圖木爾廷－敖包鋅礦露天邊坡穩定性分析

阮琰文,潘 懿

(1.中國有色金屬建設股份有限公司, 北京 100029;2.長沙礦山研究院有限責任公司,湖南長沙 410012;3.金屬礦山安全技術國家重點實驗室, 湖南長沙 410012)

圖木爾廷－敖包鋅礦露天邊坡穩定性分析

阮琰文1,潘 懿2,3

(1.中國有色金屬建設股份有限公司, 北京 100029;2.長沙礦山研究院有限責任公司,湖南長沙 410012;3.金屬礦山安全技術國家重點實驗室, 湖南長沙 410012)

圖木爾廷敖包露天鋅礦地處蒙古高原,在礦山開采過程中,受不良地質及惡劣氣候條件影響,各段邊坡均出現不同程度的破壞,嚴重制約礦山安全高效生產。針對敖包鋅礦露天邊坡破壞情況,在邊坡工程地質、水文地質條件詳查的基礎上,系統研究了各段邊坡穩定性狀況,優化了邊坡最終結構參數,為礦山下一步邊坡設計提供了可靠依據。

露天邊坡;穩定性研究;邊坡參數;地質調查

1 概 述

蒙古國圖木爾廷—敖包鋅礦為中蒙合資礦山,礦山每天加工礦石約1000t,年產精礦超過7萬t,礦山自投產以來,經濟效益良好,為中國企業海外礦業投資最成功的案例之一,被譽為“中蒙合作的典范”。圖木爾廷—敖包鋅礦開采方式為露天開采,臺階高度12m,目前已形成邊坡高度約100m。由于邊坡巖體條件較差,礦山開采過程中邊坡存在不同程度的垮塌及開裂,嚴重威脅礦山安全生產。

2 礦山概況

圖木爾廷－敖包鋅礦隸屬中蒙合資企業鑫都礦業有限公司,地處蒙古國東南部無林草原,為地勢平緩的丘陵地形,海撥高度1000～1100m。礦區為高緯度地區大陸性氣候,氣溫變化較大,日溫差達到26℃,絕對最低氣溫至零下39℃,最高超過36℃,年平均氣溫為－1.5℃～2.5℃。礦區為半干旱地區,降雨量較少,年平均降雨量130～280mm,主要集中在7～8月,日最大降雨量64mm。地表層凍結深度為2.5～3m,沒有永久凍土層[1]。

礦山于2005年8月建成,經十余年開采邊坡高度超過百米,露天坑西南部發育有較大的正斷層F8A和F4,2007年,6A至10線之間的邊坡平臺1070m發生垮塌,垮塌部位剪節理發育,對邊坡穩定性不利。目前露天開采階段主要有1070m臺階、1058m臺階、1046m臺階、1034m臺階、1022 m臺階和1010m臺階,分布范圍4～20線。露天邊坡各區段均存在不同程度的破壞現象,主要表現形式為坡頂開裂及臺階邊坡的垮塌。

3 邊坡工程地質

露天采場邊坡巖體整體傾向SW,傾角45°～55°。其中北邊坡為下盤邊坡,主要由矽卡巖構成,垂直邊坡發育有多條縱向斷層,將邊坡切割為多個區域,對邊坡穩定性影響較大,同時,北邊坡巖體節理、裂隙十分發育,一般分布結構面組數多于3組,邊坡巖體條件較差。南邊坡為上盤邊坡,主要由花崗巖構成,巖體含泥量較高,極易風化,邊坡開挖后均呈中等風化狀,裂隙發育,邊坡表面巖體呈塊夾泥或局部泥夾塊狀,巖體較破碎。西邊坡為切層邊坡,構成巖體由北至南依次為大理巖和角巖,其中大理巖節理不發育,穩定性較好,角巖節理較為發育,西南邊坡與上盤花崗巖接觸部位為破碎帶,該破碎帶貫穿采場東西,為正—平移斷層,斷距為數百米,破碎帶寬度10～20m,對邊坡穩定性極為不利;東邊坡主要由角巖和花崗巖構成,受多條縱向斷層影響,角巖十分破碎,角巖和花崗巖接觸部位為大破碎帶,花崗巖巖體條件與南邊坡類似,風化嚴重。

3.1 邊坡工程地質調查

為全面研究圖木爾廷敖包鋅礦邊坡工程地質條件,采用三維攝影測量與人工現場調查相結合的方法對礦山已形成的邊坡進行了工程地質調查,測量并描述邊坡巖體節理裂隙產狀、充填物及厚度、形狀、結構面形狀、地下水狀況、節理間距等特征。并根據礦區巖層的賦存特點,進行了各區段邊坡工程地質分區,將敖包鋅礦邊坡劃分為Ⅰ～Ⅳ四個工程地質區,其中Ⅰ區分為Ⅰ－A和Ⅰ－B兩個亞區,Ⅲ區分Ⅲ－A、Ⅲ－B、Ⅲ－C、Ⅲ－D四個亞區,Ⅳ區分為Ⅳ－A、Ⅳ－B、Ⅳ－C三個亞區,分區結果見圖1。

圖1 邊坡工程地質分區圖

(1)Ⅰ－A區,為北邊坡4A～8A線,主要為褐紅色矽卡巖,發育多條縱向斷層,巖體中節理、裂隙發育,以Ⅳ、Ⅴ級結構面為主,邊坡巖體呈塊狀結構,巖體較堅硬。屬于楔體滑動。

(2)Ⅰ－B區,為北邊坡8A～16A線,主要為褐紅色磁鐵化矽卡巖,斷層及節裂隙發育程度與北邊坡西部矽卡巖發育程度相似,邊坡巖體呈層狀結構。屬于楔體滑動,傾倒破壞。

(3)Ⅱ區,為南邊坡7～11線,南邊坡主要為肉紅中風化中－粗顆粒花崗巖,巖體節理裂隙發育,以Ⅳ、Ⅴ級結構面為主,由于風化蝕變強烈,強度較低,巖體為塊狀、散體和破碎結構。屬于順層滑動。

(4)Ⅲ－A區,為西南邊坡10～16線,西南邊坡主要為肉紅色中風化中－粗顆粒花崗巖,巖體風化蝕變強烈,節理裂隙發育,整體強度較低,為散體和破碎結構。屬于楔體滑動、圓弧滑動。

(5)Ⅲ－B區,為西邊坡中部,該區域主要為西邊坡的南部破碎帶,該破碎帶位于花崗巖與鈉長角巖之間,屬東西向正斷層,寬20～30m,充填物主要有:流紋斑巖的凝灰巖[τp]、流紋斑巖的凝灰角礫巖[τp]、流紋斑巖[λπp]、花崗巖角礫和粘石等,整體強度較低。屬于圓弧滑動。

(6)Ⅲ－C區,為西邊坡9～11線,該區域內巖體主要為鈉長角巖,位于礦體上盤,巖體節理裂隙發育,風化程度較低,巖體強度較大,整體穩定性相對較好,巖體為塊狀結構。屬于楔體滑動、順層滑動。

(7)Ⅲ－D區,為西北邊坡2～6線,西北邊坡主要為大理巖,位于礦體下盤,巖體強度較高,整體穩定性較好,巖體屬塊狀結構。屬于楔體滑動,順層滑動。

(8)Ⅳ－A,為東南邊坡3A～9A線,東南邊坡1040m以下主要為微風化中－粗顆粒花崗巖,1040 m以上主要發育肉紅色中－粗顆粒花崗巖,受多組軟弱層、節理裂隙的切割,東邊坡巖體極為破碎,整體穩定性差,同時,受到爆破作用影響,東邊已出現不同程度的垮塌,坡頂有多條延伸至深處的裂縫,裂縫最大寬度達20cm。屬于楔體滑動,圓弧滑動。

(9)Ⅳ－B區,為東邊坡中部,該區域主要為東邊坡的南部破碎帶。破碎帶屬性與東邊坡破碎帶相同。屬于圓弧滑動。

(10)Ⅳ－C區,為東北邊坡16～18線,東北部邊坡主要為角巖,從巖層分布規律來看,與西北邊坡的鈉長角屬同一層位巖體,但節理較西邊坡角巖發育,整體穩定性較西邊坡差,巖體屬塊狀和破碎結構。屬于楔體滑動,順層滑動。

3.2 巖體質量評價

運用RQD值分級、RMR分級和CSMR分級3種分級方法,對敖包鋅礦組成邊坡各巖組進行了質量分級,綜合各種方法的分級結果及現場實際調查得出北邊坡的矽卡巖和磁鐵礦化矽卡巖、西邊坡角巖和大理巖、中風化花崗巖和東邊坡的角巖均為Ⅲ級巖體,巖體質量為中等巖體,東邊坡和南邊坡微風化花崗巖為Ⅳ級差巖體。

4 邊坡穩定性分析

目前邊坡穩定性分析方法主要分為兩大類,極限平衡法與數值模擬法,常用的二維極限平衡分析方法有:瑞典法(亦稱作Fellenious法)、簡化Janbu法、Bishop簡化法、Lowe－Karafiath(羅厄)法、美國陸軍工程師團法、垂直條分Sarma法、傳遞系數法、Morgenstern－Price法、Spencer法、嚴格Janbu法、斜條分Sarma法等,其中前7種方法為非嚴格條分法,后幾種方法為嚴格條分法[2]。基于強度折減的數值模擬法主要由有限元和邊界元分析組成[3]。

4.1 邊坡穩定性計算

綜合分析各種計算方法的優缺點及敖包鋅礦實際情況,采用Spencer法、Morgenstern－Price法和Bishop法等極限平衡條分法及有限元強度折減法對礦山邊坡穩定性狀況進行了分析。首先,根據邊坡巖體工程地質特征、邊坡布置情況、地質橫剖面圖、各平盤地質平面圖及礦山開采現狀等基礎資料,建立了各巖組與最終邊坡的三維可視化模型。并利用三維模型選取14個剖面建立了計算模型,綜合分析敖包鋅礦邊坡穩定性狀況。分析過程考慮了爆破震動、地震力、重力及地下水對邊坡穩定性的影響,邊坡穩定性分析結果見表1。

表1 整體邊坡穩定性計算結果

由表1可以看出,受不良地質條件影響,4,7, 8,9,10,11剖面整體安全系數小于允許安全系數1.15,不能滿足邊坡整體穩定性要求,存在邊坡整體滑動的威脅,計算結果與現場情況較為吻合。

4.2 邊坡參數優化研究

為解決敖包鋅礦邊坡失穩對露天開采的威脅,確定科學合理的邊坡結構參數,根據邊坡穩定性狀況計算結果,充分考慮邊坡工程地質、水文地質條件、地震力、地下水、爆破震動等影響因素,采用多種極限平衡法及有限元強度折減法開展了敖包鋅礦邊坡結構參數優化研究。研究推薦邊坡參數為:Ⅰ區整體邊坡角為42°～43°;Ⅱ區整體邊坡角41°～42°;Ⅲ區整體邊坡角43°～45°;Ⅳ區整體邊坡角42°～44°。

5 結 論

(1)針對圖木爾廷－敖包鋅礦所面臨的邊坡問題,在充分分析已有地質資料的基礎上,通過現場工程地質調查與分析,研究了礦山工程地質分區及各分區邊坡破壞模式,并確定了各工程地質分區的巖體力學參數。

(2)采用多種極限平衡法及有限元強度折減法對敖包鋅礦14個剖面進行了邊坡穩定性分析及邊坡參數優化,得出了各工程地質分區科學合理的邊坡參數,為邊坡下一步設計提供了可靠的依據,同時保障了礦山安全高效開采,為提高礦山經濟效益、國際影響創造了良好的條件。

[1]江思宏,聶鳳軍,蘇永江,等.蒙古國圖木爾廷敖包大型鋅礦床地質特征及成因[J].地球學報,2010,31(3):321-330.

[2]王尚禎,趙文奎.玉龍銅礦露天邊坡穩定性計算與評價[J].露天采礦技術,2014,14(5):13-16.

[3]王 旭,唐紹輝,潘 懿,等.基于數值模擬的露天邊坡穩定性分析[J].礦業研究與開發,2016,36(8):37-40.

2017-05-17)

阮琰文(1966－),男,陜西渭南人,工程師,主要從事露天開采現場技術管理工作,Email:476418948＠qq.com。