礦山巖土工程勘察中土工試驗的要點研究

白 冰

（甘肅省地質礦產勘查開發局水文地質工程地質勘察院，甘肅 張掖 734000）

礦產資源的開發與利用是社會經濟發展的基礎，也是科學技術賴以持續發展的原材料之一。因此，合理規劃資源的開采進度是至關重要的[1]。資源的開發與利用離不開工程地質的勘察，如何有效地提高礦山巖土工程勘察質量是降低采礦風險的前提。鑒于此，本文結合礦山巖土工程勘察實例，分析土工試驗在該項工作中的要點，以期為提高土工試驗質量提供參考依據。

1 礦山土工試驗主要內容

礦山土工試驗的主要目的是查明礦山范圍內各個巖土體的物理力學參數，為進一步制定資源開采方案等提供數據支撐[2，3]。因此，礦山土工試驗就是利用專業儀器設備對礦山范圍內開采資源可能涉及到的巖土體進行測試分析，對各個巖土體結構以及物理力學性能等進行綜合評價，如含水量、密度、壓縮強度、抗彎強度和放射性等。常見的礦山土工試驗方法包括滲透試驗、三軸試驗等，應結合礦山巖土體類型等選擇合理的試驗方法[4，5]。如某礦山為了確定各個巖土體物理力學參數，對涉及到的風化花黑云母二長花崗巖、半風化黑云母二長花崗巖和未風化的黑云母二長花崗巖進行了測試分析，其結果見表1。由表1可知：風化黑云母二長花崗巖的壓縮強度和彎曲強度均較低，不宜作為開采過程中的持力層；未風化黑云母二長花崗巖的壓縮強度和彎曲強度均較大，滿足堅硬巖組的基本要求，可以將其作為平硐以及采空區的持力層。

2 礦山土工試驗主要用途

為充分說明礦山土工試驗的適用用途等，本文結合某礦山工程地質調查進行論述。

2.1 工程巖組劃分

工程巖組劃分是土工試驗的主要目的，是對不同巖土體樣品進行測試后，根據各項物理力學指標進行工程巖組的劃分，如根據表1測試結果，可將該礦山內的各個巖土體劃分為如下幾個工程巖組。

表1 某礦山不同巖土體物理力學參數一覽表

2.1.1 松散堆積巖組

該組主要為第四系殘坡積層，整體較軟，可塑狀態，土體結構松散，由它構成的土質邊坡穩定性較差，但其厚度較薄，分布范圍較少，因此不會引發成規模的滑坡、崩塌等災害。此外，該巖組主要分布于礦區周邊沖溝及兩側20m范圍內，推測厚度2m～3m，對礦產資源的開發利用影響不大。

2.1.2 較堅硬巖組

主要為風化的黑云母二長花崗巖。風化的黑云母二長花崗巖呈灰白色、白色，花崗結構，塊狀構造，風化程度較弱，巖石硬度較大，質脆。巖石的出露面積較大，抗風化能力較強，完整性較好，沿溝谷呈高聳山包狀，局部呈陡坎狀，巖石裂隙發育較弱。該巖組是礦體的頂板，屬于較穩定巖組，根據少量的物理力學參數可知（表1），其壓縮強度和彎曲強度均不能滿足持力層的需求。

2.1.3 堅硬巖組

主要為未風化的黑云母二長花崗巖。黑云母二長花崗巖總體呈灰白色，花崗結構，塊狀構造，未風化，巖石硬度較大，堅硬。該組可作為資源開采的主要持力層，其壓縮強度一般大于100MPa。

2.2 工程地質條件現狀評價

根據土工試驗結果，結合礦區的地質構造特征等，對礦區的工程地質條件現狀進行評價，如礦區地質構造較弱，巖石較為完整，山體穩定，自然斜坡現狀穩定，區內未發現滑坡、崩塌等災害，工程地質條件較好。但在暴雨、地震、采場邊坡在不利組合條件下，可能引起采場邊坡的局部崩塌、掉塊現象。

2.3 工程地質條件預測評價

由于礦區的巖石較硬，力學強度高，屬較堅硬巖石，礦山開采而引發山體崩塌、滑坡、泥石流的可能性小，導致環境惡化可能性小。但受到節理面和風化作用的切割影響，采場邊坡在不利的組合條件下，易引起采場邊坡局部崩塌、掉塊現象；采場內形成的危巖若未能及時清除，在降雨季和爆破力震動影響下，該區域存在崩塌的可能性，將危及施工人員及設備的安全，可能性中等，危險性中等。

對于采礦活動可能引發的邊坡崩塌、掉石等隱患，建議采場開采順序應自上而下的分臺階開采，階段高度10m，階段邊坡角60°，安全平臺寬度6m，最終邊坡角采用55°。對不穩定邊坡應長期進行監測，并采取支擋、加固等措施。對危巖、坡面浮石及時清除，防止其墜落，危及施工人員及設備的安全。

2.4 工程地質類型

根據土工測試結果，結合礦區地質特征等，對礦區的工程地質類型進行評價，為進一步編制開采方案提供依據[6]。如礦區地質構造簡單，巖石力學強度高，幾乎無軟弱夾層，解理裂隙發育較弱，其完整性和穩定性均相對較好，露天開采時需將采場邊坡角控制在合理范圍之內，并及時清除坡面浮石、危巖，防止其墜落。因此，礦區的工程地質類型為層狀結構的中等類型。

3 土工試驗要點分析

3.1 樣品的采集

樣品的采集質量對土工試驗結果影響較大，主要體現在以下幾個方面：①應按照不同的巖土體類型進行分別采集樣品，如黑云母二長花崗巖可根據風化程度等分為全風化黑云母二長花崗巖、半風化黑云母二長花崗巖、弱風化黑云母二長花崗巖和未風化黑云母二長花崗巖等類型，若在測試過程中未按照不同類型采集樣品，則所獲得的測試結果是不可靠的；②樣品的采集應避免原始狀態的擾動，即樣品采集不宜使用大錘等擊打取樣，這是因為這種方式會導致所采集的樣品因擊打而產生大量的微裂隙，雖然在肉眼現狀下無法識別出，但是顯著降低了各類巖土體的壓縮強度和彎曲強度，同時降低了巖土體的耐磨性，提高了樣品的吸水率，所獲取的測試結果也是無法滿足實際需求的。因此，為了確保樣品采集合格，可采用小型切割機對所需樣品進行切割，再經過鋼釬等工具在切割裂縫部位輕輕敲打即可完成樣品的采集工作（圖1）。

圖1 未風化黑云母二長花崗巖樣品照片

3.2 樣品的加工

對于礦山土工試驗來說，樣品的加工質量對測試結果的影響極為明顯，主要體現在以下幾個方面：①樣品測試大小的確定，對于細粒花崗巖來說，如切割成3cm×3cm×3cm的標準樣品可進行試驗，所獲測試結果基本一致；但是對于巨斑狀黑云母花崗巖等樣品來說，巖石中的斜長石、鉀長石等斑晶的長度可大于3cm，此時若繼續切割成3cm×3cm×3cm的標準樣品，則在測試過程中因樣品尺度范圍內礦物差異而導致壓縮強度、彎曲強度等顯著降低，此時需要根據巖石的均一程度適當調整樣品的大小（圖2），才能獲得更加可靠的測試結果；②巖土體樣品的壓縮強度和彎曲強度等分為干燥和飽和兩種狀態，即在標準樣品制備完成后，飽和樣品需要在水中浸泡，此時需要根據測試樣品的基本巖性進行判斷，確定樣品的浸泡時間，這是由于不同巖性的巖石具有不一致的吸水性和保水性，只有在充分飽水的條件下，所獲的飽水壓縮強度和飽水彎曲強度等才更加可靠。

圖2 巨斑狀黑云母二長花崗巖標準樣品

3.3 樣品的測試過程

樣品的測試過程對土工試驗結果影響也較為明顯，尤其是壓縮強度和彎曲強度，這是由于壓縮強度和彎曲強度是在壓力機的作用下進行試驗的，此時對壓力的施加至關重要，主要表現在以下幾個方面：①在壓縮強度和彎曲強度測試過程中，壓力的施加不宜過慢，若緩慢增加靜載壓力，則所獲取的巖石強度是不真實的，一般所獲取的壓縮強度和彎曲強度略大；②若在靜載壓力過快時，則容易對標準樣品施加巨大的壓力，此時導致巖石內部的礦物顆粒之間還未適應壓力的變化時就已經使得部分礦物破碎，進而導致所獲取的壓縮強度和彎曲強度值是遠小于實際值的。

3.4 試驗設備的選擇

在土工試驗過程中試驗設備的選擇較為重要，這是由于不同廠家生產的儀器設備的穩定性是不一致的[7，8]。因此，為了確保土工試驗結果的可靠性和穩定性，一般宜選擇國家規定的相關儀器設備進行相應的試驗，對于不符合標準的儀器設備不宜作為礦山土工試驗使用。

此外，儀器設備在使用過程中受多種因素的影響，導致出現各類隱患，故做好儀器設備的定期檢修、維護與保養是提高設備性能的基礎。如刮土刀在使用時間較長的情況下容易因缺口而導致刀刃不平整，容易造成試驗結果出現不必要的誤差。

4 結語

綜上所述，土工試驗在礦山巖土工程勘察中的應用極為廣泛，與礦產資源的開發與利用息息相關，與礦山的安全生產緊密的聯系在一起，因此如何提高礦山巖土工程勘察過程中的土工試驗結果的可靠性和穩定性，是當前一直探索的熱點問題之一。本文通過實例的方式講述了礦山土工試驗的主要用途，同時根據土工試驗流程對各個環節容易出現失誤的操作進行了簡要的總結，為同類型礦山土工試驗質量的提高提供參考。