王亞強(qiáng)，張海濤，王曉東，秦秀山，劉偉

(1.中國(guó)黃金集團(tuán)內(nèi)蒙古礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 滿洲里市 021400；2.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160)

0 引言

露天開采比井工開采勞動(dòng)生產(chǎn)率（噸/人月）高5～10 倍，節(jié)約成本30%～60%，具有很大的工效、成本優(yōu)勢(shì)，在金屬非金屬礦床中具有重要地位[1?2]。對(duì)于露天礦邊坡工程，其穩(wěn)定性受工程地質(zhì)因素控制。按照工程地質(zhì)條件將邊坡巖體區(qū)分開來(lái)，可為工程設(shè)計(jì)提供所需的基本參數(shù)與評(píng)價(jià)根據(jù)。

邊坡分區(qū)設(shè)計(jì)與優(yōu)化已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外露天礦山得到相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。方鴻琪[3]提出了工程場(chǎng)地與工程地質(zhì)分區(qū)的基本原則與流程。印度某礦山[4]充分利用鉆孔數(shù)據(jù)，將深凹露天礦劃分為若干個(gè)區(qū)段，分別進(jìn)行邊坡角設(shè)計(jì)。曙光金銅礦[5]將采場(chǎng)劃分為5 個(gè)工程地質(zhì)分區(qū)，進(jìn)行分區(qū)境界優(yōu)化，在降低剝采比的同時(shí)提高了邊坡的穩(wěn)定性。大孤山鐵礦[6]將露天采場(chǎng)按照巖體強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行精細(xì)化分區(qū)，識(shí)別北幫潛在滑坡區(qū)域并建立起長(zhǎng)短期監(jiān)測(cè)相結(jié)合的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，成功捕獲楔體滑坡前兆信息，避免了人員設(shè)備損失。烏拉根鋅礦將3 km 的露天采場(chǎng)分為東-中-西3 個(gè)采區(qū)，并設(shè)計(jì)不同的采礦方案，保障了露天開采到地下開采的無(wú)縫銜接，實(shí)現(xiàn)了安全高效開采。

上述研究并未詳細(xì)介紹工程地質(zhì)分區(qū)的依據(jù)和具體的實(shí)施流程。本文以烏山銅鉬礦為研究對(duì)象，首先采用結(jié)構(gòu)面特征調(diào)查方法，完成現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查分析，并利用相關(guān)規(guī)范，對(duì)邊坡巖體進(jìn)行工程地質(zhì)分區(qū)；其次通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采樣測(cè)試與室內(nèi)試驗(yàn)，獲得巖石物理力學(xué)性質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；然后結(jié)合礦山巖石工程地質(zhì)數(shù)據(jù)、巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)和巖體工程地質(zhì)分區(qū)特征，利用數(shù)值分析軟件完成邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)；最后在已有監(jiān)測(cè)手段及加固治理方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合潛在危險(xiǎn)區(qū)失穩(wěn)破壞模式及工程地質(zhì)分區(qū)特征，制定適用于礦山現(xiàn)狀的邊坡監(jiān)測(cè)及加固治理方案。研究成果不僅為烏山銅鉬礦邊坡分區(qū)提供指導(dǎo)，也可為大型露天礦巖質(zhì)邊坡的巖體工程分區(qū)及邊坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)治理提供借鑒。

1 礦區(qū)概況

烏山銅鉬礦位于內(nèi)蒙古呼倫貝爾地區(qū)，銅資源儲(chǔ)量為267 萬(wàn)t，鉬資源儲(chǔ)量為54 萬(wàn)t，礦區(qū)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(shí)進(jìn)行采礦作業(yè)，露天采場(chǎng)設(shè)計(jì)最高標(biāo)高為858.00 m，封閉圈標(biāo)高為735 m，采場(chǎng)設(shè)計(jì)坑底標(biāo)高為東部465 m，西部345 m。設(shè)計(jì)終了邊坡最大高差超過(guò)500 m，整體邊坡角為43°～45°，屬于高陡邊坡。礦山邊坡臺(tái)階高度為15 m，并段后臺(tái)階高度為30 m。露天開采終了境界圈定的采場(chǎng)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(chǎng)目前最低開采水平為630 m，露天采坑局部深度已超過(guò)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(chǎng)境界

隨著礦山開采揭露巖體范圍的不斷擴(kuò)大，不同邊坡區(qū)域節(jié)理構(gòu)造發(fā)育情況有較大差異，部分邊坡區(qū)域構(gòu)造發(fā)育、巖體破碎，對(duì)下部安全生產(chǎn)產(chǎn)生一定影響。且現(xiàn)階段揭露的部分邊坡巖體構(gòu)造發(fā)育，巖體較破碎，存在斷層及其破碎帶，一經(jīng)開挖，潛在應(yīng)力釋放快、圍巖易失穩(wěn)，邊坡巖體存在局部失穩(wěn)垮塌的風(fēng)險(xiǎn)，上部松散地層、土巖交界面及破碎巖體均會(huì)對(duì)下部露天采剝工作產(chǎn)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(xiàn)多處單臺(tái)階破壞，其中東幫765 m、735 m 平臺(tái)均出現(xiàn)不同程度的裂縫。裂縫區(qū)域走向長(zhǎng)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(guò)750 m2。近年隨著逐漸靠幫，受自身巖性、構(gòu)造、節(jié)理等影響，在爆破震動(dòng)、雨水、凍融作用下，發(fā)生了多次不同規(guī)模的滑坡。因此，滑坡災(zāi)害是威脅礦山安全生產(chǎn)的重大隱患，需要在詳細(xì)的工程地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上進(jìn)行邊坡分區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與治理。

圖2 巖石力學(xué)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)照片

2 工程地質(zhì)調(diào)查與工程地質(zhì)分區(qū)

2.1 近景攝影測(cè)量

工程經(jīng)驗(yàn)表明在低應(yīng)力條件下，巖體尤其是硬巖的穩(wěn)定性主要受結(jié)構(gòu)面控制。為了獲取區(qū)域巖體結(jié)構(gòu)面的分布特征規(guī)律，采用ShapeMetriX3D 系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)近景攝影測(cè)量調(diào)查，使用該設(shè)備進(jìn)行巖體結(jié)構(gòu)面測(cè)量可以高效安全獲取現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理裂隙信息。礦區(qū)節(jié)理裂隙分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下。

（1）1 區(qū)。區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)面體密度為0.71 條/m3，主要分布有3 組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，方位分別為191°∠3 5°、259°∠6 9°和328°∠6 1°。分布有二級(jí)結(jié)構(gòu)面，南部沿?cái)嗔殉雎董h(huán)狀次斜長(zhǎng)花崗斑巖巖脈形成的Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面，北部沿?cái)嗔逊植加辛骷y斑巖巖脈和次斜長(zhǎng)花崗斑巖巖脈形成的Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面。露天采場(chǎng)邊坡面平直，呈南北走向，如圖3 所示。

圖3 1 區(qū)結(jié)構(gòu)面密度云圖

（2）2 區(qū)。區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)面體密度為0.66 條/m3，主要分布有3 組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，方位分別為259°∠7 8°、340°∠7 8°和107°∠3 5°。北東向的Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面發(fā)育，在南部黑云母花崗巖中分布有次斜長(zhǎng)花崗斑巖巖脈形成的Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面，露天采場(chǎng)邊坡總體形狀呈凹型，如圖4 所示。

圖4 2 區(qū)結(jié)構(gòu)面密度云圖

（3）3 區(qū)。區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)面體密度為0.94 條/m3，主要分布有3 組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，方位分別為205°∠75 °、52°∠78 °和298°∠57 °。該區(qū)位于露天采場(chǎng)的西南幫，巖性以黑云母花崗巖為主，其次為次英安質(zhì)角礫熔巖。分布有斷裂構(gòu)造和巖脈形成的Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面，巖脈形成的Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面發(fā)育，露天采場(chǎng)邊坡總體形狀平順，如圖5 所示。

圖5 3 區(qū)結(jié)構(gòu)面密度云圖

（4）4 區(qū)。區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)面體密度為1.37 條/m3，主要分布有2 組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，方位分別為93°∠69 °和284° ∠57 °。由斷裂構(gòu)造形成的Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面和由巖脈形成的Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面發(fā)育露天采場(chǎng)邊坡總體形狀呈現(xiàn)凹凸形，斷裂構(gòu)造較發(fā)育，如圖6 所示。

圖6 4 區(qū)結(jié)構(gòu)面密度云圖

（5）5 區(qū)。區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)面體密度為0.89 條/m3，主要分布有3 組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，方位分別為250°∠7 3°、200 °∠3 4°和85°∠6 6°。分布有斷裂構(gòu)造形成的Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面和巖脈形成的Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面，露天采場(chǎng)邊坡總體形狀平順，如圖7 所示。

圖7 5 區(qū)結(jié)構(gòu)面密度云圖

2.2 巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)巖芯取自烏山露天坑邊坡。由于巖芯取出時(shí)間較長(zhǎng)，且大多已劈裂，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采取巖石大塊，在后期加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣的方式來(lái)完成相關(guān)巖石力學(xué)試驗(yàn)制樣工作。采集礦區(qū)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(zhǎng)花崗斑巖、次英安質(zhì)角礫熔巖。取樣地點(diǎn)及所取巖樣基本代表研究范圍內(nèi)各種巖石性質(zhì)指標(biāo)，巖塊完整，不存在明顯節(jié)理裂隙。根據(jù)式（1）計(jì)算點(diǎn)荷載強(qiáng)度。

其次，將ID折算成標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)Is(50)。根據(jù)現(xiàn)行的工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，巖石單軸抗壓強(qiáng)度Rc(單位為MPa)為：

點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果表明，黑云母花崗壓的單軸抗壓強(qiáng)度為140.83 MPa，次英安質(zhì)角礫熔巖單軸抗壓強(qiáng)度為120.46 MPa，次斜長(zhǎng)花崗斑巖的單軸抗壓強(qiáng)度為63.21 MPa。此外利用Hoek-Brown 方法對(duì)巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行估算，巖體的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

2.3 工程地質(zhì)分區(qū)

工程地質(zhì)分區(qū)原則：按設(shè)計(jì)部門初步確定的開采境界線外擴(kuò)200 m 范圍內(nèi)，同一個(gè)工程地質(zhì)區(qū)的地貌單元、地形構(gòu)造特征、地層巖性、水文地質(zhì)條件等基本相同。在一個(gè)工程地質(zhì)區(qū)內(nèi)，個(gè)別條件有差異，將其再分亞區(qū)。按照以上原則，將烏山銅鉬礦露天采場(chǎng)劃分為5 個(gè)地質(zhì)特征區(qū)，如圖8 所示。

圖8 邊坡工程地質(zhì)分區(qū)

（1）1 區(qū)。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(huì)直接構(gòu)成邊坡滑動(dòng)面，因此，該區(qū)總體穩(wěn)定性分析可按圓弧型滑面進(jìn)行。而南側(cè)區(qū)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(xiàn)折線型滑面。

（2）2 區(qū)。該區(qū)總體邊坡不存在構(gòu)成滑動(dòng)面的構(gòu)造，其穩(wěn)定性分析可按圓弧型滑面進(jìn)行。

（3）3 區(qū)。該區(qū)總體邊坡不存在構(gòu)成滑動(dòng)面的構(gòu)造，其穩(wěn)定性分析可按圓弧型滑面進(jìn)行。而南側(cè)區(qū)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(xiàn)折線型破壞類型

（4）4 區(qū)。該分區(qū)內(nèi)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(duì)該區(qū)總體邊坡穩(wěn)定性不構(gòu)成直接影響。該區(qū)總體邊坡不存在構(gòu)成滑動(dòng)面的構(gòu)造，其穩(wěn)定性分析可按圓弧型滑面進(jìn)行。

（5）5 區(qū)。F1 斷層與邊坡走向近似平行，傾向與邊坡面相反，不會(huì)直接構(gòu)成邊坡滑動(dòng)面。該區(qū)總體邊坡不存在構(gòu)成滑動(dòng)面的構(gòu)造，其穩(wěn)定性分析可按圓弧型滑進(jìn)行。

3 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及邊坡治理方案設(shè)定

3.1 邊坡分區(qū)穩(wěn)定性分析

烏山銅鉬礦初步設(shè)計(jì)的露天服務(wù)年限為27 a，其中穩(wěn)產(chǎn)期為24 a，減產(chǎn)為3 a。根據(jù)《有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50771-2012），當(dāng)非工作幫邊坡服務(wù)年限大于20 a 時(shí)，設(shè)計(jì)穩(wěn)定安全系數(shù)為1.3～1.4。根據(jù)邊坡巖體工程地質(zhì)分區(qū)的實(shí)際情況，本次研究中共布置5 條剖面，通過(guò)計(jì)算選取每個(gè)分區(qū)安全系數(shù)最小的1 條代表性剖面參與最終的極限平衡計(jì)算，具體剖面線如圖1 所示。

露天礦邊坡穩(wěn)定性受爆破振動(dòng)的影響，需將爆破振動(dòng)納入邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中。根據(jù)爆破震動(dòng)測(cè)試結(jié)果計(jì)算，各個(gè)分區(qū)的平均爆破振動(dòng)水平影響系數(shù)為0.0023～0.0096，取最大值0.0096 計(jì)算爆破振動(dòng)作用下的邊坡穩(wěn)定性。在進(jìn)行分區(qū)并選取代表性剖面基礎(chǔ)上，采用簡(jiǎn)化Bishop 法進(jìn)一步分析分區(qū)的邊坡穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)不斷的優(yōu)化計(jì)算，各分區(qū)典型剖面安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖9 所示。

圖9 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果

3.2 邊坡分區(qū)治理方案

根據(jù)極限平衡分析的結(jié)果，邊坡整體安全系數(shù)在允許范圍內(nèi)。但由于斷層和軟弱結(jié)構(gòu)面的存在，局部可能存在潛在滑移的區(qū)域。

（1）1 區(qū)。上部臺(tái)階有第四系覆蓋，該區(qū)南側(cè)受F5 斷層影響，結(jié)構(gòu)面與邊坡傾向一致，破壞模式多呈平面滑動(dòng)，局部臺(tái)階出現(xiàn)小面積的裂隙水滲出。防護(hù)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(qū)。邊坡總體形狀呈凸形，優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面與邊坡面呈大角度切割，相對(duì)穩(wěn)定。開采過(guò)程中局部區(qū)域可能產(chǎn)生楔形體滑移破壞或平面滑移破壞，淺部地層節(jié)理裂隙發(fā)育。防護(hù)工程必須充分考慮滾石、崩塌等。

（3）3 區(qū)。露天采場(chǎng)剝離現(xiàn)狀顯示巖體為碎裂結(jié)構(gòu)，完整性差，節(jié)理裂隙較發(fā)育。該區(qū)受F5 斷層影響，結(jié)構(gòu)面與邊坡傾向一致，破壞模式多呈平面滑動(dòng)。防護(hù)工程必須充分考慮滾石、崩塌和局部滑塌等。

（4）4 區(qū)。邊坡總體形狀呈現(xiàn)凹凸型，優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面與邊坡面呈大角度切割，開采過(guò)程中局部區(qū)域可能產(chǎn)生楔形體滑移破壞，節(jié)理裂隙發(fā)育。防護(hù)工程必須充分考慮滾石、崩塌等災(zāi)害。

（5）5 區(qū)。結(jié)構(gòu)面與終了邊坡傾向相反，不影響終了邊坡整體的穩(wěn)定性。優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面和邊坡面呈大角度切割，局部區(qū)域可能產(chǎn)生楔形體滑移破壞，節(jié)理裂隙較發(fā)育。防護(hù)工程必須充分考慮滾石、崩塌等災(zāi)害。

針對(duì)5 個(gè)分區(qū)的不同特點(diǎn)，分別提出了相應(yīng)的災(zāi)害防治對(duì)策。對(duì)1～5 各分區(qū)坡面現(xiàn)有不穩(wěn)定滑塌堆積體，采取人工清理浮石和長(zhǎng)臂鉤機(jī)相結(jié)合的措施進(jìn)行清除，以保證治理工程的順利實(shí)施。針對(duì)1 區(qū)出現(xiàn)的局部出水點(diǎn)（區(qū)），有針對(duì)性地采取疏干孔，加強(qiáng)邊坡內(nèi)部地下水的排干。采場(chǎng)下盤邊坡1區(qū)、2 區(qū)、3 區(qū)存在表層順層滑坡的可能，重點(diǎn)對(duì)部分臺(tái)階坡腳采取支擋或抗滑樁工程。3 區(qū)、4 區(qū)、5 區(qū)等破碎巖體分區(qū)采取掛鋼筋網(wǎng)的方式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，防止局部失穩(wěn)影響整體邊坡穩(wěn)定性。針對(duì)1 區(qū)、3 區(qū)、4 區(qū)可能出現(xiàn)邊坡變形破壞嚴(yán)重的區(qū)域，建議采用表面掛網(wǎng)噴砼的“剛?cè)峤Y(jié)合”加固措施。

4 結(jié)論

（1）現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)面測(cè)試結(jié)果表明，烏山銅鉬礦巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育中等，傾角較大。室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載試驗(yàn)表明，烏山銅鉬礦3 種巖石試樣的單軸抗壓強(qiáng)度差異較大，黑云母花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度為140.83 MPa，次英安質(zhì)角礫熔巖單軸抗壓強(qiáng)度為120.46 MPa，次斜長(zhǎng)花崗斑巖單軸抗壓強(qiáng)度為63.21 MPa。

（2）在明確工程地質(zhì)分區(qū)原則的基礎(chǔ)上，將烏山銅鉬礦邊坡巖體劃分為5 個(gè)工程地質(zhì)分區(qū)。地質(zhì)分區(qū)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查的結(jié)果是計(jì)算邊坡穩(wěn)定性的前提和基礎(chǔ)。對(duì)不同地質(zhì)區(qū)段的巖體質(zhì)量進(jìn)行定量分析和評(píng)價(jià)，為邊坡穩(wěn)定性計(jì)算提供更為充分的依據(jù)。

（3）邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果表明，烏山銅鉬礦現(xiàn)行邊坡角的計(jì)算安全系數(shù)符合規(guī)范規(guī)定的邊坡安全系數(shù)1.3～1.4 的要求。同時(shí)考慮到斷層和破碎礦體韌性剪切帶對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，針對(duì)5 個(gè)分區(qū)的不同特點(diǎn)，提出了對(duì)應(yīng)的處置預(yù)案。