啞巴嶺露天采場邊坡工程地質特征分區與穩定性評價

衣瑛，亢建民，鐘小宇，楊雷，霍本用

(1.鞍鋼集團鞍千礦業有限責任公司， 遼寧 鞍山市 114000；2.中國礦業大學（北京） 能源與礦業學院， 北京 100083)

0 引言

采場邊坡穩定性問題一直是露天礦山開采關注的重點，也是影響礦山安全生產的重大難題。若能在礦山開采之前，查明礦區采場邊坡的工程地質特征和巖體結構特征，并對采場邊坡進行初步的工程地質分區，進而評判采場邊坡的穩定性風險，對露天礦山邊坡設計具有重要的指導作用[1]。馬秉務等[2]通過調研北京地區的區域地質條件，對延慶某區進行工程地質分區，并進行了各分區場地整體穩定性和工程建設適宜性評價。金艷平[3]通過歸納總結某規劃區的區域地質背景與工程地質條件，分析了場地工程地質分區的影響因素，提出了規劃區工程地質分區原則與建議，為區域規劃和工程建設提供了基礎依據。韓廷文等[4]根據不同位置的邊坡高度、工程地質巖組分布特征、各巖組巖體基本質量等級、邊坡面傾向與各巖體優勢結構面的關系、邊坡巖體完整程度等多項指標將邊坡進行了分區。于慧麗等[5]在山西省黃土高原綜合治理分區圖的基礎上，通過實地調研典型丘陵溝壑區的公路黃土邊坡，并根據邊坡類型、地層組合形式以及邊坡破壞模式等要素將其進一步分區。曹紅[6]通過現場踏勘、巖心編錄、節理裂隙統計、室內試驗和巖體質量分級等手段，分析了金堆城南露天礦新揭露地質斷面的工程地質特征，得出了邊坡的致災因素及破壞模式，并對南露天礦邊坡進行工程地質分區穩定性評價。

鞍鋼集團鞍千礦業啞巴嶺露天采場邊坡巖體主要為泥質千枚巖、炭質千枚巖等軟巖，強度低、節理裂隙發育，易形成破碎巖體，是導致露天采場邊坡變形甚至滑坡的主要因素。本文以啞巴嶺露天采場邊坡為工程背景，通過工程地質勘察等手段，在查明邊坡工程地質條件的情況下，對礦區邊坡巖體結構特征進行研究，初步實現工程地質分區并對各分區進行穩定性評判，以期指導采場邊坡設計和礦山安全開采。

1 工程地質特征

1.1 地形地貌

鞍千礦業啞巴嶺露天采場位于遼寧省鞍山市東部15～20 km 處，為東南高、西北低的丘陵山地，海拔標高為100～200 m。礦區位于太古代鞍山群變質巖系組成的鞍山復向斜的東北翼，該翼走向由櫻桃園至西大背呈北西—南東向，形成一個長104 km的鐵礦帶。鞍千礦業位于鐵礦帶的西北部，礦區面積為6 km2，處于鞍山市東部千山鄉胡家廟子村，北距齊大山鐵礦8 km，南距眼前山鐵礦5.5 km，東側與遼陽縣接壤，行政隸屬于鞍山市立山區。

1.2 地層巖性

根據區域地質資料及現場踏勘調查，礦區內出露的地層主要為前震旦紀鞍山群及遼河群變質巖系、混合巖和第四紀層。

（1）前震旦紀鞍山群變質巖系。地表除鐵礦層出露較好以外，其他各層多被遼河群與第四紀巖層所覆蓋。全群地層走向為145°～165°，傾向南西，地表與淺部多倒轉為東北向，傾角大于80°，總厚度大于500 m。本群巖層為礦區最老巖層，主要由含鐵石英巖、片巖和千枚巖組成。

（2）前震旦紀遼河群變質巖系。遼河群不整合覆蓋在鞍山群地層的地形凹陷部位。廣泛分布于淺部，大多數分布在鐵礦層的南西側，少數雜亂地分布在鐵礦層頂部或北東側。全群地層走向為140°，傾向SW，個別NE，傾角一般不大于45°，總厚度大于200 m。鐵礦層上的覆蓋層厚度平均為52 m，最大為155 m。全群地層由南西向北東呈現厚度漸薄、分布深度漸淺的趨勢。全群巖層以千枚巖為主，石英巖和礫巖較少。

（3）第四紀層。本層主要由沖積、坡積、殘積、植物生長層及人工堆積物等組成。

（4）混合巖與巖脈。混合巖呈淺粉白色，條紋狀或片麻狀或花崗狀構造，中至粗粒花崗變晶結構。主要由斜長石、石英和白云母等組成，偶見綠泥石、褐鐵礦、硅狀鋯石、石榴石、綠簾石、角閃石、磁鐵礦、褐鐵礦，斜長石表面已絹云母化和白云母化。混合巖與鞍山群地層呈混合交代接觸，廣泛出露于礦區東北側。在啞叭山橫向斷層F3斷裂帶中也見有混合巖。

1.3 地質構造

礦區地質構造為一單斜層構造，相對比較簡單。礦區斷裂構造種類較多，按其與礦體產狀的關系可劃分為走向斷層、斜交斷層與橫向斷層。三組斷層在空間分布上呈明顯規律性。主應力為南西—北東方向的擠壓應力，同時產生與擠壓應力相伴的一組張應力和兩組剪切應力。主壓應力形成走向斷層，張應力產生北東橫斷層，剪切應力產生北西向斜斷層，均為基底斷裂。礦區主要斷層特征見表1。

表1 主要斷層特征

2 邊坡巖體工程地質分區

鞍千礦業啞巴嶺露天礦生產能力為500 萬t/a，一期境界內形成的固定邊坡最高標高為+168 m，最低作業水平為?24 m，垂高為192 m。目前四周邊坡均為一期境界固定邊坡，邊坡累計總長為15 067 m，邊坡揭露面積約18×104 m2，臺階坡面角設計下盤為55°、上盤為65°，但實際開采過程中，臺階坡面傾角略大。露天采場境界上口尺寸為1400 m×（290～480）m；下口尺寸為670 m×40 m。根據采場的礦體結構特征，將采場劃分為A、B、C、D等共四個工程地質分區（見圖1）。

圖1 啞巴嶺露天采場分區

（1）A 區。A 區位于采場東北幫，礦體上盤，邊坡巖體主要由混合巖、綠泥石英片巖和含鐵石英巖組成。邊坡長約850 m，地表標高為60～170 m，采場底標高為?12 m。邊坡巖體為典型的逆坡向層狀結構，綠泥石英片巖片理非常發育，片理走向與邊坡走向基本一致，片理面平直光滑，產狀穩定，延展較長，貫通性較好，傾角主要變化在65°～85°之間。選取A1 和A2 兩個代表性剖面開展分析，剖面主要巖性為混合巖（Me）和綠泥石英片巖（Chq）（見圖2、圖3）。

圖2 A1 工程地質剖面

圖3 A2 工程地質剖面

（2）B 區。B 區位于采場西北幫，邊坡長約680 m，地表標高為59～81 m，采場底標高為0 m。上盤巖性為混合花崗巖、綠泥石英片巖以及含鐵石英巖，上部覆蓋第四系。下盤巖性為鞍山群千枚巖、斜長角閃巖以及含鐵石英巖，上部覆蓋遼河群千枚巖及第四系。B 區邊坡巖體為典型的順坡向層狀結構，片理走向與邊坡走向基本一致，傾向相同，片理面平直光滑，產狀穩定，延展較長，貫通性較好，傾角主要變化在70°～85°之間。選取一個代表性剖面B1 開展分析，剖面主要巖性為千枚巖（Lph）（見圖4）。

圖4 B1 工程地質剖面

（3）C 區。C 區位于采場西南幫，邊坡長約620 m，地表標高為80～122 m，采場底標高為?24 m。礦體下盤，邊坡巖性主要為千枚巖、底礫巖、綠泥片巖、斜長角閃巖和含鐵石英巖，上部覆蓋第四系。C 區圍巖地表風化較嚴重，圍巖相對比較破碎。邊坡巖體為典型的順坡向層狀結構，片理走向與邊坡走向基本一致，傾向相同，片理面平直光滑，產狀穩定，延展較長，貫通性較好，傾角主要變化在70°～85°之間。西南幫96 m 水平部位曾于2018年8 月14 日發生滑坡，該滑坡部位位于啞巴嶺排巖主干公路96～108 m 水平部位，滑體上層為堆積土，下方為泥質千枚巖及炭質千枚巖。選取C1 和C2 兩個代表性剖面開展分析，該區域主要巖性為千枚巖（Lph）和斜長角閃巖（Am）（見圖5、圖6）。

圖5 C1 工程地質剖面

圖6 C2 工程地質剖面

（4）D 區。D 區位于采場東南幫，邊坡長約720 m，地表標高為110～160 m，采場底標高為?24 m。礦體上盤巖性主要為混合巖和綠泥石英片巖，礦體下盤巖性主要為千枚巖、斜長角閃巖和含鐵石英巖。邊坡巖體為典型的逆坡向層狀結構，片理走向與邊坡走向基本一致，傾向相同，片理面平直光滑，產狀穩定，延展較長，貫通性較好，傾角主要變化在85°～90°之間。選取一個代表性剖面D1 開展分析，主要巖性為千枚巖（Lph）、少量的斜長角閃巖（Am）和鐵礦石（Fepp）（見圖7）。

圖7 D1 工程地質剖面

3 巖體邊坡穩定性評價

根據調查統計的節理信息，利用Hoek-Brown節理巖體破壞準則，估算出啞巴嶺采場不同分區巖體的強度參數（見表2）。本次計算所用參數參考啞巴嶺采場的地質資料，同時根據《工程地質手冊》和相關規范中的經驗值進行確定，材料參數見表3，表3 中γ、c，φ分別表示重度、黏聚力、內摩擦角。

表2 啞巴嶺采場各分區巖體強度參數

表3 材料參數

選取4 種極限平衡方法（Ordinary 法、Bishop法、Janbu 法和M-P 法）分析露天采場邊坡的穩定性，共計算4 種不同的工況，分別是自然狀態、采動狀態、降雨狀態和爆破振動狀態。由表4 可知，自然狀態和降雨狀態的失穩模式基本一致，最危險滑動面均位于臺階坡面上，依附千枚巖層；降雨狀態下最危險滑面位置較自然狀態下移，這是因為降雨狀態下材料的容重增加，加大了下滑力，邊坡安全系數有所下降，表明水對邊坡穩定性的影響較大；人工采動和爆破振動均引發邊坡穩定性下降。其中，采場C 區最小安全系數偏低，應加強邊坡監測并采取相應的安全措施。

表4 各種工況條件下分區邊坡最小安全系數

4 結論

（1）根據礦區工程地質特征和水文地質特征、巖性、構造、地形地貌等條件，初步將啞巴嶺露天采場邊坡分為A、B、C、D 四個工程地質分區。

（2）采用極限平衡方法，計算4 種不同的工況（自然狀態、采動狀態、降雨狀態和爆破振動狀態）下啞巴嶺采場的邊坡安全系數和失穩模式，研究結果表明：自然狀態和降雨狀態下邊坡失穩模式基本一致，最危險滑動面均位于臺階坡面上且依附千枚巖層；降雨狀態下最危險滑面位置較自然狀態下移，邊坡安全系數下降；采場C 區最小安全系數偏低，應加強邊坡監測并采取相應的安全措施。