某銅礦開采穩定性及地質環境評價

韓科學，堅潤堂，*， 覃榮高， 楊 帆， 詹美山

(1.昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明 650093；2.中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院，云南昆明 650051)

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某銅礦開采穩定性及地質環境評價

韓科學1，堅潤堂1，2*， 覃榮高1， 楊 帆2， 詹美山2

(1.昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明 650093；2.中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院，云南昆明 650051)

摘要通過對工程地質巖組劃分，運用巖體質量系數法和巖體質量指標法分析評價了硐室圍巖穩定性，采用比擬法和巖體力學極限平衡法分析評價了露天采礦坑邊坡穩定性。對開采區不良物理地質現象，地下水、地表水水質的放射性和有毒有害元素進行了分析評價。

關鍵詞礦山開采；工程地質；地質環境；穩定性；分析評價

礦產資源開發中，人類對礦產資源的利用價值和經濟效益關注較多，忽略了對環境的保護。在開發礦產資源的同時，既要對開采的工程地質穩定性進行評價，又要對礦山開采可能造成的地質環境問題進行分析。目前，很多學者致力于運用Ansys等計算機軟件對開采的工程地質穩定性進行分析，并通過RS及GIS等技術手段對礦區環境進行監測評價，而很少再采用簡單的方法對礦山開采穩定性及地質環境進行分析評價。某銅礦地處甘孜—理塘結合帶西側德格—中甸陸塊東緣，印支期義敦—中甸島弧帶南段，總體上近北西向展布[1]。首采區南起X3102000，北至X3105000，西起Y17596000，東止Y17598000，南北向長3 km，東西向寬2 km，面積6 km2。筆者采用地下和露天兩種方法相結合進行開采，評價了礦區開采穩定性，通過現場勘查、室內試驗及坑探等手段分析評價了開采礦區的地質環境，以期為礦山設計部門提供可靠的開采設計依據。

1工程地質穩定性

1.1工程地質巖組劃分根據巖石成因類型、巖性、構造特征及巖石抗壓強度，將礦區地層做如下劃分：

1.1.1松散堆積巖組(I)。由于成因類型不同，各類型間工程地質特征性差異明顯。①殘積：僅分布于圖姆溝組(T3t)地層的表部，厚度一般為1.0～5.0 m，坡度與自然安息角一致，斜坡穩定。②坡積：礦區表部基本上均有覆蓋，但厚度變化大，一般為0～2.0 m，最大達13.1 m。坡度即碎屑物自然安息角，黏粒含量較多，斜坡穩定。③沖洪積：主要分布于Ⅲ號大溝底部，向下厚度增大，厚度為4.0～54.4 m，由巨礫、卵石、砂及少量黏土組成。露采剝離后，礫徑組成復雜，有巨礫存在，對采掘造成一定影響。④冰磧：主要分布于海拔3 900.0 m以上地段，特別是4 100.0 m以上地段。表部均為冰磧層，厚度變化大，為4.0～81.6 m，以礫石為多，混雜砂土。在山脊及陡坡處薄，在洼地及負地形處較厚，無膠結，松散。其坡度即碎屑物自然安息角松散，不穩定，對露天開采有一定影響。

1.1.2層狀變質巖巖組(Ⅱ)。①Ⅱ1：圖姆溝組上段第2層(T3t2-2)，以板巖、粉砂質絹云板巖，變質砂巖為主，薄-中厚層狀。裂隙發育，巖石質量劣，中等堅硬，不含礦，對礦床開采基本無影響(鉆孔未揭露)。②Ⅱ2：圖姆溝組上段第1層(T3t2-1)，以粉砂質絹云板巖和變質砂巖夾安山巖為主，薄-中層狀。裂隙發育，巖石質量劣，中等堅硬(鉆孔未揭露)。不含礦，且距礦體較遠，開采中很少觸及，對礦床開采基本無影響。③Ⅱ3：圖姆溝組下段(T3t1)，以板巖、絹云板巖和變質砂巖夾薄層灰巖為主，薄-中厚層狀。裂隙發育，巖石質量劣，中等堅硬(鉆孔未揭露)。不含礦，且距礦體較遠，開采中很少觸及，對礦床開采基本無影響。然而，水平開拓主巷主要在其中掘進并通過。

1.1.4不規則蝕變巖類中等堅硬巖組(IV)。蝕變角巖化帶(Hs)，呈不規則狀展布，節理裂隙極發育，巖石中等堅硬，完整性差，陡峭處時有掉塊發生。硐室圍巖穩定性差，開采邊坡穩定性亦差。

1.2硐室圍巖穩定性評價因礦區賦礦地層為侵入巖體，因此僅針對侵入巖體，依據礦區收集到的鉆孔水文地質、工程地質資料及巖礦石物理力學試驗成果，采用巖體質量系數法和巖體質量指標法進行評價[3]。

1.2.1巖體質量系數法。按照《礦區水文地質工程地質勘探規范》(GB 12719—91)中的公式：

Z=I·f·S

式中,Z為巖體質量系數；f為結構面摩擦系數(影響穩定的主要結構面)；I為巖體完整系數(無資料時可用RQD值代替)；S為巖塊堅硬系數。

S=Rc/100

式中，Rc為巖塊飽和軸向抗壓強度。

1.2.2巖體質量指標法。按照《礦區水文地質工程勘探規范》(GB 12719—91)中的公式：

M=Rc/300·RQD

式中，M為巖體質量指標；Rc為巖塊飽和軸向抗壓強度；RQD為巖石質量指標。

1.3露天采礦坑邊坡穩定性評價首采區主要位于Ⅲ號大溝小流域內，海拔3 750～4 320 m，形成最大開采坡高為570 m，組成邊坡的巖性以石英閃長玢巖為主，角巖及石英二長斑巖次之[4]。采用類比法和巖體力學極限平衡法評價露采邊坡穩定性[5]。

1.3.1類比法。從圖1可見，當坡長為570 m時，坡度α=33°，斜坡表層第四系松散堆積物組成的邊坡維持穩定。

圖1　穩定邊坡的H-α曲線Fig.1　 H-α curve of stable slope

1.3.2巖體力學極限平衡法。

n=[ri(ctgβ-ctgα)sinβcosβtgφ+2Ci]/[riH(ctgβ-ctgα)sin2β]

式中，n為可能滑動巖體的穩定性系數；φ為可能滑動面可被利用的摩檫角，°；Ci為減弱的巖體黏結力，×104Pa(可能滑動面可被利用的內聚力，根據結構面的發育程度可將實驗室試驗指標予以弱化，Ci=λCh)；Ch為巖塊試驗的黏結力，×104Pa；α為邊坡角，°；β為可能滑動面的傾角，°；ri為可能滑動巖體的平均容重，×104N/m3；H為可能滑動巖體的高度，m。

左邊一般取n=1.3，而該研究未考慮區域穩定性、地下水、人為及凍脹4個因素。取n=1.5，λ=0.1，其余參數參照巖石力學試驗成果取值。其中,φ=38°，Ch=15.4×106Pa，Ci=0.1×15.4×106Pa，ri=2.6×104N/m3，H=570 m。

邊坡穩定性試算(圖2)，設邊坡角為α=45°，假設可能滑動面坡角：β=40°、35°、33°、30°、25°，各坡角對應的ri均為2.6×104N/m3,H均為570 m,Ci為1.54 Pa,φ為38°，n分別為2.624、1.478、1.300、1.138、0.805。

圖2　開挖邊坡穩定計算示意Fig.2　Calculation sketch map of slope stability during excavation

由此可看出，露采邊坡的坡角不能與巖體結構面傾角相差太大，在侵入巖體中，推薦開挖邊坡角≤45°。當露采邊坡≤45°時，巖體總體上穩定，但局部仍有掉塊，在開挖中應加以重視。

2地質環境

2.1礦區不良物理地質現象發育特征

2.1.1滑坡。礦區為深切割高山區，有利于地下(表)水體的自然排泄，山體自然坡度多小于松散碎屑物的安息角，加之山坡地面植被發育，因此其山坡穩定，無滑坡產生。

2.1.2倒石堆。僅發生于海拔大于4 300.0 m的山頭陡崖坡角處，如礦區中北部4 357.0 m(高程)山頭下就存在3個典型的倒石堆。其形狀基本上呈扇形，開口朝下。每一個倒石堆下方寬度均為100～200.0 m，中部長邊為100～200.0 m，塊石大小不一，松散。其坡度即為塊石堆的安息角，坡體穩定。

2.1.3泥石流。礦區地處原始自然地帶，地表植被發育，水土保持良好。除首采區中部偏西，受筑路等人為因素的影響，有一條切溝溯源侵蝕強烈，存在泥石流現象外，無泥石流危害。

2.2地下水、地表水水質從所取水樣的水化學分析成果看，礦區地下(表)水中有害組分均未超過衛生飲用水水質限量標準，水質較好、潔凈，符合衛生飲用水水質標準。

2.3放射性及有毒有害元素

2.3.1放射性元素。根據礦區YD1坑道測量γ輻射資料，在室內整理分析，制作出坑道γ輻射曲線(圖3)，可以得出如下規律：

0～20.0 m段：強硅化、絹云母化、孔雀石化、黃銅礦化石英二長斑巖[6]。因靠近地表，巖石微風化，半堅硬，放射性γ輻射強度相對較低，平均23.70 μR/h。

20.0～140.0 m段：鉀化、絹云母化、黃銅礦化、黃鐵礦化石英二長斑巖[7]。主要由巖石斑晶斜長石(15%)，鉀長石(25%)、石英(5%)、黑云母(5%)及基質(50%)(長石、石英及黑云母組成)。顯然鉀化強烈，其內含放射性元素(U、Th、K)增多，γ輻射強度平均值達45.07 μR/h，較0～20.0 m段高出近1倍。

140.0～215.0 m段:絹云母化、硅化、鈉黝簾石化、黃銅礦化石英二長斑巖[8]。該段巖石新鮮，較破碎，節理發育，線率10～50條/m，坑道普遍滴水，巖石淋失作用較強，引起放射性γ輻射強度降低，平均為47.24 μR/h，較0～20.0 m段高出近1倍。

215.0～335.0 m段:為絹云母化、鉀化、黑云母化、硅化、黃銅礦化石英二長斑巖，巖石新鮮，完整、堅硬。γ輻射強度平均高達60.36 μR/h，為坑道內各類巖石之最。

圖3　 礦區YD1坑道γ輻射曲線Fig.3　γ radiation curve of mine YD1tunnel

335.0～397.8 m段:為強硅化、黃銅礦化石英閃長玢巖及鉀化、黃銅礦化石英二長斑巖[9]。放射性γ輻射強度平均為58.86 μR/h。綜上所述,坑道內斑巖型銅礦石因含礦巖石不同，其放射性γ輻射性強度亦不同，同一種巖石因鉀化強烈程度不同導致γ輻射強度存在差異。坑道放射性γ輻射測量地質效果較好，測量質量可靠，坑道內未發現超過國家限制劑量的γ輻射異常段。按1974年衛生部頒發的“放射性防護規定”不需做特殊防護。

2.3.2礦石有毒有害元素。礦區中有毒有害元素砷(As)含量小于0.100%，小于國家限量標準值(<0.300%)；元素鋅(Zn)含量為0.047%，小于國家限量標準值(<6.000%)；氧化鎂(MgO)含量為2.600%，小于國家限量標準值(<5.000%)；元素硫(S)含量為0.950%。這些組分在礦山開采過程對環境有一定影響。

3結論

(1)礦區巖性單一，巖石硬度以堅硬為主；采用巖體質量系數法和巖體質量指標法，對硐室圍巖穩定性進行評價，結果可信度較高，可作為礦山開采設計依據；采用比擬法對露天采礦坑邊坡穩定性進行評價，當坡長為570.0 m，坡度α=33°，斜坡表層第四系松散堆積物組成的邊坡可維持穩定。采用巖體力學極限平衡法分析可知，露采邊坡的坡角不能和巖體結構面傾角相差太大，在侵入巖體中，推薦開挖邊坡角≤45°。

(2)礦區附近無污染，地下(表)水水質較好，礦石中As含量<0.100%，Zn為0.047%，MgO為2.600%，S為0.950%；無大型不良地質現象，有小型崩塌存在，無放射性危害；礦區地質環境質量中等。

參考文獻

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Evaluation of Stability and Geological Environment of a Copper Mine

HAN Ke-xue1,JIAN Run-tang1,2*,QIN Rong-gao1et al

(1.Faculty of Land Resource Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming,Yunnan 650093; 2.Kunming Prospecting Design Institute of China Nonferrous Metals Industry,Kunming,Yunnan 650051)

AbstractThrough the engineering geological petrofabric,using rock mass quality factor and rock quality indices to analyze and evaluate the stability of surrounding rock and using analogy method and limit equilibrium method to analyze and evaluate the slope stability of open-pit coal mining.The bad physic geological phenomena,quality of groundwater and surface water,radioactivity and poisonous and harmful elements of the mining area were analyzed.

Key wordsMining; Engineering geology; Geological environment; Stability; Analysis and evaluation

基金項目云南省科技惠民計劃(2013CA019)；云南銅業(集團)有限公司重點科技計劃項目(20140101)。

作者簡介韓科學(1989- )，男，河南商丘人，碩士研究生，研究方向：水文地質與工程地質。*通訊作者，高級工程師，博士，碩士生導師，從事礦床地質研究。

收稿日期2016-03-16

中圖分類號S 181

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)10-064-02