周中成

摘 要：主要研究了露天礦邊坡工程地質(zhì)勘查工作中存在的問題，對煤系軟巖強(qiáng)度界定值劃分、巖芯采樣、解釋軟弱夾層和含水率變化敏感度等勘查難點(diǎn)進(jìn)行了分析，并對露天礦邊坡勘查技術(shù)措施進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：露天礦；邊坡工程；地質(zhì)勘察；安全生產(chǎn)

中圖分類號：TD824.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.06.063

露天礦邊坡穩(wěn)定性較差一直是露天礦安全生產(chǎn)中存在的問題，邊坡工程地質(zhì)勘察工作是露天礦邊坡設(shè)計(jì)工作的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也是邊坡穩(wěn)性定評價(jià)、邊坡治理工作的基礎(chǔ)。

1 工程地質(zhì)工作

邊坡工程地質(zhì)勘查工作首先要進(jìn)行區(qū)域內(nèi)大范圍的地質(zhì)背景調(diào)查，隨后逐漸縮小范圍，最后調(diào)查邊坡工程范圍內(nèi)的地質(zhì)條件。

邊坡工程的地質(zhì)勘查工作主要有以下7部分內(nèi)容。

1.1 邊坡巖石特性

邊坡巖石特性包括巖性、顏色、成分、結(jié)構(gòu)特征、含水狀態(tài)、軟弱層賦存狀態(tài)、分布規(guī)律和接觸面特征等。

1.2 影響邊坡穩(wěn)定性的地質(zhì)構(gòu)造

影響邊坡穩(wěn)定性的地質(zhì)構(gòu)造主要有斷層性質(zhì)、產(chǎn)狀、破碎帶的分布和規(guī)模、斷層面特征、填充物、斷層和地下水的相互關(guān)系、裂隙性質(zhì)、填充物、褶曲形態(tài)和特征等。

1.3 風(fēng)化程度

風(fēng)化程度的勘查內(nèi)容主要包括松散度、風(fēng)化巖石的巖性、風(fēng)化破碎程度和與堅(jiān)硬巖石接觸關(guān)系等。

1.4 含水層

含水層的勘查內(nèi)容主要包括含水層巖性、裂隙發(fā)育、滲透系數(shù)、特征、出水點(diǎn)位置、流量變化和水的來源與補(bǔ)給。

1.5 巖礦分析

巖礦分析方面重點(diǎn)測量軟弱層中蒙脫石、高嶺土等成分的含量比例。

1.6 巖石物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)

勘探工作獲得巖芯樣本后，按照地質(zhì)勘查相關(guān)規(guī)范進(jìn)行物理力學(xué)性能試驗(yàn)，測量巖石的物理力學(xué)指標(biāo)，包括密度、含水率、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和彈性模量等。在一些力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)

可以進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，獲得工程巖土體的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和彈性模量等力學(xué)性能指標(biāo)。

1.7 確定地表滑動(dòng)區(qū)范圍

地表滑動(dòng)區(qū)方面的勘查內(nèi)容包括地表滑動(dòng)區(qū)的范圍、水平移動(dòng)速度、方向、垂直位移、滑動(dòng)區(qū)細(xì)部裂縫變化和滑動(dòng)區(qū)地下移動(dòng)土層的移動(dòng)方向。

2 露天礦邊坡工程中常見的勘察問題

2.1 煤系軟巖強(qiáng)度界定值劃分

一些露天礦的地層主要為灰色、深灰色泥巖，夾薄層炭質(zhì)泥巖，巖性變化較大，過渡較快，沉積厚度不穩(wěn)定，且多數(shù)泥巖通常比較致密、細(xì)膩。大量煤礦邊坡工程地質(zhì)勘查結(jié)果表明，煤系巖石往往為軟巖類巖石，煤層的單軸抗壓強(qiáng)度平均值為16.68 MPa，其余巖石單軸抗壓強(qiáng)度都在5 MPa以下。新近系黏土單軸抗壓強(qiáng)度和力學(xué)強(qiáng)度均較低。

煤系地層上覆巖層巖石力學(xué)性能較差，隨著壓力和泊松比的增加，煤系巖石中的泥巖、炭質(zhì)泥巖中的黏土礦物成分會(huì)具備一定的軟化性和膨脹性。使用該巖石作為巖石強(qiáng)度界定值無法準(zhǔn)確反映煤系軟巖力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)特征。

我們在露天礦邊坡地質(zhì)勘查工作中，采用的劃分標(biāo)準(zhǔn)為：巖石單軸抗壓輕度≤6 MPa為軟巖；單軸抗壓強(qiáng)度>15 MPa為硬巖；介于二者之間為中硬巖。

這樣的巖石力學(xué)強(qiáng)度劃分符合煤系軟巖低力學(xué)強(qiáng)度的特點(diǎn)，便于進(jìn)行露天煤礦邊坡穩(wěn)定性評價(jià)和物理力學(xué)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)學(xué)應(yīng)用。

2.2 巖芯采樣

很多露天礦邊坡地質(zhì)勘查的巖石測試分析數(shù)據(jù)都存在巖石抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等力學(xué)強(qiáng)度偏低的情況，這種情況通常都是由占地層厚度較大比例的泥巖、軟弱泥巖低的密度屬性造成的。低密度屬性的泥巖中有著較多的黏土礦物成分和有機(jī)質(zhì)，同時(shí)，還有著較高的孔隙性和含水量。通過對不同類別巖石的回歸數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，巖石力學(xué)性能和含水量之間有著明顯的冪函數(shù)關(guān)系。通過對泥巖、炭質(zhì)泥巖的抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、含水量和孔隙率等指標(biāo)的分析發(fā)現(xiàn)，天然含水量對其的影響最明顯。在一些蒸發(fā)量較大的區(qū)域進(jìn)行巖芯采集時(shí)，親水性能較好且對濕度變化敏感的泥質(zhì)巖芯采樣工作比較困難。

一些受濕度影響較大的泥質(zhì)巖芯采樣可采用如下方案：每臺(tái)鉆機(jī)設(shè)置五六根取心管，鉆進(jìn)獲得巖芯后保持不動(dòng)，每天早上在地質(zhì)人員到達(dá)取樣地點(diǎn)后，按照順序取出巖芯，滑移到半拉瓢內(nèi)洗涮巖芯，照相后使用沾水毛氈保濕，并逐段編號、采樣和蠟封。這種采樣方法縮短了巖芯在空氣中暴露的時(shí)間，減少了水分蒸發(fā)。

2.3 解釋軟弱夾層

地層中賦存的軟弱夾層是邊坡穩(wěn)定性的影響因素，但在鉆探中，軟弱夾層容易丟失，而通過數(shù)字測井的方式能夠避免在鉆探中發(fā)生此類問題。

在我國的露天礦邊坡地質(zhì)勘查工作中，關(guān)于軟弱層的定義還未統(tǒng)一，但已經(jīng)形成了一定共識(shí)，均認(rèn)為軟弱夾層是含水量低、天然含水量大、密度小和變形較大的巖層，使用數(shù)字測井曲線解釋軟弱夾層通過某一個(gè)測井參數(shù)是無法實(shí)現(xiàn)定性解釋的。

在近年來的露天礦邊坡勘查中，中子放射源測井的方法獲得了一定的發(fā)展，它利用部分測井曲線獲得巖層原始狀態(tài)下的體密度、中子空隙密度和動(dòng)彈性模量，可準(zhǔn)確解釋軟弱層。測井獲得的巖層體密度可代表巖層密度，通過測井獲得的切變模量參數(shù)能反映巖層的力學(xué)性質(zhì)和塑性。使用測井獲得的中子、熱中子參數(shù)可衡量巖層的天然含水量，并可根據(jù)這些指標(biāo)，采用判別分析法對軟弱層的地形進(jìn)行解釋，且與實(shí)測結(jié)果較為相符。

2.4 含水率變化敏感度

露天礦地層中的泥巖和炭質(zhì)泥巖的力學(xué)性能與含水率之間有著密切的聯(lián)系，巖石的天然含水率是邊坡穩(wěn)定性評價(jià)中的關(guān)鍵性敏感因素，需要對含水率變化對邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行分析?？筛鶕?jù)邊坡穩(wěn)定系數(shù)、最小主邊坡角計(jì)算分析勘查剖面線的最小穩(wěn)定系數(shù)或最小主邊坡角值，從而判斷含水量變化的敏感度。

3 工程地質(zhì)勘查技術(shù)

3.1 工程地質(zhì)測繪

工程地質(zhì)測繪用來研究工程地質(zhì)條件在地表、地下的分布。露天礦邊坡工程地質(zhì)勘查主要關(guān)注臺(tái)階上的巖性變化、結(jié)構(gòu)面分布、出水點(diǎn)、工程地質(zhì)分區(qū)和剖面線以及巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容，測繪范圍包括影響邊坡穩(wěn)定性的全部區(qū)域。工程地質(zhì)測繪中使用最普遍的有經(jīng)緯儀、羅盤和卷尺等，工程地質(zhì)攝影技術(shù)包括地面立體攝影等，測繪工作的比例通常在1∶2 000～1∶500之間。

3.2 工程地質(zhì)勘探

工程勘探主要有鉆探、挖掘和地球物理勘探等方法。鉆探和掘探是直接勘探手段，但工程量大，且要使用鉆探工具鉆入巖土中進(jìn)行取樣、測試；地球物理勘探是一種間接勘探手段，勘探范圍大，適應(yīng)性強(qiáng)，但不如鉆探直觀。

3.3 測試

測試分為巖土試驗(yàn)和監(jiān)測兩部分工作。巖土試驗(yàn)的目的是獲得巖石的各種力學(xué)性能指標(biāo)，以便于定量研究。室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)軌颢@得巖石的物理、力學(xué)、強(qiáng)度、變形參數(shù)和可能滑動(dòng)面的強(qiáng)度參數(shù)或變形參數(shù)；變形試驗(yàn)包括承壓板、聲波法等實(shí)驗(yàn)方法；原位巖石實(shí)驗(yàn)包括直剪試驗(yàn)、單軸、三軸抗壓試驗(yàn)等；巖體應(yīng)力測試包括應(yīng)力解除、應(yīng)力恢復(fù)和水壓致裂等方法。

監(jiān)測工作主要是針對邊坡地表滑動(dòng)的監(jiān)測，包括滑動(dòng)區(qū)水平移動(dòng)速率、垂直位移和滑動(dòng)方向等，能對滑動(dòng)下一定區(qū)域的位移速度和方向進(jìn)行監(jiān)測。最常見的位移監(jiān)測方法為：通過布置直接測點(diǎn)，獲得位移的定期讀數(shù)和數(shù)據(jù)。地下的監(jiān)測工作多使用傾斜儀進(jìn)行。

4 結(jié)束語

露天礦工稱地質(zhì)勘查是邊坡穩(wěn)定綜合評價(jià)中非常重要的工作。為了保證邊坡工程地質(zhì)勘查工作的質(zhì)量，需要嚴(yán)格遵守工程地質(zhì)工作標(biāo)準(zhǔn)，滿足技術(shù)要求，選擇實(shí)用的勘查技術(shù)，提供客觀、全面和準(zhǔn)確的勘查數(shù)據(jù)。

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〔編輯：張思楠〕