烏努格吐山銅鉬礦邊坡穩定及災害防控技術研究

趙春波，張海濤，宋志偉

(中國黃金集團內蒙古礦業有限公司，內蒙古 滿洲里 021400)

1 研究背景

烏努格吐山銅鉬礦(以下簡稱烏山)為一大型斑巖型銅鉬礦床，構成邊坡工程地質巖組的巖性主要為黑云母花崗斑巖、次流紋質晶屑凝灰熔巖、次斜長花崗斑巖、次英安質角礫熔巖及部分花崗(斑)巖、閃長玢巖。區內地表水體不發育，大氣降水是礦區地下水的唯一補給來源，礦體大部分位于侵蝕基準面以下，地形有利于自然排水，露天采坑地下水易于疏干。

2 研究內容

2.1 工程地質調查與分析

為了充分了解礦區各域巖體節理的外觀質量以及分布狀態，得出各區域結構面產狀的優勢方位，對整個礦區已揭露區域結構面進行了系統調查，為烏山礦區邊坡巖體穩定性分析提供定量依據。本研究利用ShapeMetrix3D近景攝影系統對烏山露天礦北礦段720、735、750、765、780、795、810七個臺階，南礦段765、780、795、810四個臺階進行了結構面掃描。拍攝照片400余張，3GSM視圖60組。通過3GSM后處理軟件選擇合成三維立體圖21組(圖1、2)。

圖1 節理分析及產狀統計Fig.1 Joint analysis and production statistics

圖2 合成三維圖及節理分布情況Fig.2 Distribution of synthetic three-dimensional graphs and joints

2.2 巖石物理力學性質試驗研究

通過對烏山銅鉬礦現場進行的巖石單軸壓縮及變形試驗、巖石飽水單軸壓縮及變形試驗、巖石凍融性質試驗等室內試驗及現場點荷載試驗，得出如下結論：

1)三種巖石試樣的自然狀態單軸抗壓強度差異較大，黑云母花崗巖單軸抗壓強度最大為 140.83 MPa，次英安質角礫熔巖單軸抗壓強度居中為 120.46 MPa，次斜長花崗斑巖最小為 63.21 MPa。

2)三種巖石試樣的飽和狀態單軸抗壓強度差異較大，黑云母花崗巖單軸抗壓強度最大為 81.26 MPa，軟化系數為 0.58；次英安質角礫熔巖單軸抗壓強度居中為 78.99 MPa，軟化系數為 0.66；次斜長花崗斑巖最小為 58.76 MPa，軟化系數為 0.93。

3)隨著凍融循環次數的增加，各類巖石單軸抗壓強度均有所降低，并由凍融循環試驗得出巖石損傷破壞為裂紋模式[1]。凍融循環后，不同巖體的單軸壓縮強度有明顯的降低：黑云母花崗凍融質量損失率為 0.38%，凍融系數為 0.84；次英安質角礫熔巖凍融質量損失率為 0.31%，凍融系數為 0.84；次斜長花崗斑巖質量損失率為 0.29%，凍融系數為 0.79。

4)不同巖性巖石抗壓強度差異明顯，且同一巖性巖石在不同分區也表現出不同強度特征。2 區次英安質角礫熔巖和 3 區黑云母花崗巖、3 區次英安質角礫熔巖強度相對較高，其次是 1 區黑云母花崗巖和 5 區黑云母花崗巖強度居中，而2 區的次斜長花崗斑巖及 4 區的黑云母花崗巖強度較低。

2.3 邊坡工程地質分區與巖體質量評價研究

工程地質分區的目的在于定性描述和定量計算各個分區的穩定性，在此基礎上得出各個分區邊坡角，并為后續的開采和邊坡治理監測提供參考[2]。劃分工程地質巖組，從巖體結構觀點研究巖組的巖性和它的原生結構面的性質及其分布規律。工程地質巖組劃分的主要標志有巖性標志和原生結構面標志。

烏山銅鉬礦露天采場邊坡工程地質分區不但要反映地層和構造，還要根據邊坡工程的特點，反映礦區各邊坡不同部位的穩定性。根據邊坡工程周圍的地形地貌、地層巖性、邊坡產狀等信息，結合采場出露邊坡的現狀節理裂隙調查、巖體完整性調查、歷史詳勘鉆孔的 RQD 值等定量和定性評價指標，建立礦巖體與露天坑關系的三維工程地質模型，統計優勢結構面與露天邊坡關系，對烏山銅鉬礦露天采場進行了工程地質分區。分區過程中，同時考慮了水文地質條件、斷層節理以及破碎帶的工程因素和地質因素。

最終，烏山銅鉬礦露天采場分為 5 個地質特征區，分區見圖3所示。

圖3 烏山銅鉬礦邊坡地質分區圖Fig.3 Slope geological zone of Wunugetushan copper-molybdenum mine

2.4 生產爆破振動測試及分析研究

1) 爆破振動測試研究內容

(1)在烏山露天采場邊坡上按照工程地質分區設置 6 個測振區，每個測振區布置 6 個測點，分別布置爆破測振儀，采集爆破振動信號；

(2)共監測 10 個爆破區爆破振動信號，獲取爆破振動監測數據，并擬合出不同監測區域的場地系數K值和衰減指數α值；

(3)根據記錄的多點振動波形取得主振頻率與振動速度、加速度值，分析露天爆破對邊坡的影響；

(4)根據爆破振動監測結果，擬合出烏山露天礦邊坡的爆破振動衰減規律公式；在盡量減少對現有生產工藝影響的情況下，給出爆破總藥量以及最大單段藥量指標，降低爆破振動有害效應對露天邊坡的影響，將爆破振動有害效應控制在允許范圍之內，為后續爆破設計提供技術依據。

2)爆破振動對露天礦邊坡的影響分析

按照爆源與坡體的相對位置，烏山露天采場爆破振動對邊坡的動力穩定影響分兩種不同的情況，如圖4所示。

a—最終邊坡角；b—工作幫坡角；c—臺階坡面角；AB—工作平盤；H—臺階高度；HR-運輸道路寬；BF-臺階坡面；SB-安全平臺；CB-清掃平臺圖4 烏山露天采場構成要素與爆破類型Fig.4 Composition and blasting type of open field of Wunugetushan copper-molybdenum mine

1)正常生產爆破，即爆源在邊坡體外，采用《爆破安全規程》 “永久性巖石高邊坡”控制標準：最終邊坡坡底質點振動速度控制在 8～15 cm/s 以內。可根據爆破區與最終邊坡坡底距離的遠近，按照公式計算最大單段藥量，盡量控制最大單段裝藥量。

2)靠幫邊坡爆破，即爆源在邊坡體上，按照《非煤露天礦邊坡工程技術規范》控制，即靠幫邊坡質點振動速度應小于 24 cm/s。必須采用預裂爆破、光面爆破等技術控制爆破振動，優化爆破參數，提高半孔率，保證永久邊坡巖體的完整性，加強減振控制技術研究。

露天礦生產爆破是一個反復持久的過程，爆破產生的動載沖擊作用日積月累，使各種破壞效應得到不斷的加強和延續，產生近似材料的蠕變或巖石內部的損傷積累，當其超過邊坡穩定的臨界值時，就會發生邊坡的失穩。在礦山生產過程中，應以保護最終邊坡穩定為主；對于臨時工作臺階，邊坡的局部垮塌并不會影響正常生產。

2.5 露天采場邊坡穩定性分析研究

1)露天邊坡穩定性影響因素

露天邊坡穩定性受巖性條件、巖體結構、水文地質條件、邊坡形態、地震和爆破等多種因素控制[3-5]。此外，氣候條件、風化作用以及其它因素都可能影響邊坡的穩定。以上因素中，巖性條件、巖體結構、水文地質條件和邊坡形態是影響邊坡穩定性的內在因素，地震、爆破、氣候、風化等是外部因素[6]。內因起決定作用，它決定了邊坡穩定性的總狀況，規定了邊坡失穩的可能性大小；外因起次要作用，它往往通過內因起作用，是邊坡失穩的誘發因素。

2)露天邊坡穩定性監測及邊坡安全防護措施研究

隨著礦山開采規模和開采深度的日益增加，各種不確定性因素會對邊坡的穩定性造成超出預想的災害，可能出現如下問題：

(1)通過數值計算得出的穩定邊坡，在采掘過程中可能出現局部滑坡災害；

(2)邊坡滾石對采場底部作業設備和人員造成安全威脅；

(3)順層邊坡采掘過程中，出現表層順層滑坡，威脅運輸車輛和采掘設備；

(4)反傾邊坡在日照、風、降雨的聯合作用下，出現嚴重風化、掉塊、崩塌災害。

針對以上問題，結合烏山銅鉬礦去年引進了合成孔徑雷達地表變形監測系統，在充分利用現有監測手段的基礎上，考慮結合潛在危險區變形特征，通過增加測點及其他監測手段，探測邊坡巖體移動的規律，并依據觀測資料了解和掌握邊坡的形態、規模和發展趨勢，以便采取相應的處理措施[4-5]。

2.6 烏山礦露天邊坡在線監測改進措施

1)對現有雷達監測系統的技術改進

升級雷達監測系統的數據傳輸方式，優化供電系統。

2)補充爆破振動監測

采用爆破振動監測系統，針對依據規范設置的爆破振動測點進行了爆破振動測試，分析擬合爆破振動數據，得出適用于烏山銅鉬礦的監測區域范圍內爆破振動衰減規律公式，用于指導烏山銅鉬礦爆破設計。

3)增加深部滑動力監測和降雨量監測

對滑坡周邊區域加強監測，增加深部滑動力監測手段對可能存在滑坡風險的坡面巖體內部下滑力進行實時監測。

礦區降雨主要分布于 7、8 月間，礦區巖體節理裂隙較發育，降雨期間邊坡穩定性受集中降雨的影響較大，因此建議增加降雨量監測。

3 結論與建議

1)邊坡穩定性研究是一項貫穿整個露天開采始終的系統工程，在開采過程中，隨著邊坡巖體信息的逐步揭露，加強邊坡地質資料的收集、分析和穩定性評價工作，適時調整邊坡設計參數，為后續開采設計和邊坡安全管理提供科學依據。

2)在露天開采過程中，密切關注揭露的斷層破碎帶及密集的不利結構面，時刻注意觀察邊坡的動態，須加強必要的監測，必要時對危險坡體采取加固措施或局部將邊坡放緩。

3)在鄰近采場最終境界或永久邊坡的靠幫邊坡爆破時，宜采用預裂爆破和光面爆破技術，優化爆破參數，提高半孔率，保證永久邊坡巖體的完整性，加強減振控制技術研究。