剛果 （金） 某銅鈷礦開采邊坡巖體結構特征與分區評價

王亞明

華北有色工程勘察院有限公司， 河北 石家莊 050021

金屬礦山的露天開采過程必將導致形成長大的高邊坡問題， 礦山開采邊坡的穩定安全性問題一直是露天采礦工程需重點關注的課題， 也是影響礦山安全生產的重大難題， 如能在礦山開采前查明礦區的開采邊坡的工程地質特征， 查明開采邊坡的巖體結構特征， 并對開采邊坡進行初步的工程地質分區評價， 將能初步綜合判斷開采邊坡的風險， 對礦山開采邊坡的設計具有重要的指導作用。 礦山開采邊坡的巖體結構是主要控制邊坡穩定性的重要因素，王亞明［1-3］通過對老撾、 剛果（金） 的礦山開采邊坡的巖體結構進行了研究， 并對其礦區的工程地質條件進行了評價。 工程地質分區主要是依據工程地質條件相似或相近原則， 結合生產區的工程類型與分布進行工程地質分區評價［4］， 如： 丁繼新等［5］和廖崇高等［6］根據區域地質背景、 地層巖性特征、 巖土體類型及結構特征等情況對生產區進行工程地質分區， 并進行了定量的工程地質評價； 因此通過綜合認識礦山開采區的巖體結構和工程地質特征是進行工程地質分區評價的基礎， 同時工程地質分區也對礦山建設具有重要的指導意義。

論文以剛果（金） 某銅鈷礦場區內的擬開采邊坡為例， 通過采用鉆孔調查、 井下電視掃描和工程地質勘察等手段對場地進行作業， 在查明工程地質條件情況下， 對該銅鈷礦區邊坡的巖體結構進行研究， 并初步進行工程地質分區， 其主要內容為： （1） 查明該銅鈷礦區地層巖性分布狀況及地質構造（斷層） 分布情況； （2） 查明該銅鈷礦區的工程地質條件及巖體結構面類型、 分布及結構特征； （3） 對該銅鈷礦擬開采區進行初步工程地質分區并對各分區進行評價。 本研究對剛果（金） 地區礦山開采及開采邊坡設計提供借鑒意義和指導意義。

1 礦區綜合地質概況

1.1 礦區自然地理概況

該銅鈷礦位于剛果（金） 盧阿拉巴省科盧韋齊市東35 km， N39 公路南600 m 處（圖1）。 該銅鈷礦位于剛果（金） 東南部低緩丘陵區， 區內總體地勢為東南高、 西北低， 海拔標高1 294 ～1 390 m。 科盧韋齊市歷年平均降水量1 130.05 mm， 降水主要集中在11月份至次年3 月份， 降水量年內分布極不均勻， 占全年降水量的85%以上， 而5 月份至9 月份為旱季， 幾乎無降水。 Lualaba 河呈近南北向從礦區西側約4 km處經過， 該河是區域內最大的地表水系， 河水流量較大， 礦區南側約5 km 處發育一條東西向的Lualaba 河支流， 該銅鈷礦區內部無地表水系。

圖1 銅鈷礦區地理位置圖Fig.1 The Geographical map of the Cu-Co mine

1.2 礦區地層巖性特征

根據鉆孔揭露的巖芯進行進行描述， 并與區域地地層及地質志進行對比， 該銅鈷礦區內主要發育有羅安群的RAT 組 （R1）、 礦山組 （R2）、 迪佩特組（R3）、 下孔德龍古亞群利卡西組（Ki1） 及第四系，其地層分布見圖2a。 地層特征由老到新描述如下：

1.2.1 羅安群（R）

羅安群主要分布在礦區中南部、 西南部， 呈北東東—南西西向帶狀分布， 寬度約90 ～300 m， 面積0.39 km2， 地層倒置， 總體傾向南南東， 傾角約45°，含RAT、 礦山、 迪佩特三個組：

（1） RAT 組（R1）， 分布在礦山組兩端及南側，巖性主要為礫巖、 角礫巖、 淡紫色白云質泥巖， 含浸染狀赤鐵礦， 厚度大于30 m；

（2） 礦山組（R2）， 主要分布在礦區中南部， 可劃分為三段六層， 第一段R2.1 含RSF、 RSC 兩層，DSTRAT 層缺失， 第二段（R2.2） 包含SDB、 SDS 兩層， BOMZ 層缺失， 第三段包含CMN1、 CMN2 兩層，由老到新又可分為： RSF、 RSC、 SDB、 SDS、 CMN1和CMN2 亞層。 RSF （R2.1.2） 為隱晶質層狀白云巖，強-全風化， 具滑石化蝕變， 真厚度約15m； RSC（R2.1.3） 為細粒-粗粒蜂窩狀硅化白云巖， 在細粒的基質中由于重結晶作用產生大的白云石“斑狀變晶”， 有時呈類似于疊層石結構； 粗大的白云石晶體大多風化殆盡， 產生典型的藻狀多孔結構， 真厚度約4～16 m； SDB （R2.2.1） 為灰白色白云質頁巖， 強-全風化， 真厚度約11～27 m； SDS （R2.2.3） 為灰白色、 淺黃色砂質頁巖， 夾灰白色白云質頁巖， 強-全風化， 真厚度約15 m； CMN1 （R2.3.1） 為灰色夾黃褐色隱晶質層狀白云巖， 真厚度約19.5 ～34 m；CMN2 （R2.3.2） 為灰白色-淺黃色白云質粉砂巖、灰色粗砂巖， 粗砂巖全風化為粗砂， 白云質粉砂巖強風化， 部分全風化為砂泥狀， 真厚度約29 m。

（3） 迪佩特組（R3）， 主要分布在礦區中部及西南部， 地層主要為迪佩特組第一段RGS （R3.1）， 巖性主要為滑石化白云巖、 白云巖， 其中滑石化白云巖強-全風化， 真厚度大于90 m。 臨近的Ki1.1 混積巖基底具有典型的破碎和滑石層， RGS 段與上覆地層呈斷層接觸。

1.2.2 下孔德龍古亞群（Ki）

該銅鈷礦區內的下孔德龍古亞群為Likaxi 組（Ki1）， 且可劃分為三段： （1） Ki1.1， 主要分布在礦區南部及中部小片區域， 總體呈北東東—南西西向展布， 巖性主要為角礫巖（混積巖）， 厚度超過500 m；（2） Ki1.2， 主 要 出 露 第 一 層Ki1.2.1， 第 二 層Ki1.2.2 少量分布于礦區深部。 Ki1.2.1 呈曲折條帶狀分布在礦區中東部及西北部， 巖性主要為白云質頁巖、 頁巖、 砂質頁巖及泥質粉砂巖， 少量（泥質） 白云巖和白云質泥巖， 局部在強構造作用下形成構造角礫巖帶； （3） Ki1.3， 主要分布在礦區北部， 呈北東東—南西西條帶狀展布， 巖性主要為紫色頁巖、 泥質粉砂巖。

1.2.3 第四系（Q）

第四系廣泛分布于整個銅鈷礦區， 巖性以紅褐色、 灰褐色粉質黏土、 含礫粉質黏土為主， 局部為殘坡積或人工堆積碎石土， 厚度0.00～11.40 m。

1.3 礦區地質構造特征

該銅鈷礦在區域上由傾向南、 傾角中等的下孔德龍古亞群沉積建造， 經旋轉楔入到彎曲的傾向南、 傾角40°～60°的逆沖斷層和陡傾逆沖帶之間。 RGS 地層在上盤相對較軟并且貫穿整個礦床， 沿著相比之下底部更脆性的孔德龍古群地層形成了邊緣剪切帶， 在這兩個邊界構造之間的整個地層層序顯示為正確的沉積模式。 此外， 淺部地層的晚期破碎帶將主要的上盤沖斷層錯斷， 并且將主要來自基底滑脫地帶的寬大、 近乎垂直的白云巖和礦化角礫巖聯系起來， 整體形態符合典型的Reidel 剪切帶特征， 不同程度的角礫巖化和脆性斷裂影響帶寬度約50～300 m。

該銅鈷礦區斷裂構造極發育， 共探明14 條斷層，其規模大小不等， 從平面上來看， 以F1、 F14斷層發育規模最大（圖2a）， 呈近東西向貫穿整個礦區， 從垂向上來看， F1、 F9、 F14均延伸至深部（圖2b）。 斷裂構造的發育導致礦區內巖體破碎， 同時風化作用沿斷裂構造向深部發育。

2 礦區工程地質結構面分級及特征

2.1 礦區巖體結構面分級

該銅鈷礦區內的結構面以斷層、 不整合接觸面、層理、 節理裂隙為主， 可劃分為四個結構面等級， 即Ⅱ、 Ⅲ、 Ⅳ、 Ⅴ級結構面， 現分述如下：

2.1.1 Ⅱ級結構面

該銅鈷礦區內發育逆沖斷層以及次級的斷層14條（圖2a）， 主要呈北東—南西向和近東西向展布，當礦山露天開采將時， 將揭露斷層的結構面或影響帶。 而這些斷層形成了一定寬度的構造破碎帶， 破壞了巖體的完整性， 對邊坡穩定性影響較大。 礦區內主要斷層的發育特征如下：

圖2 （a） 銅鈷礦區地層和構造分布圖； （b） 銅鈷礦區A-A’ 剖面斷層和地層分布圖Fig.2 （a） Geological and Tectonic map of Cu-Co mine； （b） Geological and fault profile of A-A’ cross section in Cu-Co mine.

（1） F1斷層： 貫穿整個主礦體， 發育規模較大，整體走向北東—南西， 在主礦體北部向北凸出， 傾向南—南東， 淺部傾角較陡， 深部變緩。 F1斷層在主礦床西部與F9斷層交匯， 在東北部與F3斷層形成的構造帶寬度約20 ～50 m。 F1斷層通常為北部Ki1.3 與Ki1.2 的分界線。

（2） F2、 F3、 F4、 F5斷層： 整體走向北東—南西， 傾向南—南東， 大致與F1平行。 平面上F2、 F5斷層在主礦床北部分別與F1、 F3交匯， 垂向上四條斷層在不同深度交于F1斷層。 四條斷層均發育于Ki1.2中， 形成的構造帶寬度5～65 m 不等。

（3） F6、 F7、 F8斷層： 發育于主礦床中部， 走向變化較大， 呈“⌒” 形， 兩側交于F9 斷層。 F6-F7、F8-F9之間的形成的構造帶寬度5 ～30 m 不等。 F6、 F8斷層作為主礦床Ki1.2 與Ki1.1 的分界線。

（4） F9斷層： 發育于主礦床中、 西部， 并向西延伸， 整體走向南西西—北東東， 傾向南—南東， 西側傾角較陡， 約60°， 東側傾角稍緩， 約45°。 F9斷層通常為RGS 與Ki1.1 地層的分界線。

（5） F10、 F11、 F12斷層： 發育于主礦床中南部羅安群中， 整體走向近似東西， 其中F11 在西側向北轉向， 整體傾向南， 傾角約45°。 F10為RGS 與CMN 地層的分界線， F11、 F12為RAT 與相鄰地層的分界線。

（6） F13、 F14斷層： F13斷層發育于主礦床東南部， 規模較小， 為F14斷層的次一級斷層。 F14斷層發育于主礦床南側， 整體呈波浪形近東西向展布， 發育規模較大， 南傾約45°， 為南部Ki1.1 與羅安群及東部Ki1.1 地層的分界線。

2.1.2 Ⅲ級結構面

該銅鈷礦區Ⅲ級結構面主要為地層不整合接觸帶， 主要為主礦體中心深部的Ki1.2.1 與Ki1.1 地層間為不整合接觸， 此類III 級結構面對邊坡的影響有限， 工程評價時可將其歸類為等效的地層整合接觸帶。

2.1.3 Ⅳ、 Ⅴ級結構面

該銅鈷礦區巖體中發育有互相切割的多組裂隙，其結構面清楚， 屬區內主結構面的低序次結構面， 此種結構面使巖體的完整性及穩定性降低。 該銅鈷礦區碳酸鹽巖整體巖溶發育強度較低， 主要以溶蝕裂隙為主， 局部發育有溶洞。 巖溶發育強度和深度主要取決于構造裂隙的發育程度， 斷裂構造延深大、 破碎帶寬、 水動力條件好， 則巖溶越發育。 巖溶的發育不同程度地破壞了巖體的完整性， 地下水動力因素影響增大， 對巖體力學性質產生一定的影響。

2.2 控制開采邊坡巖體結構面特征

該銅鈷礦區內的地表巖石露頭極少， 而井下電視掃描方法可360°全方位掃描鉆孔井下的巖體結構裂隙， 獲取巖體結構面特征， 因此在該銅鈷礦場區進行了井下電視360°全方位掃描， 依據《水文測井工作規范》 （DZ／T0181—1997）［7］對各鉆孔井下解譯出層理875 條， 裂隙314 條。 對銅礦區布置的GK02、GK03、 GK04、 GK05、 GK08、 GK09 鉆孔進行井下電視掃描、 解譯， 經統計分析， 通過井下電視掃描方法獲得該銅鈷礦區內的IV、 IV 級結構面的特征：

2.2.1 GK02 鉆孔

GK02 鉆孔主要揭露Ki1.2.1 地層， 巖性主要為白云質頁巖。 該孔井下電視解譯數據多位于170 ～230m 段內， 其結構面的極點圖和等密度圖見圖3， 傾向較為穩定， 傾角變化較大， 產狀為280° ～320°∠30°～65°， 其中在148 m 處， 巖層產狀為187°∠57°，這可能是受到F3 斷層影響。

圖3 GK02 鉆孔結構面（a） 極點圖和（b） 等密度圖Fig.3 （a） Pole diagram and （b） Isodensity diagram of rock stratum in GK 02 drilling hole

2.2.2 GK03 鉆孔

GK03 鉆孔主要揭露Ki1.2.1 地層， 巖性為白云質頁巖， 垂向上， 該地層傾向以北西向為主， 傾向283°～315°， 其中253～291 m 巖層產狀為202°∠43°，該段地層可能受到F3斷裂構造影響。 裂隙產狀不規律， 傾向0°～360°均見， 傾角大部分在30°～70°之間， 其結構面的極點圖和等密度圖見圖4。

圖4 GK03 鉆孔結構面（a） 極點圖和（b） 等密度圖Fig.4 （a） Pole diagram and （b） Isodensity diagram of rock stratum in GK 03 drilling hole

2.2.3 GK04 鉆孔

GK04 鉆孔主要揭露Ki1.3 地層， 垂向上地層傾向較穩定， 約為300°， 地層傾角隨深度增加而增大， 變化范圍為50°～73°， 其結構面的極點圖和等密度圖見圖5。

圖5 GK04 鉆孔結構面（a） 極點圖和（b） 等密度圖Fig.5 （a） Pole diagram and （b） Isodensity diagram of rock stratum in GK 04 drilling hole

2.2.4 GK05 鉆孔

GK05 鉆孔位于剖面中部， 揭露Ki1.2.1 地層，巖性為白云質頁巖， 其產狀變化較大， 中部地層傾向北東， 向下傾向北西西和南西西， 隨深度進一步增加， 傾向轉向東、 東南。 鉆孔深部裂隙不發育，98.06～197.87 m， 裂隙較為發育， 傾向北西或西南，優勢裂隙產狀為223°∠66°、 322°∠74°， 其結構面的極點圖和等密度圖見圖6。

圖6 GK05 鉆孔結構面（a） 極點圖和（b） 等密度圖Fig.6 （a） Pole diagram and （b） Isodensity diagram of rock stratum in GK 05 drilling hole

2.2.5 GK08 鉆孔

GK08 鉆孔主要揭露Ki1.2.1 地層， 巖性為白云質頁巖， 深度范圍為92.12 ～170.45 m 間地層產狀為221°∠58°， 其結構面的極點圖和等密度圖見圖7。

圖7 GK08 鉆孔結構面（a） 極點圖和（b） 等密度圖Fig.7 （a） Pole diagram and （b） Isodensity diagram of rock stratum in GK 08 drilling hole

2.2.6 GK09 鉆孔

GK09 鉆孔主要揭露Ki1.2.1 地層， 巖性為白玉質頁巖， 測試深度范圍為99.45 ～145.44 m 間， 地層產狀為197°∠53°。 解譯數據顯示， 2 組優勢裂隙，分別為233°∠63°、 272°∠69°， 其結構面的極點圖和等密度圖見圖8。

圖8 GK09 鉆孔結構面（a） 極點圖和（b） 等密度圖Fig.8 （a） Pole diagram and （b） Isodensity diagram of rock stratum in GK 09 drilling hole

2.3 工程地質分區及其特征

根據巖性、 構造、 工程地質和水文地質條件等主要因素， 可將該銅鈷礦開采邊坡劃分為A、 B、 C 三個工程地質分區， 如圖9， 各分區特征如下：

2.3.1 A 區

該工程地質分區位于礦區西北、 北及東北部， 即F9 斷層（RGS 北界）、 F7斷層東南段、 F14斷層東段北區段， 巖體結構主要為散體結構和碎裂結構， 且為散體結構和碎裂結構互層類型， 巖體質量差-一般。 本區地層總體傾向北西（285°～312°）， 傾角較陡（43°～73°）， 與邊坡坡向斜交至相反。 A 區內II 級結構面（斷裂構造） 極發育， 總體走向北東—南西， 傾向南東， 形成一定規模的構造破碎帶， 與邊坡坡向同向；在構造作用和風化作用共同影響下， 部分頁巖、 粉砂巖強-全風化成土狀， 力學強度極低； 邊坡變形破壞主要受這些厚度較大、 一定范圍展布的破碎巖、 軟弱層控制。 該區含水層的空間分布狀態主要受斷裂構造控制， 含水層在水平上、 垂向上強弱相間分布， 含水層結構復雜。

2.3.2 B 區

該工程地質分區位于礦區中南部， 東側F14斷層為界， 北側以F9斷層為界， 西側以F10斷層及其延長線為界。 邊坡巖體為碎裂結構巖體和散體結構巖體，本區邊坡坡腰、 坡腳巖體質量為非常差-差， 坡頂及其外圍巖體質量差-好。 B 區各地層傾向南， 傾角較A 區緩， 約40°～50°， 與邊坡坡向相反。

2.3.3 C 區

該工程地質分區位于礦區中部和西南部， 北側以F9斷層西段為界， 東南側以F10斷層西段及其延長線為界， 巖體表層為強-全風化白云巖， 為極軟巖， 屬散體結構， 巖體質量非常差； 而下部為中-微風化白云巖， 為較軟巖， 巖體較破碎-較完整， 屬塊狀結構，巖體質量一般。 C 區地層傾向北西（287°～304°）， 與邊坡坡向大角度斜交。 II 級結構面（斷裂構造） 環繞本區整個坡體。 區內含水層分布差異主要表現在水平向上： 內側（坑底、 坡腳區段） 上部為RGS 白云巖弱含水層， 下部為Ki1.1 白云質（粉） 砂巖、 石英砂巖構造裂隙中等含水層； 中部（坡腰區段） 主要為RGS 白云巖弱含水層； 外圍則為Ki1.1 角礫巖弱含水層。

3 結 論

（1） 剛果（金） 某銅鈷礦位于盧韋齊市東， 區域上由傾向南、 傾角中等的下孔德龍古亞群沉積建造， 經旋轉楔入到彎曲的傾向南、 傾角40°～60°的逆沖斷層和陡傾逆沖帶之間， 且RGS 地層在上盤相對較軟并且貫穿整個礦床。

（2） 該銅鈷礦區內的結構面以斷層、 不整合接觸面、 層理、 節理裂隙為主， 可劃分為四個結構面等級， 即Ⅱ、 Ⅲ、 Ⅳ、 Ⅴ級結構面。 II 級結構面主要是以研究礦區內的斷層破碎帶為主， III 級結構面為地層不整合接觸面， 主要為主礦體中心深部的Ki1.2.1與Ki1.1 地層間為不整合接觸， IV、 V 級結構面為巖體層理面與節理控制面， 以溶蝕裂隙為主； 同時利用井下電視掃描方法獲取IV、 V 結構面的優勢面產狀及等密度圖， 為銅鈷礦區開采邊坡的設計提供穩定性計算依據。

圖9 銅鈷礦區工程地質分區及亞區分區示意圖Fig.9 The map ofengineering geological zones and sub-zones in a Cu-Co mine

（3） 該銅鈷礦區根據巖性、 構造、 工程地質和水文地質條件因素， 初步分為A、 B、 C 三個工程地質分區， A 區的巖層傾角較陡（43°～73°）， 與邊坡坡向斜交至相反； B 區的巖層傾向南， 傾角較A 區緩， 約40°～50°， 與邊坡坡向相反； C 區的地層傾向北西（287°～304°）， 與邊坡坡向大角度斜交， 同時認識了該礦區的工程地質條件， 并指出分區開采更適宜該礦區的開采工作， 對以后類似的礦區的工程地質勘查、 采礦設計和施工提供了指導作用。