圖木爾廷－敖包鋅礦露天邊坡穩(wěn)定性分析

阮琰文,潘 懿

(1.中國有色金屬建設股份有限公司, 北京 100029;2.長沙礦山研究院有限責任公司,湖南長沙 410012;3.金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室, 湖南長沙 410012)

圖木爾廷－敖包鋅礦露天邊坡穩(wěn)定性分析

阮琰文1,潘 懿2,3

(1.中國有色金屬建設股份有限公司, 北京 100029;2.長沙礦山研究院有限責任公司,湖南長沙 410012;3.金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室, 湖南長沙 410012)

圖木爾廷敖包露天鋅礦地處蒙古高原,在礦山開采過程中,受不良地質(zhì)及惡劣氣候條件影響,各段邊坡均出現(xiàn)不同程度的破壞,嚴重制約礦山安全高效生產(chǎn)。針對敖包鋅礦露天邊坡破壞情況,在邊坡工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件詳查的基礎上,系統(tǒng)研究了各段邊坡穩(wěn)定性狀況,優(yōu)化了邊坡最終結(jié)構(gòu)參數(shù),為礦山下一步邊坡設計提供了可靠依據(jù)。

露天邊坡;穩(wěn)定性研究;邊坡參數(shù);地質(zhì)調(diào)查

1 概 述

蒙古國圖木爾廷—敖包鋅礦為中蒙合資礦山,礦山每天加工礦石約1000t,年產(chǎn)精礦超過7萬t,礦山自投產(chǎn)以來,經(jīng)濟效益良好,為中國企業(yè)海外礦業(yè)投資最成功的案例之一,被譽為“中蒙合作的典范”。圖木爾廷—敖包鋅礦開采方式為露天開采,臺階高度12m,目前已形成邊坡高度約100m。由于邊坡巖體條件較差,礦山開采過程中邊坡存在不同程度的垮塌及開裂,嚴重威脅礦山安全生產(chǎn)。

2 礦山概況

圖木爾廷－敖包鋅礦隸屬中蒙合資企業(yè)鑫都礦業(yè)有限公司,地處蒙古國東南部無林草原,為地勢平緩的丘陵地形,海撥高度1000～1100m。礦區(qū)為高緯度地區(qū)大陸性氣候,氣溫變化較大,日溫差達到26℃,絕對最低氣溫至零下39℃,最高超過36℃,年平均氣溫為－1.5℃～2.5℃。礦區(qū)為半干旱地區(qū),降雨量較少,年平均降雨量130～280mm,主要集中在7～8月,日最大降雨量64mm。地表層凍結(jié)深度為2.5～3m,沒有永久凍土層[1]。

礦山于2005年8月建成,經(jīng)十余年開采邊坡高度超過百米,露天坑西南部發(fā)育有較大的正斷層F8A和F4,2007年,6A至10線之間的邊坡平臺1070m發(fā)生垮塌,垮塌部位剪節(jié)理發(fā)育,對邊坡穩(wěn)定性不利。目前露天開采階段主要有1070m臺階、1058m臺階、1046m臺階、1034m臺階、1022 m臺階和1010m臺階,分布范圍4～20線。露天邊坡各區(qū)段均存在不同程度的破壞現(xiàn)象,主要表現(xiàn)形式為坡頂開裂及臺階邊坡的垮塌。

3 邊坡工程地質(zhì)

露天采場邊坡巖體整體傾向SW,傾角45°～55°。其中北邊坡為下盤邊坡,主要由矽卡巖構(gòu)成,垂直邊坡發(fā)育有多條縱向斷層,將邊坡切割為多個區(qū)域,對邊坡穩(wěn)定性影響較大,同時,北邊坡巖體節(jié)理、裂隙十分發(fā)育,一般分布結(jié)構(gòu)面組數(shù)多于3組,邊坡巖體條件較差。南邊坡為上盤邊坡,主要由花崗巖構(gòu)成,巖體含泥量較高,極易風化,邊坡開挖后均呈中等風化狀,裂隙發(fā)育,邊坡表面巖體呈塊夾泥或局部泥夾塊狀,巖體較破碎。西邊坡為切層邊坡,構(gòu)成巖體由北至南依次為大理巖和角巖,其中大理巖節(jié)理不發(fā)育,穩(wěn)定性較好,角巖節(jié)理較為發(fā)育,西南邊坡與上盤花崗巖接觸部位為破碎帶,該破碎帶貫穿采場東西,為正—平移斷層,斷距為數(shù)百米,破碎帶寬度10～20m,對邊坡穩(wěn)定性極為不利;東邊坡主要由角巖和花崗巖構(gòu)成,受多條縱向斷層影響,角巖十分破碎,角巖和花崗巖接觸部位為大破碎帶,花崗巖巖體條件與南邊坡類似,風化嚴重。

3.1 邊坡工程地質(zhì)調(diào)查

為全面研究圖木爾廷敖包鋅礦邊坡工程地質(zhì)條件,采用三維攝影測量與人工現(xiàn)場調(diào)查相結(jié)合的方法對礦山已形成的邊坡進行了工程地質(zhì)調(diào)查,測量并描述邊坡巖體節(jié)理裂隙產(chǎn)狀、充填物及厚度、形狀、結(jié)構(gòu)面形狀、地下水狀況、節(jié)理間距等特征。并根據(jù)礦區(qū)巖層的賦存特點,進行了各區(qū)段邊坡工程地質(zhì)分區(qū),將敖包鋅礦邊坡劃分為Ⅰ～Ⅳ四個工程地質(zhì)區(qū),其中Ⅰ區(qū)分為Ⅰ－A和Ⅰ－B兩個亞區(qū),Ⅲ區(qū)分Ⅲ－A、Ⅲ－B、Ⅲ－C、Ⅲ－D四個亞區(qū),Ⅳ區(qū)分為Ⅳ－A、Ⅳ－B、Ⅳ－C三個亞區(qū),分區(qū)結(jié)果見圖1。

圖1 邊坡工程地質(zhì)分區(qū)圖

(1)Ⅰ－A區(qū),為北邊坡4A～8A線,主要為褐紅色矽卡巖,發(fā)育多條縱向斷層,巖體中節(jié)理、裂隙發(fā)育,以Ⅳ、Ⅴ級結(jié)構(gòu)面為主,邊坡巖體呈塊狀結(jié)構(gòu),巖體較堅硬。屬于楔體滑動。

(2)Ⅰ－B區(qū),為北邊坡8A～16A線,主要為褐紅色磁鐵化矽卡巖,斷層及節(jié)裂隙發(fā)育程度與北邊坡西部矽卡巖發(fā)育程度相似,邊坡巖體呈層狀結(jié)構(gòu)。屬于楔體滑動,傾倒破壞。

(3)Ⅱ區(qū),為南邊坡7～11線,南邊坡主要為肉紅中風化中－粗顆粒花崗巖,巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,以Ⅳ、Ⅴ級結(jié)構(gòu)面為主,由于風化蝕變強烈,強度較低,巖體為塊狀、散體和破碎結(jié)構(gòu)。屬于順層滑動。

(4)Ⅲ－A區(qū),為西南邊坡10～16線,西南邊坡主要為肉紅色中風化中－粗顆粒花崗巖,巖體風化蝕變強烈,節(jié)理裂隙發(fā)育,整體強度較低,為散體和破碎結(jié)構(gòu)。屬于楔體滑動、圓弧滑動。

(5)Ⅲ－B區(qū),為西邊坡中部,該區(qū)域主要為西邊坡的南部破碎帶,該破碎帶位于花崗巖與鈉長角巖之間,屬東西向正斷層,寬20～30m,充填物主要有:流紋斑巖的凝灰?guī)r[τp]、流紋斑巖的凝灰角礫巖[τp]、流紋斑巖[λπp]、花崗巖角礫和粘石等,整體強度較低。屬于圓弧滑動。

(6)Ⅲ－C區(qū),為西邊坡9～11線,該區(qū)域內(nèi)巖體主要為鈉長角巖,位于礦體上盤,巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,風化程度較低,巖體強度較大,整體穩(wěn)定性相對較好,巖體為塊狀結(jié)構(gòu)。屬于楔體滑動、順層滑動。

(7)Ⅲ－D區(qū),為西北邊坡2～6線,西北邊坡主要為大理巖,位于礦體下盤,巖體強度較高,整體穩(wěn)定性較好,巖體屬塊狀結(jié)構(gòu)。屬于楔體滑動,順層滑動。

(8)Ⅳ－A,為東南邊坡3A～9A線,東南邊坡1040m以下主要為微風化中－粗顆粒花崗巖,1040 m以上主要發(fā)育肉紅色中－粗顆?；◢弾r,受多組軟弱層、節(jié)理裂隙的切割,東邊坡巖體極為破碎,整體穩(wěn)定性差,同時,受到爆破作用影響,東邊已出現(xiàn)不同程度的垮塌,坡頂有多條延伸至深處的裂縫,裂縫最大寬度達20cm。屬于楔體滑動,圓弧滑動。

(9)Ⅳ－B區(qū),為東邊坡中部,該區(qū)域主要為東邊坡的南部破碎帶。破碎帶屬性與東邊坡破碎帶相同。屬于圓弧滑動。

(10)Ⅳ－C區(qū),為東北邊坡16～18線,東北部邊坡主要為角巖,從巖層分布規(guī)律來看,與西北邊坡的鈉長角屬同一層位巖體,但節(jié)理較西邊坡角巖發(fā)育,整體穩(wěn)定性較西邊坡差,巖體屬塊狀和破碎結(jié)構(gòu)。屬于楔體滑動,順層滑動。

3.2 巖體質(zhì)量評價

運用RQD值分級、RMR分級和CSMR分級3種分級方法,對敖包鋅礦組成邊坡各巖組進行了質(zhì)量分級,綜合各種方法的分級結(jié)果及現(xiàn)場實際調(diào)查得出北邊坡的矽卡巖和磁鐵礦化矽卡巖、西邊坡角巖和大理巖、中風化花崗巖和東邊坡的角巖均為Ⅲ級巖體,巖體質(zhì)量為中等巖體,東邊坡和南邊坡微風化花崗巖為Ⅳ級差巖體。

4 邊坡穩(wěn)定性分析

目前邊坡穩(wěn)定性分析方法主要分為兩大類,極限平衡法與數(shù)值模擬法,常用的二維極限平衡分析方法有:瑞典法(亦稱作Fellenious法)、簡化Janbu法、Bishop簡化法、Lowe－Karafiath(羅厄)法、美國陸軍工程師團法、垂直條分Sarma法、傳遞系數(shù)法、Morgenstern－Price法、Spencer法、嚴格Janbu法、斜條分Sarma法等,其中前7種方法為非嚴格條分法,后幾種方法為嚴格條分法[2]?；趶姸日蹨p的數(shù)值模擬法主要由有限元和邊界元分析組成[3]。

4.1 邊坡穩(wěn)定性計算

綜合分析各種計算方法的優(yōu)缺點及敖包鋅礦實際情況,采用Spencer法、Morgenstern－Price法和Bishop法等極限平衡條分法及有限元強度折減法對礦山邊坡穩(wěn)定性狀況進行了分析。首先,根據(jù)邊坡巖體工程地質(zhì)特征、邊坡布置情況、地質(zhì)橫剖面圖、各平盤地質(zhì)平面圖及礦山開采現(xiàn)狀等基礎資料,建立了各巖組與最終邊坡的三維可視化模型。并利用三維模型選取14個剖面建立了計算模型,綜合分析敖包鋅礦邊坡穩(wěn)定性狀況。分析過程考慮了爆破震動、地震力、重力及地下水對邊坡穩(wěn)定性的影響,邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果見表1。

表1 整體邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

由表1可以看出,受不良地質(zhì)條件影響,4,7, 8,9,10,11剖面整體安全系數(shù)小于允許安全系數(shù)1.15,不能滿足邊坡整體穩(wěn)定性要求,存在邊坡整體滑動的威脅,計算結(jié)果與現(xiàn)場情況較為吻合。

4.2 邊坡參數(shù)優(yōu)化研究

為解決敖包鋅礦邊坡失穩(wěn)對露天開采的威脅,確定科學合理的邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù),根據(jù)邊坡穩(wěn)定性狀況計算結(jié)果,充分考慮邊坡工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、地震力、地下水、爆破震動等影響因素,采用多種極限平衡法及有限元強度折減法開展了敖包鋅礦邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究。研究推薦邊坡參數(shù)為:Ⅰ區(qū)整體邊坡角為42°～43°;Ⅱ區(qū)整體邊坡角41°～42°;Ⅲ區(qū)整體邊坡角43°～45°;Ⅳ區(qū)整體邊坡角42°～44°。

5 結(jié) 論

(1)針對圖木爾廷－敖包鋅礦所面臨的邊坡問題,在充分分析已有地質(zhì)資料的基礎上,通過現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查與分析,研究了礦山工程地質(zhì)分區(qū)及各分區(qū)邊坡破壞模式,并確定了各工程地質(zhì)分區(qū)的巖體力學參數(shù)。

(2)采用多種極限平衡法及有限元強度折減法對敖包鋅礦14個剖面進行了邊坡穩(wěn)定性分析及邊坡參數(shù)優(yōu)化,得出了各工程地質(zhì)分區(qū)科學合理的邊坡參數(shù),為邊坡下一步設計提供了可靠的依據(jù),同時保障了礦山安全高效開采,為提高礦山經(jīng)濟效益、國際影響創(chuàng)造了良好的條件。

[1]江思宏,聶鳳軍,蘇永江,等.蒙古國圖木爾廷敖包大型鋅礦床地質(zhì)特征及成因[J].地球?qū)W報,2010,31(3):321-330.

[2]王尚禎,趙文奎.玉龍銅礦露天邊坡穩(wěn)定性計算與評價[J].露天采礦技術(shù),2014,14(5):13-16.

[3]王 旭,唐紹輝,潘 懿,等.基于數(shù)值模擬的露天邊坡穩(wěn)定性分析[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2016,36(8):37-40.

2017-05-17)

阮琰文(1966－),男,陜西渭南人,工程師,主要從事露天開采現(xiàn)場技術(shù)管理工作,Email:476418948＠qq.com。