大型露天礦巖體工程地質分區及邊坡巖土強度參數取值

李其在,董志富,周癸武

(云南黃金礦業集團股份有限公司)

工程地質分區在越來越多的露天開采礦山得到實際運用,也解決了系列問題,同時為下一步邊坡穩定性評價提供了評價依據及基本參數。王亞強等[1]通過近景攝影測量統計結構面,結合巖石物理力學試驗結果將烏山銅鉬礦露天采場分為5個地質分區,并進行各區的邊坡穩定性評價,給出各區具有針對性的治理方案。陶志剛等[2]采用模糊數學綜合評判方法和GIS空間矩陣差值算法對南芬露天鐵礦采場高陡邊坡進行了危險區域劃分。韓廷文等[3]根據巖石結構類型、工程地質巖組分布特征等多種指標將夏日哈木鎳鈷露天采場劃分為5個地質分區。本次以某大型露天礦山為工程背景,通過采場的地層劃分、結構面調查、破壞模式等對露天采場進行4個區域的劃分,同時對試驗及工程類比的邊坡巖土參數進行反分析,確定了巖土參數取值,支撐工程地質分區的合理性。

1 礦區概況

該露天礦山開采方式為山坡露天+凹陷露天,正在進行的露天初步設計最高標高1 925 m,封閉圈標高1 835 m,采場設計最低標高1 385 m,設計終了邊坡最大高差540 m,整體邊坡角38°～42°,屬于高陡邊坡。礦山邊坡臺階高度15 m,現階段露天開采深度為1 554 m水平,局部區域深度已經超過300 m,露天境界北部、西部部分區域上部已逐步靠幫。

隨著巖體揭露范圍不斷擴大,采場開采過程中已出現局部多臺階楔形滑落、臺階局部崩塌、復合破碎帶區域安全臺階消失、復合破碎帶軟化等情況(如圖1所示)。因此,亟須對該礦山開展詳細的工程地質調查并進行分區及穩定性評價[4-5],為礦山安全高效開采提供理論支撐。

圖1 災害現場照片

2 工程地質調查與分區

2.1 現場工程地質調查

經過現場踏勘工程地質調查,并結合多年的開采工作經驗,將整個采場地層按照地質年代、巖性和構造特點分為5種地層,如圖2所示。

圖2 礦區不同地層空間分布示意圖

工程經驗表明,結構面也是影響巖體穩定性的因素,因此本次在露天采場區域共統計了189處534組結構面。根據方位角度將露天采場平均分成8個區域(如圖3所示),分別統計了各區域內結構面的傾角、傾向,分析其對邊坡潛在破壞模式的影響。

1)1區統計31處共計76組結構面。層理面的傾角為15°～77°,平均傾角38°,傾向接近東西,與坡面反交,有利于邊坡的穩定性。節理傾向的分布范圍較為廣泛,大部分與1區臺階坡面正交或者逆交。

2)2區統計17處共計48組結構面。層理面的傾角為10°～50°,平均傾角37°,傾向接近東西,與坡面反交,有利于邊坡的穩定性。主要發育有2組節理:一組為西南的陡傾節理,一組為徑向正北的陡傾節理。大部分的節理傾角大于55°,與坡面為大角度斜交或者正交。

3)3區統計12處共計33組結構面,其分布規律與2區類似。層理以與坡面反傾的緩傾結構面為主,大部分傾角小于30°。節理則同樣發育為2組陡傾節理:一組傾向西南,一組傾向北,與坡面呈大角度斜交或者正交。

4)4區統計11 處共計 29 組結構面,層理的分布規律與 2 區類似。層理以與坡面反傾的緩傾結構面為主,大部分傾角小于30 °。節理則同樣發育為2組陡傾節理:一組傾向西南,一組傾向西北與坡面傾向一致,但大部分的傾角要比坡角大,有利于邊坡的穩定性。

5)5區統計15處共計31組結構面,層理的分布規律與4區類似。層理以與坡面反傾的緩傾結構面為主,大部分傾角小于30°,但發育有一組順傾的30°左右的節理。節理則同樣發育為2組陡傾節理:一組傾向西北,與坡面傾向一致;一組傾向東南,與坡面傾向正交,但大部分的傾角要比坡角大,有利于邊坡的穩定性。

6)6區統計13處共計34組結構面,其中包括7組層理和27組節理。層理以與坡面反傾的緩傾結構面為主,大部分傾角小于30°。而節理主要為反傾及正交陡傾。

7)7區統計 35 處共計 79 組結構面。層理以與坡面反傾的緩傾結構面為主,大部分傾角小于 30 °。而節理受到 F6斷層的影響,分布較為分散。除了有部分與坡面近乎正交和反交的節理外,有相當數量的與坡面傾向近似的陡傾節理分布,巖層相對破碎。

8)8區統計54處共計76組結構面。層理以與坡面反傾的緩傾結構面為主,大部分傾角小于30°。節理受到F6和F6-1斷層綜合影響分布密集,巖石完整性是8個區域中最差的。

2.2 邊坡工程地質分區

邊坡工程地質分區的目的在于對露天礦邊坡的各種表象特征及促其產生的各種因素進行組合概括,以簡明扼要地反映邊坡作用的內外在規律。科學的邊坡工程地質分區不僅能深化對邊坡的認識,而且能指導礦產開采、穩定性評價、災害預測和防治活動[6-9]。

2.2.1 工程地質分區

根據現場踏勘結果,露天采場主要巖層為灰巖、侵入巖接觸帶、沖洪積層、崩塌、殘坡積層、人工堆積體。工程地質分區如表1所示,各個工程地質分區的空間位置如圖4所示,各區節理分析如圖5 所示。

表1 露天采場工程地質分區

圖4 露天采場工程地質分區

圖5 各區節理分析圖

1)Ⅰ區(東區)。 露天礦東側近一半的邊坡下部主要為灰巖,且受構造帶影響小,巖層相對完整,北東側灰巖傾向與邊坡傾向構成正交坡,東側巖層傾向與邊坡傾向構成反向坡,但邊坡穩定性都是受與層面近直交的節理和巖層完整性控制。由于順坡向節理面傾角普遍大于63°,且貫通長度有限,潛在整體破壞以陡傾節理和斜切巖體為主。整體表現為巖體強度控制的近弧形滑動。從節理分布來說,在礦區東側灰巖層中分布有2組陡傾節理,分別為一組傾向340°、傾角70°的陡傾節理和一組傾向240°、傾角75°的陡傾節理,難以形成楔形體,局部破壞模式以局部崩塌掉塊為主。

2)Ⅱ區(西區)。露天礦西側主要是灰巖,與邊坡構成反向緩傾,上部為沖洪積層,中間為斷層破碎帶。從節理分布上來看,西部主要的層理以與坡面反傾的緩傾結構面為主,大部分傾角小于30°。而2組節理一組為傾向20°的陡傾節理、一組為傾向160°的陡傾節理,以與坡面正交為主,層理和節理與坡面組合可以形成楔形體,局部潛在破壞模式是楔形破壞。

3)Ⅲ區(南西區)。位于露天礦西南側,受F6斷層和F30斷層影響,灰巖稍破碎,但普遍有鈣質膠結,整體破壞以順傾節理和斜切灰巖為主。但在局部邊坡表層,巖體發育有1組順傾30°左右的節理。節理則同樣發育為3組陡傾節理,但2組傾向西北,1組傾向北東,與坡面小角度斜交,貫通長度幾米到十幾米,局部潛在破壞以順傾節理控制的崩塌滑移為主。

4)Ⅳ區(北西區)。位于露天礦北西側,受F6斷層和F6-1斷層影響,灰巖較破碎,節理發育,方向各異,邊坡穩定性稍差。巖層以緩傾角反傾坡面為主,節理與坡面可以形成楔形體,而且潛在滑面較多,局部潛在破壞模式是楔形破壞。

2.2.2 不同工程地質分區的典型剖面

根據露天采場地質分區結果,在各分區建立典型地質剖面,每個分區典型剖面在空間的具體位置如圖6所示。

圖6 每個分區典型剖面

Ⅰ區典型剖面Ⅰa(如圖7所示),剖面最低點1 576 m,最高點1 891 m,主要巖層包括人工填土、沖洪積層、灰巖。

圖7 Ⅰ區典型剖面Ⅰa模型

Ⅰ區典型剖面Ⅰb,最低點1 579 m,最高點1 850 m,主要穿越巖層包括沖洪積層、灰巖。與Ⅰa剖面不同,Ⅰb剖面由于位于礦區的東部,頂部無人工填土,而沖洪積層較厚,同時平均坡角更陡。典型剖面如圖8所示。

圖8 Ⅰ區典型剖面Ⅰb模型

Ⅱ區典型剖面,最低點1 578 m,最高點1 921 m,巖層包括上部的沖洪積層和灰巖,F6斷層穿過灰巖下部。典型剖面如圖9所示。

圖9 Ⅱ區典型剖面模型

Ⅲ區典型剖面,剖面最低點1 578 m,最高點1 893 m,主要穿越巖層為灰巖,是整個礦區中最陡的部分,平均坡角達到41°。上部因為存在一組順傾向緩傾節理及一組陡傾結構面的組合,發生了局部崩塌。典型剖面如圖10所示。

圖10 Ⅲ區典型剖面模型

Ⅳ區典型剖面,最低點1 577 m,最高點1 940 m,主要穿越巖層包括灰巖和斑巖,F6斷層和F6-1斷層穿過邊坡中部,是整個礦區邊坡中穩定性最差的部位。典型剖面如圖11所示。

圖11 Ⅳ區典型剖面模型

3 露天采場邊坡巖土強度參數取值

根據現場工程調查結果,露天采場主要巖層為沖洪積層、灰巖和破碎帶。通過工程類比法收集類似巖層的強度參數,得到露天采場主要巖層的力學參數取值范圍,結果如表2所示。

表2 露天采場巖層力學參數試驗結果

針對該露天采場巖層情況開展室內試驗和現場直剪試驗,試驗參數結果如表3所示。

表3 露天采場巖層力學參數試驗結果

3.1 強度參數反分析

根據邊坡工程地質分區結果,建立典型剖面及臺階概化模型。根據邊坡巖土強度參數統計資料確定各巖層強度參數取值范圍,結合不同剖面的穩定性狀態,對沖洪積層、灰巖和破碎帶的強度參數進行反分析。參數反分析采用極限平衡方法中的Bishop法,圓弧滑面,利用Rocscience Slide軟件完成[10-14]。

根據GB 51016—2014 《非煤露天礦邊坡工程技術規范》中對露天礦邊坡危害等級劃分,露天采場邊坡等級擬定為1級。根據該規范的要求,露天礦邊坡設計安全系數限值當考慮地下水時,安全系數為1.20～1.25;考慮地下水和爆破振動時,安全系數為1.18～1.23;考慮地下水和地震力時,安全系數為1.15～1.20。

3.1.1 沖洪積層強度參數反分析

1)沖洪積層整體地質模型。選取1,2號2個典型剖面進行反分析。

(1)1號剖面最低點1 578 m,最高點1 858 m,主要穿越巖層為沖洪積層及灰巖(如圖12所示)。沖洪積層強度參數初始取值范圍為:內聚力C=30～75 kPa,內摩擦角φ=31°～34°。當強度參數取C=26 kPa,φ=30°時,邊坡穩定系數為1.00,邊坡剛剛滿足穩定性要求,為計算的下限值。當強度參數取C=32 kPa,φ=31°時,邊坡穩定系數達到1.10;當強度參數取C=44 kPa,φ=32°時,邊坡穩定系數達到1.25;當強度參數取C=56 kPa,φ=33°時,邊坡穩定系數達到1.40;當強度參數取C=72 kPa,φ=34°時,邊坡穩定系數達到1.55;當強度參數取C=92 kPa,φ=35°時,邊坡穩定系數達到1.70。

圖12 1號剖面地質模型

(2)2號剖面最低點1 579 m,最高點1 842 m,主要穿越巖層為沖洪積層及灰巖(如圖13所示)。當強度參數取C=35 kPa,φ=31°時,邊坡穩定系數為1.08,邊坡剛剛滿足穩定性要求,為強度參數的下限值。當強度參數取C=37 kPa,φ=31°時,邊坡穩定系數達到1.10;當強度參數取C=49 kPa,φ=32°時,邊坡穩定系數達到1.25;當強度參數取C=61 kPa,φ=33°時,邊坡穩定系數達到1.40;當強度參數取C=74 kPa,φ=34°時,邊坡穩定系數達到1.55;當強度參數C=101 kPa,φ=35°時,邊坡穩定系數達到1.70。

圖13 2號剖面地質模型

圖14 沖洪積層臺階模型計算結果

依據現場調查結果,目前沖洪積層的現狀邊坡穩定性較好,因此沖洪積層的強度參數反分析結果為C=45～75 kPa,φ=32°～34°。

2)沖洪積層局部臺階模型。對于東側的沖洪積層,其臺階邊坡穩定性較好。臺階高度10 m,臺階寬度6 m、坡角56°～63°,取4種參數組合進行反分析,結果如表4所示。模型采用2種:模型1為單級坡角56°,坡高10 m,臺階寬度6 m;模型2為單級坡角63°,坡高10 m,臺階寬度6 m。

表4 沖洪積層臺階模型組合

當沖洪積層強度參數取C=45～60 kPa,φ=32°～33°時,得到的臺階穩定性情況與現場實地情況較為一致(如圖4所示)。

3.1.2 灰巖強度參數反分析

1)灰巖整體地質模型。選取3,4號2個典型剖面進行反分析。

(1)3號剖面坡度較陡,為40°左右,最低點1 578 m,最高點1 893 m,主要穿越巖層為灰巖,如圖15所示。當灰巖強度參數取C=80 kPa,φ=36°時,邊坡穩定系數為1.013,邊坡剛剛滿足穩定性要求,為計算的下限值。當灰巖強度參數取C=105 kPa,φ=37°時,邊坡穩定系數為1.09;當灰巖強度參數取C=150 kPa,φ=39°時,邊坡穩定系數為1.24;當灰巖強度參數取C=230 kPa,φ=40°時,邊坡穩定系數為1.24。

圖15 3號剖面地質模型

根據現場調查,北東、東和西側的灰巖完整性好,南側灰巖相對破碎,但整體灰巖強度應該不低于3號剖面反分析獲得的強度參數。因此,整體灰巖參數值比3號剖面的強度參數要高,取內摩擦角φ=37°～40°,內聚力C=200～280 kPa。當灰巖層位均取下限值φ=37°,內聚力C=200 kPa時,3號剖面的穩定性系數為1.34。

(2)4號剖面最低點1 578 m,最高點1 921 m,主要穿越巖層包括沖洪積層和灰巖,剖面的模型如圖16所示。當灰巖強度參數取C=50 kPa,φ=35°時,邊坡穩定系數為1.05,邊坡滿足穩定性要求下限,為灰巖強度參數的下限值。當灰巖強度參數取C=65 kPa,φ=35°時,邊坡穩定系數為1.09;當灰巖強度參數取C=116 kPa,φ=36°時,邊坡穩定系數為1.25;當灰巖強度參數取C=180 kPa,φ=37°時,邊坡穩定系數為1.40;當灰巖強度參數取C=215 kPa,φ=39°時,邊坡穩定系數為1.55。4號剖面平均坡角稍緩,灰巖總體完整性好于3號剖面,且無不利順傾結構面,反分析得到的灰巖強度參數值代表了目前的穩定性狀態下限。灰巖強度參數C=200～280 kPa,內摩擦角φ=37°～40°,計算得到的邊坡穩定性系數符合目前邊坡穩定狀態。

圖16 4號剖面地質模型

2)灰巖局部臺階模型。大部分灰巖臺階邊坡的穩定性較好。取4種參數組合進行分析,結果如表5所示,模型采用2種:模型1為單級坡角63°,坡高10 m,臺階寬度3 m;模型2為單級坡角75°,坡高10 m,臺階寬度5 m。從計算結果中可以看出,當灰巖強度參數取下限值C=200 kPa,φ=37°時,灰巖臺階邊坡的穩定性較好(如圖17所示),與現場調查結果一致。

表5 灰巖臺階模型組合

3.1.3 破碎帶強度參數反分析

斷層破碎帶為F6、F6-1、F30、F31,斷層破碎帶內巖層主要為破碎灰巖和侵入的風化斑巖,以破碎灰巖為主。破碎灰巖的巖體性質較風化斑巖好。F6斷層是最主要斷層,在礦場的南側,塊體較大;在礦場的北部和中間,巖體破碎;在礦場的西和西南側,多有斑巖侵入,破碎帶內巖體更為破碎。

通過分析建立臺階邊坡模型,對灰巖破碎帶和斑巖破碎帶的強度參數進行反分析。當灰巖破碎帶的強度參數取下限值C=80 kPa,φ=33°時,臺階的穩定性已非常好,與現場調查結果一致(如表6及圖18所示)。

表6 灰巖破碎帶臺階邊坡計算結果

圖18 灰巖破碎帶與斑巖破碎帶臺階模型計算結果

當斑巖破碎帶的強度參數取下限值C=30 kPa,φ=30°時,臺階邊坡處于不穩定狀態,與現場調查結果一致(如表7所示)。

表7 斑巖破碎帶臺階邊坡計算結果

結合現場調查結果,以F6斷層為主的破碎帶主要是灰巖破碎帶,由于普遍存在膠結,整體性較好,而F6-1斷層幾乎一半是斑巖破碎帶,其臺階邊坡的整體穩定性弱于F6斷層臺階邊坡,因此F6-1斷層強度參數取值比F6斷層稍低。

灰巖破碎帶強度參數為:內聚力C取值大于80 kPa,內摩擦角φ取值大于33°;斑巖破碎帶強度參數為:內聚力C取值大于30 kPa,內摩擦角φ取值大于30°。

3.2 強度參數取值

根據邊坡主要巖層如沖洪積層、灰巖、破碎帶等的強度參數反分析結果,結合邊坡巖土現場和室內試驗結果,綜合考慮得到邊坡巖土強度參數取值,結果如表8所示。

表8 露天采場巖體強度參數取值

4 結 論

1)露天采場邊坡主要巖層為灰巖,依據巖性、地形地貌、巖石完整性、結構面等級、巖層傾向與邊坡傾向關系、巖層傾角、邊坡高度、破壞模式及水文地質條件等地質要素,將露天采場邊坡劃分為Ⅰ區(東側)、Ⅱ區(西側)、Ⅲ區(南西側)和Ⅳ區(北西側)等4個區。給出了不同工程地質分區的典型地質剖面,為不同工程地質分區邊坡強度參數反分析提供了有代表性的地質模型。

2)通過工程類比確定了露天采場主要巖層的強度參數取值范圍,得到露天采場主要巖層的物理力學參數取值范圍。在此基礎上,選取典型地質剖面,根據邊坡整體穩定和臺階邊坡局部穩定狀態,分別對沖洪積層、灰巖、灰巖破碎帶和斑巖破碎帶的強度參數進行了反分析,得到了各巖層的強度參數,結合現場和室內試驗結果,給出了露天采場邊坡巖土強度參數取值。