露天礦邊坡工程地質勘察問題分析

周中成

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

關鍵詞：露天礦；邊坡工程；地質勘察；安全生產

中圖分類號：TD824.7 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.06.063

露天礦邊坡穩定性較差一直是露天礦安全生產中存在的問題，邊坡工程地質勘察工作是露天礦邊坡設計工作的數據基礎，也是邊坡穩性定評價、邊坡治理工作的基礎。

1 工程地質工作

邊坡工程地質勘查工作首先要進行區域內大范圍的地質背景調查，隨后逐漸縮小范圍，最后調查邊坡工程范圍內的地質條件。

邊坡工程的地質勘查工作主要有以下7部分內容。

1.1 邊坡巖石特性

邊坡巖石特性包括巖性、顏色、成分、結構特征、含水狀態、軟弱層賦存狀態、分布規律和接觸面特征等。

1.2 影響邊坡穩定性的地質構造

影響邊坡穩定性的地質構造主要有斷層性質、產狀、破碎帶的分布和規模、斷層面特征、填充物、斷層和地下水的相互關系、裂隙性質、填充物、褶曲形態和特征等。

1.3 風化程度

風化程度的勘查內容主要包括松散度、風化巖石的巖性、風化破碎程度和與堅硬巖石接觸關系等。

1.4 含水層

含水層的勘查內容主要包括含水層巖性、裂隙發育、滲透系數、特征、出水點位置、流量變化和水的來源與補給。

1.5 巖礦分析

巖礦分析方面重點測量軟弱層中蒙脫石、高嶺土等成分的含量比例。

1.6 巖石物理力學實驗

勘探工作獲得巖芯樣本后，按照地質勘查相關規范進行物理力學性能試驗，測量巖石的物理力學指標，包括密度、含水率、抗壓強度、抗剪強度和彈性模量等。在一些力學性能實驗

可以進行現場試驗，獲得工程巖土體的抗壓強度、抗剪強度和彈性模量等力學性能指標。

1.7 確定地表滑動區范圍

地表滑動區方面的勘查內容包括地表滑動區的范圍、水平移動速度、方向、垂直位移、滑動區細部裂縫變化和滑動區地下移動土層的移動方向。

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，夾薄層炭質泥巖，巖性變化較大，過渡較快，沉積厚度不穩定，且多數泥巖通常比較致密、細膩。大量煤礦邊坡工程地質勘查結果表明，煤系巖石往往為軟巖類巖石，煤層的單軸抗壓強度平均值為16.68 MPa，其余巖石單軸抗壓強度都在5 MPa以下。新近系黏土單軸抗壓強度和力學強度均較低。

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

我們在露天礦邊坡地質勘查工作中，采用的劃分標準為：巖石單軸抗壓輕度≤6 MPa為軟巖；單軸抗壓強度>15 MPa為硬巖；介于二者之間為中硬巖。

這樣的巖石力學強度劃分符合煤系軟巖低力學強度的特點，便于進行露天煤礦邊坡穩定性評價和物理力學指標的統計學應用。

2.2 巖芯采樣

很多露天礦邊坡地質勘查的巖石測試分析數據都存在巖石抗剪強度、抗壓強度等力學強度偏低的情況，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質，同時，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據分析發現，巖石力學性能和含水量之間有著明顯的冪函數關系。通過對泥巖、炭質泥巖的抗剪強度、抗壓強度、含水量和孔隙率等指標的分析發現，天然含水量對其的影響最明顯。在一些蒸發量較大的區域進行巖芯采集時，親水性能較好且對濕度變化敏感的泥質巖芯采樣工作比較困難。

一些受濕度影響較大的泥質巖芯采樣可采用如下方案：每臺鉆機設置五六根取心管，鉆進獲得巖芯后保持不動，每天早上在地質人員到達取樣地點后，按照順序取出巖芯，滑移到半拉瓢內洗涮巖芯，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間，減少了水分蒸發。

2.3 解釋軟弱夾層

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

在我國的露天礦邊坡地質勘查工作中，關于軟弱層的定義還未統一，但已經形成了一定共識，均認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，使用數字測井曲線解釋軟弱夾層通過某一個測井參數是無法實現定性解釋的。

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展，它利用部分測井曲線獲得巖層原始狀態下的體密度、中子空隙密度和動彈性模量，可準確解釋軟弱層。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能反映巖層的力學性質和塑性。使用測井獲得的中子、熱中子參數可衡量巖層的天然含水量，并可根據這些指標，采用判別分析法對軟弱層的地形進行解釋，且與實測結果較為相符。

2.4 含水率變化敏感度

露天礦地層中的泥巖和炭質泥巖的力學性能與含水率之間有著密切的聯系，巖石的天然含水率是邊坡穩定性評價中的關鍵性敏感因素，需要對含水率變化對邊坡穩定性的影響進行分析。可根據邊坡穩定系數、最小主邊坡角計算分析勘查剖面線的最小穩定系數或最小主邊坡角值，從而判斷含水量變化的敏感度。

3 工程地質勘查技術

3.1 工程地質測繪

工程地質測繪用來研究工程地質條件在地表、地下的分布。露天礦邊坡工程地質勘查主要關注臺階上的巖性變化、結構面分布、出水點、工程地質分區和剖面線以及巖石力學實驗等內容，測繪范圍包括影響邊坡穩定性的全部區域。工程地質測繪中使用最普遍的有經緯儀、羅盤和卷尺等，工程地質攝影技術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，適應性強，但不如鉆探直觀。

3.3 測試

測試分為巖土試驗和監測兩部分工作。巖土試驗的目的是獲得巖石的各種力學性能指標，以便于定量研究。室內試驗能夠獲得巖石的物理、力學、強度、變形參數和可能滑動面的強度參數或變形參數；變形試驗包括承壓板、聲波法等實驗方法；原位巖石實驗包括直剪試驗、單軸、三軸抗壓試驗等；巖體應力測試包括應力解除、應力恢復和水壓致裂等方法。

監測工作主要是針對邊坡地表滑動的監測，包括滑動區水平移動速率、垂直位移和滑動方向等，能對滑動下一定區域的位移速度和方向進行監測。最常見的位移監測方法為：通過布置直接測點，獲得位移的定期讀數和數據。地下的監測工作多使用傾斜儀進行。

4 結束語

露天礦工稱地質勘查是邊坡穩定綜合評價中非常重要的工作。為了保證邊坡工程地質勘查工作的質量，需要嚴格遵守工程地質工作標準，滿足技術要求，選擇實用的勘查技術，提供客觀、全面和準確的勘查數據。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕