海州露天礦F東1斷層工程地質特征分析

孫兆濤

（遼寧有色勘察研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110013）

海州露天礦太平東部一號斷層（F東1）包括斷層底鼓區和坑木場裂縫所影響的范圍，具體范圍在E20～E25.5，N500～N1300，區域面積可達0.44km2。該斷層是露天礦區內最大斷層，露頭位于東北端幫，走向N0°～20°E，傾向SE，傾角70°～80°，屬張扭性正斷層，最大落差可達110m，在露天礦境內斜切各礦層[1]。由于邊坡巖體在該斷層帶的影響下，巖體較為破碎，巖體強度相對較低，且其陡傾坡外，控制著北幫邊坡滑動的剪出口位置。因此，對該斷層區開展工程地質勘查，了解其工程地質特征，對海州露天礦北幫邊坡滑動模式的研究和邊坡穩定性分析具有重要的意義。

1 斷層區工程地質條件

1.1 地形地貌

海州露天礦太平東部一號斷層（F東1）區范圍東西從E20～E25.5，南北從N500～N1300。斷層區東西長550m，南北長800m，垂高230m。由于人工開采剝離，形成了一個坡角在18°～20°露天邊坡，由多個8m左右高的臺階組成。

1.2 斷層區地層及巖組特征

1.2.1 地層

本區裸露礦層為晚侏羅世阜新組太平組和高德組。它是大陸沉積的礦產地層。具體可見斷層區工程地質平面圖（圖1）和綜合柱狀圖（圖2）。

區內太平層群地層在F東1上盤出露，主要由礫巖、粗砂巖和礦層組成，其中礫巖與粗砂巖呈互層狀分布。該層厚度在40m～100m之間。該層群礦層可分為太上礦層和太下礦層。西側為太上礦層，東側為太下礦層。

圖1 斷層區工程地質剖面圖

高德層群在F東1下盤出露，主要由巖性較細的粉砂巖和砂質頁巖等組成，其間夾有薄弱層，即巖體頁巖和礦層，該層群厚度在50m～60m之間。

在該區的北部，基巖之上，覆蓋有第四系沉積地層，層厚在10m～20m之間，主要由砂礫石和黃土等地層組成。

圖2 斷層區綜合柱狀圖

1.2.2 巖組

依據F東1斷層區出露地層情況以及巖石組合特征，可以將該區分為砂質頁巖—砂巖—夾薄礦層（或炭質頁巖）巖組、礦層—粗砂巖—礫巖互層巖組和斷層破碎帶巖組三個工程地質巖組。

（1）砂質頁巖—砂巖—夾薄礦層巖組

該工程地質巖組在F東1下盤出露，主要由粉砂巖、砂質頁巖和中粒砂巖等組成，其間夾有薄弱層，即炭質頁巖層或礦層，薄層間距為5～15m。巖層產狀較為穩定，傾向為S5°～22°E，傾角為18°～20°。巖石完整性較好，根據相關試驗資料，該巖組切層內聚力c=35MPa，內摩擦角φ=36°。

①砂質頁巖：灰色～深灰色，呈中厚層狀構造，其成分主要為泥質，并含少量的粉砂質，易受風化，風化后巖石強度急劇降低，成為控制邊坡滑動的主要弱層面。②粉砂巖～中粉砂巖：淺黃色～黃灰色或灰色，呈中～厚層狀構造，層理較為發育，質較硬。碎屑礦物成分主要有石英和長石，并有少量的白云母，膠結物為泥質，極易風化。

（2）礦層—粗砂巖—礫巖互層巖組

該工程地質巖組在F東1斷層上盤出露，主要由礦層、粗砂巖和礫巖層組成，其中粗砂巖與礫巖層呈互層出現，其產狀為：傾向為S60°E，傾角為16°。

①礦層：屬半光亮～光亮型礦體，以亮礦體和鏡礦體為其主要組成成分，其單層厚度在2m～10m之間。在礦層中，常夾有較堅硬的砂巖層。根據相關試驗資料，礦的內聚力c=15MPa，內摩擦角φ=30°。②粗砂巖：巖石為灰白色，碎屑礦物組成以石英為主，含少量長石。③礫巖：該巖層礫石含量在50%～80%之間，其顆粒直徑在2cm～20cm之間，巖石成分主要有花崗巖和砂巖，礫粒間充填粗砂。

根據相關試驗資料，太下礦層與粗砂巖或礫巖接觸面內聚力c=2MPa，內摩擦角φ=21°。

（3）斷層破碎帶巖組

該巖組主要由斷層泥和斷層角礫巖組成。破碎帶出露寬度在0.5m～5m之間，由于斷層作用，巖體破碎，強度整體較低，且容易風化。

1.3 構造

（1）巖層產狀

該地區地層傾向于SE，與邊坡傾角基本一致，屬于順層邊坡。F東1下盤巖層與邊坡夾角為0°～19°。地層傾角與坡傾角大致相同，為18°～20°。f1盤，東巖以走向的坡角為20°，地層傾角為16°～18°。

（2）斷裂特征

F東1斷層規模大，呈NNE走向斜穿該區，切斷了該斷層下盤的8#～9#弱層，屬張扭性正斷層。太平層群和高德層群是上板塊的出露層。斷層傾向于看，傾角約70°，分界約50m。

相對于北方，上面的板塊有扭轉的傾向。裂縫寬度0.5m～5m，斷層發育斷層泥和斷層角礫巖。斷層泥為深灰色，含水量大，可塑性強，可見兩層。每層厚度0.1m～0.3m，延伸不穩定，斷續出現。角礫巖不具有明顯的壓縮特征，其組分主要為上盤礦體、砂巖、礫巖和砂質頁巖。詳見FE1斷面圖。

圖3 F東1斷面圖

1.4 巖體結構特征

依據斷層區的巖體結構特征，將該區巖體結構分成層狀結構、層狀碎裂結構和散體結構三種結構類型。

（1）層狀結構

該結構類型巖體在F東1下盤出露，由砂巖和砂質頁巖組成，其中砂巖內夾薄弱層，即巖體或礦層。產狀相對穩定，巖體為中厚層狀結構，相對完整。

（2）層狀碎裂結構

該構造類型的巖體主要由礫巖、粗砂巖和礦層組成，出現在f1東部上壁。厚層狀構造，產狀穩定。由于下采空區的影響，巖石節理裂隙發育，局部破碎嚴重。大多數礦層是自燃的。巖體的完整性在很大程度上受到破壞，整體強度降低，不利于邊坡的穩定。

（3）散體結構

該結構類型主要出現在F東1破碎帶中，開挖暴露寬度在0.5～5m之間。斷層角礫巖由斷層角礫巖和斷層泥組成，其中斷層角礫巖大小變化較大，且不均勻，呈角狀。溝槽是深灰色的，可塑狀態，手搓可成條。該結構類型巖體斷續出現，延伸不穩定。

1.5 弱層特征[2]

在F東1下盤的巖層中，軟弱巖層時有出現，出現間隔5m～15m。有時出現軟弱層和地層賦存，接觸關系一致，傾向于S5°～22°E,18°～20°角。傾角在feast 1附近變得更陡。

由于它們的走向與斷裂帶的邊坡走向相交，軟弱層的露頭從西向東呈斜向排列。4～7號軟弱層暴露在該地區表面，并逐漸過渡到東環。然而，8～9號軟弱地層在開挖工程中并沒有暴露出來。弱層力學強度低，控制著該區的邊坡滑動。

（1）4#、4#下弱層

4#和4#位于E22節的西面。東部已被清除，西部的埋藏逐漸加深。4號軟弱層位于f1東部上盤，也分布在太下礦層下部。4#軟弱礦層由厚度為0.5m～1.5m的礦層組成。礦質較好，但相對破碎。

據相關試驗資料，該弱層內聚力c=1MPa，內摩擦角=16°。4號軟弱層下部，在4號軟弱層下方，距4號軟弱層1m～4m處。厚度為0.1m～0.5m。這層巖石相對較軟，據對該礦層的直剪試驗資料，其內聚力c=2.4MPa，內摩擦角φ=21.35°。

（2）5#弱層

暴露在E23剖面附近，東部已被移除，西部的埋藏加深。由2～3層薄礦層組成，每層厚0.2m～0.5m，薄礦層間距1m～3m。根據相關實驗數據，5號軟弱層c的粘結力=2MPa，內摩擦角φ=19°。

（3）6#弱層

由2～3個薄礦層組成，上層厚度為0.2m～0.5m，下層厚度為0.4m～0.6m，深部排水坑所見厚度可達2.2m。

（4）7#弱層

由炭質頁巖和薄礦層所構成，露天礦全區發育，層厚可達0.30m～0.35m，礦層底板下泥質頁巖較為發育，中區受斷層影響，巖層較為破碎，層面間含水率高，手感軟，可塑性強，為典型的塑性軟巖。根據在滑體上取樣測得其自然含水率為20%～25%，順層面摩擦角φ為13°～15°。該層預計在E9～E11斷面間邊坡潛伏滑動隱患。

據中部一號斷層區取樣進行的室內直剪試驗資料，該層力學指標為：內聚力c=2.4MPa，內摩擦角φ=13.81°。

（5）8#弱層

該弱層在F東1下盤均有分布，但一直未被揭露而出露。以往對該層的研究程度不足，通過平硐揭露，該層是由光亮～半光亮的礦體組成，厚度在1.0m～1.5m，結構較為破碎，露頭有滲水現象。在該層中夾一層炭質頁巖，已遭泥化，厚度在0.1m～0.2m之間，含水量大，塑料。軟弱層8是影響邊坡穩定的主要軟弱層。

8#軟弱層為發生層:SE，角度為20°，延伸相對穩定，在E22.5、電子學、E23.5、E24、E24.5剖面的埋藏深度分別為50m、28m、19m、15m和11m。在延伸到F東1處被切斷。據室內直剪試驗相關資料，該弱層抗剪強度指標：內聚力c=1.6MPa，內摩擦角φ=20.09°。

（6）9#上弱層

該弱層分布在8#弱層之下，9#弱層之上，距離8#弱層11m，距離9#弱層1m。其巖性為泥化頁巖，顏色呈灰色，厚度在0.1m～0.3m，含水量大，呈塑性。這一層的分布相對穩定，基本平行于#8和#9的弱層。在這一層的頂部和底部的巖石是砂質頁巖或粉砂巖。E23、E23.5、E24、E24.5段埋深分別為40m、30m、25m、22m。因其抗剪強度很低，且具有顯著的流變性能，使其成為影響該區域邊坡穩定性的主要軟弱地層。

（7）9#弱層

該弱層分布在9#上弱層以下約1m處，由半亮型礦層組成，總厚度5m，其間由砂質頁巖分隔成三層，其中第一層礦層厚度為0.3m；第二和三層礦層厚度均為1.0m。由于構造和風化作用，礦層結構破碎，強度很低。此外，開挖后發生滲水，礦層與上下巖層接觸良好。推測其順層抗剪強度應大于8#和9#上。

2 結論

通過對太平東部一號斷層區工程地質特征分析，得出結論如下：①8號弱層的泥質碳質夾層和上部軟弱層含水量大，為塑性軟弱層，是影響該地區邊坡穩定的主要軟弱層；②由于該區斷層的存在，造成該區巖體結構破碎，巖石強度變弱，且該斷層產狀陡傾坡外，控制著邊坡滑動面剪出口位置，因此，該斷層對邊坡的滑動模式及穩定性起到控制作用；③地下水對邊坡穩定性起著重要作用，由于該斷層區是礦區邊坡重要的地下水含水層單元，因此，為保證礦山邊坡的長期穩定，應對該斷層區提出行之有效的降水疏干減壓措施。