某礦區(qū)現(xiàn)狀不良地質(zhì)作用與影響邊坡穩(wěn)定的因素

劉明戍

(紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，福建 上杭 364200)

我國地域廣袤，礦產(chǎn)資源豐富，各類礦產(chǎn)資源的開采給社會(huì)提供了大量工業(yè)原材料的同時(shí)，因礦山開采引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害問題也逐漸凸顯[1-3]。其中滑坡、坍塌、泥石流等已經(jīng)成為露天礦山的主要常見地質(zhì)災(zāi)害，做好礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工作對礦山安全開采具有重大意義[4-6]。本文以紫金山金銅礦為依托，分析礦區(qū)現(xiàn)狀存在的不良地質(zhì)作用，重點(diǎn)討論了影響礦區(qū)邊坡安全的各種因素，并對潛在的地質(zhì)災(zāi)害提出了建議性工程措施。

紫金山金銅礦是國內(nèi)當(dāng)前最大的金、銅露天礦，目前采場北幫(A 區(qū))東部邊坡最高標(biāo)高為+1 012 m，最低標(biāo)高+568 m，最大垂高約 444 m；采場現(xiàn)已形成 5～31 個(gè)不等臺(tái)階，臺(tái)階一般高度 12～24 m，單臺(tái)階坡面角約 65°～75°，其中單級(jí)臺(tái)階坡高為 12 m 多屬于生產(chǎn)臺(tái)階(未并幫)，單級(jí)臺(tái)階坡高為 24 m多屬并幫固定平臺(tái)；為了對本采場的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)分析詳盡方便，本采場共分為北幫(A 區(qū))、西幫(B 區(qū))、南幫(C 區(qū))、東幫(D 區(qū))4個(gè)幫坡區(qū)(見圖1)。

圖1 采場四個(gè)幫坡區(qū)(從左至右分別為A、B、C、D區(qū))Fig.1 The four working areas of the stope(from left to right are area A，B，C and D)

1 采場不良地質(zhì)作用

紫金山金礦露天采場處于生產(chǎn)建設(shè)的中期；由于地勢地形原由，本采區(qū)北幫坡(A區(qū))中部及西側(cè)終了邊坡正在剝離形成過程中；其中北幫坡(A區(qū))東側(cè)、西幫坡(B區(qū))、南幫坡(C區(qū))及東幫坡(D區(qū))分別于標(biāo)高+820 m、+676 m、+700 m及+820 m平臺(tái)以上已經(jīng)開采到設(shè)計(jì)境界，屬于固定幫。

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查顯示，本采場幫坡僅局部坡體發(fā)生小規(guī)模崩塌、順層滑塌現(xiàn)象(如圖2所示)。該采場幫坡目前只存在小規(guī)模的滑塌與巖體破壞，尚未出現(xiàn)大規(guī)模、深層次的邊坡失穩(wěn)。但是由于紫金山特殊的工程地質(zhì)條件，采礦過程中曾多次出現(xiàn)塌陷、崩落和泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象，而礦區(qū)地質(zhì)模型未有大的改觀前，類似的不良地質(zhì)現(xiàn)象存在再次發(fā)生的可能。例如北口排土場所在溝谷陡峭，排土場坡面堆積物松散，部分區(qū)域堆積物料較細(xì)，形成了泥石流產(chǎn)生的必要條件。

圖2 侵蝕引發(fā)的局部垮塌Fig.2 Local collapse caused by erosion

分布在采場下部標(biāo)高分別為+300 m、+100 m的銅礦采空區(qū)給巖體位移提供了自由空間，具備冒落塌陷的前提條件。

現(xiàn)狀露天采場范圍內(nèi)，由于邊坡巖體強(qiáng)度、構(gòu)造、蝕變及地下水因素影響，主要破壞類型包括小規(guī)模的崩塌，順層滑塌、傾倒，粒狀解體，楔形破壞，大氣降水沖刷等。僅局部地段發(fā)生連續(xù)多平臺(tái)崩塌現(xiàn)象(例如東幫坡中部的+820～+940 m平臺(tái)主要以地開石化英安玢巖為主，該巖體遇水后巖體微觀結(jié)構(gòu)遭到破壞，強(qiáng)度急劇降低，在巖體結(jié)構(gòu)面的切割作用下容易引發(fā)局部滑塌現(xiàn)象)；以上破壞類型基本能夠代表未來終了邊坡局部破壞類型，總體破壞類型以單臺(tái)階破壞為主。

2 采場邊坡不穩(wěn)定因素

1)巖石強(qiáng)度

紫金山金銅礦采場空間較大，組成邊坡的巖石類別較多，共有五類巖組(Ⅰ—Ⅴ)。由堅(jiān)硬—較堅(jiān)硬巖石(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類巖組)構(gòu)成的邊坡巖體工程強(qiáng)度高，但由于巖體不同程度的蝕變礦化對其工程力學(xué)強(qiáng)度在空間上呈不均勻，總體上由此巖體構(gòu)成的邊坡體穩(wěn)定性較好，而軟弱巖石(Ⅳ、Ⅴ類巖組)構(gòu)成的邊坡巖體工程強(qiáng)度低，并具有遇水易軟化、崩解、粒狀解體等不良工程特征，其構(gòu)成邊坡穩(wěn)定性差。巖石強(qiáng)度是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素之一。

2)巖體結(jié)構(gòu)類型

整體狀、塊狀結(jié)構(gòu)邊坡巖體受節(jié)理裂隙切割程度較低、完整性較好，加上主要由堅(jiān)硬-較硬巖石構(gòu)成，邊坡巖體較完整，穩(wěn)定性較好；但碎裂結(jié)構(gòu)因裂隙節(jié)理發(fā)育，巖體完整性差，大多由軟弱類巖石(Ⅳ、Ⅴ類巖組)構(gòu)成，為邊坡體軟弱夾層(帶)，其邊坡巖體強(qiáng)度低，穩(wěn)定性差，易出現(xiàn)滑坡、崩塌、垮塌、沖刷、粒狀解體等類型破壞。巖體結(jié)構(gòu)類型也是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素。

3)大氣降水

強(qiáng)降雨或短時(shí)大暴雨，因雨量大對邊坡的沖刷破壞作用力較強(qiáng)。散體類結(jié)構(gòu)邊坡在雨后會(huì)留下沖刷溝槽或漏斗狀深槽(如圖3所示)。再者大氣降水主要由于從邊坡巖體中滲入，無形中加大邊坡巖體靜水壓力并且減低巖體抗剪強(qiáng)度從而增大邊坡順著結(jié)構(gòu)發(fā)生滑動(dòng)失穩(wěn)趨勢。大氣降水是影響軟弱類巖石即散體結(jié)構(gòu)和散體—碎裂結(jié)構(gòu)類邊坡穩(wěn)定性重要因素之一。

圖3 雨水沖蝕形成的溝壑Fig.3 Gully formed by rainwater erosion

4)地下水

根據(jù)現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，采場 A、B、C、D區(qū)內(nèi)邊坡地下水位分布最高標(biāo)高分別為+473.5 m、+598.8 m、+604.8 m、+745.60 m，采場中心最低水位標(biāo)高為+300 m 或+100 m 即水平坑道或地采巷道分布位置。坡內(nèi)地下水水力坡度較陡，屬裂隙潛水。經(jīng)多年的開采疏干排水，采場內(nèi)地下水位較以往有大幅度下降，除在東幫、北幫邊坡局部有小范圍的地下水外滲之外，坡面基本處于干燥狀態(tài)，但是對于終了邊坡來說，目前采場周邊范圍內(nèi)地下水位仍然比較高，地下水對未來邊坡的穩(wěn)定性影響較大。

5)巖性

構(gòu)成邊坡巖體巖性種類較多，主要有中細(xì)粒白云母花崗巖、花崗斑巖、隱爆凝灰?guī)r、隱爆角礫巖等，采場巖石種類較多。因巖石自身強(qiáng)度存在差異性，加之受風(fēng)化、蝕變的影響，差異性明顯。因此巖石強(qiáng)度直接影響邊坡巖體強(qiáng)度，即巖性在空間上的不均勻性也是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素之一。

6)采區(qū)爆破影響

爆破作業(yè)是采礦工藝中非常重要的環(huán)節(jié)，爆炸動(dòng)力對爆區(qū)巖體產(chǎn)生破壞的同時(shí)，對周邊已靠幫巖體同樣存在損傷作用。雖然爆破振動(dòng)是局部的損傷，但是在礦山生產(chǎn)過程中，頻繁的爆破振動(dòng)對巖體的累計(jì)損傷是不容忽視的，特別是大藥量爆破，嚴(yán)重削弱了巖體的強(qiáng)度，降低了巖體的完整性，使得邊坡巖體變得松弛，為降雨入滲提供了更多的通道和可能，從而導(dǎo)致邊坡下滑力增大，抗滑力銳減，導(dǎo)致邊坡巖體發(fā)生失穩(wěn)崩塌現(xiàn)象。

7)風(fēng)化與蝕變

風(fēng)化和地開石化可降低巖石強(qiáng)度，強(qiáng)地開石化蝕變和強(qiáng)風(fēng)化使巖石呈松軟狀態(tài)。遇水易軟化、崩解，呈散體結(jié)構(gòu)，邊坡出現(xiàn)粒狀解體，受強(qiáng)風(fēng)化和強(qiáng)地開石化影響，巖石多呈松軟土狀，巖石強(qiáng)度低，邊坡易發(fā)生圓弧形破壞，其穩(wěn)定性差，對未來固定幫邊坡的穩(wěn)定性影響較大。目前采場東幫(D區(qū))地開石化區(qū)域揭露后，在風(fēng)化剝蝕和降雨侵蝕作用下，地開石化中細(xì)粒花崗巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷遭到破壞并泥化，嚴(yán)重削弱了邊坡巖體的強(qiáng)度和邊坡的穩(wěn)定性。

8)結(jié)構(gòu)面

順坡向結(jié)構(gòu)面是產(chǎn)生平面破壞的主要因素。礦區(qū)存在三組順坡向Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面，分別為F4-1、F1-4和F2-10，這三組結(jié)構(gòu)面的傾向與邊坡面傾向近似相同，傾角與整體邊坡角相近，因此非常容易引發(fā)整體性邊坡失穩(wěn)。Ⅲ、Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面在邊坡巖體中較發(fā)育，破壞了巖體的完整性，使其強(qiáng)度降低，局部結(jié)構(gòu)面的不利組合對局部邊坡的穩(wěn)定性影響較大，如兩組結(jié)構(gòu)面相交，其交線順坡向且傾角緩于坡面角時(shí)易形成楔形破壞；當(dāng)邊坡內(nèi)結(jié)構(gòu)面呈陡傾或者反傾時(shí)，結(jié)構(gòu)面容易引發(fā)傾倒破壞(如圖4所示)。因此結(jié)構(gòu)面對邊坡穩(wěn)定性影響很大。

圖4 順坡向結(jié)構(gòu)面引發(fā)的局部垮塌Fig.4 Local collapse caused by structural surface along slope

9)節(jié)理裂隙

密集的節(jié)理裂隙切割巖體，會(huì)大大降低巖體強(qiáng)度，破壞巖體的完整性，易產(chǎn)生弧形破壞、垮塌破壞等。本次勘察邊坡巖體節(jié)理裂隙很發(fā)育，其發(fā)育程度差異較大，巖體的完整性直接受節(jié)理裂隙發(fā)育密度控制，地表節(jié)理裂隙密度調(diào)查成果如表1所示。以往鉆孔巖心由于受人為破壞，巖心編錄時(shí)只能根據(jù)巖心裂隙面新鮮程度進(jìn)行估計(jì)。本次巖心節(jié)理裂隙密度統(tǒng)計(jì)主要根據(jù)地表地質(zhì)調(diào)查結(jié)合本次鉆孔巖心進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

表1 地表及本次鉆孔巖心節(jié)理裂隙密度統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of the surface and the density of joints and fissures in the borehole

從表1中可以看，節(jié)理越發(fā)育巖體越破碎，因此節(jié)理裂隙是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素之一。

3 工程措施建議

礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，節(jié)理裂隙縱橫交錯(cuò)，在地下水、爆破振動(dòng)、開挖等因素下難免發(fā)生巖體破壞與邊坡失穩(wěn)。局部邊坡發(fā)生小規(guī)模破壞是允許的，但是組合臺(tái)階失穩(wěn)、整體邊坡失穩(wěn)會(huì)給礦山帶來重大的安全風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)損失，甚至威脅到了人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，礦山需要采取必要工程措施進(jìn)行邊坡維護(hù)，主要防治措施如下：

1)地表截、排水：防止地面徑流和匯水直接對邊坡進(jìn)行沖蝕，對地表水進(jìn)行有序規(guī)劃和引導(dǎo)，降低了地下水的補(bǔ)給來源，有利于防止地下水位的抬升，增強(qiáng)邊坡的自穩(wěn)能力。

2)疏干地下水：疏排地下水是邊坡工程中被運(yùn)用最廣泛的工程手段之一。對于地下水埋深較淺的邊坡，通過施工排水工程，可以有效降低邊坡浸潤線，減小巖體內(nèi)孔隙水壓力，增強(qiáng)巖體間的有效應(yīng)力和抗滑力，有利于邊坡的穩(wěn)定與安全。

3)邊坡綜合加固支護(hù)措施：對存在軟弱結(jié)構(gòu)面或者潛在滑面的邊坡，應(yīng)在邊坡開挖揭露后及時(shí)施加必要工程措施，增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性。

4)控制邊坡總體邊坡角：在露天開采過程中，高陡坡必須按設(shè)計(jì)進(jìn)行自上而下臺(tái)階式或分層開采。邊坡角度、最終邊坡角及分層鑿巖平臺(tái)寬度應(yīng)通過對不同巖體類型進(jìn)行研究綜合確定。

5)微差分段爆破：為維護(hù)邊坡的安全穩(wěn)定，可采用微差分段爆破技術(shù)。微差分段爆破技術(shù)可以降低非爆破區(qū)域的爆破振動(dòng)的能量密度，將藥包的能量分多次釋放，從而降低了爆破應(yīng)力波的峰值，降低了應(yīng)力波對靠幫巖體的損傷。