0 前言

金厂峪金矿是含金复脉带型金矿床, 矿体急倾斜, 总体走向为北东和北北东, 形态复杂多变。主平窿、盲竖井开拓, 中段高40~60m, 空场法开采, 采深约300m。近40年的开采历史, 形成的采空区容积达250万m³之多, 特别是矿区南部23~31勘探线区段, 连续性采空区高达200m, 容积大于30万m³, 随时有可能发生灾害性地压危害, 直接威胁着矿山的生产安全。安全可靠、经济合理地解决矿区南部采空区危害, 是金厂峪金矿需要解决的一项重大安全技术难题。为此, 开展了金厂峪金矿南部采空区处理方案研究项目。金厂峪金矿南部岩体稳定性工程地质研究作为该研究项目的一个主要基本内容, 为制定南部采空区处理方案提供工程地质依据, 以保证矿山的安全生产。

1 矿区地质概况

矿区地层为前震旦系变质地层, 矿区大地构造位置处于天山-阴山东西向复杂构造带(中朝古陆)与北北东向新华夏系构造的交会部位, 燕山准地槽马兰峪背斜与山海关隆起的西侧衔接处。区内主要发育北北东向新华夏构造, 其次是东西向断裂构造和褶皱构造。矿区地处燕山山区, 地下水不发育, 无大的含水层和溶洞, 亦无较大的河流与湖泊。矿区地下水类型以基岩构造裂隙脉状水为主, 水文地质结构为统一含水体结构。其主要特征为水量主要靠大气降水单一补给, 受断裂构造控制, 在同一岩层, 沿断裂构造影响的构造破碎带含水, 远离断裂带的部位则不含水; 同一断裂带, 断裂带转弯处或两条断裂交会处水量较大。矿床为复脉型脉金矿床, 共有0~Ⅴ六个脉带。脉带总体走向为北东和北北东, 倾向为北西和南东, 倾角为60~80°。脉带延长数千米, 宽度变化大, 一般宽20~50m。矿体总的形态多以脉状、不规则脉状、透镜状产出。由于多期构造叠加, 矿体在不同部位的形态变化复杂, 常呈“人”字形或“入”字形、“N”字形或倒“N”字形、“多”字形或鸡爪状。

2 工程地质岩组

根据工程地质性质近似的划分原则^[1], 考虑岩石的成因类型与岩性岩相、物质成分与组织结构、成层条件与厚度变化等因素, 金厂峪金矿南部工程揭露的岩石可划分为9类工程地质岩组。各类工程地质岩组主要特征见表 1。

矿区内工程地质岩组主要划分为两组, 即稳定的由斜长角闪岩岩组和斜长角闪片麻岩岩组组成的围岩岩组和复脉带内由绿泥石片岩、绢云母片岩、石英脉、钠长石英脉组成的不稳定的片岩、脉岩岩组。

3 地质结构面 3.1 结构面类型

本矿南部采空区周围岩体结构面, 主要可分为构造结构面和变质结构面。

构造结构面是受构造应力作用, 在岩体中产生的破碎带或破裂面, 在本区主要以断层和节理为主。

变质结构面是受变质作用而形成的结构面, 在本区主要以片理化岩石夹层和片理为主。

3.2 结构面特征 3.2.1 断层

根据断层走向、性质及相互关系, 本区主要断层有四组, 其特征为:

F₁组:走向20~30°, 倾向南东、北西, 倾角多为70°以上或变陡直立, 沿走向和倾向均有波状变化, 发育程度、规模均较大。断层叠加脉带, 上部中段较下部中段密集。断层北西盘向南西平移, 属压扭性断层。

F₂组:走向50~70°, 倾向南东, 倾角60~80°, 规模大小不一, 多数在数十米至数百米之间, 与F₁组相交但未穿越。断层北西盘向北东平移, 属压扭性平移逆断层。

F₃组:走向320~340°、350~10°, 前者倾向北东或南西, 后者倾向东或西。发育程度不及F₁、F₂组。规模大者300~500m, 小者仅十余米。前者多北东盘向北西移, 后者多西盘南移, 属扭性平移断层。

F₄组:走向北西西, 倾向北或南, 倾角陡, 个别较缓为30~50°, 规模小, 长仅十余米。多数北盘东移, 属次级平移正断层。

3.2.2 节理

本区节理极为发育, 按节理面是否紧闭, 节理面有无擦痕(擦光面)等判断, 脉岩岩组之节理属张性节理, 斜长角闪岩岩组等之节理大多属剪节理。

通过现场测量节理产状所作节理倾向、倾角玫瑰花图, 较为发育的节理有:斜长角闪岩岩组158°∠ 54°、165°∠58°、94°∠ 69°; 脉岩岩组329°∠64°、276°∠ 64°、297°∠ 56°。

3.2.3 片理

片岩岩组片理走向25~40°, 个别60°左右, 倾向北西或南东, 以北西为主。

矿区内构造结构面-断层主要分为两组, 即对上部中段和复脉带采空区影响较大的F₁和F₂组以及影响较小的F₃和F₄组。由于复脉带内的节理、裂隙发育, 含有大量的片状结构的绢云母、绿泥石等成分, 对采空区周围岩体稳定性影响较大。

4 结构体类型与特征 4.1 结构体类型

岩体结构体类型是由不同岩性和不同形式的岩组的组合方式及其连结状态决定的。其划分原则是:结构面是主要依据, 结构面的发育程度是关键因素, 结构面的排列组合状态是特征标志。金厂峪金矿南部岩体结构体的划分, 除依据上述划分原则外, 还考虑各岩组的完整性程度、地质背景条件、地下水特征等因素, 将岩体结构体类型划分为三类: Ⅰ类整体块状结构、Ⅱ类层状结构、Ⅲ类碎裂结构。

4.2 结构体特征

Ⅰ类整体块状结构:主要发育在斜长角闪岩岩组、斜长角闪片麻岩岩组, 其次为混合岩及混合质岩岩组、脉岩岩组。岩石在变形特征上接近于均质弹性各向同性体, 强度较高, 沿节理面略有渗水、滴水现象, 地下水影响较微弱, 按挪威Barton提出的岩石质量综合指标值公式计算为21。

Ⅱ类层状结构:主要发育在片岩岩组, 其次为片理化-绿泥石化斜长角闪岩岩组、片理化-绿泥石化斜长角闪片麻岩岩组。片理、层理发育, 地下水的软化、泥化作用较明显, 质量综合指标值公式计算为2。

Ⅲ类碎裂结构:发育在断层破碎片岩岩组。岩体完整性破坏较大, 地下水的软化、泥化作用明显, 施工中极易产生片帮、冒顶等现象, 质量综合指标值公式计算小于2。

根据现场地压活动调查, 在复脉带以外的岩组中, 主要是Ⅰ类工程岩体, 地压活动显现极少, 说明Ⅰ类整体块状结构岩体稳定性好; 在复脉带内片岩岩组的片帮与冒落现象频繁, 在靠近采空区边缘地区, 岩体沿结构面向空区滑移冒落的现象时有发生, 上部中段和地表几乎整个南部复脉带内部都出现陷落, 说明Ⅱ、Ⅲ类岩体结构体的不甚稳定。

5 工程结构体稳定性

岩体结构体加地下工程(采空区、井、巷、硐室等)组成地下工程结构体。研究该矿南部采空区周围岩体稳定性, 即是该区采动范围内的工程结构体稳定性问题。

工程结构体稳定性与岩体结构体稳定性密切相关, 岩体稳定与否, 最基本的因素是岩性、岩体结构和地应力状态; 采空区规模、形态直接影响周围岩体的二次应力场状态, 其应力集中区和拉应力区的应力达一定值时, 直接影响该部位的岩体稳定。研究表明, 影响本矿区南部采空区周围岩体稳定性的主要因素是:岩石特性、岩体结构、地应力状态。

5.1 岩石特性影响

本矿区南部岩石属坚硬、半坚硬岩石, 如表 1中1、2、5、8等工程岩组, 岩石综合质量指标较好, 在未受断层等地质弱面切割破坏的地段, 各类地下工程无片帮、冒顶现象, 岩体稳定性较好。而表 1中的3、4、6、7、9等工程岩组, 岩石综合质量指标差, 软化系数较低, 尤其在断层及各种地质弱面较为发育地段, 往往地下水也较大, 因而易发生岩体失稳。

5.2 岩体结构的影响

Ⅰ类整体块状结构, 一般稳定性较好, 在采空区周围高应力集中地区, 或拉应力区, 或在结构面与采空区临空面相交组合情况下, 此类岩体才有可能出现破坏、塌落或滑移的分离体, 从而出现局部失稳现象。

Ⅱ类层状结构的变形失稳, 主要受岩层组合、结构面组合力学特性和采空区临空面的关系等因素所决定, 一般失稳是片落、顺层滑移和弯折。

Ⅲ类碎裂结构, 各类结构面纵横交织, 稳定性较差, 尤其是在地下水作用下更不稳定。

5.3 地应力状态的影响

本矿区南部范围原岩应力, 根据大量采掘工程揭示和矿区区域构造形迹分析表明, 矿区构造应力已基本释放, 残余构造应力不大, 矿区地应力场以自重应力为主。由于矿区采深小于2 500m, 故原岩应力对岩体的稳定性影响不大。

关于采空区周围次生应力场对岩体稳定性影响, 根据20个南部采空区电算数值模拟分析, 在原岩应力作用下, 采深小于150m的空区, 整体围岩是处在稳定状态, 当采深大于150~200m, 中段间矿柱的破坏, 使空区围岩的水平位移、拉应力区、拉应力值增大, 此时围岩中的断层破碎带及地质结构弱面切割的岩石, 加上地下水作用, 岩体力学指标下降较大, 岩体出现失稳。

6 结论

(1) 区内工程地质岩体可分为广泛的稳定的主要围岩岩组和复脉带内不甚稳定的片岩岩组, 主要围岩组节理、裂隙发育较弱, 矿物结晶程度高, 工程质量综合指标高达21, 列为整体块状结构类型; 相反, 复脉带内其节理、裂隙发育, 含有大量片状结构的岩石, 其工程质量综合指标为2, 列为层状甚至碎裂结构类型, 其稳定性差, 相互的稳定性综合指标相差10倍。

(2) 岩体稳定性受断裂结构的影响甚大, 表现为断层结构所包含的地下工程结构体极易失稳。

(3) 岩体在地下水作用下, 其稳定性程度受到严重影响。

(4) 区内原岩应力场对岩体稳定性影响较小, 随着采深增加, 采空区周围岩体中的次生应力场对采空区周围岩体稳定性影响较大。