坏和应力型岩体破坏特征。

研究表明，在开采设计中地质因素与采矿的合理关系是岩体稳固性控制的有效措施；顶板主要为构造型破坏而底板主要为应力型破坏，较大规模构造型破坏呈局部性特征，采取针对性支护方式可有效控制；矿柱是危险性地震和岩爆的区域，需快速回采和及时充填。

研究结果对该矿安全生产起到了良好效果。

关键词：深井开采；岩爆；岩层控制；喷锚支护；充填采矿中图分类号：TD862．1文献标识码：A文章编号：1005－2763（2011）03－0023－05Geological Factors Affecting Rock Failure and Its Control Measures in Dongguashan Copper MineHU Xinfu1，TANG Lizhong2，WANG Linghui1，2（1．Dongguashan Copper Mine of Tongling Nonferrous Metal Group，Tongling，Anhui244031，China；2．School ofResources and Safety Engineering，Central SouthUniversity，Changsha，Hunan410083，China）Abstract：For the deep mining of Dongguashan Copper Mine，the relationships between the geologic characteristics and the mining method，layout of mining works and process of extraction were analyzed in terms of stress state and rock stability control，on that basis of these，the rationality of mining design was demonstrated．According to the phenomena of rock failure in the mining area，the two kinds of rock failure caused by geologic structure and ground stress were researched．The results showed that the rea-sonable relationship between geologic factors and mining is an ef-fective measure of the rock stability control；rock failure caused by rock structure is basically in the roof，rock failure by stress is mainly in the floor；large－size rock failure caused by structure locally occurs and can be effectively controlled by pertinent sup-ports；the pillars are locations where hazardous seismicities and rock bursts occur；therefore，the fast stoping and backfill are very important．The results of research have played a good role in pro-duction safety for the mine．Key Words：Deep mining，Rock burst，Strata control，Shotcrete －anchorage－network supporting，Stoping and filling mining0引言随着我国浅部矿产资源逐渐枯竭，深部矿山开采已逐渐成为矿产资源开发的主要方式。

深部矿山开采面临着与浅部开采显著不同的地质条件。

现有研究表明，深部矿床开采面临的主要灾害是岩层发生大规模破坏和突发性的动态破坏即岩爆［1，2］。

而矿山岩爆发生类型主要取决于矿山地质状况、开采方法和工艺过程［3］。

从地质与采矿共同作用角度开展深井开采岩层破坏与岩爆机理及其控制研究是我国深井开采急需进行的重大理论与技术课题［1，4］。

冬瓜山铜矿是我国大型深埋铜矿床，2005年投产，2007年达产，在开采设计阶段便进行了以岩爆控制为目的的采矿方法和开采顺序及参数优化研究，开采几年来，揭露了大量岩体应力活动和破坏现象。

本文针对矿区地质条件对采区岩体应力变形活动的作用及其控制，论证合理的采矿方法、工程结构布置和开采工艺过程；针对现已揭露的采区地压现象，分析岩体破坏机理和控制措施，研究结果为该矿岩层控制提供了科学依据，为我国深部开采的岩层控制提供了有益的分析思路。

1冬瓜山铜矿地质特征冬瓜山铜矿床为我国大型深埋铜矿床，矿体赋标高为－680 －1000m，主要矿体距地表1000m 以下。

矿体走向长1820m，水平投影宽度204 882 m，最大厚度为85m，一般厚度为30 50m。

矿体ISSN1005－2763 CN43－1215/TD 矿业研究与开发第31卷第3期MINING R＆D，Vol．31，No．32011年6月Jun．2011*收稿日期：2011－02－10基金项目：国家重点基础研究发展计划（973）项目（2010CB732004）．作者简介：胡新付（1964－），男，安徽太和人，高级工程师，研究方向为矿山地质及地质灾害控制，Email：skhgb@cn．。

位于青山背斜轴部，严格受层位控制，呈不完整的马鞍状，以似层状产出，其产状与围岩一致，与背斜形态相吻合。

矿体走向北东35ʎ，倾向随围岩产状分别向北西和南东倾斜，倾角一般约为20ʎ，最大倾角为30ʎ 35ʎ，矿体赋存位置如图1所示。

矿体主要由含铜矽卡岩和含铜蛇纹岩等构成。

矿体底盘直接围岩为石炭系下统高丽山组岩石和石英闪长岩，以角岩化粉砂岩为主；矿体直接顶盘岩石为黄龙组大理岩，上部为栖霞组大理岩等岩石（见图2）。

图1冬瓜山铜矿床赋存位置图2典型剖面示意（58线）1—石炭系岩石及石英闪长岩2—矽卡岩3—矿体4—黄龙组大理岩5—栖霞组大理岩6—孤峰组岩石7—龙潭组岩石8—大隆组岩石9—殷坑组岩石10—闪长玢岩控制冬瓜山矿床的主要构造是青山背斜，成矿前的断裂主要有近南北向、近东西向和北东向3组；成矿后断裂主要以北西－北西西向为主，次为近东西及北东向3组破碎带。

断裂带倾角均大于70ʎ，延伸不大，对主矿体无明显的破坏作用。

对矿体及其下盘岩层进行构造调查表明，矿体及其主下盘岩层均发育一组主节理、一组次节理和少量零星节理，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，断层、节理、裂隙均不发育，岩石属块状裂隙－大块状岩体，但是局部位置存在连续性较大的节理和小规模的断层对岩层的切割程度较大。

－730m 水平进行了原岩应力测量，最大主应力方向集中在NE SW 方向，与矿体走向大体一致，而且近似水平，最大值为30 38MPa ；原岩应力的铅垂方向分量为9 16MPa 。

测点深度埋深大约900m ，上覆岩层平均容重约2．7kg /cm 3，该深度岩层自重应力为24．3MPa ，因此，原岩应力垂直分量小于上覆岩体自重引起的应力，主要受地质构造控制。

2矿山设计中的地质因素与岩层控制措施2．1岩体破坏形式与采矿方法选择对矿体及上下盘岩体取样进行室内岩石力学试验，测得岩石的力学参数见表1。

可见，矿体主要岩石矽卡岩和下盘石英闪长岩岩性坚硬，矿体矽卡岩下部的次要含矿岩石色纹岩强度较小，岩性较弱，矿体上盘大理岩为中等硬度。

对岩石进行单轴压缩条件下的加卸载试验，得到岩石剩余能量指数见表2，根据文献［5］，大理岩的破坏倾向表现为稳定破坏形式，矿体具有中等岩爆倾向，下盘石英闪长岩具有较强岩爆倾向。

由于色纹岩的弹性模量和强度均小于大理岩，可以推测其也无岩爆倾向。

因此，冬瓜山铜矿地压灾害将主要表现为高应力作用下的大规模岩层破坏或不同规模的岩爆。

表1岩石力学参数表2岩石剩余能量指数矿山开采中的岩体破坏与岩石破坏形式的倾向性有关，同时也决定于岩层受到的应力活动状态。

冬瓜山铜矿矿体呈缓倾斜赋存、分布范围大，随开采规模的扩大，开采活动将引起采区大规模应力重新分布和变形破坏，因此需要及时阻止围岩变形累积和应力迭加，消除大规模岩层破坏和岩爆的产生条件。

根据国内外深井开采矿山经验，充填采矿法是控制和预防大规模岩层破坏与岩爆的一种有效采矿方法［6］，空场采矿嗣后充填法不仅可消除或减轻产生大规模岩层破坏和岩爆的条件，并有利于保证矿石回采率。

42矿业研究与开发2011，31（3）2．2矿体赋存状态与工程结构布置由于矿体呈缓倾斜赋存，在水平面上分布范围大，可将采区划分为盘区，将盘区再划分为采场，可以在采区内不同盘区和不同采场进行回采工作（见图3）。

采区回采分3步进行，先采矿房，回采结束后对采场进行胶结充填；后采矿柱，回采结束后用尾砂充填。

在相邻盘区采场回采充填结束后，回采盘区隔离矿柱。

第一步骤回采后形成临时矿柱和胶结充填形成的人工矿柱，因此，采区岩体变形得到有效控制，制约了应力迁移活动，应力集中程度降低，有利于岩层稳固性控制。

2．3原岩应力场与工程结构布置在冬瓜山铜矿采区，最大原岩应力σ1为沿矿体走向的水平应力，中间主应力σ2和最小主应力σ3为垂直应力和另一个水平应力。

根据岩石力学原理，采空区围岩应力重新分布由边界条件决定，应力重分布强度与边界应力大小呈正相关性［7］。

因此，在讨论二维问题的巷道问题时，如单从围岩应力分布的合理性和有利于围岩稳固性要求来看，巷道合理的布置方式是使其走向与最大原岩应力方向平行。

此时，围岩中的应力分布较均匀，应力集中较小。

因此，采空区长度方向应与原岩最大主应力方向平行，冬瓜山铜矿采场和盘区布置方式水平投影见图3。

图3最大原岩应力方向与盘区和采场间的关系图3还表示了1 5号盘区及采场布置与原岩应力场关系，沿矿体走向划分盘区，盘区宽度为100m ，长度为矿体倾向方向长度；盘区之间预留20m 宽隔离矿柱；盘区内的采场沿矿体走向布置，其宽度为18m ，长为78 80m 。