銅多金屬礦開采及邊坡穩(wěn)定性分析

樊慶強(qiáng)，喬延雷

（1.西藏玉龍銅業(yè)股份有限公司，西藏 昌都 854100；2.青海銅業(yè)有限責(zé)任公司，青海 南寧 811699）

露天采礦中，影響礦山生產(chǎn)正常進(jìn)行的決定性因素即為采掘現(xiàn)場(chǎng)的穩(wěn)定性。采掘現(xiàn)場(chǎng)一旦有滑坡現(xiàn)象發(fā)生，不僅對(duì)露天礦山正常生產(chǎn)造成影響，有關(guān)露天礦的邊坡穩(wěn)定性能的研究比較復(fù)雜，其中涉及到邊坡的坡型與坡率，物理學(xué)的性質(zhì)、地下水分布等，目前國(guó)際上針對(duì)露天礦邊坡穩(wěn)定性能方面的研究尚處于探索階段。

1 工程概況

西藏某銅多金屬開采工程實(shí)施露天開采模式，運(yùn)用露天開采的方式進(jìn)行角巖礦體開采，該項(xiàng)工程的角巖露天礦設(shè)計(jì)的基本參數(shù)包括：露天采坑4750m的坑底標(biāo)高，5240m的最高境界標(biāo)高，540m的最大邊坡高度,15m的臺(tái)階高度，42.5°～44°邊坡角度、6000kt/a設(shè)計(jì)規(guī)模。在探礦工程不斷進(jìn)行下，又針對(duì)角巖的露天坑?xùn)|面進(jìn)行南坑礦體開采，其設(shè)計(jì)規(guī)模為5000t/d。高邊坡開采，高陡露天開采邊坡，需要更高要求的開采邊坡的穩(wěn)定性，一旦邊坡遭到破壞失穩(wěn)，將會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失或者人員傷亡。

2 地質(zhì)基本特征

該銅多金屬的礦區(qū)在推覆結(jié)構(gòu)的影響下，以褶皺結(jié)構(gòu)發(fā)育為主，斷裂結(jié)構(gòu)為次。礦區(qū)礦體為矽卡巖銅多金屬類型，在白堊系的下統(tǒng)林布宗組與侏羅系的上統(tǒng)底溝組上部接觸部位以層狀狀態(tài)分布，大多主礦體處于灰?guī)r層地下水的上方。地層的巖性比較復(fù)雜，其構(gòu)造發(fā)育為破碎帶，具有較強(qiáng)巖石風(fēng)化的作用，冰凍層的厚度較大，邊坡的工程地質(zhì)復(fù)雜，屬于中等的平硐開采地質(zhì)條件，礦床地質(zhì)條件為可層狀-可溶鹽巖。結(jié)合調(diào)查分析的結(jié)果，將工程地質(zhì)巖組劃分為南坑和角巖。

該銅多金屬礦水文特征為半干旱區(qū)的巖溶、溶蝕裂隙、底板直接等充實(shí)類礦床，因此邊坡的穩(wěn)定性受地表及地下水的影響較小。

3 地質(zhì)調(diào)查以及設(shè)計(jì)

（1）地質(zhì)分區(qū)。結(jié)合工程南坑及角巖設(shè)計(jì)方案，充分考慮露天礦場(chǎng)可行性的研究，展布采坑最終境界、巖層產(chǎn)狀的要素特征、地質(zhì)構(gòu)造、邊坡的坡向等基本情況，對(duì)采坑、角巖露天開采的境界進(jìn)行分區(qū)，其中包括40線、A、B、C、D四個(gè)采坑分區(qū)，A、B、C、D等四個(gè)角巖分區(qū)，并將相對(duì)應(yīng)采坑及角巖的工程分區(qū)進(jìn)行9個(gè)與12個(gè)剖面的剖分，剖面線方向同邊坡坡體設(shè)計(jì)走向相垂直。

（2）邊勘設(shè)計(jì)。因?yàn)榇饲斑M(jìn)行的銅多金屬礦工程化探、鉆探等工作主要是研究礦床地質(zhì)，鉆探孔的布置主要是集中勘探礦體的賦存狀態(tài)，并且勘探的網(wǎng)度受到限制，編錄工程地質(zhì)的程度不夠，導(dǎo)致研究邊坡工程及水文的地質(zhì)程度不高，專項(xiàng)研究邊坡工程的地質(zhì)以及水文的工作沒(méi)有開展，很少針對(duì)坡體巖性及其構(gòu)造進(jìn)行研究。因此需要補(bǔ)勘南坑及角巖工程地質(zhì)。

（3）檢測(cè)技術(shù)以及分析巖體質(zhì)量的等級(jí)。通過(guò)超聲波的檢測(cè)設(shè)備針對(duì)該礦區(qū)角巖2個(gè)補(bǔ)勘的鉆孔角巖測(cè)試單孔的巖體縱波速度，礦區(qū)內(nèi)的角巖縱波保持4083m/s的均值波速。根據(jù)測(cè)試的聲波結(jié)果，得出角巖的0.59完整的巖體指數(shù)。按照質(zhì)量等級(jí)的BQ法，得出II級(jí)角巖基本質(zhì)量的等級(jí)級(jí)別，表示巖體比較完整。

4 極限平衡的穩(wěn)定性能分析

（1）分析邊坡的穩(wěn)定性能方法。分析邊坡穩(wěn)定的方法主要包括極限平衡法、可靠性的概率法、應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值法以及基于非線性科學(xué)的分析法。本研究采用極限平衡法進(jìn)行分析，該方法又分為Fellenius瑞典條分、Janbu簡(jiǎn)化、Bishop簡(jiǎn)化以及Spencer等方法。

（2）確定邊坡滑動(dòng)的模式。以分析該多同金屬工程邊坡的體內(nèi)既有的軟弱夾層、不連續(xù)面、巖層的控制面、破碎帶等“特征面”、按照節(jié)理的裂隙進(jìn)行組數(shù)以及節(jié)理裂隙進(jìn)行產(chǎn)狀的統(tǒng)計(jì)為依據(jù)，考慮分析滑動(dòng)破壞的模式持平投影，從坡體所受應(yīng)力的角度進(jìn)行分析，對(duì)垂直裂隙的加圓弧形的破壞模式的運(yùn)用進(jìn)行采坑及角巖的穩(wěn)定性進(jìn)行分析給予確定，利用軟件Slide6.0對(duì)滑面位置進(jìn)行自身搜索，對(duì)判斷依據(jù)為Bishop簡(jiǎn)化法進(jìn)行確定。

（3）分析邊坡穩(wěn)定性的步驟及確定邊坡角的合理原則。分析9個(gè)采坑剖面、12個(gè)角巖剖面的穩(wěn)定性，對(duì)各個(gè)受力狀況進(jìn)行考慮，其包括以下幾個(gè)分析步驟：首先對(duì)42°、45°、48°的邊坡角穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算；分別對(duì)21個(gè)剖面的上述邊坡角的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，結(jié)合相應(yīng)安全系數(shù)實(shí)施更加細(xì)致的分析，對(duì)邊角的增減幅度進(jìn)行計(jì)算細(xì)化；對(duì)各邊坡角的情況進(jìn)行對(duì)比，從而確定合理開采的邊坡角。

（4）確定力學(xué)參數(shù)。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巖石選擇，其中包括灰色的大理石、白色的大理石、矽卡巖、花崗斑巖、板巖、角巖等，試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)所選巖石進(jìn)行加工，制成同規(guī)范要求相符合的試樣，通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行巖石密度、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、泊松比、彈性模量等參數(shù)的測(cè)定。

（5）結(jié)果分析。以確定合理邊坡的角度原則為依據(jù)，首先分析該礦采坑邊坡的多個(gè)剖面及角巖，然后進(jìn)行較差穩(wěn)定性邊坡剖面的篩選，結(jié)合安全系數(shù)與邊坡的安全系數(shù)大小，一次進(jìn)行邊坡角度的調(diào)整，最終滿足安全系數(shù)。為了確保邊坡所需安全角度，提出以下合理化建議：綜合采坑邊坡的高度以及邊坡的穩(wěn)定性的分區(qū)結(jié)果等因素，A區(qū)應(yīng)保持42°～43°邊坡角度，C區(qū)應(yīng)保持45°～46°邊坡角度，D區(qū)應(yīng)保持46°～48°的邊坡角度，40線區(qū)應(yīng)保持48°～50°邊坡角度；角巖礦的A、B區(qū)用應(yīng)保持不高于45°～46°的邊坡角度。

5 結(jié)語(yǔ)

綜合考慮該金屬礦采坑、角巖露天開采工程特點(diǎn)和既有地質(zhì)資料充分利用的基礎(chǔ)上，采取編錄既有鉆孔的資料以及補(bǔ)充勘測(cè)鉆孔工程的地質(zhì)狀況，通過(guò)測(cè)試鉆孔攝像和聲波測(cè)試、室內(nèi)巖石的力學(xué)試驗(yàn)以及定向孔的編錄等調(diào)查工程地質(zhì)的方法，進(jìn)行邊坡地巖體的力學(xué)參數(shù)確定，采取極限平衡的分析方法，分析采坑多個(gè)剖面和角巖邊坡的穩(wěn)定性，最終獲得角巖及采坑每個(gè)工程地質(zhì)的分區(qū)邊坡角，具有一定的參考價(jià)值，為礦山工程生產(chǎn)提供安全保障，同時(shí)也為其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的提高打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。