大型露天礦巖體工程地質分區及邊坡穩定性評價*

王亞強，張海濤，王曉東，秦秀山，劉偉

(1.中國黃金集團內蒙古礦業有限公司，內蒙古 滿洲里市 021400；2.礦冶科技集團有限公司，北京 100160)

0 引言

露天開采比井工開采勞動生產率（噸/人月）高5～10 倍，節約成本30%～60%，具有很大的工效、成本優勢，在金屬非金屬礦床中具有重要地位[1?2]。對于露天礦邊坡工程，其穩定性受工程地質因素控制。按照工程地質條件將邊坡巖體區分開來，可為工程設計提供所需的基本參數與評價根據。

邊坡分區設計與優化已經在國內外露天礦山得到相當廣泛的應用。方鴻琪[3]提出了工程場地與工程地質分區的基本原則與流程。印度某礦山[4]充分利用鉆孔數據，將深凹露天礦劃分為若干個區段，分別進行邊坡角設計。曙光金銅礦[5]將采場劃分為5 個工程地質分區，進行分區境界優化，在降低剝采比的同時提高了邊坡的穩定性。大孤山鐵礦[6]將露天采場按照巖體強度指標進行精細化分區，識別北幫潛在滑坡區域并建立起長短期監測相結合的監測預警系統，成功捕獲楔體滑坡前兆信息，避免了人員設備損失。烏拉根鋅礦將3 km 的露天采場分為東-中-西3 個采區，并設計不同的采礦方案，保障了露天開采到地下開采的無縫銜接，實現了安全高效開采。

上述研究并未詳細介紹工程地質分區的依據和具體的實施流程。本文以烏山銅鉬礦為研究對象，首先采用結構面特征調查方法，完成現場工程地質調查分析，并利用相關規范，對邊坡巖體進行工程地質分區；其次通過現場采樣測試與室內試驗，獲得巖石物理力學性質基礎數據；然后結合礦山巖石工程地質數據、巖石力學性質參數和巖體工程地質分區特征，利用數值分析軟件完成邊坡穩定性分析評價；最后在已有監測手段及加固治理方法的基礎上，結合潛在危險區失穩破壞模式及工程地質分區特征，制定適用于礦山現狀的邊坡監測及加固治理方案。研究成果不僅為烏山銅鉬礦邊坡分區提供指導，也可為大型露天礦巖質邊坡的巖體工程分區及邊坡穩定性的評價治理提供借鑒。

1 礦區概況

烏山銅鉬礦位于內蒙古呼倫貝爾地區，銅資源儲量為267 萬t，鉬資源儲量為54 萬t，礦區面積為9.84 km2。如圖1 所示，烏山銅鉬礦為露天開采，分南北兩礦段同時進行采礦作業，露天采場設計最高標高為858.00 m，封閉圈標高為735 m，采場設計坑底標高為東部465 m，西部345 m。設計終了邊坡最大高差超過500 m，整體邊坡角為43°～45°，屬于高陡邊坡。礦山邊坡臺階高度為15 m，并段后臺階高度為30 m。露天開采終了境界圈定的采場尺寸為：上口3640 m×1330 m，東部下口850 m×160 m，西部下口700 m×160 m。露天采場目前最低開采水平為630 m，露天采坑局部深度已超過200 m，露天坑北礦段東北部有部分邊坡已靠幫。

圖1 烏山銅鉬礦露天采場境界

隨著礦山開采揭露巖體范圍的不斷擴大，不同邊坡區域節理構造發育情況有較大差異，部分邊坡區域構造發育、巖體破碎，對下部安全生產產生一定影響。且現階段揭露的部分邊坡巖體構造發育，巖體較破碎，存在斷層及其破碎帶，一經開挖，潛在應力釋放快、圍巖易失穩，邊坡巖體存在局部失穩垮塌的風險，上部松散地層、土巖交界面及破碎巖體均會對下部露天采剝工作產生較大的安全影響。如圖2 所示，在礦山的北幫、東幫和南幫出現多處單臺階破壞，其中東幫765 m、735 m 平臺均出現不同程度的裂縫。裂縫區域走向長度為15～30 m 左右，破壞高度一般為10～15 m 左右，每一處小型楔形滑坡體面積均不大，一般不超過750 m2。近年隨著逐漸靠幫，受自身巖性、構造、節理等影響，在爆破震動、雨水、凍融作用下，發生了多次不同規模的滑坡。因此，滑坡災害是威脅礦山安全生產的重大隱患，需要在詳細的工程地質調查的基礎上進行邊坡分區穩定性評價與治理。

圖2 巖石力學災害現場照片

2 工程地質調查與工程地質分區

2.1 近景攝影測量

工程經驗表明在低應力條件下，巖體尤其是硬巖的穩定性主要受結構面控制。為了獲取區域巖體結構面的分布特征規律，采用ShapeMetriX3D 系統進行現場近景攝影測量調查，使用該設備進行巖體結構面測量可以高效安全獲取現場節理裂隙信息。礦區節理裂隙分類統計結果如下。

（1）1 區。區域內結構面體密度為0.71 條/m3，主要分布有3 組優勢結構面，方位分別為191°∠3 5°、259°∠6 9°和328°∠6 1°。分布有二級結構面，南部沿斷裂出露環狀次斜長花崗斑巖巖脈形成的Ⅲ級結構面，北部沿斷裂分布有流紋斑巖巖脈和次斜長花崗斑巖巖脈形成的Ⅲ級結構面。露天采場邊坡面平直，呈南北走向，如圖3 所示。

圖3 1 區結構面密度云圖

（2）2 區。區域內結構面體密度為0.66 條/m3，主要分布有3 組優勢結構面，方位分別為259°∠7 8°、340°∠7 8°和107°∠3 5°。北東向的Ⅱ級結構面發育，在南部黑云母花崗巖中分布有次斜長花崗斑巖巖脈形成的Ⅲ級結構面，露天采場邊坡總體形狀呈凹型，如圖4 所示。

圖4 2 區結構面密度云圖

（3）3 區。區域內結構面體密度為0.94 條/m3，主要分布有3 組優勢結構面，方位分別為205°∠75 °、52°∠78 °和298°∠57 °。該區位于露天采場的西南幫，巖性以黑云母花崗巖為主，其次為次英安質角礫熔巖。分布有斷裂構造和巖脈形成的Ⅱ級結構面，巖脈形成的Ⅲ級結構面發育，露天采場邊坡總體形狀平順，如圖5 所示。

圖5 3 區結構面密度云圖

（4）4 區。區域內結構面體密度為1.37 條/m3，主要分布有2 組優勢結構面，方位分別為93°∠69 °和284° ∠57 °。由斷裂構造形成的Ⅱ級結構面和由巖脈形成的Ⅲ級結構面發育露天采場邊坡總體形狀呈現凹凸形，斷裂構造較發育，如圖6 所示。

圖6 4 區結構面密度云圖

（5）5 區。區域內結構面體密度為0.89 條/m3，主要分布有3 組優勢結構面，方位分別為250°∠7 3°、200 °∠3 4°和85°∠6 6°。分布有斷裂構造形成的Ⅱ級結構面和巖脈形成的Ⅲ級結構面，露天采場邊坡總體形狀平順，如圖7 所示。

圖7 5 區結構面密度云圖

2.2 巖石物理力學性質試驗

巖石物理力學性質試驗巖芯取自烏山露天坑邊坡。由于巖芯取出時間較長，且大多已劈裂，通過現場采取巖石大塊，在后期加工成標準試樣的方式來完成相關巖石力學試驗制樣工作。采集礦區分布最廣且具有代表性的3 種巖樣為黑云母花崗巖、次斜長花崗斑巖、次英安質角礫熔巖。取樣地點及所取巖樣基本代表研究范圍內各種巖石性質指標，巖塊完整，不存在明顯節理裂隙。根據式（1）計算點荷載強度。

其次，將ID折算成標準點荷載強度指數Is(50)。根據現行的工程巖體分級標準，巖石單軸抗壓強度Rc(單位為MPa)為：

點荷載試驗結果表明，黑云母花崗壓的單軸抗壓強度為140.83 MPa，次英安質角礫熔巖單軸抗壓強度為120.46 MPa，次斜長花崗斑巖的單軸抗壓強度為63.21 MPa。此外利用Hoek-Brown 方法對巖體力學參數進行估算，巖體的力學參數見表1。

表1 巖體力學參數

2.3 工程地質分區

工程地質分區原則：按設計部門初步確定的開采境界線外擴200 m 范圍內，同一個工程地質區的地貌單元、地形構造特征、地層巖性、水文地質條件等基本相同。在一個工程地質區內，個別條件有差異，將其再分亞區。按照以上原則，將烏山銅鉬礦露天采場劃分為5 個地質特征區，如圖8 所示。

圖8 邊坡工程地質分區

（1）1 區。東幫F4 斷層傾向與礦體傾向一致，與邊坡傾向呈大角度相交，不會直接構成邊坡滑動面，因此，該區總體穩定性分析可按圓弧型滑面進行。而南側區域由于受F7 斷層影響，破碎帶傾向與邊坡傾向一致，該處邊坡破損受破碎帶控制，易出現折線型滑面。

（2）2 區。該區總體邊坡不存在構成滑動面的構造，其穩定性分析可按圓弧型滑面進行。

（3）3 區。該區總體邊坡不存在構成滑動面的構造，其穩定性分析可按圓弧型滑面進行。而南側區域由于受F5 斷層影響，破碎帶傾向與邊坡傾向一致，該處邊坡破損受破碎帶控制，易出現折線型破壞類型

（4）4 區。該分區內有F2、F3、F7 斷層，走向均與邊坡面平行或斜交，傾向與邊坡傾向相反，對該區總體邊坡穩定性不構成直接影響。該區總體邊坡不存在構成滑動面的構造，其穩定性分析可按圓弧型滑面進行。

（5）5 區。F1 斷層與邊坡走向近似平行，傾向與邊坡面相反，不會直接構成邊坡滑動面。該區總體邊坡不存在構成滑動面的構造，其穩定性分析可按圓弧型滑進行。

3 邊坡穩定性評價及邊坡治理方案設定

3.1 邊坡分區穩定性分析

烏山銅鉬礦初步設計的露天服務年限為27 a，其中穩產期為24 a，減產為3 a。根據《有色金屬采礦設計規范》（GB50771-2012），當非工作幫邊坡服務年限大于20 a 時，設計穩定安全系數為1.3～1.4。根據邊坡巖體工程地質分區的實際情況，本次研究中共布置5 條剖面，通過計算選取每個分區安全系數最小的1 條代表性剖面參與最終的極限平衡計算，具體剖面線如圖1 所示。

露天礦邊坡穩定性受爆破振動的影響，需將爆破振動納入邊坡穩定性計算中。根據爆破震動測試結果計算，各個分區的平均爆破振動水平影響系數為0.0023～0.0096，取最大值0.0096 計算爆破振動作用下的邊坡穩定性。在進行分區并選取代表性剖面基礎上，采用簡化Bishop 法進一步分析分區的邊坡穩定性，經過不斷的優化計算，各分區典型剖面安全系數計算結果如圖9 所示。

圖9 邊坡穩定性評價結果

3.2 邊坡分區治理方案

根據極限平衡分析的結果，邊坡整體安全系數在允許范圍內。但由于斷層和軟弱結構面的存在，局部可能存在潛在滑移的區域。

（1）1 區。上部臺階有第四系覆蓋，該區南側受F5 斷層影響，結構面與邊坡傾向一致，破壞模式多呈平面滑動，局部臺階出現小面積的裂隙水滲出。防護工程必須充分考慮小型泥石流、裂隙水和局部滑塌等傷害。

（2）2 區。邊坡總體形狀呈凸形，優勢結構面與邊坡面呈大角度切割，相對穩定。開采過程中局部區域可能產生楔形體滑移破壞或平面滑移破壞，淺部地層節理裂隙發育。防護工程必須充分考慮滾石、崩塌等。

（3）3 區。露天采場剝離現狀顯示巖體為碎裂結構，完整性差，節理裂隙較發育。該區受F5 斷層影響，結構面與邊坡傾向一致，破壞模式多呈平面滑動。防護工程必須充分考慮滾石、崩塌和局部滑塌等。

（4）4 區。邊坡總體形狀呈現凹凸型，優勢結構面與邊坡面呈大角度切割，開采過程中局部區域可能產生楔形體滑移破壞，節理裂隙發育。防護工程必須充分考慮滾石、崩塌等災害。

（5）5 區。結構面與終了邊坡傾向相反，不影響終了邊坡整體的穩定性。優勢結構面和邊坡面呈大角度切割，局部區域可能產生楔形體滑移破壞，節理裂隙較發育。防護工程必須充分考慮滾石、崩塌等災害。

針對5 個分區的不同特點，分別提出了相應的災害防治對策。對1～5 各分區坡面現有不穩定滑塌堆積體，采取人工清理浮石和長臂鉤機相結合的措施進行清除，以保證治理工程的順利實施。針對1 區出現的局部出水點（區），有針對性地采取疏干孔，加強邊坡內部地下水的排干。采場下盤邊坡1區、2 區、3 區存在表層順層滑坡的可能，重點對部分臺階坡腳采取支擋或抗滑樁工程。3 區、4 區、5 區等破碎巖體分區采取掛鋼筋網的方式進行補強，防止局部失穩影響整體邊坡穩定性。針對1 區、3 區、4 區可能出現邊坡變形破壞嚴重的區域，建議采用表面掛網噴砼的“剛柔結合”加固措施。

4 結論

（1）現場結構面測試結果表明，烏山銅鉬礦巖體結構面發育中等，傾角較大。室內巖石力學試驗與現場點荷載試驗表明，烏山銅鉬礦3 種巖石試樣的單軸抗壓強度差異較大，黑云母花崗巖單軸抗壓強度為140.83 MPa，次英安質角礫熔巖單軸抗壓強度為120.46 MPa，次斜長花崗斑巖單軸抗壓強度為63.21 MPa。

（2）在明確工程地質分區原則的基礎上，將烏山銅鉬礦邊坡巖體劃分為5 個工程地質分區。地質分區結合現場地質調查的結果是計算邊坡穩定性的前提和基礎。對不同地質區段的巖體質量進行定量分析和評價，為邊坡穩定性計算提供更為充分的依據。

（3）邊坡穩定性分析結果表明，烏山銅鉬礦現行邊坡角的計算安全系數符合規范規定的邊坡安全系數1.3～1.4 的要求。同時考慮到斷層和破碎礦體韌性剪切帶對邊坡穩定性的影響，針對5 個分區的不同特點，提出了對應的處置預案。