熊世偉

摘要：依托西藏玉龍銅礦改擴建工程，將目前采場邊坡劃分為Ⅰ～Ⅴ四個工程地質(zhì)區(qū)、11個工程地質(zhì)亞區(qū)。選取了11個邊坡穩(wěn)定性計算剖面，采用極限平衡法和有限元強度折減法，對玉龍銅礦二期工程設(shè)計邊坡進行了穩(wěn)定性計算分析。研究結(jié)果表明：其中1個邊坡不滿足要求；考慮開采爆破影響，則有5個邊坡不滿足要求。根據(jù)計算結(jié)果對5個坡面提出了優(yōu)化的方案，并對西藏玉龍銅礦的邊坡監(jiān)測點布置進行了說明。

關(guān)鍵詞：露天采礦項目；邊坡；穩(wěn)定性分析；邊坡監(jiān)測

0? ?引言

露天礦的改擴建工程中，由于露天礦前期已經(jīng)開采，形成一定的開采邊坡，常引起周圍礦區(qū)土體應(yīng)力變化，甚至造成二期開采區(qū)的邊坡滑塌、變形和裂縫等，對礦區(qū)的安全造成影響。為此在大型露天礦區(qū)的改擴建項目中，為避免邊坡失穩(wěn)，通常需要結(jié)合一期項目工程地質(zhì)情況、水文情況、巖石強度指標(biāo)等，對邊坡穩(wěn)定有影響的要素綜合分析判斷，選取邊坡穩(wěn)定性計算剖面建立計算模型，對大型露天礦山邊坡進行穩(wěn)定性分析。

高邊坡的穩(wěn)定對于工程建設(shè)具有非常重要的意義，而露天礦山的邊坡受地質(zhì)結(jié)構(gòu)面、產(chǎn)狀等影響明顯。近年來，眾多學(xué)者對露天礦上的邊坡穩(wěn)定進行了相關(guān)研究[1-3]。本文依托西藏玉龍銅礦改擴建工程，采用極限平衡法和有限元強度折減法，對玉龍銅礦二期工程設(shè)計邊坡進行了穩(wěn)定性計算分析，并根據(jù)計算結(jié)果對5個坡面提出了優(yōu)化的方案。

1? ?工程背景

1.1? 工程基本情況

玉龍銅礦礦區(qū)處在青藏高原東南角的金沙江與瀾滄江之間的寧靜山脈北段分水嶺地帶，山脈、山系多呈北北西-南南東方向排列，地形切割中等至強烈，海拔高程4560～5124m，相對高差在700m以內(nèi)。西藏玉龍銅礦改擴建工程是在一期工程基礎(chǔ)上，進行產(chǎn)能的擴大。

礦區(qū)面積4.3025km2，露天采場處于較開闊的溝谷底端，三面環(huán)山，地面高差在600～700m，上部尺寸上口長2280m、寬2220m，最低開采臺階標(biāo)高4200m，封閉圈標(biāo)高為4560m平臺，礦石運輸出口標(biāo)高4560m。露天采場4560m標(biāo)高以上為山坡露天，以下為凹陷露天。

1.2? ?地質(zhì)狀況

礦區(qū)內(nèi)斷裂規(guī)模不大，成礦前斷裂方向散亂，角礫巖發(fā)育，與含礦斑巖體侵入擠壓有關(guān)。成礦后斷裂多為張性，個別為壓扭性。礦區(qū)內(nèi)共見7條斷層，基本沿含礦斑巖體呈環(huán)帶狀展布。

層間破碎帶主要發(fā)育于甲丕拉組砂泥巖和波里拉組碳酸鹽巖之間。其次發(fā)育于波里拉組中段不同巖性層之間。層間破碎帶呈環(huán)狀圍繞斑巖體，帶寬平均300m左右。破碎帶蝕變礦化強烈，為似層狀礦體的容礦空間，產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀一致。帶內(nèi)巖石主要呈角礫狀，也有條帶狀、土狀和膠狀。角礫成分主要為大理巖，膠結(jié)物為粘土礦物、褐鐵礦、孔雀石及黃鐵礦為主的硫化物等。

2? ?邊坡穩(wěn)定性計算

2.1? ?邊坡工程地質(zhì)分區(qū)

2.1.1? ?采區(qū)主要工程地質(zhì)問題

采區(qū)礦體埋藏淺，屬土狀軟弱層，礦層頂板為大理巖，底板為角巖。大理巖、角巖為半堅硬-堅硬巖石。采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，南部相對復(fù)雜。采區(qū)的主要工程地質(zhì)問題是邊坡穩(wěn)定性欠佳[4]，主要是東、南邊坡的穩(wěn)定性較差，東邊坡出現(xiàn)小規(guī)?？逅F(xiàn)象，且季節(jié)性凍土層冰融水對邊坡穩(wěn)定性有所不利。

礦區(qū)裂隙構(gòu)造十分發(fā)育。主要含礦裂隙有3組，走向為30～60°、270～280°和325～340°，陡傾角者居多。裂隙寬一般小于2mm，少數(shù)20～50mm。多呈網(wǎng)脈狀產(chǎn)出，裂面平直，常被各種巖脈或礦脈充填。分布于接觸帶附近的斑巖體和脆性圍巖中。裂隙頻率一般大于30條/m，最高達50條/m。

2.1.2? ?邊坡工程地質(zhì)分區(qū)結(jié)果

可根據(jù)礦區(qū)巖層的賦存特點，將巖性、構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件、邊坡幾何形狀和邊坡傾向基本相同的區(qū)段劃分為同一區(qū)，各區(qū)邊坡可用單一的剖面和相同的計算參數(shù)來表征。

依照此原則，將目前采場邊坡劃分為Ⅰ～Ⅴ四個工程地質(zhì)區(qū)，其中：Ⅰ區(qū)第四系覆蓋層；Ⅱ區(qū)為東北邊坡，在垂直方向上分為Ⅱ-A和Ⅱ-B、Ⅱ-C三個亞區(qū)；Ⅲ 區(qū)為西北邊坡，垂直方向上分為Ⅲ-A、Ⅲ-B、Ⅲ-C三個亞區(qū)；IV區(qū)為南邊坡，垂直方向上分為IV-A、IV-B、IV-C三個亞區(qū)；Ⅴ區(qū)為斑巖含礦層。邊坡工程地質(zhì)狀況如圖1所示。

2.2? ?各地質(zhì)分區(qū)破壞模式及特點

地質(zhì)分區(qū)Ⅰ區(qū)的工程地質(zhì)特征主要是頂端破碎帶，巖體破碎且風(fēng)化嚴(yán)重，破壞模式為圓弧滑動。

地質(zhì)分區(qū)Ⅱ區(qū)的巖組原巖為紫紅色泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖夾石英砂巖，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，同一地點一般發(fā)育2～3組節(jié)理，以剪節(jié)理為主，節(jié)理面平直，局部充填有少量鐵質(zhì)、泥質(zhì)。最終邊坡面出露兩條斷層，受構(gòu)斷層影響，巖體局部較破碎，并伴隨有泥化、軟化、破碎帶的形成，斷層出露處邊坡區(qū)段易產(chǎn)生垮塌破壞。破壞模式為楔體滑動、切層滑動、斷層出露處局部垮塌、斷層層間破碎帶失穩(wěn)。

地質(zhì)分區(qū)Ⅲ區(qū)巖組原巖為紫紅色泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖夾石英砂巖，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，同一地點一般發(fā)育2～3組節(jié)理，以剪節(jié)理為主，節(jié)理面平直，局部充填有少量鐵質(zhì)、泥質(zhì)。無軟弱夾層，不利邊坡穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，邊坡穩(wěn)定性較好。破壞模式為楔體滑動、切層滑動。

地質(zhì)分區(qū)IV的巖組原巖為紫紅色泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖夾石英砂巖，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，同一地點一般發(fā)育2～3組節(jié)理，以剪節(jié)理為主，節(jié)理面平直，局部充填有少量鐵質(zhì)、泥質(zhì)，巖體強度高。受結(jié)構(gòu)面的影響，巖體局部較破碎，并伴隨有泥化、破碎帶的形成，對邊坡的穩(wěn)定性有影響。破壞模式為楔體滑動、切層滑動、斷層出露處局部垮塌、斷層層間破碎帶失穩(wěn)。

地質(zhì)分區(qū)V為玉龍斑巖礦體，是主要容礦層，工程鉆孔所取巖芯以花崗斑巖為主，同一地點一般發(fā)育2組節(jié)理，以剪節(jié)理為主，節(jié)理面平直，充填泥質(zhì)、方解石、鐵質(zhì)。破壞模式為楔體滑動、斷層下盤局部垮塌。

2.3? ?分區(qū)邊坡穩(wěn)定性計算

根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查、室內(nèi)試驗結(jié)果和邊坡工程地質(zhì)分區(qū)成果，選取了11個邊坡穩(wěn)定性計算剖面，建立了邊坡穩(wěn)定性數(shù)值計算模型。采用極限平衡法[5]與有限元強度折減法，對玉龍銅礦二期工程設(shè)計邊坡進行了穩(wěn)定性計算分析，根據(jù)設(shè)計的邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算分析各剖面邊坡滾石災(zāi)害，為設(shè)計邊坡參數(shù)優(yōu)化提供了依據(jù)。

對比國內(nèi)外礦山安全系數(shù)，根據(jù)玉龍銅礦改擴建工程露天邊坡實際情況，邊坡穩(wěn)定性分析中綜合選取的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)不小于1.20。計算參數(shù)取值見表1，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)見表2。

采用畢肖普法和強度折減法對11個剖面分別進行了計算，再對兩個計算結(jié)果取平均值，得到邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

3? ?邊坡穩(wěn)定性結(jié)果分析及參數(shù)優(yōu)化

3.1? ?計算結(jié)果分析

計算結(jié)果顯示，最終開采境界1-1剖面邊坡安全系數(shù)為1.13，小于允許安全系數(shù)，其余各剖面邊坡安全系數(shù)均大于1.2，設(shè)計邊坡整體穩(wěn)定性良好。此結(jié)果為自然狀態(tài)下的邊坡安全系數(shù)。

改擴建的露天礦山穩(wěn)定性分析還要考慮到開挖爆破的影響。玉龍銅礦邊坡屬于高陡型，根據(jù)勘察報告，礦區(qū)內(nèi)所見構(gòu)造形跡，主要有褶皺、斷裂、裂隙、角礫巖帶和層間破碎帶等，層間破碎帶為區(qū)內(nèi)的主要控礦構(gòu)造，其中多數(shù)斷裂、裂隙、角礫巖帶和層間破碎帶，它們都是在同一個形成機制下，巖漿侵位形成的同生構(gòu)造。礦區(qū)內(nèi)無論是斑巖體內(nèi)還是圍巖中裂隙構(gòu)造均十分發(fā)育，可分出主要含礦裂隙、次要含礦裂隙和無礦裂隙三種，尤其是含礦裂隙非常發(fā)育。

3.2? ?參數(shù)優(yōu)化

礦區(qū)內(nèi)存在諸多不利邊坡穩(wěn)定的因素，例如斷層，破碎帶等。這些地質(zhì)不利因素在開挖的爆破振動作用下，邊坡巖體穩(wěn)定性會受到影響，從而出現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)[6]。

在邊坡穩(wěn)定性分析過程中，考慮到采礦過程中的爆破作用[7]，需將各剖面的邊坡安全系數(shù)均降低6%～7%，其中1-1、3-3、4-4、6-6、7-7、9-9共5個坡面安全系數(shù)小于1.20。

同時需要對該5個坡面邊坡參數(shù)進一步優(yōu)化，具體如下：對上述5個剖面整體優(yōu)化邊坡位置；優(yōu)化段邊坡高度為570～720m，優(yōu)化邊坡角為37.5～41°，臺階坡面角上部三個臺階臺階坡面角為50°，下部臺階臺階坡面角65°，臺階高度15m。

經(jīng)過優(yōu)化后重新計算，坡面安全系數(shù)滿足邊坡穩(wěn)定要求。本文以剖面1-1為例，說明經(jīng)優(yōu)化后的邊坡情況。對于剖面1-1，整體邊坡角為34.4°，邊坡高度為827m，推薦整體邊坡角為37.3°，滿足邊坡穩(wěn)定性要求。

4? ?邊坡監(jiān)測

玉龍銅礦最終邊坡高度達800m，邊坡巖體質(zhì)量相對較差，且處于高寒地區(qū)，為此在高陡邊坡及巖體極其破碎的邊坡部位建立邊坡變形監(jiān)測系統(tǒng)是非常必要的。

目前常用的邊坡位移監(jiān)測方法有經(jīng)緯儀、全站儀、GPS、微波雷達等[8]。本項目根據(jù)現(xiàn)場的實際情況選擇了全站儀作為監(jiān)測儀器。

鑒于玉龍銅礦最終邊坡逐步形成，一期工程大部分邊坡均為臨時邊坡，北部有部分靠幫邊坡，為保證生產(chǎn)安全，建議在北部邊坡靠幫后及時布置監(jiān)測點。在臨時邊坡形成過程中，可根據(jù)邊坡的揭露情況適時布設(shè)臨時監(jiān)測點，并隨著最終邊坡境界臺階的逐步形成，增加監(jiān)測點。根據(jù)最終邊坡境界參數(shù)及邊坡工程地質(zhì)條件，初步確定重點監(jiān)測部位為西幫邊坡、東北幫邊坡及東南幫邊坡。西南部邊坡盡管“二期工程露天邊坡穩(wěn)定性研究”中確定為重點治理的區(qū)段，但最終設(shè)計邊坡角較緩，整體邊坡角只有38°（研究推薦邊坡角為40～44°），因此暫未布置監(jiān)測點。待邊坡揭露后，可根據(jù)實際地質(zhì)情況增加監(jiān)測點。

5? ?結(jié)束語

本文根據(jù)玉龍銅礦的工程地質(zhì)，將礦區(qū)分為4個工程地質(zhì)區(qū)，選取11個邊坡穩(wěn)定性計算剖面，建立邊坡穩(wěn)定性數(shù)值計算模型。研究結(jié)果表明，自然狀態(tài)下有部分設(shè)計邊坡不滿足要求，爆破狀態(tài)下有5個坡面不滿足安全系數(shù)。本文對5個坡面進一步提出了優(yōu)化方案。

由于最終邊坡的穩(wěn)定性與最終邊坡境界、邊坡高度、邊坡巖體條件等多因素直接相關(guān)，為此當(dāng)邊坡境界調(diào)整或巖體條件發(fā)生變化時，應(yīng)及時補充各剖面最終邊坡角的驗證工作。

由于邊坡工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性，隨著礦山的開采剝離，可能會出現(xiàn)邊坡巖體條件變化，特別是揭露出局部構(gòu)造破碎帶，對邊坡的穩(wěn)定性會產(chǎn)生影響。因此，在露天采場裂隙發(fā)育、斷裂破碎帶、強風(fēng)化帶等地段，宜采用護墻、抗滑樁、錨固、噴射混凝土等工程措施，預(yù)防邊坡巖體發(fā)生崩塌。此外，為保證生產(chǎn)安全，還要合理地、適時布置邊坡變形監(jiān)測系統(tǒng)。

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