露天銅礦邊坡工程地質(zhì)分區(qū)及穩(wěn)定性評價研究

李勇，李昌存，龐仕輝，杜永剛，喬小兵，陶志剛

（1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063200；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，北京 100089；3.甘肅省定西市公路局，甘肅 定西 743000；4.甘肅省公路航空旅游投資集團有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引 言

隨著我國能源需求不斷增大，礦產(chǎn)資源開發(fā)利用成為制約我國經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵因素，如何保證露天礦邊坡穩(wěn)定一直是困擾露天開采的難點，是關(guān)乎露天礦生產(chǎn)安全的關(guān)鍵性問題［1］。因此，國內(nèi)外眾多學(xué)者采用多種方法研究礦山邊坡穩(wěn)定性問題。

工程地質(zhì)分區(qū)對邊坡穩(wěn)定性研究具有實用價值，通過對某個區(qū)域進行工程地質(zhì)分區(qū)，可以有效了解區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)條件，為地質(zhì)災(zāi)害的防治提供依據(jù)。王健等［2］根據(jù)實用性和預(yù)測性原則對龍羊峽—青銅峽段進行工程地質(zhì)分區(qū)，依據(jù)現(xiàn)場資料直觀地分析邊坡穩(wěn)定性；馮希杰等［3］利用模糊綜合評判法進行區(qū)域穩(wěn)定性工程地質(zhì)分區(qū)評價，通過多指標綜合因素判定邊坡失穩(wěn)情況；S.Kalogirou［4］利用GIS法進行工程地質(zhì)分區(qū)評價，將GIS平臺和數(shù)學(xué)方法相結(jié)合分析邊坡穩(wěn)定性。

赤平極射投影法是研究地質(zhì)構(gòu)造的一種重要方法，即在平面上投影出物體的三維空間幾何要素（面、線），形象直觀地反映出不同結(jié)構(gòu)面的角距關(guān)系和運動軌跡［5］，進而分析出邊坡巖體的穩(wěn)定性。E.Hoek等［6-7］運用赤平極射投影法，分析巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性問題；R.E.Goodman等［8］運用赤平極射投影法分析巖體節(jié)理發(fā)育程度，對穩(wěn)定性分析具有指導(dǎo)意義；張子新等［9］利用赤平極射投影法進行塊體理論分析和楔形體穩(wěn)定性分析計算等，更加形象直觀地表達出邊坡穩(wěn)定情況。

聲波測井法是目前工程中一種較為先進的測井方法，根據(jù)聲波在不同巖體中傳播速度不同的原理，利用沿井壁傳播的聲波——滑行波精確測量出鉆孔內(nèi)巖體的完整程度［10］，進而判斷巖體質(zhì)量，為后續(xù)研究邊坡穩(wěn)定性提供依據(jù)。J.Dvorkin等［11］利用噴射流效應(yīng)，將孔隙介質(zhì)聲波理論應(yīng)用于工程地質(zhì)勘測中；喬文孝［12］將插值法應(yīng)用于全波列聲波測井技術(shù)中，提高了時差的計算精度。

盡管國內(nèi)外學(xué)者對邊坡穩(wěn)定性問題做了大量研究，但仍然存在問題。由于我國礦山的露天開采只能在特定地質(zhì)條件下進行，而礦山的工程地質(zhì)背景復(fù)雜多變，單一的研究方法存在誤差，如：赤平極射投影法只能初步判斷邊坡穩(wěn)定情況，不能滿足現(xiàn)實中復(fù)雜的工程分析；全波列聲波測井法局限于橫波和縱波的測量，測試結(jié)果存在誤差。因此，對一個區(qū)域的邊坡穩(wěn)定性進行研究，要綜合利用多種方法共同分析，才能使分析結(jié)果更加準確。

本文基于土屋銅礦工程地質(zhì)條件，從以下3方面對礦山邊坡穩(wěn)定性展開研究：（1）根據(jù)地層、巖性、水文等地質(zhì)條件對土屋銅礦露天采場進行工程地質(zhì)分區(qū)，以便對礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性進行針對性研究，以實現(xiàn)分區(qū)治理。（2）運用赤平極射投影法分析各礦區(qū)巖體的結(jié)構(gòu)面特征，從而準確分析各礦區(qū)穩(wěn)定性。（3）運用全波列聲波測井法測量礦區(qū)孔位聲波數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)對比，得出巖體的完整程度，分析各礦區(qū)邊坡的穩(wěn)定性。

1 土屋銅礦露天采場工程地質(zhì)條件

1.1 地質(zhì)概況

新疆土屋銅礦位于哈密市西南210°方向，礦區(qū)南高北低，以殘山和壟崗為主，西北部沖溝及凹面發(fā)育，海拔550～779.2 m，地面坡度較小。

地質(zhì)調(diào)查資料顯示［13］，土屋銅礦南有康古爾塔格深大斷裂，斷裂及其以南為兩大板塊縫合帶-秋格明塔什-黃山韌性剪切帶。礦區(qū)巖層走向為NEE向，上盤邊坡傾向與巖層傾向相反，下盤邊坡與巖層傾向相同（但傾角較大），端幫與巖層傾向呈大角度相交（圖1）。

圖1 礦體產(chǎn)狀圖Fig.1 Sketch map of the ore body occurrence

礦區(qū)位于塔里木板塊與準格爾板塊對接帶北側(cè)，受板塊碰撞影響，火山活動較為頻繁，巖漿侵入較為明顯。礦區(qū)整體傾角為65°～75°，走向為SW-NE向。斷裂構(gòu)造發(fā)育，以近東西向為主，北西向次之。

礦區(qū)位于板塊交界處，巖漿活動強烈，巖漿侵入作用較強［14］，礦區(qū)巖體以侵入巖、火山巖和第四系沉積物為主，巖性組成如表1所示。

表1 礦區(qū)巖體巖性組成Tab.1 Compositions of the rock masses in the mining area

1.2 水文特征

土屋銅礦露天采場位于新疆哈密市，屬于典型的干旱大陸性氣候，降水稀少，蒸發(fā)量大，年平均降水量24.2 mm，蒸發(fā)量高達5 401.2 mm，年蒸發(fā)量是降水量的200倍以上，故常年無地表水。

地下水類型主要為構(gòu)造斷裂破碎帶脈狀水，其地下水補給主要來源于大氣降水，而礦區(qū)又處于干旱性氣候帶，降水稀少，因此地下水的補給十分貧乏。

2 土屋銅礦露天采場工程地質(zhì)分區(qū)

2.1 工程地質(zhì)巖組劃分

巖組劃分是一個地區(qū)工程地質(zhì)分區(qū)的基礎(chǔ)，將巖性、強度和類型等相近的巖體劃分為一組，可以更加方便地研究一個區(qū)域的工程地質(zhì)條件。

資料［13］顯示，土屋銅礦露天采場的出露地層為上-下石炭統(tǒng)企鵝山群第一組（C1-2Q1）和第二組（C1-2Q2），上石炭統(tǒng)干墩巖組（C2G），中侏羅統(tǒng)西山窯組（J2X）及第四系全新統(tǒng)的坡積物（Q4sl）和洪沖積物（Q4al）。根據(jù)上述劃分依據(jù)和原則，可以劃分出4個典型巖組，如表2所示。

表2 巖組特征Tab.2 Rock group characteristics

2.2 礦區(qū)工程地質(zhì)分區(qū)

根據(jù)上述對土屋銅礦露天采場地層、水文特征和巖組劃分的分析，結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，將土屋銅礦露天采場分為4個地質(zhì)特征區(qū)（圖2），各區(qū)工程地質(zhì)特征如表3所示。

圖2 土屋露天銅礦邊坡工程地質(zhì)分區(qū)圖Fig.2 Engineering geological zoning diagram of the open slope of the Tuwu Copper Mine

表3 土屋露天銅礦邊坡工程地質(zhì)分區(qū)及特征Tab.3 Engineering geological zoning and characteristics of the slope of the Tuwu Copper Mine

各區(qū)工程地質(zhì)調(diào)查分析結(jié)果表明，Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)表層出露巖體表現(xiàn)為“破碎”或“較破碎”等級，Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)表層出露巖體表現(xiàn)為“破碎”或“極破碎”等級。結(jié)合各區(qū)巖體質(zhì)量、蝕變程度、水文地質(zhì)特征、巖層與邊坡賦存狀態(tài)可知，Ⅳ區(qū)工程地質(zhì)條件最差，Ⅱ區(qū)次之，Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)相對較好。

3 赤平極射投影法分析礦區(qū)邊坡穩(wěn) 定性

礦區(qū)開挖時，由于外力作用破壞了巖塊的靜力平衡，可能導(dǎo)致巖塊在力的作用下脫離結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑動，從而造成邊坡失穩(wěn)。因此，要調(diào)查采場巖體的節(jié)理裂隙，掌握礦區(qū)主要優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面分布特征，為礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性研究提供可靠的數(shù)據(jù)。

結(jié)合地層走向及邊坡產(chǎn)狀，調(diào)查研究了采場上盤、采場下盤、西端幫及東端幫出露邊坡4個區(qū)域共262組典型結(jié)構(gòu)面，獲得礦區(qū)節(jié)理裂隙調(diào)查分類統(tǒng)計情況（表4），用DIPS軟件生成節(jié)理的極點圖、等密度圖、玫瑰圖等，然后分析各區(qū)的節(jié)理密度和節(jié)理發(fā)育程度，確定各區(qū)邊坡穩(wěn)定性。

表4 礦區(qū)節(jié)理裂隙調(diào)查分類統(tǒng)計分析Tab.4 Classification and statistical analysis of joint fractures in the mining area

續(xù)表4

（1）調(diào)查151條采場上盤出露邊坡（Ⅰ區(qū)）節(jié)理，并統(tǒng)計分析赤平極射投影（圖3）。由圖3可以看出，Ⅰ區(qū)邊坡內(nèi)節(jié)理發(fā)育較為零散，優(yōu)勢節(jié)理走向為NE和EW向，平均節(jié)理密度4.8條/m，為反傾巖質(zhì)邊坡，節(jié)理裂隙發(fā)育程度為“較發(fā)育”。

圖3 Ⅰ區(qū)節(jié)理裂隙構(gòu)造統(tǒng)計分析Fig.3 Statistical analysis of the joint fissure structure in ZoneⅠ

（2）調(diào)查22條采場西端幫出露邊坡（Ⅱ區(qū)）節(jié)理，并統(tǒng)計分析赤平極射投影（圖4）。由圖4可以看出，Ⅱ區(qū)邊坡內(nèi)節(jié)理發(fā)育較為零散，優(yōu)勢節(jié)理走向為NE和EW向，平均節(jié)理密度7.2條/m，節(jié)理裂隙發(fā)育程度為“很發(fā)育”。

（3）調(diào)查13條采場下盤出露邊坡（Ⅲ區(qū)）節(jié)理，并統(tǒng)計分析赤平極射投影（圖5）。由圖5可以看出，Ⅲ區(qū)邊坡內(nèi)節(jié)理發(fā)育較為零散，優(yōu)勢節(jié)理走向為NE和EW向，平均節(jié)理密度3.1條/m，為順傾巖質(zhì)邊坡，節(jié)理裂隙發(fā)育程度為“較發(fā)育”。

圖5 Ⅲ區(qū)節(jié)理裂隙構(gòu)造統(tǒng)計分析Fig.5 Statistical analysis of the joint fissure structure in ZoneⅢ

（4）調(diào)查76條采場東端幫出露邊坡（Ⅳ區(qū)）節(jié)理，并統(tǒng)計分析赤平極射投影（圖6）?？梢钥闯觯魠^(qū)邊坡內(nèi)節(jié)理發(fā)育較零散，優(yōu)勢節(jié)理走向為NE和EW向，平均節(jié)理密度6.7條/m，節(jié)理裂隙發(fā)育程度為“很發(fā)育”。

圖6 Ⅳ區(qū)節(jié)理裂隙構(gòu)造統(tǒng)計分析Fig.6 Statistical analysis of the joint fissure structure in ZoneⅣ

運用赤平極射投影法調(diào)查各區(qū)巖體的平均節(jié)理密度和節(jié)理裂隙發(fā)育程度，結(jié)合上述各區(qū)節(jié)理裂隙分析可知：Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)的巖體平均節(jié)理密度分別為4.8，7.2，3.1，6.7條/m；Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)節(jié)理裂隙發(fā)育程度為“較發(fā)育”，Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)節(jié)理裂隙發(fā)育程度為“很發(fā)育”。由于節(jié)理密度越大、發(fā)育程度越好代表巖體質(zhì)量越差，因此Ⅱ區(qū)工程地質(zhì)條件最差，Ⅳ區(qū)次之，Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)相對較好。

4 全波列聲波測井法分析礦區(qū)邊坡 穩(wěn)定性

采用全波列聲波測井法對部分不同勘探鉆孔深度的巖體進行測試，利用“多點多測”原理，采集礦區(qū)代表不同區(qū)域的鉆孔數(shù)據(jù)，鉆孔位置（A，B，C，D）如圖2所示，各鉆孔深度區(qū)間見表5，避免了試驗的偶然性，充分保證測試數(shù)據(jù)真實有效。

表5 波速測試工作量統(tǒng)計表Tab.5 Statistics of the workload from the wave speed test

對現(xiàn)場測試的孔位聲波數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)合式（1）計算巖體完整性系數(shù)Kv，從而得到每個孔位的聲波處理結(jié)果（圖7～10），對比《巖土工程勘察規(guī)范（GB50021-2001（2009版））》［15］，再結(jié)合各孔、各點位的現(xiàn)場聲波測試結(jié)果（圖7～11，巖體縱波速度約為巖體橫波速度的1.732倍［16］，本文僅用縱波速度Vp計算），參考表6［17］，進而判斷各鉆孔巖體的完整程度。

圖7 A孔巖體聲波測試數(shù)據(jù)Fig.7 Acoustic wave test data of the hole A

表6 巖體質(zhì)量的波速特征分級Tab.6 Classifications of the wave velocity from different rock masses

式中：Kv為巖體完整性系數(shù)；Vp為實際巖體縱波速度；Vcl為理論巖石縱波速度。

（1）A孔。由圖7可以看出，A孔的縱波波速Vp為1.6～3.6 s，巖體完整性系數(shù)Kv為0.16～0.48，巖體質(zhì)量級別主要為Ⅲ或Ⅳ級，巖體完整性表現(xiàn)為“較差”或“破碎”。

（2）B孔。由圖8可以看出，B孔的縱波波速Vp為1.6～2.3 km/s，巖體完整性系數(shù)Kv為0.14～0.26，巖體質(zhì)量級別主要為Ⅳ級，巖體完整性表現(xiàn)為“破碎”。

圖8 B孔巖體聲波測試數(shù)據(jù)Fig.8 Acoustic wave test data of the hole B

（3）C孔。由圖9可以看出，C孔的縱波波速Vp為1.5～3.4 km/s，巖體完整性系數(shù)Kv為0.16～0.52，巖體質(zhì)量級別主要為Ⅲ或Ⅳ級，巖體完整性表現(xiàn)為“較差”或“破碎”。

圖9 C孔巖體聲波測試數(shù)據(jù)Fig.9 Acoustic wave test data of the hole C

（4）D孔。由圖10可以看出，D孔的縱波波速Vp為1.6～3.6 km/s，巖體完整性系數(shù)Kv為0.12～0.36，巖體質(zhì)量級別主要為Ⅳ級，巖體完整性表現(xiàn)為“破碎”。

圖10 D孔巖體聲波測試數(shù)據(jù)Fig.10 Acoustic wave test data of the hole D

由上述調(diào)查可知，A孔和C孔以安山巖和玄武巖為主，夾少量角礫熔巖，巖體質(zhì)量較好；B孔以次閃長玢巖、安山巖和玄武巖為主，處于不同巖性成巖期交替變化的部位，巖體質(zhì)量相對較差；D孔所在區(qū)域以較破碎巖體為主，弱面、潛在滑移面較多，故巖體質(zhì)量相對而言也較差。因為巖體縱波速度越小，代表巖體完整性越差，再結(jié)合圖11可以直觀得出：B孔巖體質(zhì)量最差，D孔次之，A孔和C孔相對較好。

圖11 4個鉆孔巖體完整性系數(shù)對比Fig.11 Comparison chart of the integrity coefficients of the four drill holes

5 結(jié) 論

（1）根據(jù)礦區(qū)地層、巖體巖性、水文特征和巖組劃分的分析，結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，將土屋露天銅礦邊坡采場劃分為4個工程地質(zhì)特征區(qū)，并分析巖體蝕變狀況、水文地質(zhì)特征、巖層和邊坡賦存狀態(tài)，可知Ⅳ區(qū)工程地質(zhì)條件最差，Ⅱ區(qū)次之，Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)相對較好。

（2）統(tǒng)計歸納采場節(jié)理裂隙分布規(guī)律，運用赤平極射投影法分析得出：Ⅱ區(qū)工程地質(zhì)條件最差，Ⅳ區(qū)次之，Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)相對較好。

（3）根據(jù)土屋銅礦各鉆孔全波列聲波測試數(shù)據(jù)顯示：B孔巖體質(zhì)量最差，D孔次之，A孔和C孔相對較好。

（4）工程地質(zhì)分區(qū)、赤平極射投影法與全波列聲波測井法結(jié)合分析，Ⅱ區(qū)邊坡穩(wěn)定性最差，容易出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)問題，需要重點監(jiān)測防護并加以治理，可采用地表位移監(jiān)測的方法監(jiān)測礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性，開挖邊坡角時可考慮適當提高角度；Ⅳ區(qū)邊坡穩(wěn)定性次之，存在滑坡、坍塌等風險，作業(yè)時也需關(guān)注此區(qū)的邊坡穩(wěn)定性問題，Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)邊坡相對較為穩(wěn)定，注意其部分巖體交界處的邊坡穩(wěn)定性問題即可，可采用恒阻大變形錨索進行監(jiān)測。