秀水河鐵礦露天采場邊坡巖體質(zhì)量評價

張良喜，韓剛

（四川省第四地質(zhì)大隊，成都 611130）

釩鈦磁鐵礦是我國重要的戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源，四川省攀西地區(qū)儲量尤為豐富。為進一步滿足日益增長的資源需求，亟需開展現(xiàn)有礦山擴能開采設(shè)計及露天采場邊坡穩(wěn)定性研究，而礦山邊坡巖體質(zhì)量評價則是上述工作的基礎(chǔ)。巖體質(zhì)量主要受控于巖性、結(jié)構(gòu)面特征、風(fēng)化卸荷狀態(tài)、地下水條件等工程地質(zhì)因素，常用的巖體質(zhì)量分級方法主要是根據(jù)上述因素采用并聯(lián)或串聯(lián)的方法量化評價（張倬元等，1994）。目前，適用于礦山邊坡巖體質(zhì)量分級的方法主要有BQ 法（工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)（GB50218-2014））、RMR 法（Bieniawski ZT，1974）等。BQ 法涵蓋巖石堅硬程度和巖體完整程度兩個基本指標(biāo)，并根據(jù)結(jié)構(gòu)面類型、延伸性、地下水發(fā)育程度、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與坡面關(guān)系、地應(yīng)力等進一步修正。RMR 法包括完整巖塊強度、RQD、節(jié)理間距、節(jié)理條件及地下水等指標(biāo)，同時考慮結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀對邊坡巖體穩(wěn)定性的影響。由于RMR巖體質(zhì)量分級結(jié)果可以與地質(zhì)強度指標(biāo)GSI 關(guān)聯(lián)（Hoek，2019），并可進一步確定巖體抗剪強度參數(shù)（非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范（GB51016-2014）；許宏發(fā)等，2014），在我國邊坡、硐室、壩基等穩(wěn)定性評價過程中得到廣泛應(yīng)用（劉業(yè)科等，2010；王樂華等，2013；劉國鋒等，2022）。

本文以四川省涼山彝族自治州會理市秀水河鐵礦為例，采用工程地質(zhì)測繪、鉆探、微動勘探、室內(nèi)與現(xiàn)場巖石力學(xué)試驗等方法，在查明邊坡工程地質(zhì)環(huán)境條件基礎(chǔ)上，量化巖體質(zhì)量分級指標(biāo)，包括：巖石堅硬程度、完整性程度、RQD、結(jié)構(gòu)面特征、地下水特征等，進一步開展邊坡巖體質(zhì)量分級;采用微動勘探方法對比分析，成果對攀西地區(qū)類似礦山邊坡巖體質(zhì)量勘察、評價具有借鑒意義。

1 地質(zhì)構(gòu)造

秀水河鐵礦露天采場位于會理市，礦區(qū)中心點坐標(biāo)：東經(jīng)102°02′36″，北緯26°36′31″。礦區(qū)出露第四系覆蓋層以及海西期、印支期層狀含釩鈦磁鐵礦基性-超基性巖體、印支期花崗巖，偶見細(xì)晶輝長巖脈，由上而下分別由輝長巖、輝石巖和橄欖巖組成三個含釩鈦磁鐵礦層，以輝石巖含礦性最好，分布范圍大，次為橄欖巖層，輝長巖層含礦性較差。礦體呈層狀、似層狀、透鏡狀產(chǎn)出，總體為不規(guī)則巖盆。秀水河含釩鈦磁鐵礦基性～超基性層狀巖體為紅格巖體南東段一部分，構(gòu)造由兩條南北向深大斷裂：昔格達斷裂和安寧河斷裂，和系列東西向次級斷裂帶組成。南北向昔格達斷裂嚴(yán)格控制著基性～超基性含礦巖體展布。

2 露采邊坡工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

呈不規(guī)則圓形（圖1、圖2），東西長1 200 m，南北長1 000 m，境界周長4 000 m，面積0.7 km2，自然排水封閉標(biāo)高2 265 m，地勢北部高、南部低，坡度較陡，海拔高程2 300～2 670 m，相對高差370 m。其中，北幫邊坡高度至設(shè)計最終開采平臺邊坡高369 m；西幫與東幫最終開采面高度分別為223 m、161 m；南幫目前以自然邊坡為主。采場最終露天底最低部高程2 220 m，最終將形成超過400 m 高邊坡。

圖1 秀水河鐵礦礦區(qū)全貌圖（鏡頭方向正北）

圖2 秀水河鐵礦邊坡工程地質(zhì)平面圖

2.2 地層巖性

除第四系人工填土和坡殘積層，含礦巖體由輝長巖、輝石巖和橄欖巖三個含釩鈦磁鐵礦層，礦巖體周邊和內(nèi)部發(fā)育輝長巖、輝長玢巖及花崗巖（圖2）。含礦巖體主要出露于2 545 m 平臺以南區(qū)域；輝長巖灰綠-暗綠色；輝長玢巖呈透鏡狀產(chǎn)出于輝長巖中，略帶綠色；花崗巖分布于礦區(qū)周邊，為鉀長花崗巖肉紅色。

2.3 結(jié)構(gòu)面特征

發(fā)育26 條斷層（圖2）影響寬度較小，延伸不大。根據(jù)《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50287-2016）附錄F，結(jié)合礦區(qū)斷層發(fā)育規(guī)模和特征，將礦區(qū)內(nèi)斷層分級為Ⅲ級、Ⅳ級。根據(jù)斷層延伸方向，可將礦區(qū)斷層分為近南北向、北東向東西向以及北西向4 組，以近南北向斷層延伸最大，北東向斷層發(fā)育程度最高。

Ⅲ級結(jié)構(gòu)面主要為F1逆斷層（圖2），延伸長900 m，產(chǎn)狀NW342°～355°/NE ∠59°～65°，上下盤錯動顯著，斷裂帶有強烈擠壓形成構(gòu)造透鏡體和密集擠壓小褶曲，破碎帶寬0.3～0.5 m密實程度較松散，膠結(jié)差，充填擠壓片狀巖、碎裂巖，斷層局部發(fā)育黑色斷層泥。

Ⅳ級結(jié)構(gòu)面主要為小斷層，規(guī)模較小，破碎帶寬一般小于30 cm，充填碎裂巖、巖屑及局部夾泥；延伸一般50～200 m，少量斷層延伸長大于200 m。

為查明Ⅴ級結(jié)構(gòu)面布置30 條測線，統(tǒng)計Ⅴ級結(jié)構(gòu)面均為硬性結(jié)構(gòu)面，發(fā)育于輝長巖、輝長玢巖、花崗巖內(nèi)。結(jié)構(gòu)面以平直粗糙為主卸荷帶結(jié)構(gòu)面多可見鐵紅色銹染，呈強風(fēng)化，其余為中～微風(fēng)化，含礦巖體結(jié)構(gòu)面以平直光滑為主，可見擦痕鏡面，普遍見鈣膜充填，黑色、暗紅色銹染。Ⅴ級結(jié)構(gòu)面走向以NNE、NNW 為主，NWW 次之，傾角以中～陡傾為主，少量中傾角，延伸長度小于5 m，隨機發(fā)育。優(yōu)勢產(chǎn)狀：①NW331°～360°/SW∠55°～88°；②NE0°～27°/NW∠46°～90°；③NE0°～42°/SE∠71°～90°；④NW274°～295°/NE∠73°～86°；⑤NW270°～285°/SW∠74°～85°。

2.4 風(fēng)化卸荷帶

采區(qū)開挖邊坡總體為中風(fēng)化～微新巖體，中高高程帶邊坡可見強風(fēng)化巖體。西幫開挖邊坡2 468 m 高程以下為微新巖體，2 468～2 510 m 高程發(fā)育中風(fēng)化巖體，2 510 m 高程以上為強風(fēng)化。北幫開挖邊坡2 625 m 高程以下為微新巖體，2 625～2 650 m 高程發(fā)育中風(fēng)化巖體，2 650 m 高程以上強風(fēng)化。東幫開挖邊坡2 464 m 高程以下為微新巖體，2 464～2 490 m 高程發(fā)育中風(fēng)化巖體，2 490 m 高程以上邊坡為強風(fēng)化。

除靠幫及臨空部有卸荷巖體外，礦山開挖邊坡卸荷致巖體應(yīng)力差異性釋放，邊坡一定水平深度內(nèi)巖體松弛，裂隙張開，強卸荷巖體位于開挖面5 m 深度范圍，巖體完整性破碎～較破碎，裂隙密集，普遍張開，張開大于幾厘米，有架空現(xiàn)象，部分看到明顯松動或變位錯落，卸荷裂隙沿原有結(jié)構(gòu)面張開，多呈整體松弛。

2.5 水文地質(zhì)條件

地下水賦存和補給條件差，大部分?jǐn)鄬雍推扑閹е形匆姷叵滤雎丁２蓤龅撞渴蹻1斷層影響有少量出露，受季節(jié)性影響較大。現(xiàn)場壓水試驗結(jié)果表明，中風(fēng)化地層巖性透水率1.62～12.86 Lu，滲透系數(shù)1.76×10-2～13.8×10-2m/d，屬弱透水～中等透水；微風(fēng)化地層巖性透水率為0.53～10.85 Lu，滲透系數(shù)0.57×10-2～11.7×10-2m/d，屬微透水～弱透水，局部為中等透水。勘察期間處于雨季中期至旱季，鉆孔進行了地下水位觀測，大部分鉆孔為干孔，少量鉆孔觀測到地下水位。

3 鉆孔巖芯特征

開展巖體質(zhì)量分級，在1-1’勘探剖面布置ZK1～ZK5 勘探鉆孔（圖2），孔口高程2 360～2 570 m，孔間距120～170 m，孔深70～140 m，孔口巖體屬微風(fēng)化。采用雙重巖心管取芯鉆探，現(xiàn)場編錄，測定巖芯RQD 值、統(tǒng)計結(jié)構(gòu)面間距、結(jié)構(gòu)面性狀及巖芯破碎程度。鉆孔巖芯基本特征如下：

ZK1 鉆孔：孔深70.12 m。0～1.2 m 人工填土；1.2～57.4 m 微風(fēng)化輝長巖；57.4～70.12 m 微風(fēng)化輝長玢巖。近地表10 m 輝長巖節(jié)理面發(fā)育較少，受卸荷影響，普遍銹染（圖3），孔深增加節(jié)理面數(shù)量增多，呈微風(fēng)化（圖4）。孔深40～45 m，發(fā)育一條陡傾軟弱夾層，極破碎（圖5）。輝長玢巖節(jié)理面發(fā)育較少，孔底巖體較為破碎（圖6）。

圖3 ZK1 鉆孔4.75～9.80m 特征

圖4 ZK1 鉆孔19.20～24.60m 特征

圖5 ZK1 鉆孔57.10～61.60m 特征

圖6 ZK1 鉆孔66.30～70.12m 特征

ZK2 鉆孔：孔深140.0 m，0～30.4 m 微風(fēng)化鐵礦石；30.4～32.3 m 微風(fēng)化輝長巖；32.3～38.0 m 微風(fēng)化鐵礦石；38.0～67.1 m 微風(fēng)化輝長玢巖；67.1～98.3 m 微風(fēng)化輝長巖；98.3～140.0 m 微風(fēng)化花崗巖。鐵礦石極破碎，局部可見短柱狀巖芯外，均呈碎塊狀，斷口呈鐵紅色銹染，強風(fēng)化（圖7）。輝長玢巖節(jié)理面較發(fā)育，可見擦痕鏡面，普遍銹染（圖8），孔深85 m 受斷層F1影響，巖芯破碎（圖9）。孔深95 m 之下，巖芯呈長柱狀，完整性較好（圖10）。

圖7 ZK2 鉆孔15.90～24.30m 特征

圖8 ZK2 鉆孔71.40～78.80m 特征

圖9 ZK2 鉆孔86.40～94.50m 特征

圖10 ZK2 鉆孔102.6～110.30m 特征

ZK3 鉆孔：孔深110.0 m，0～30.5 m 鐵礦石；30.5～33.7m 輝長巖；33.7～41.5 m 鐵礦石；41.5～91.5 m 輝長巖；91.5～95.7 m 花崗巖；95.7～98.5 m 輝長巖；98.5～110.0 m 花崗巖。孔口5 m 范圍，鐵礦石極破碎，孔深增加完整性漸變好，巖芯短柱狀，節(jié)理發(fā)育，普遍可見擦痕鏡面，發(fā)育黃褐色鈣膜，中-強風(fēng)化（圖11），55～65 m 范圍，節(jié)理不發(fā)育，巖芯長柱狀，完整性較好（圖12）。孔深70 m 左右受斷層F1影響巖芯破碎（圖13）。孔深85 m 之下，巖體完整性變好，局部可見破碎段（圖14）。

圖11 ZK3 鉆孔32.90～40.60m 特征

圖12 ZK3 鉆孔56.0～63.40m 特征

圖13 ZK3 鉆孔63.40～70.85m 特征

圖14 ZK4 鉆孔0～6.0m 特征

圖14 ZK3 鉆孔92.40～98.40m 特征

ZK4 鉆孔：孔深80.0 m。0～26.2 m 微風(fēng)化輝長巖；26.2～85 m 微風(fēng)化花崗巖。除孔口5 m 范圍內(nèi)巖體極破碎外（圖15），其余巖芯完整性較好，局部可見破碎段（圖16），F(xiàn)1斷層不明顯。

圖15 ZK4 鉆孔47.70～54.00m 特征

圖16 ZK5 鉆孔15.4～23.0m 特征

圖17 ZK5 鉆孔47.80～56.00m 特征

4 基于RMR 法的鉆孔巖體質(zhì)量分級

RMR 法包括5 個基本參數(shù)：巖石強度（R1）、RQD（R2）、節(jié)理間距（R3）、節(jié)理條件（R4）與地下水狀態(tài)（R5）。根據(jù)評分標(biāo)準(zhǔn)（表1）打分，最終取5 項之和即為RMR 總分值。各評價指標(biāo)如表1：

根據(jù)巖性劃分，選取代表性試樣開展室內(nèi)巖石抗壓強度試驗，獲得天然、飽和抗壓強度（表2）。除微風(fēng)化輝長巖單軸抗壓強度小于50 MPa 外，R1=4；其余微風(fēng)化鐵礦石、微風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化輝長巖均大于50 MPa，R1=7。

表2 巖石單軸抗壓強度統(tǒng)計表

由于秀水河礦山地下水賦存和補給條件差，勘察期間在ZK1～ZK5 內(nèi)均未見地下水，因此地下水條件評分值R5=15。根據(jù)巖芯統(tǒng)計分析及巖芯工程地質(zhì)特征，各鉆孔RQD（R2）、節(jié)理間距（R3）及節(jié)理條件（R4）如表3 所示，并進一步計算RMR 值。

表3 RMR 值評分表

由表3、表4 可見，秀水河鐵礦邊坡巖體質(zhì)量具有如下特征（圖18）：

圖18 1-1 工程地質(zhì)剖面圖

（1）RMR 值最大為70，最小值為29，分別對應(yīng)II 級與IV 巖體；

（2）由于卸荷、爆破擾動，近地表（垂直深度大約5m）巖體質(zhì)量較差，多表現(xiàn)為IV 級巖體；

（3）軟弱夾層分布較為隨機，巖體質(zhì)量多表現(xiàn)為III 級、IV 級；

（4）由于鐵礦石表現(xiàn)出明顯的脆性，極為破碎，受外部擾動較為強烈地段表現(xiàn)為IV 級，其余為III級，局部可見少量II 級巖體；

（5）輝長巖、輝長玢巖與花崗巖性質(zhì)較為類似，巖體質(zhì)量以II 級為主；

（6）F1斷層及影響帶為IV 類巖體，呈條帶狀分布。

5 微動勘探

為進一步驗證鉆孔巖體質(zhì)量分級成果，在1-1 剖面東側(cè)約15 m 布置微動勘探剖面W-W’（圖2）。采用ALLSEIS-3CLF 一體化短周期地震計，正交三分量高靈敏度短周期0.2Hz 地震檢波器，沿測線全排列觀測，采用H/V 譜比法估算不同巖體的波速（王偉君等，2009；徐佩芬等，2012；汪文剛，2021）。

微動勘探結(jié)果表明（圖19），不同巖體縱波波速存在明顯差異，最大值為4 200 m/s，最小值小于2 000 m/s。若以Vp=4 200 m/s 代表邊坡新鮮完整巖體縱波速，根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB51016-2014）中關(guān)于巖體完整程度定量劃分指標(biāo)Kv，求出不同完整程度巖體縱波波速界限值如下：

圖19 W-W’微動勘探剖面解譯成果

Kv>0.75，Vp>3 600 m/s，完整巖體

0.55

0.35

0.15

Kv<0.15，Vp<2 000 m/s，極破碎巖體

進一步對比圖18、圖19 可見，邊坡巖體具有如下特征：

（1）花崗巖、輝長巖縱波波速普遍大于3 200 m/s，以較完整巖體為主，與鉆孔巖體質(zhì)量分級較為一致。

（2）邊坡內(nèi)見連續(xù)低波速帶，縱波波速2 400～2 800 m/s，局部小于2 000 m/s;完整性較差-差，對應(yīng)于F1斷層及影響帶。

（3）邊坡表部存在明顯連續(xù)低波速帶，縱波波速小于2 800 m/s，與ZK3、ZK4、ZK5 孔口附近連續(xù)分布的IV 級巖體吻合，與ZK1、ZK2 孔口附近II 級巖體相矛盾。由于測量RQD 與統(tǒng)計節(jié)理間距中，肉眼難以識別隱微裂隙，導(dǎo)致RMR 法中R2、R3兩項指標(biāo)評分過高，實際大量存在爆破、松弛裂隙未參與統(tǒng)計。

（4）總體上，微動勘探巖體完整性成果與鉆孔RMR 分級結(jié)果較一致。

6 結(jié)論

本文采用工程地質(zhì)測繪、鉆探、微動勘探、室內(nèi)與現(xiàn)場巖石力學(xué)試驗等綜合方法，開展秀水河鐵礦露天采場邊坡巖體質(zhì)量分級：

（1）露天采場邊坡巖體以II 級、IV 級為主，部分為III 級。花崗巖、輝長巖巖體以II 級為主。

（2）邊坡表部發(fā)育厚10～20m 松弛帶巖體質(zhì)量為IV 級。

（3）F1斷層及條帶狀分布影響帶為IV 類巖體。

（4）鐵礦石表現(xiàn)明顯脆性，極破碎，受擾動較強烈地段為IV 級，其余為III 級，少量II 級巖體。

（5）肉眼難以分辨的爆破、松弛裂隙易于忽視，導(dǎo)致RMR 分級結(jié)果偏離實際。