金堆城露天礦節理裂隙調查及邊坡潛在破壞模式研究

陳慶發,馬付超,張世雄

(1.廣西大學資源與冶金學院,廣西 南寧 530004)

(2.甘洛豫光礦業有限責任公司,四川 甘洛 616850) (3.武漢理工大學資源與環境學院,湖北 武漢 430070)

金堆城鉬礦是國內乃至亞洲最大的露天鉬礦山,其礦床規模巨大、形態簡單、且埋藏淺,適宜露天開采[1]。礦床由一個巨大的近于水平產出的規則透鏡狀礦體構成,礦體走向 330°～150°,傾向北東,傾角 70°,長 2 200 m,寬 600～800 m,深 600～800 m(未封鉆)。根據最低可采品位 0.06%、邊界品位 0.03%、最大允許夾石厚度 4 m、最小可采厚度2 m計算礦石地質儲量約為 10億 t,鉬金屬量約 100萬 t。依據金堆城鉬礦工程初步設計,金堆城鉬礦采用分期開采,即開采順序為小北露天、南露天和全露天,目前開采為小北露天(見圖 1)。露天邊坡在水平面上呈矩形,豎向剖面上呈直線型,造成 4個邊角部位大量無用剝離；4個直角邊兩向受力狀態,受地應力的壓迫向坑內彎曲,處于拉應力狀態,不符合露天礦邊坡少剝離技術的空間力學原理[2,3]。為了有效降低剝采比優化邊坡形狀,開展了包括邊坡表層松動巖體結構面調查、松動巖體分布范圍測試和邊坡巖體內部位移測試等多項工程特性研究工作。

邊坡表層松動巖體力學性質受到各種結構面的控制和影響,巖體結構特征是控制邊坡巖體變形和破壞機制的決定性因素,而發育于巖體中各種不同成因的結構面則往往是變形和破壞的關鍵部位。在各類工程巖體力學問題的評價和計算中,對巖體結構特征的研究是必不可少的。結構面調查重點是對Ⅳ、Ⅴ級節理裂隙的組數、密度、彼此交切情況,特別是結構體的幾何形態及咬合狀態進行調查研究。節理裂隙調查分析可為工程巖體的力學特性分析、力學參數修正、采礦工程結構穩定性分析等研究提供重要依據[4]。

圖 1 金堆城露天礦俯視圖

1 節理裂隙詳細線觀測窗口的選擇

為掌握邊坡表層松動巖體節理裂隙的分布規律,進行了大量細致的節理裂隙調查與統計工作。詳細線觀測窗口的選擇取決于觀測任務,一般不要求均勻分布,而應該根據邊坡松動巖體的工程地質情況和節理裂隙發育情況,布點疏密適當。觀測窗口要有代表性,應在邊坡不同部位、不同深度、不同巖系、不同巖性層中的構造重要部位布置。構造愈復雜,布置的觀測窗口應愈多。現場踏勘表明,礦區內節理裂隙很發育,巖石普遍發育各種方向的節理,礦體范圍內成礦前的節理裂隙均為各種礦脈所充填；露天礦鉆孔資料也同時表明,地表以下數百米處節理裂隙仍很發育。在現場踏勘的基礎上,確定了10條有代表性的詳細線 (見表 1)。在詳細線測量過程中,利用地質羅盤來測量節理裂隙的走向、傾角。觀測內容則包括節理的巖性、所處的構造部位、節理組的走向或傾向等,以陡、中陡、中等、平緩等詞語描述節理組的傾角趨勢并記錄。

表 1 詳細線觀測窗口選擇

2 節理裂隙數據統計分析

對節理裂隙長度超過 2 m的進行測量,小于 2 m的不參與調查,但在巖體質量分級和力學參數選取時應適當考慮。對 10條詳細線進行實地調查數據及時整理,各詳細線的節理裂隙數據統計見表 2。

表 2 節理裂隙數據統計表

從表 2可以看出,各幫邊坡平均節理裂隙均值大都在 2條/m以上,平均間距和主導間距都比較小,這說明邊坡巖體非常破碎,這與聲波測試得出結論是基本一致的[5]。節理裂隙的大量存在對邊坡表層巖體穩定性具有不利影響,需要在施工過程中加強監測與管理,避免邊坡滑坡災害,特別是在大爆破與降雨過程中應加強人工觀測,局部危險性較大區域需強化支護措施。

3 節理裂隙分布規律研究

3.1 各詳細線節理裂隙分布規律

結構面的表示方法很多,如玫瑰花圖、等角度圖或等面積散點圖、等密度圖等,通過確定它們的夾角和組合關系來確定巖體的結構特征。對金堆城露天礦深凹邊坡,將每組詳細線測量的結果進行整理,應用計算機繪出節理玫瑰花圖和施密特投影等密度圖。施密特投影等密度圖代表了不同結構面組方位的離散程度,可以定量地反映不同組節理發育的密集程度及其優勢方位,這是其他圖示法所不能比擬的,在工程地質界得到廣泛采用。限于篇幅,僅給出E1線節理裂隙走向、傾角玫瑰花圖 (見圖 2)和 E1線施密特投影等密度線圖(見圖 3)。在定義優勢結構面時,我們取施密特等密度線圖種,以極點中心密度 ＞5%的區域為優勢結構面組。

圖 2 E1線的走向(左)和傾角(右)玫瑰花圖

圖 3 E1線施密特投影等密度線圖

E1線共有 5組優勢結構面組,節理走向分布主要集中于 340°～35°之間,其中NW350°方向的節理裂隙數量最多；節理傾角分布集中于 30°～80°之間,其中 70°的傾角數量最多；節理裂隙基本張開角較小,總體呈壓性,局部呈張性,充填物較少,以長石、石英為主。E2線共有 3組優勢結構面組,節理走向主要集中于NW270°～280°、NW340°～350°以及NE50°～80°之間,以NW270°方向的節理裂隙數量為最多,NW350°和NE65°方向的節理裂隙數量緊隨其后；節理傾角分布主要集中于 35°～65°,且傾角為 60°時的數量最多,傾角為 38°時也多；結構面較為粗糙,呈壓性。E3線共有 2組優勢結構面組,節理走向分布主要集中于 330°～30°和NE55°～80°之間。其中 350°方向的節理裂隙數量為最多；傾角分布主要集中于 35°～80°,其中 60°傾角數量最多；結構面光滑波狀較多,呈壓性。E4線有 4組優勢結構面組,節理走向集中于NW290°～310°、300°～20°和NE40°～80°之間,其中NW350°方向的節理裂隙數量最多；傾角集中分布在 35°～80°,其中 50°和70°的傾角最多,2個角度數量基本相等；結構面較粗糙的,力學性質以壓性和壓扭性為主,結構面較為平滑的,力學性質主要為壓扭性,壓性、張性為次之。

W1線共有 5組優勢結構面組,節理走向分布主要集中于 340°～20°之間,其中以 360°方向的節理裂隙數量最多；節理傾角集中分布于 60°～80°,其中以 80°的傾角數量最多；結構面光滑波狀,力學性質以壓性和壓扭性為主。W2線有 4組優勢結構面組,節理走向分布主要集中于 NW280°～290°、NW310°～320°和NE10°～50°之間,其中以NW320°方向時節理裂隙數量最多；傾角分布集中于70°～80°,以 80°的傾角數量最多；結構面光滑波狀,力學性質以壓扭性為主。W3線有 1組優勢結構面組,節理走向分布主要集中于 NE40°～70°之間,其中以NE70°方向的節理裂隙數量最多；傾角多分布在60°～80°,以 70°傾角的數量最多。

S1線有 2組優勢結構面組,節理走向分布主要集中于 NW270°～340°之間,其中以 280°方向的節理裂隙數量最多；傾角集中在 35°～80°,以 50°的傾角數量最多。結構面平直光滑,呈壓性；S2線有 3組優勢結構面組,節理走向分布主要集中于NW310°～320°、NE60°之間,其中以NE60°方向的節理裂隙數量最多,以 80°傾角的數量最多,結構面較粗糙,壓性為主,充填物主要有石英、石英脈、黃鐵礦脈。

N1線有 1組優勢結構面,節理走向分布主要集中于NW330°～345°之間,其中以NW330°方向的節理裂隙數量最多；傾角分布集中在 50°～60°,以 50°傾角的數量最多；結構面光滑波狀,呈壓性。充填物主要有石英、長石脈。

3.2 各幫邊坡節理裂隙分布規律綜合分析

將各幫邊坡上的多條詳細線合并繪出節理裂隙等密圖,可得出各幫節理裂隙存在著以下分布規律：

⑴東幫邊坡的節理裂隙走向主要以東西向、近東西向為主,正南北向也存在著 1組優勢節理組,東幫中的節理裂隙傾角普遍較大,大部分以直立、近乎直立的產狀存在。西幫邊坡的優勢節理裂隙走向在70°～110°、140°～175°之間分布,傾角以直立、近乎直立的產狀居多,同時存在少部分急傾斜、緩傾斜的節理裂隙組。

綜合東西兩幫的節理裂隙調查,可以斷定西幫走向在 70°～110°之間的節理裂隙與東幫正東西向、近東西向的節理裂隙組是貫穿于采場東西兩幫巖體的宏觀裂隙,平行于礦區內近東西向主斷裂,大致平行于采場北幫燕門凹斷裂；而走向在140°～175°之間的優勢節理裂隙組平行于礦區內成礦前及成礦期內最晚形成的北西向斷裂。

⑵南幫安山玢巖中的主要優勢節理組大致平行于采場內北東向大斷裂中的金堆城 -青崗坪斷裂,節理性質以張性為主；根據采場現場踏勘可知在露天采場南東方向附近,擠壓破碎嚴重,為露天采場西南角處分布的花崗斑巖的侵入和礦體的形成提供了依據。露天采場北幫優勢節理組平行于北幫燕門凹斷裂,該組優勢節理組受東西向斷裂束控制,屬于礦區成礦后斷裂。

4 邊坡松動巖體潛在破壞模式研究

巖質邊坡多沿巖體結構面發生滑動破壞,因此邊坡巖體破壞與結構面的分布、組合及其密度密切相關,應結合所在區段邊坡巖體的產狀和內摩擦角,對邊坡穩定性與破壞類型進行判斷[6]。露天礦邊坡破壞模式主要有 4類,如圖 4所示。平面破壞、楔體破壞和圓弧形破壞等 3種形式破壞的機理主要是剪切破壞,傾倒破壞機理主要是受拉破壞。

圖 4 露天邊坡破壞模式

金堆城原設計邊坡 1 200 m高程以上的邊坡角為 36°,以下為 42°～43°。生產過程中出現邊坡風化滾石,于是把邊坡角分別降低到 32°和 41°。本次結構面調查主要是在 1 200 m高程以下,因此總體邊坡角取 41°。邊坡巖體較破碎,很多地方無法找到合適的節理調查的露頭面,大都呈現散體特性,此類邊坡巖體有較大可能發生局部小規模的圓弧形破壞,特別是在雨季,隨著大量雨水的浸泡,潛在滑動面抗滑能力減弱,發生局部圓弧形破壞的可能性較大,建議對邊坡上較破碎區域加強變形監測。

依據各詳細線所做的巖體結構面調查分析結果,結合邊坡產狀、邊坡巖體摩擦角、各測線處的工程地質,對邊坡松動巖體潛在破壞模式進行了分析(見表 3)。

綜合結構面調查,結合工程地質條件,發現邊坡巖體較為破碎,除了北幫主要受燕門凹大斷層的影響,其他各幫松動巖體主要受結構面影響,散體狀邊坡巖體主要破壞模式為圓弧形破壞,節理密集地方的巖體主要破壞模式為楔體破壞。生產中應密切對可能發生破壞的重點區域加強觀測和重視,特別是雨季雨水浸泡和大型開挖爆破震動的影響,做到防患于未然。

表 3 邊坡潛在破壞模式分析表

5 結論

在金堆城深凹露天礦邊坡各幫松動巖體現場踏勘和鉆孔資料分析的基礎上,確定了多條有代表性的詳細線,進行了節理裂隙詳細現場調查和數據分析處理工作。利用玫瑰花圖和施密特投影等密度圖,重點分析了各詳細線和各幫邊坡的節理裂隙產狀分布規律,結合邊坡產狀、邊坡巖體摩擦角、各測線處的工程地質,深入探討邊坡松動巖體潛在的破壞模式。研究表明,金堆城深凹邊坡表層松動巖體大部分是比較穩定的,有較大可能發生局部破壞的邊坡主要以受結構面控制的楔體破壞、平面破壞為主,其次受斷層控制的北幫邊坡主要以平面破壞為主,多次滑坡后的堆積層則有可能再次以圓弧面破壞模式發生破壞。研究成果為巖體質量分級和凹陷露天礦邊坡形狀優化提供了重要的參考依據。

[1] 張建功,睢小燕,王永新.金堆城鉬礦資源開采分析[J].中國鉬業,2005,29(1)：17-21.

[2] 張世雄.凹陷露天礦邊坡少剝離技術的時空原理[J].中國礦業,1998,9(2)：26-28.

[3] 張世雄,彭濤,王福壽,等.巖石深凹邊坡工程穩定性的空間原理研究[J].武漢理工大學學報,2001,23 (11)：75-79.

[4] 丁銘,袁海平,張賢平.某礦巖體節理調查與統計分析[J].銅業工程,2008,25(2)：15-17,27.

[5] 沈昌賢,劉雁鷹.金堆城凹陷露天礦邊坡巖體聲波測試研究[J].中國鉬業,2008,32(6)：24-27.

[6] 張世雄.固體礦物資源開發工程[M].武漢：武漢理工大學出版社,2005.