馬豆溝露天鈦礦土質(zhì)巖質(zhì)組合邊坡穩(wěn)定性分析

張雄偉

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司,云南 昆明 650051)

0 引言

馬豆溝鈦砂礦位于武定縣獅山鎮(zhèn),為一在建的露天鈦礦山,該露天鈦礦生產(chǎn)規(guī)模34 萬t/a,該礦山鈦礦為砂質(zhì)土體,采用機(jī)采水運(yùn)(挖掘機(jī)挖掘礦體集堆,水槍沖采礦體造漿,礦漿自流+泵送的方式運(yùn)輸?shù)竭x廠) 的開采方式,采場形成的最終邊坡上部為土質(zhì)邊坡,下部為巖質(zhì)邊坡。礦權(quán)區(qū)位于武定河下游南東岸的斜坡地帶,地形總體南東高北西低,最高點(diǎn)為礦區(qū)南部山脊,標(biāo)高1 999.8 m,最低點(diǎn)為礦區(qū)北東側(cè)的馬豆溝,標(biāo)高1 807 m,相對高差192.8 m,地面坡度一般5°～15°,屬山區(qū)丘陵。坡面植被一般較好,植物以松樹和其它灌木為主,植被覆蓋率約80 %。

1 礦區(qū)工程地質(zhì)概況

礦區(qū)地處武定盆地東部邊緣中山地形地貌區(qū),植被發(fā)育,浮土覆蓋較厚。礦區(qū)岀露地層主要為泥盆系中統(tǒng)(D2) 及第四系(Q) 地層。

1.1 泥盆系中統(tǒng)(D2)

根據(jù)巖性組合可劃分為3 段。

1.2 第四系(Q)

主要由殘坡積、人工堆積層及少量沖積層組成。

殘坡積層主要由輝長輝綠巖體風(fēng)化形成的殘積層、坡積層組成。殘坡積層為礦區(qū)鈦鐵砂礦的含礦層。

礦區(qū)范圍內(nèi)的殘坡積層-基巖(ν)。據(jù)疏松土狀集合體的顏色、結(jié)構(gòu)、化學(xué)組分、礦物組合、粘土礦物成分差異,自地表至深部將基性巖風(fēng)化殼垂直劃分為：紅土層、粘土層、粘土巖屑層及新鮮含鈦輝綠輝長巖(ν) 4 層。分述如下：

紅土層(Ⅰ)：分布于風(fēng)化殼的表層,為磚紅色,潮濕者呈棕紅、鮮紅色,土狀結(jié)構(gòu),多孔、疏松,近地表植物根系發(fā)育,土壤化作用明顯,原生巖石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造已無保存,主要由粘土及細(xì)粒鐵氧化礦物及氫氧化物的混合物,而粘土礦物則以鱗片狀埃洛石、伊利石為主,少見蒙脫石、褐鐵礦污染強(qiáng)。

粘土層(Ⅱ)：位于紅土層之下,在溝谷兩側(cè)可見,呈黃褐、灰白、淺紫、淺棕等雜色,砂土狀結(jié)構(gòu),原巖的風(fēng)化殘余結(jié)構(gòu)(輝綠結(jié)構(gòu)、斑狀結(jié)構(gòu)) 在局部時(shí)有保存,主要由粘土、鐵氧化物與氫氧化物、巖屑、砂等集合體組成,粘土礦物以鱗片狀伊利石為主,局部見埃洛石、下部見較多的蒙脫石。

粘土巖屑層(Ⅲ)：介于粘土層與新鮮含鈦輝綠輝長巖間,以半風(fēng)化輝綠輝長巖為主,呈褐色,風(fēng)化殘余的原巖結(jié)構(gòu)、構(gòu)造清晰可見,拉長石、輝石的斑晶多已變成粘土礦物或綠泥石,巖石雖具新鮮巖石的外貌。已變軟出現(xiàn)以蒙脫石為主,少量伊利石的粘土礦物。

輝綠輝長巖體(ν) 巖石外觀呈灰黑色、暗綠色,塊狀構(gòu)造,致密堅(jiān)硬,為富鈦、富鐵硅不飽和巖體,為鈦鐵砂礦成礦母巖。巖石結(jié)構(gòu)以輝綠結(jié)構(gòu)、輝長結(jié)構(gòu)、嵌晶含長結(jié)構(gòu)以及這3 種結(jié)構(gòu)的過渡類型為主。巖體出露面積與風(fēng)化殼分布范圍基本一致。在地形地貌條件適宜的情況下,形成面狀分布的鈦鐵砂礦礦床。

2 礦體及圍巖穩(wěn)固性評價(jià)

2.1 鈦鐵砂礦頂、底板圍巖特征

礦區(qū)范圍內(nèi)的殘積型鈦鐵砂礦及坡積型鈦鐵砂礦體呈面狀分布,并直接出露地表,沒有蓋層,鈦鐵砂礦體基本沒有頂板。

2.2 鈦鐵砂礦體、底板穩(wěn)固性評價(jià)

含礦層主要由第四系殘坡積物、人工堆積物組成。主要成分為粘土、亞粘土、原巖碎塊、碎石,松散-稍密或硬塑,局部含碎石,粗粒含量一般占5 %～25 %,往底部粗粒成分增多,為粗砂等碎屑夾輝長輝綠巖風(fēng)化碎塊,并逐漸過渡到完整輝長輝綠巖體。鈦鐵砂礦具有一定的膨脹與收縮性,土狀結(jié)構(gòu),多孔、疏松;由于孔隙比均較高,土樣的壓縮性偏高,強(qiáng)度不均一,在礦體露天開采過程中有可能會出現(xiàn)局部邊坡坍塌及滑坡,安全生產(chǎn)管理過程中時(shí),應(yīng)注意采取必要的預(yù)防措施。

礦體深部直接底板巖性(基巖ν) 為含鈦輝綠輝長巖,為鈦鐵砂礦的母巖,分布于礦區(qū)中部,為鈦鐵礦礦體的底板圍巖;輝綠輝長巖屬于新鮮巖體,堅(jiān)硬且強(qiáng)度高,穩(wěn)定性好;風(fēng)化巖體強(qiáng)度及穩(wěn)定性降低,總體屬堅(jiān)硬巖組。其強(qiáng)風(fēng)化帶為鈦鐵砂礦的賦礦層,對礦床開采邊坡穩(wěn)定有影響。

3 巖土體物理力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)昆明理工大學(xué)于2021 年6 月提交的《云南冶金新立鈦業(yè)有限公司馬豆溝鈦礦20 萬m3/a采礦工程露天采場現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性分析》 研究報(bào)告當(dāng)中,為了驗(yàn)證露天采場邊坡的穩(wěn)定性,開展了現(xiàn)場原位直剪試驗(yàn)和室內(nèi)土工試驗(yàn)工作(見圖1、圖2 和圖3),繼而開展了邊坡巖土體力學(xué)參數(shù)研究工作,確定了該礦采場邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo),詳見表1。

圖1 現(xiàn)場切割好的毛試樣圖Fig.1 Samples cut on site

圖2 現(xiàn)場澆灌好的試體圖Fig.2 The test body irrigated on site

表1 馬豆溝鈦礦露天礦邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)匯總表Tab.1 Summary table of physical and mechanical parameters of slope rock and soil of Madougou Open-pit Titanium Mine

圖3 馬豆溝露天采場現(xiàn)狀形態(tài)布置圖Fig.3 The current morphological layout of Madougou open pit

4 露天采場現(xiàn)狀邊坡現(xiàn)場勘查

通過現(xiàn)場實(shí)際踏勘調(diào)查,馬豆溝鈦礦露天采場現(xiàn)狀邊坡位于礦區(qū)東南幫,露天采場東南幫現(xiàn)狀邊坡1 965 m 平臺平均寬度5.4 m;1 955 m 平臺平均寬度6 m;1 945 m 平臺平均寬度12.5 m;1 930 m 平臺平均寬度6.2 m;大部分現(xiàn)狀臺階坡面角為35°～50°。1 965 m 平臺靠西邊現(xiàn)狀臺階高度為12～14 m,1 965 m 平臺中部以及靠東邊現(xiàn)狀臺階高度為5～10 m;1 965 m 平臺至1 955 m平臺之間現(xiàn)狀臺階高度基本為6～10 m;1 955 m平臺至1 945 m 平臺之間現(xiàn)狀臺階高度為12～13 m;位于1 945 m 平臺西邊,緊挨1 945 m 平臺下面的現(xiàn)狀臺階高度為14～20 m。現(xiàn)狀110 kV 高壓線保護(hù)帶已被開挖破壞,形成了3 個(gè)獨(dú)立的山包,見圖3。同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況,露天采場東南幫及高壓電線塔山包(110 kV 高壓線桿塔基礎(chǔ)邊坡) 現(xiàn)狀邊坡未發(fā)現(xiàn)明顯變形及開裂現(xiàn)象。山包后期設(shè)計(jì)中直接開采掉,消除其安全隱患。

5 露天終了境界邊坡穩(wěn)定性分析

5.1 計(jì)算剖面選擇、建立

結(jié)合各采區(qū)終了邊坡高度、邊坡巖土體特性及邊坡穩(wěn)定性研究報(bào)告結(jié)論,該次邊坡穩(wěn)定性分析共選取了4 個(gè)典型剖面,設(shè)計(jì)終了境界的各個(gè)剖面圖位置詳見圖4,生成的三維立體露天終了境界模型詳見圖5。終了境界邊坡穩(wěn)定性分析根據(jù)露天境界不同區(qū)域選取了有代表性的剖面,詳見圖6-9。2021 年4 月在露天采場開展了現(xiàn)場原位直剪試驗(yàn)和室內(nèi)土工試驗(yàn)工作,確定了該礦采場邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo),詳見表1。

圖4 露天開采終了境界平面圖及邊坡穩(wěn)定驗(yàn)算剖面位置圖Fig.4 The plan view of the ultimate boundary of open-pit mining and the position of the slope stability check section

圖5 露天開采終了境界3DMINE 三維立體模型圖Fig.5 3DMINE three-dimensional model diagram at the final pit of open-pit mining

圖6 B-B 剖面圖Fig.6 B-B section plan

根據(jù)各采區(qū)典型剖面圖,結(jié)合礦區(qū)露采邊坡巖土體特性,對剖面進(jìn)行概化處理,并結(jié)合采場邊坡設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形態(tài),建立各采區(qū)邊坡計(jì)算模型,采用數(shù)值分析法借助巖土邊坡分析軟件FLAC2D7.0 對設(shè)計(jì)終了采場邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)算分析。

圖7 C-C 剖面圖Fig.7 C-C section plan

圖8 D-D 剖面圖Fig.8 D-D section plan

圖9 E-E 剖面圖Fig.9 E-E section plan

5.2 邊坡穩(wěn)定性判別標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù) 《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 51016—2014) 中對不同荷載組合下總體邊坡的設(shè)計(jì)安全系數(shù)要求見表2。

表2 不同荷載組合下總體邊坡的設(shè)計(jì)安全系數(shù)Tab.2 Design safety factors of the overall slope under different load combinations

依據(jù)上述邊坡穩(wěn)定性判別準(zhǔn)則,馬豆溝露天采場設(shè)計(jì)終了邊坡最高點(diǎn)標(biāo)高為1 995 m,露天坑底標(biāo)高1 890 m,設(shè)計(jì)終了采場邊坡最大高度為105 m,邊坡下部坡度平緩且平緩地帶較長,如發(fā)生滑坡,邊坡危害等級為不嚴(yán)重。據(jù)已有勘察資料揭示,馬豆溝鈦鐵礦露天采場邊坡巖土體均位于地下水位之上,地下水對邊坡穩(wěn)定性基本無影響;由于馬豆溝采場采用機(jī)采水運(yùn)采礦方法,故不用考慮爆破振動(dòng)載荷情況下的邊坡安全系數(shù)。

綜上所述,擬定該露天礦邊坡工程安全等級為Ⅲ級,其邊坡安全系數(shù)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：

荷載組合Ⅰ為自重+地下水工況Fs≥1.15;

荷載組合Ⅲ為自重+地下水+地震力工況Fs≥1.10。

5.3 基于數(shù)值模擬FLAC2D 邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

該露天礦設(shè)計(jì)終了境界邊坡上部為鈦鐵砂礦土體,下部邊坡出露介質(zhì)為新鮮致密堅(jiān)硬的輝綠輝長巖,該巖石穩(wěn)定性好。該次采用強(qiáng)度折減法FLAC2D7.0 巖質(zhì)邊坡分析軟件對該露天礦設(shè)計(jì)終了境界邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析,搜索邊坡的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面,并計(jì)算出邊坡的安全系數(shù),計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 露天設(shè)計(jì)終了境界采場邊坡安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果表Tab.3 The calculation results of the safety factor of ultimate boundary of the open-pit design

剪應(yīng)變率等值線表示剪切破壞面,即是邊坡變形潛在滑坡破壞面的位置,見圖10-13,露天開挖后邊坡潛在的最不利滑動(dòng)面位置圖。

6 結(jié)語

根據(jù)表3 匯總的露天終了采場邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果和計(jì)算結(jié)果云圖10-13 中可見：

圖10 B-B 剖面潛在滑動(dòng)面分布云圖Fig.10 Cloud map of potential sliding surface distribution in section B-B

(1) 設(shè)計(jì)開采終了境界邊坡各剖面安全系數(shù)在自重+地下水工況下(荷載組合I),露天采場不同區(qū)域邊坡剖面安全系數(shù)FS 均大于1.15,滿足規(guī)范Ⅲ級邊坡工程安全等級要求,說明露天終了境界邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài),安全有一定保障,也論證了該露天開采設(shè)計(jì)方案具有一定的可行性和合理性,為后期的露天邊坡開挖布置提供了指導(dǎo)依據(jù)。

(2) 設(shè)計(jì)開采終了境界邊坡各剖面安全系數(shù)在自重+地下水+地震工況下(荷載組合III),露天采場不同區(qū)域邊坡剖面安全系數(shù)均大于1.10,滿足規(guī)范Ⅲ級邊坡工程安全等級要求,說明該露天終了境界邊坡在現(xiàn)露天開采設(shè)計(jì)方案下具有一定的抗地震擾動(dòng)能力。

(3) 通過對露天采場東南幫現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算,該區(qū)域邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài),建議東南幫邊坡區(qū)域采取植被復(fù)墾的防護(hù)處理措施,同時(shí)每個(gè)平臺設(shè)置漿砌石排水溝,斷面尺寸400 mm×400 mm。

(4) 東南幫邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài),但不排除局部發(fā)生破壞的可能。在實(shí)際生產(chǎn)過程中,要加強(qiáng)對邊坡的巡查,發(fā)現(xiàn)危石、浮石,應(yīng)及時(shí)處理,確保礦山安全生產(chǎn),同時(shí)露天境界周邊盡快建設(shè)場外截水溝,加強(qiáng)防排水工作。

圖11 C-C 剖面潛在滑動(dòng)面分布云圖Fig.11 Cloud map of potential sliding surface distribution in section C-C

圖12 D-D 剖面潛在滑動(dòng)面分布云圖Fig.12 Cloud map of potential sliding surface distribution in section D-D

圖13 E-E 剖面潛在滑動(dòng)面分布云圖Fig.13 Cloud map of potential sliding surface distribution in E-E section