高石咀石英巖礦邊坡穩(wěn)定性影響因素及防治

潘天錄

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高石咀石英巖礦邊坡穩(wěn)定性影響因素及防治

潘天錄

（甘肅省地礦局第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅蘭州 730000）

由于地質(zhì)、巖石、爆破、降水等因素，高石咀石英巖露天礦邊坡出現(xiàn)裂縫等問題，對石英巖礦的后續(xù)回采工作產(chǎn)生困擾。本文簡述了高石咀石英巖露天采場的邊坡現(xiàn)狀，簡要分析了影響高石咀石英巖露天采場邊坡穩(wěn)定的因素，并據(jù)此提出一些預(yù)防與治理邊坡問題的建議和對策。

石英巖礦；邊坡；影響因素；治理；高石咀

露天礦邊坡穩(wěn)定性問題是露天礦在開采過程中需要關(guān)注的一個重要問題，邊坡穩(wěn)定是露天開采安全生產(chǎn)工作的頭等大事，也是制約露天礦能否最大程度回采礦石的一個關(guān)鍵因素。隨著邊坡的加高和開采深度的增加，邊坡穩(wěn)定性和安全性越來越差，但對于露天礦山又不得不考慮充分回收資源、降低生產(chǎn)成本、增加開采效益[1]。金川銅鎳礦露天老坑就是由于邊坡問題不得不提前閉坑，導致200多萬噸礦石無法回采利用。因此，露天礦開采過程中邊坡問題的研究與治理對于露天礦正常回采及提高經(jīng)濟效益至關(guān)重要。

高石咀石英巖礦位于甘肅省金昌市金川區(qū)高石咀村，礦區(qū)受區(qū)域構(gòu)造控制和SW、NE向的擠壓，含礦巖系形成NWW向的緊閉褶皺和斷裂，并有一系列NE和NW向的剪切斷裂伴生，加上礦區(qū)受開采影響，地表巖石普遍松動，裂隙發(fā)育，礦區(qū)地層非常破碎，工程地質(zhì)條件較差，對保持采場邊坡穩(wěn)定造成不利影響。目前，高石咀石英巖礦邊坡局部地段已出現(xiàn)裂縫等不同程度的失穩(wěn)現(xiàn)象，對后續(xù)的石英巖回采造成困擾。隨著回采工作的繼續(xù)，高石咀石英巖礦將由山坡型開采轉(zhuǎn)為凹陷開采，采場邊坡垂直高差逐漸增大，對石英巖礦安全生產(chǎn)構(gòu)成的威脅將越來越嚴重。

1 露天采場邊坡現(xiàn)狀

經(jīng)過多年的生產(chǎn)，高石咀石英巖露天礦已形成1 856m、1 846m、1 836m、1 826 m、1 816 m、1 792m 、1 780m 、1 768m、1 756m等臺階，東西長1 100m、南北寬500m左右、上下垂高近90m的山坡型露天采場。隨著開采工作的繼續(xù)，將增加1 744m 、1 732 m、1 720m 、1 708 m、1 696m 等5個臺階，最終將形成坑長1 000余m、寬390余m、高160m的深凹露天采坑。總體上講，采場北端邊坡問題比較突出，1 816 m水平東部出現(xiàn)過坍塌；1 816m水平、1792m水平皆出現(xiàn)裂縫（照片1~2），且有擴大的趨勢。而礦區(qū)1#、2#礦體靠近北端邊坡，北端邊坡不穩(wěn)定勢必會影響到1#、2#礦體的回采。其中，3行附近的最終邊坡高達143m，如果該處邊坡發(fā)生變形破壞，1 708m和1 696m兩個水平的102.5萬t礦石將有可能永久損失。采場西南端邊坡為綠色變質(zhì)砂巖，巖層規(guī)整穩(wěn)定，邊坡問題還沒有顯現(xiàn)。

照片1 邊坡裂縫（1816水平）????照片2 邊坡裂縫（1792水平）

2 露天采場邊坡穩(wěn)定性影響因素

2.1 地質(zhì)構(gòu)造

褶皺、斷裂等地質(zhì)構(gòu)造擠壓、切割地層，在應(yīng)力作用的機械破壞下，所經(jīng)過部位巖石破碎，裂隙發(fā)育 ，易造成邊坡失穩(wěn)。在地質(zhì)構(gòu)造作用下，地層巖石會由于擠壓、錯斷，形成巖石結(jié)構(gòu)面，影響邊坡穩(wěn)定。高石咀石英巖礦區(qū)經(jīng)歷了自呂梁運動以來多期構(gòu)造運動的作用，使得礦區(qū)巖石組合較為復(fù)雜。受區(qū)域構(gòu)造控制和SW、NE向的擠壓，礦區(qū)部分巖系形成NWW向的緊閉褶皺和斷裂，并有一系列NE和NW向的剪切斷裂伴生，后期斷裂作用使褶皺構(gòu)造的完整性受到破壞。礦區(qū)斷裂活動次數(shù)較多，每次斷裂作用對礦區(qū)的影響不盡相同。礦區(qū)斷層主要有F1斷層、F2斷層、F3斷層及一些其它較小的斷層。其中F1斷層橫穿礦區(qū)3～7行線，F(xiàn)2斷層橫穿礦區(qū)1～5行線，且靠近采場北端邊坡。此外，礦區(qū)小型褶皺遍布，改變著礦區(qū)巖層產(chǎn)狀。在褶皺、斷裂等地質(zhì)構(gòu)造作用下，礦區(qū)邊坡局部地段巖體節(jié)理、裂隙、結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖石破碎，極易出現(xiàn)裂紋及邊坡垮塌等災(zāi)害事故。

2.2 地層及巖石

地層及巖石類型和軟硬程度以及層間結(jié)構(gòu)決定了巖土體力學強度和抗風化能力，進而影響到邊坡的穩(wěn)定性。巖石破碎、裂隙發(fā)育、巖性軟弱的巖層或軟硬相間的巖層比巖性均一的堅硬巖層易遭破壞，易發(fā)生邊坡滑塌。軟硬相間的巖性易于風化，抗剪強度低，又是較好的隔水層，可以為滑面的形成提供良好的地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件，邊坡滑塌多分布于這類巖層區(qū)域。具體而言，砂巖、泥巖、以及砂巖、頁巖和泥巖互層和頁巖、泥巖、板巖軟硬相間的巖層所構(gòu)成的邊坡易發(fā)生滑塌。

高石咀石英巖礦區(qū)地層主要可分為下古生界、泥盆系、石炭二疊系及第三、第四系等。巖石主要有紫紅色礫巖及砂礫巖、綠色泥質(zhì)砂巖、肉紅色長石砂巖、灰白色石英粗砂巖、粘土巖、頁巖及泥巖、綠色變質(zhì)砂巖、紫灰色板狀石英砂巖、紫紅色千枚巖、灰色碎屑灰千枚巖等。上述巖石相互交錯，接觸分布整個礦區(qū)。除礦體外，礦區(qū)巖石基本屬于砂巖、頁巖、泥巖等質(zhì)軟的巖石。除石炭統(tǒng)-二迭系（C3-P）巖石質(zhì)量指標（RQD）值在40%~50%之間，完整性較好外，礦區(qū)其它地層巖石質(zhì)量指標（RQD）值都在10%以下，巖石極其破碎，裂隙較為發(fā)育，穩(wěn)固性較差，這就為礦區(qū)邊坡失穩(wěn)創(chuàng)造了條件。

2.3 開采技術(shù)條件

主要指露天礦開采的邊坡角、臺階組合形式等技術(shù)因素。本文主要討論邊坡角。露天礦開采的邊坡角與露天礦生產(chǎn)安全和經(jīng)濟效益都有很大關(guān)系。邊坡角過小將增加剝離量，增加開采成本，降低經(jīng)濟效益，邊坡角過大又會增加邊坡失穩(wěn)的概率，影響露天礦安全生產(chǎn)。因此，露天礦邊坡角既要考慮安全穩(wěn)定條件又要考慮生產(chǎn)技術(shù)條件。安全穩(wěn)定條件指根據(jù)邊坡巖體的性質(zhì)，通過穩(wěn)定性分析計算，確定能保證邊坡穩(wěn)定的邊坡角。在境界設(shè)計階段，一般是參照類似礦山實踐資料選取穩(wěn)定的邊坡角，并用已有資料對其穩(wěn)定性進行初步分析和簡要計算。關(guān)于開采技術(shù)條件，是指按邊坡的構(gòu)成要素確定邊坡角。

高石咀石英巖露天礦邊坡角是參照礦山目前實際生產(chǎn)情況及其它類似礦山經(jīng)驗，采用類比法確定的。設(shè)計邊坡角北端為43°，南端和東西兩端為45°，階段高度12m。實地自然邊坡角在36°～55°之間，平均45.8°。目前，石英巖露天礦邊坡角與邊坡穩(wěn)定的最佳臨界點還無法確定，關(guān)于邊坡角是否合理還缺乏相關(guān)資料，有待后續(xù)觀察。

2.4 爆破

露天采場內(nèi)爆破震動所產(chǎn)生的地震波通過邊坡巖體時，給巖性較差巖體的潛在破壞面以附加的振動力，使原生結(jié)構(gòu)面和構(gòu)造結(jié)構(gòu)面的規(guī)模不斷增大，并產(chǎn)生次生結(jié)構(gòu)面（爆破裂隙）。在長期爆破震動的影響下巖體表面會發(fā)生脫落，進而影響露天邊坡的穩(wěn)定性[2]。高石咀石英巖礦采用多排孔微差松動爆破，礦石和廢石分采分爆，穿孔深度12.5m，平均抵抗線小于4.5～5.5m，孔位以三角形或矩形方式布孔，孔距、排距均為4.5～6m，多數(shù)情況下爆破孔數(shù)都在50以上，所用銨油炸藥每次都超過8噸，炸藥量較大，爆破時能量傳遞引起的地面震動不可小覷，對邊坡穩(wěn)定具有較大的影響。

2.5 降雨

降雨是誘發(fā)露天采場邊坡發(fā)生移動的一個重要因素。降雨對邊坡穩(wěn)定的影響主要表現(xiàn)為降雨的沖蝕與入滲，邊坡節(jié)理裂隙中的巖石顆粒和巖體可溶解成份會被水帶走，使巖石強度降低，改變巖土體應(yīng)力狀態(tài)，降低邊坡穩(wěn)定性。降雨通過邊坡裂隙滲入后會明顯增大巖體間的滑動力和減小弱面間的摩擦力，從而導致邊坡失穩(wěn)、滑動。盡管高石咀石英巖礦區(qū)地處西北內(nèi)陸，氣候干旱，降水量很少，只有122mm，但這122mm降水卻是集中于不多的幾次降水實現(xiàn)的，單次降雨量仍然較大，特別是夏季暴雨及秋季連綿的降雨，對已經(jīng)產(chǎn)生裂縫的礦區(qū)邊坡，仍然是一個無法忽視的誘發(fā)因素（照片3~4）。

照片3 降水滲入邊坡??????照片4 水沖蝕邊坡

3 邊坡問題的預(yù)防與治理

露天礦邊坡穩(wěn)定性的研究、邊坡問題的預(yù)防與治理是一個綜合性的工作，也是一個長期的過程，伴隨著露天礦回采的整個階段，直至礦石回采終結(jié)。作為甘肅省金川公司重要的鎳冶煉溶劑來源，如何安全有效地回采有限的高石咀石英巖礦資源，邊坡問題的預(yù)防與治理是一個不得不考慮的問題。

1）加強監(jiān)測和預(yù)警。目前，高石咀石英巖露天礦采場邊坡穩(wěn)定性在線遠程智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)已投入使用，對露天礦邊坡采場進行實時監(jiān)測和預(yù)警。該預(yù)警系統(tǒng)可以獲取連續(xù)的邊坡動態(tài)數(shù)據(jù)，為邊坡穩(wěn)定性研究提供大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時可以在邊坡發(fā)生滑坡及垮塌前做出預(yù)警，使采場作業(yè)人員及設(shè)備能夠快速安全撤離。然而，雖然該預(yù)警系統(tǒng)對于邊坡實時監(jiān)測有很大作用，但其對于延緩或阻止邊坡問題的出現(xiàn)卻是沒有直接幫助的。因此，還需要采取其它多種措施來對邊坡問題進行預(yù)防與治理。

2）做好人工巡視觀測工作，要強化露天礦現(xiàn)場作業(yè)人員對邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象的認識，提高警惕；要開展日常人工巡視檢查，從整體上了解和認識平臺及周邊巖石的形態(tài)變化情況，尋找坡面開裂、變形、沉降等異常現(xiàn)象；要在邊坡出現(xiàn)裂縫的平臺樹立警示牌，防止人員踩踏及設(shè)備碾壓。

3）進行巖石力學研究，探尋巖體在自重應(yīng)力和滑移塊體推力作用下的巖體失穩(wěn)機理，為邊坡問題預(yù)防與治理提供科學的數(shù)據(jù)支撐。

4）地表及邊坡安全平臺產(chǎn)生較大張開裂縫時，要及時進行處理，在深部采用礫石充填 ，裂隙口用粘土密封。在發(fā)生裂縫的1 826、1 816、1 792等平臺做好排水措施，減少雨水順著裂縫進入和滲透。

5）為保證露天邊坡坡面平整和提高邊坡的穩(wěn)定性，減少因爆破引起的地面震動對邊坡穩(wěn)定性的破壞，要對臨近邊坡的爆破嚴加控制，臨近邊坡的爆破可采用預(yù)裂爆破。此外，還可探索對邊坡影響更小，爆破效果更好的爆破方式。

6）可以考慮根據(jù)實際情況對部分邊坡實施適當?shù)南鞑茫詼p輕邊坡的自重，減小邊坡地應(yīng)力，降低邊坡角，防止風化巖石的剝落，預(yù)防邊坡滑落的出現(xiàn)。同時考慮對已揭露的新巖層面采用噴錨和噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護，防止巖石進一步風化和滲水的侵蝕 ，實現(xiàn)露天邊坡的長期穩(wěn)固。

4 結(jié)語

盡管邊坡問題的預(yù)防與治理不會像回采礦石那樣為露天礦帶來直接的經(jīng)濟效益，但邊坡穩(wěn)定性的研究、邊坡問題的預(yù)防及治理卻是露天礦無法回避的重要問題。在實踐中露天礦邊坡問題的預(yù)防和治理是一個復(fù)雜的問題，單一的治理措施可能無法奏效，因此具體的防治方法應(yīng)根據(jù)邊坡的實際情況而定，采取綜合手段治理。

[1] 楊天鴻, 張鋒春, 于慶磊等. 露天礦高陡邊坡穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 巖土力學，2011,5，32（5）：1437～1439.

[2] 吳偉. 露天邊坡失穩(wěn)原因分析及預(yù)防與治理[J]. 采礦技術(shù)，2011，9,11（5）：44～46.

Slope Stability and Its Influence Factors for the Gaoshizui Quartzite Mine

PAN Tian-lu

(No.2 Institute of Geology and Mineral Exploration, Lanzhou 730000)

Some factors such as blasting and rainfall results in cracking in slope of the Gaoshizui quartzite open-pit mining which has an influence upon exploitation work. This paper briefly describes the present situation of slope of the Gaoshizui quartzite open pit and discusses its slope stability, accordingly, gives some control countermeasures.

quartzite ore; slope stability, influence factors; control

P642.21

A

1006-0995（2015）01-0108-03

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.01.024

2013-12-23

潘天錄（1983-），男，甘肅武威人，地質(zhì)工程碩士研究生，現(xiàn)主要從事礦山地質(zhì)工作