金川矿山岩体稳定性的动态聚类评价.pdf

l 地质、 采矿 l * x ， 7 C ／ f 一 6 } } 、 { 一， | 小 3 t |。 ．e J i l 矿山岩体稳定性的动态聚类评价 金J f I 镍钻研 究 设计院 三 墨 生 北京科技大学 离谦 【 摘要】 通过对盒川 矿山 工程 地质的 研究， 论述了矿山 岩悼稳定性的 主要因素，运用 动态寨类 分析的原理，对之进行了稳定性评价，井评估其岩俸力学参散和变形指标，为采矿生产，盘护谴计殛筷 拟分析提供了科学的依据。 关 键 词 三 里 些 1 前言 岩体稳定性动态聚类原理评价 金川硫化铜镍矿床是一特太型多金属矿 床，按其分布顺序由西向东分为 3 、 1 ， 2 ， 4 四个矿区，见图 l 。跺古铜、镍， 钻等主要金属外，还伴生有金，银，铂， 铅、 { 锇，铱，钌，铑等多种贵金属．目前金J J I 公 司二期工程已趋完工， 将形成3 0 0 3 5 0 万t ／ ． 的地下开采矿山。金川公司 1 9 9 5 年产 电 解 镍3 ． 3 万t ，1 9 9 6 年达到产镍4 万t 的规模，它 是我国最大的镍钴生产基地和铂族金属的提 炼 中心。 图1 金川 硫化铜镍矿各矿 区位置图 A n Z b 一前震旦纪变质岩} 一古矿超基性岩体，F 一断层及其编号， 第四纪砂砾岩 2 矿 山地质概况 2 ． 1 区域地质构造 矿区位于龙首山东南坡北端，龙首山脉 延展在河西走廊 与 潮 水 盆 地 之 间，走 向 N6 0 。 W，绵延2 0 0 k in。龙首 山的山体由震旦 亚界及前震旦亚界组成，有超基性岩及加里 东海西期中酸性侵入岩等夹杂其中 ， 见 图2 o 褶皱形态为一复式向斜， 称龙首山向斜、 褶皱方向北西西，与山脉走向一致。龙首地 区断裂很发育，是一条北西西方 向 的 构 造 带，在两侧的边缘地带均有挤压性断裂带存 在，其规模较大，延伸百余公里，与之斜交 的两组扭断裂也很发育，一组走向近东西， 为压性断裂，另一组走向近南北，为张性断 裂。 盒j l I 矿山岩体稳定性的动态聚类评价王永才 C B 缠7 3 T 1 o 2 维普资讯 图l 2田3 困4匿j 5 田6 田7 圈8 圈 9 目 l 。 圜l l 回 i 2 1 3 四I 4 口 1 5 翌1 6 口1 9 “ 回1 8 区1 9 团∞ 圉2 龙首山区域地质构造 图 j 一祁吕系复背斜轴}2 一祁吕系向斜轴，3 一祁吕系主要断裂}4 一字形分支断裂J 5 一字形分支裙皱轴} 6 一诃西系褶皱轴，T 一河西系主要断裂}8 一区域东西带单式及复式背斜轱}g 一区城东西带单式及复式向 斟轴， 1 0 一区域东西带主要断裂 ，l l 一西域 系复式向斜轴，1 2 一西域 系背斜殛 向斟轴， 1 3 一 西域系主要断 裂，1 4 一其它断裂，1 5 一新生界，l 6 一侏罗系及自垩系}I T 一前震且亚界- 三叠系I 1 8 一古生代中酸性侵 入岩}l 0 一地质界线’2 0 一地匣力测量点 2 ． 2 矿区地质构造 矿区位于龙首山复向斜北翼，整个矿区 的地质构造条件特点是褶皱形式简单，断裂 构造发育，见图3。 圈3 金川矿 区地质构造和应力测点分布 1 一全新 b 2 一中上更新统， --前蔗旦亚界，4 一超基性岩，5 一肉红色花岗岩，e 一背斟抽} 一区域 性断裂}8 一压性断层J g 一张性断甚， j 0 一平推断层} 1 1 一竖井J j 2 一应力删点， l 一混合岩带， l 一片岩、片麻岩带，I一大霍岩带，Ⅳ 一条痕、均质岩带， V 一花岗岩带，Ⅵ一含矿超基性岩带 矿区主要有四组断裂一组压性断裂， 规摸较大，为矿区主断裂；两组扭性断裂， 其 近南北方向规模小，数量多，近东西方 l ≈规模大、数量小j一组横向张扭 睫断裂， 规模小 ，数量较多 。 根据断裂的性质和形态，综合其它的地 质特征，矿区的 构造 应 力 分 布 如 图4 所 示 。 有自 【 l J l 9 0 7 ． 6 维普资讯 围4 矿区构造力学分布 l ～深断裂 短线示倾向}2 一逆断层， 一正断 层}4 --平推断屠 南盘相对 向北东方 向斜冲j 5 一平推断层I 6 一背斜轴，7 一矿体 2 ． 3 矿 区地层岩性及岩组的划分 矿区出露的地层比较简单，主要为前震 旦纪白家嘴子组中深变质岩。主要岩石有条 带状混合岩，绿泥石石英片岩，蛇纹石化大 理岩，角砾混合岩夹大理岩、含榴二云母片 麻岩、黑云母斜长片麻岩，岩层倾向南西。 矿区内岩浆岩除超基性岩外，主要有肉 红色花岗岩，白岗岩及超基性岩 的 褫 生 岩 脉，如细晶岩、辉绿岩，细粒闪长岩等。 含矿超基性岩体呈不规则岩墙侵入大理 岩，混合岩之中，其岩相主要有纯橄榄岩、 含辉石橄榄岩，二辉橄榄岩、含长石二辉橄 榄岩、辉石岩。 根据金川矿区的岩体结构，结构特征及 地层岩性，将矿岩分成 6 个工程地质岩带， 1 2 个工程 地质岩组，见表 1。 2 ． 4 矿区水文地质条件 矿区内只有第四系孔隙水和少量的构造 裂隙水，一般来说含水量不大，水文地质条 件简单。 2． 5 地应力 金川矿区位于中高地应力区。根据地应 力测量，矿 区最大主应力方向为北东，与构 造形迹相吻合，自东而西由北东渐向北西偏 移，倾角趋 于水平。最大主应力值随深度增 加而递增，其回归方程为 口L 30 ． 0 4 2 5 H 1 袭1 工程地质岩组 式中 ， 矿区最大主应力值，MP } H 埋深，m。 3 矿区岩体稳定性的 动态聚类评价 3 ． 1 岩体稳定性的动态聚类评价因子 岩体稳定性的动态聚类评价因子选取的 正确与否，在很大程度上决定着评价结果的 合理性与可靠性。根据金川矿区工程地质条 件的具体特点，其稳定性的动态聚类评价主 要考虑的有以下几方面的因子。 3 ． 1 ． 1 岩块强度效应因子 岩块是构成岩休的基本单元，岩体的单 轴抗压强度盯 ． 是表征岩石材料强度的指标之 一 ， 对于周一结构类型的岩休，其稳定性取 决于岩块强度和应力环境，因此在稳定性评 价中，将岩块强度指标o 。 与最大应力d 之比 作为岩块强度效应因子指标，对处于中高地 应力环境中的金J I I 矿区，考虑地应力对岩块 的效应是 十分必要的。 3 ． 1 ． 2 岩体结构效应因子 岩体结构在很大程度上控制着岩休的整 体稳定性，该效应对金川矿区岩体稳定性尤 为突出。通常金川矿区单块岩石强度较高， 而矿岩稳定性较差的主要原 因之一就是受岩 盘川矿山岩津稳定性的动志聚类评价一王永才 邮犏7 3 7 I o z 一 3一 维普资讯 体结构的影响。具体表现为在岩体中节理裂 隙对岩石的切割程度。因此，该评价中描述 岩体的整体结构指标 Q D ／ I 来作为岩体结 构效应因子的评价指标，其中RQ D是岩石质 蹙指标，J 为节理组数 。 3 ． 1 ． 3 结构面条件效应因子 结构面强度效应是结构面强度对岩体稳 定性影响效应，它取决于节理的粗糙度 J 以及充填物的厚度 。金川 矿区稳定性较差 ， 结构面条件效应影响程度甚至比岩体结构效 应更为显著，因此引入J √J 。 指标用来 考 虑 对岩体稳定性的影响。J ． 为节理蚀变影响指 标 。 3 ． i ． 4 地下水效应因子 从矿区的水文地质条件来看，地下水对 岩体稳定H - 的影响并不显著，但从矿岩开挖 及稳定状况来看，这也是不可忽略的一个因 素，因为在金川矿区深部不仅矿岩赋存着一 定数量的裂隙水，而且矿区大量的工业用水 也直接影响着岩体的稳定性。 水对金川岩体稳定性的影响主要表现在 水对岩石强度的降低作用，显然不同岩性对 水的敏感性有所差别，为了考虑这种差别， 除考虑地下水因素J ， 外，还引入了岩石强度 的软化系数g 。并把 J ， s ／ 2 作为地下水 效应因子的评价指标。 矿岩稳定性 评价的另一项工作就是对评 价因子的计算与赋值。根据金川矿山2 0 多年 的工程地质工作和岩石力学研究结果，对涉 及到的稳定评价因子中的各个指标进行统计 和分析，并计算出各指标的最大、最小值和 均值， 方差 ， 最后赋值于各评价因素 ， 见表2 。 表2 金川矿区岩体稳定性动态聚类评价因子及评价结果 宥件结构效应医于 地下水效应因子 岩块强度效应园子 二 二 三 二 二甄 蛆均值 方 差 均值 方差 取值 均值 方 差职值均值 方差。J Y L 结构面条件效应园子 评价 f 果 s t - ’ 日级 均值 方整 均值 方差 取值 评价 注F l L 代表 c ／ ol ，Y 代表l ／ oI }2 一 I 1 、 I I 岩组在稳定性评价中为四级I 3 一 A1 ．A- 均属Ⅵ岩组， 4 一省略原表中最大、最小值}5 一BQ D ／ J - 各岩蛆投值均为0 ． 0 I 6 -- J ．s ／ 2 各岩组权值为0 ． } 地应 力各岩组权值均为0 ． I 8 --J r ／ J 各岩蛆权值均为o ． 3 ． 3 ． 2 稳定性评价的动态聚类方法 岩体稳定性评价就是将稳定程度近似或 差别不大的岩体按岩组划分成同一类别，并 基于岩组的所属类型进行矿区稳定性评价， 以便在工程掘进中针对不同区域的岩体，采 用不同的开挖方法、支护形式和支护参数， 同时还可为有限元、离散元等数值分析方法 提供科学划分依据。 动态聚类评价值的实质就是给出一个粗 糙 的初始评价，然后按照某种原则进行反复 有色 一 q 9 T ． 6 维普资讯 修改，直至评价结果合理为止，其实施步骤 如下 1 针对金J i I 矿区赋存条件及工程地 质条件，确定评价因子，并进行其指标值的 统计分析与计算，给出一个评价因子的赋值 表 表 2| 2 对原始数据进行标准化处理，由 于各评价因子的数值不处于同一数值级，因 此必须进行标准化处理，使其所有因子指标 值处于同一数量级，原始数值的标准化处理 方法为；①求每一因子所有样本值及均值， 对于待标准化的数据Al ji 1 ，2 、3 ，⋯ n I j 1 、2 、3 ⋯m，11 为样本数，n l 为因子 指标数，由下式计算每一个因子样本值的 均值B ， ，B 】 1 ／ n Y Al 】 j 1 ，2 、 3 ． I m } ②求每一个因子样本值的 均 方 差C ， ，c ， C 1 ／ n 一1 ∑ A i 】 一 B I 』 。 ] ／ 。 i 1 、2 、 3⋯m}◎进行原始数据的标准化处 理， D i 】 Ai 】 一B I 』 ／ c 】 j 1 2 ，3 ⋯n ， j 1 、2 ，3 ⋯m， 3 确定每一个分区因素的权值w， ， 并对标准化处理后的评价指标D 一 』 进行加权 处理，以确定金川矿区岩体稳定性评价因子 的 权 值，wI t R Q D ／ J J s ／ 2 a √a I J ／ J ． ] 0 ． 3 O ． 2 O ． 2 0 ． 3 ， 由此可获得加权后评价因子指值E 】 ， E 一 】 DI 1 w 】 i 1 、2 、3 、4 。 。 。 n ，j 1 、2 ，3 ⋯ m l 4 确定评价级别数目的上，下限， 以通过计算寻找最佳评价的级别数，为此， 先取最大级别数o | 5 确定初始评价级别， 6 计算每一个区域的重心，并将其 重心作为初始评价标准， 7 计算每个样本到各区重 心 的 距 离，并按择近的原贝 目 将该样本划入最近的一 个类别中j 8 重新计算各重心，并作为重新评 价的标准} 9 进行迭代，反复调整 每 个 样 本 岩组的所属级剐，计算新的重心，并检 查前后两次求得的重心是否相同，则输出最 终评价结果。 3 ． 3 金川矿区工程岩体稳定性的动态 聚 类 评价结果 采用表 2中评价因子指标，同时考虑各 因子的权值，利用计算机进行动 态 分 析 计 算，并依择近的原贝 『J 给出了金J l I 矿 山岩 体 四级评价计算结果，见表3，且运用N G I C S I R 规则对岩组所属级别进行分类。 衰3 金川矿区岩体稳定性四级评价结果和分类结果 投鼬 岩组代号 NG1 分类 4 S 口 CSI R分类 RMR SR M R 分 类 类别号 注 I 二 G 分 类 指 标 Q 均 值 ， s Q 为 均 方 差 J N G I B a r t 。 n 分 类 ， R MR C s 1 分类指标R MR 均值，s R M R 为均方差}C s r R 一地质力学分类。 3 ． 4 分级岩组的岩体力学参数和变形 指 标 的评估 可依表 2，表 3中获得的各级岩体的有 关参数进行各岩组的岩体力学参数和变形指 标的评估 。可为金』 】 【 矿山围岩稳定性的数值 模拟分析提供必要的依据。 1 岩体单轴抗压强度R。 为； R。 口 。 ／ l o o R I 2 盒l 1 l矿山岩j 年 稳定性的动态紊类评价一王永才 ‘ 邮编7 3 7 l 0 2 一 5一 维普资讯 式 中 o。 一岩块单轴抗压强度 ， MP ， R v ， 为岩块因素在C S I R 分类中所 占的比分。 2岩体单轴抗拉强度R曲 先求岩体的龟裂系数K，再计算R K R 。 3 Rt K y L 4 式中 t 岩块的抗拉强度，MP a 。 3 岩体的抗剪强度参数为 R 。一 R ‘ g ‘ C jR Rt 6 4岩体的变形模量E G Pa 为 E m1 0 一 ’ 。 ’ 。 。 7 由上述公式便可评估出金川矿区围岩动 态聚类评价的各级岩体的力学与变形参数， 如表 4所示。 裹4 金川矿山四级岩体力学与变形参数 4 结语 工程岩体质量评价是岩体工程研究的基 础性工作，既是手段，亦是目的。由于金川 矿区地处中高地应力 区，岩 体 破 碎，来 压 快、压力大，持续时间长，致使金川矿山岩 jl 。 9 j j∈ j l 。 9 精 辅* ※ 上接第4 4 页 4 管理 体的工程地质条件更为复杂。如何正确认识 金川矿岩的工程地质特征，摸清岩体位移变 化规律，进一步提高岩体稳定性的可靠性， 是金川矿山地质及岩石力学工作者的主要课 题之一，以便更好地服务于采矿生产和科研 设计，降低采矿成本，提高经济效益。 尾矿库的管理主要指尾矿均匀放矿及尾 矿澄清水 含氰根必须及 时用 回水泵返回 到选厂高位水池进行闭路循环，不能从尾矿 库向外排放污水，要达到 环 保 中 的 零排 放 。如果在生产中忽略这一点或初期因某 种原因忘记启动回水泵或因配水管路不通而 不能及时回水，会造成库内水位上升 ，那么 污水占据了宝贵库容，既缩小使用年限又会 增加渗漏量 。这种情况是应杜绝的。因此， 管理的特点是及时回水，严格 控 制 水 位上 升，以尽量减小渗漏量。 对于哈德门金矿，目前有两个尾矿库可 轮流使用，第一个库有完整的回水设施，第 二个库可用潜水泵将水抽到第一库再闭路 循 环。哈德门地区年蒸发量2 m， 这样轮流使用 尾矿库更加保证了闭路循环系统万无一失， 且还必须用新水加以补充。 轮 流使用尾矿库对于冬季放尾矿又解决 了边放矿边结冰边占用库容的矛盾。 哈德门金矿尾矿库的修建是垒泥氰化厂 尾矿处理防渗工程成功的一例，可供同类工 程借鉴。 有色矿山一I 口 9 T ． f1 维普资讯