鞍钢集团矿业公司弓长岭矿业公司露天铁矿 王海龙 鞍钢集团矿业公司弓长岭矿业公司 郭友学 鞍钢集团矿业公司弓长岭矿业公司露天铁矿 秦志辉
摘要：本文就断裂构造对巷道稳固性的影响进行研究探讨，以此寻求其规律，采取预防措施，确保安全生产，从而充分回收利用矿产资源。
关键词：断裂构造 巷道 稳固 安全
Research on Fracture Structure and Stability of Tunnel
Wang Hailong Guo Youxue Qin zhihui
Abstract The influence of fracture strucure on the stability of tunnel is discussed to seek its internal rules. Some preventive measures are used to ensure production safety, and then fully recover and reutilize the the mineral resources.
Keywords Fracture structure,tunnel,stability,safety
1 地质概况
弓长岭铁矿床二矿区是前震旦纪“鞍山群”沉积变质式铁矿床，位于弓长岭复背斜的北翼，矿区西端以寒岭断层为界，东端以F1断层为界，矿床由相互平行的六层矿体组成（图1）。矿石类型主要为磁铁石英岩，其中贫矿结构致密坚硬，抗压能力强，抗压强度为120—260mpa。富矿分为平炉矿和高炉矿，抗压强度为124—170mpa。弓长岭铁矿床二矿区地质构造复杂，断层种类繁多，生成的时间也不同，矿床的西北端及东南端被大的横断层切削，矿床内横断层也特别发育，西北端寒岭横断层与复背斜西部第一大横断层其走向为北东，近于直立，引起矿体错动，但是对采准工程破坏性不大。
走向断层的走向与矿体的走向是一致的，尤其是走向逆断层沿矿体
王海龙（1974—），男，鞍钢集团矿业公司弓长岭矿业公司露天铁矿，地质工程师，111007 辽宁省辽阳市弓长岭区
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一侧通过，在断层带影响的范围内，分布有广泛的蚀变岩与矿石富化现 象，走向断层带宽度一般为0.05—5.0m，是矿液上升的良好通道，特别是富矿体内“亮滑铁”，结构松脆，对采准工程稳固性，影响较大，巷道易于冒落。
图1 二矿区各层铁矿及近况围岩层序图
弓长岭铁矿床二矿区共分三个采区即西北采区、中央区、东南区。中央区深井部位回采的矿体是Fe6、Fe5、Fe4三层矿体，其中第六铁矿层是规模最大的富矿体、第五铁矿层为高炉矿、第四铁矿层为贫矿体；第四铁矿层与第六铁矿层同时进行回采，两层矿体之间的岩石为绿泥类的蚀变岩和角闪岩。
2 断裂构造与巷道稳固性
断裂构造能不但控制矿体的形成、分布和产状，同时对采掘巷道稳固性的有较大影响。特别是在矿岩被开挖后，周边围岩应力重新分布，巷道受力易形变，完整性被破坏。随着开采深度的增加，影响会更加严重。其影响因素是多方面的，如断裂构造、褶皱构造、岩石的抗压强度、地压活动、巷道规格、存留时间、矿岩受到的动载荷、爆破、冲击、震动、地震等等。本文侧重探讨断裂构造对巷道的破坏作用。由于该区域劈理构造很少，对巷道的
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破坏性不大。因此，本文着重论述断层、节理对巷道稳固性的影响。
2.1断层
断层在各个水平分段均有出现，而且对巷道有一定的破坏作用。通过对中央区深井-160m西区各分段的断层进行了全面细致的填绘，并进行了综合研究分析。断层可分为十一期（图2）。其中1和2两期走向断层对巷道的破坏作用最大，使百余米的采准巷道遭到破坏，直至报废。而横向和斜向断层对巷道的破坏作用较小，但是如果三种断层在同一地点同时出现，将对巷道造成一定的破坏作用。
2.1.1走向断层
当巷道开掘以后，引起周边围岩应力重新分布，当应力高于围岩的极限强度，形变超过极限变形时，巷道便产生局部破坏。
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图2 –160 m西区各分段断层分布
弓长岭铁矿矿床二矿区矿体的上下盘围岩为绿泥岩或绿泥片岩，下盘又均为高角度走向断层，Fe6层矿体为平炉富矿。采准工作结束时，巷道周边围岩产生次生应力，在矿岩接触部位已经形成较大的弱面，磁铁富矿本身的抗压能力低于贫矿，加之多组节理的相互切割，便产生大小不等的不规则块体，在其自重或外界因素的作用下便产生多次冒落，冒落高度一般为1.0—2.0m，使中深孔凿岩工作无法进行，矿石难以回收。
(1) 密集型走向断层的冒落：
所谓密集型走向断层是指断层与断层之间距在0.8—2.0之间，断层数量在五条以上的沿脉或穿脉，其走向与矿体走向基本平行，是热液上升的良好通道，这些断层附近的矿石均为磁铁富矿，在此范围内断层即有张性的、又有压性的，在节理的切割和周围应力作用下，使矿体内形成较多不规则的块体，在各种因素的作用下便产生大面积的冒落，一般冒落高度在0.5—2.0m，最高达2m以上，为回采工作带来不利因素。
(2) 张性走向断层的冒落
所谓张性走向断层是在走向断层内含有排列杂乱的绿泥片岩和磁铁矿角砾，早期张性走向断层内有绿泥石英脉充填。采准工程结束后，在周围应力的作用下，断层产生下开口，由于矿石富、颗粒粗，节理发育，在其自重和外界因素的作用下，便产生顶板冒落。张性走向断层的冒落的特点是沿走向冒落的范围较长，在冒顶的高度可达3—4m，断层的下开口可达1—2m，如在中央区深井-100m水平6627矿块冒落长25m，冒落高度3.5m，使14剖面附近的富矿无法进行回采。
2.1.2横向断层
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在富矿区域经常出现“人字滑”冒落，通常称为“楔形冒落”。这种冒落经常发生在倾向不同的两条断层之间，由于该断层面上赋存一薄层滑石绿泥片岩薄膜，在两个断层面上盘的压力，以及矿、岩自重或外界因素的作用下，当在弱面引起的下滑力W超过倒向挤压力N，以及所构成的磨擦阻力F时，块体便产生冒落，虽然有的块体端部或顶部还有部分整体矿、岩还连在一起，经过一段时间，受张力或剪切力破坏，如果采准巷道存留的时间较长，造成两断层之间的大型“人字滑”冒落。中央区深井-135m分段6627矿块14剖面附近沿脉巷道上盘有一条横断层，倾向SE<45º，另一条横断层倾向NW<40º，两断层切割第六层矿体上盘蚀变岩，形成走向长5m，横向宽6m，冒顶高度4m的大型“人字滑”。其特点是冒落前无明显征兆，冒落后常常处于稳定状态，冒落块度多为三棱体或长条形扁平大块（图3）。
2.1.3斜向断层
断层走向即不与岩（矿）层走向一致，也不与岩（矿）层的倾向一致，在中央区深井水平分段中均出现，从-145m至-115m的四个分段中均可见到两条较大的斜向断层，走向近EW倾向NNE，倾向分别为NNE<68º、NNE85º，
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F N T F N T w 3m 3m 图3 “人字滑”冒落受力分析
断层中间为绿泥片岩，所布置的采准巷道均已冒落，冒落物为片状和不规则块状构造，冒落后的巷道轮廓为不规则拱型，冒顶高度为0.5—1.0m ,最高达2m。给回采工作带来一定的难度。
2.1.4走向、横向、斜向断层并存 (1)“三角四面体”冒落
“三角四面体”冒落是指由三条不同性质向外倾斜的三个断层和一组水平节理组成的三角四面体，在巷道掘进时由于走向、横向、斜向断层并存，三条不同性质断层的切割和来自断层上盘的压力，破坏了矿体的连续性，加之水平节理的存在，其粘聚力大大的减弱，在自重W或外界因素的作用下，沿弱面产生下滑冒落。冒顶高度高达1m以上，冒落后巷道自然达到稳定状态。
(2)矿岩接触部位的冒落
中央区深井-160m西中段-100m水平矿块赋存的斜向断层，倾向NNE<88º，横向断层倾向SE<70º，走向断层近似直立，走向断层被横向断层错开，表明走向断层早于横向断层，两横向断层被子斜向断层截取控制，表明斜向断层晚于横向断层，三者构成了直角三角形。在巷道开掘后，经常在直角三角形走向的两侧形成长20m、宽5m冒落，冒高度为0.5—1.0m，最高处达到2m左右。
(3)矿体内的顶板冒落
由于走向、斜向、横向三组断层同时赋存在矿体内，这些不同时期不同性质的构造破坏了矿体的连续性，形状各异的矿石块体，在矿体顶板及上下盘次生应力的作用下，在其自重W及外爆破、震动、冲击等的作用下，顶
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板便产生大面积的冒顶。如中央区深井-135m分段13剖面附近有一组走向断层倾向NE<80º，斜向断层倾向W<88º，在采矿巷道开掘后，出现长28m，宽4—5m的冒落，冒落高度为0.5—1.2m，最高处冒落2m，冒落后巷道轮廓为不规则拱型和梯形。
(4)同一断层在本中段内对采准巷道的影响
本中段同一大断层从上至下穿过矿体，使矿体产生位移、错动、富化等现象。随着采准工程的结束，原岩应力经过应力重新分布产生次生应力，同一断层即使在抗压能力较强的贫矿体中，在其上、下盘及顶板的应力作用下，在各分段的表现也有差异。如在6407矿块5剖面附近有一较大的斜向断层，倾向NE182º，该断层的SE为采空区，此断层在空区上部的压力作用下，在各分段表现出开裂、片帮、冒顶现象。在这种情况下，如果不及时采取补救措施，便会产生片帮、冒顶，使矿石无法回收。从上述情况可以看出，空区压力加速断层对矿体的破坏，而断层加速对矿体产生破坏又使空区扩大。
2.1.5节理
节理在弓长岭二矿区比较发育，为多时期形成的构造产物。通过对中央区深井-160m西区-125m分段6629矿块16剖面以西的沿脉采矿巷道及-125m分段6429矿块15剖面以西的沿脉巷道，进行节理裂隙素描填图，第六层矿体中节理划分为九组，第四层矿体分为八组，节理对巷道破坏的只有第六层矿体中的6组节理，其走向227º、倾向S<50º，破坏形式为片帮。而在Fe4层矿体中，如果片理和节理均特别发育，横向节理切割片理时经常会造成巷道大范围的片帮、冒顶，这时巷道必须采取适当的措施及时加以维护，保持巷道的稳固性，否则将出现巷道冒死，无法进行采矿。
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3 巷道稳固性维护与预防
断裂构造尽管赋存条件千变万化，使矿体形态复杂化，巷道及采场内易出现冒顶片帮，从而造成回采工作的复杂化，增加矿石的损失和贫化，甚至造成重大安全事故。所以，设计时要弄清楚断裂构造的赋存情况，在回采过程中发现新的断裂构造，要采出有效措施，以防止断裂构造对回采工作的危害。
在进行开拓与采矿设计之前，首先对三维实体建摸进行认真分析，充分考虑断裂构造的利与弊，有些逆断层可使矿体局部变厚或造成矿层局部重复、有利子回采，有利因素要充分利用。如遇见断距较大的断层应尽可能把它作为划分采场的边界，以减少它对回采工作的影响。
巷道布置、设计规格及服务年限，采场暴露面积等方面，要根据断裂构造的成因、产状，以及外部冲击、地压、爆破地震等因素，进行优化选取，尽量避开断裂构造或沿着断层面掘进。在巷道掘进过程中，有时在巷道中遇到某种断层，如果能推断这条断层将在附近尚未开掘的巷道中出现，可以提前采取措施，避免断层附近出现冒顶现象发生，必要时可以调整设计。
总结上述各种断裂构造对巷道的破坏规律，凿岩爆破时采取光面爆破技术，锚杆或锚杆网支护形式，有效地控制了采准巷道的稳固性。中央区深井6425矿块二段耙道片理和横向节理均比较发育，节理切割片理，节理密度大，而节理面是多方向的地段，岩石就比较破碎，容易冒落。针对此情况，该区域及时采取锚杆网支护，耙道及漏斗的片帮冒顶得以控制。
三、结束语
1、张性走向断层对采准工程破坏性最大，如不及时采取措施很容易使
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采准巷道稳固性遭到破坏，甚至工程报废。
2、密集型走向断层以及走向、横向、斜向断层同时出现在矿体内时，对采准巷道破坏性次之。
3、横向斜向、斜向于压性走向断层、横向于压性走向断层造成巷道冒顶、片帮后范围小，高度低，一般为1m以内，经处理维护后均可以进行回采。
4、在进行采矿设计时，首先对矿岩本身的赋存条件特别是断裂构造进行分析，进行设计之前，在三维实体矿床模型上完全可以一目了然地知道断裂构造的赋存情况，为设计提供依据。
5、在采矿方法的选择，巷道的布置，规格及服务年限，采场暴露面积等方面，要根据断裂构造的成因、产状以及外部冲击、地压、爆破地震等因素进行优化选取，既要利用断裂构造又要维护好断裂构造，使采掘工程少报废、不报废，从而提高矿石回收率，降低矿石损失，充分利用不可再生的矿产资源。
6、凿岩爆破时采取光面爆破或预裂爆破技术，选择锚杆、锚杆网和喷锚网支护形式，有效地控制了采准巷道的稳固性。
7、露天方式开采时，在节理发育地段，要特别注意边坡角的选择，以防止滑坡、坍方等事故。
参考文献：
［1］高 磊，等编。矿山岩石力学［M］. 北京：冶金工业出版社 ［2］陈希廉，等编。地质学［M］. 北京：冶金工业出版社，1981.
［3］陈希廉，等编。金属矿床地下开采［M］. 北京：冶金工业出版社，1992.
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