啞巴嶺露天采場(chǎng)邊坡工程地質(zhì)特征分區(qū)與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

衣瑛，亢建民，鐘小宇，楊雷，霍本用

(1.鞍鋼集團(tuán)鞍千礦業(yè)有限責(zé)任公司， 遼寧 鞍山市 114000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京） 能源與礦業(yè)學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題一直是露天礦山開(kāi)采關(guān)注的重點(diǎn)，也是影響礦山安全生產(chǎn)的重大難題。若能在礦山開(kāi)采之前，查明礦區(qū)采場(chǎng)邊坡的工程地質(zhì)特征和巖體結(jié)構(gòu)特征，并對(duì)采場(chǎng)邊坡進(jìn)行初步的工程地質(zhì)分區(qū)，進(jìn)而評(píng)判采場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)露天礦山邊坡設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)作用[1]。馬秉務(wù)等[2]通過(guò)調(diào)研北京地區(qū)的區(qū)域地質(zhì)條件，對(duì)延慶某區(qū)進(jìn)行工程地質(zhì)分區(qū)，并進(jìn)行了各分區(qū)場(chǎng)地整體穩(wěn)定性和工程建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)。金艷平[3]通過(guò)歸納總結(jié)某規(guī)劃區(qū)的區(qū)域地質(zhì)背景與工程地質(zhì)條件，分析了場(chǎng)地工程地質(zhì)分區(qū)的影響因素，提出了規(guī)劃區(qū)工程地質(zhì)分區(qū)原則與建議，為區(qū)域規(guī)劃和工程建設(shè)提供了基礎(chǔ)依據(jù)。韓廷文等[4]根據(jù)不同位置的邊坡高度、工程地質(zhì)巖組分布特征、各巖組巖體基本質(zhì)量等級(jí)、邊坡面傾向與各巖體優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的關(guān)系、邊坡巖體完整程度等多項(xiàng)指標(biāo)將邊坡進(jìn)行了分區(qū)。于慧麗等[5]在山西省黃土高原綜合治理分區(qū)圖的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)地調(diào)研典型丘陵溝壑區(qū)的公路黃土邊坡，并根據(jù)邊坡類(lèi)型、地層組合形式以及邊坡破壞模式等要素將其進(jìn)一步分區(qū)。曹紅[6]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘、巖心編錄、節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)、室內(nèi)試驗(yàn)和巖體質(zhì)量分級(jí)等手段，分析了金堆城南露天礦新揭露地質(zhì)斷面的工程地質(zhì)特征，得出了邊坡的致災(zāi)因素及破壞模式，并對(duì)南露天礦邊坡進(jìn)行工程地質(zhì)分區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

鞍鋼集團(tuán)鞍千礦業(yè)啞巴嶺露天采場(chǎng)邊坡巖體主要為泥質(zhì)千枚巖、炭質(zhì)千枚巖等軟巖，強(qiáng)度低、節(jié)理裂隙發(fā)育，易形成破碎巖體，是導(dǎo)致露天采場(chǎng)邊坡變形甚至滑坡的主要因素。本文以啞巴嶺露天采場(chǎng)邊坡為工程背景，通過(guò)工程地質(zhì)勘察等手段，在查明邊坡工程地質(zhì)條件的情況下，對(duì)礦區(qū)邊坡巖體結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究，初步實(shí)現(xiàn)工程地質(zhì)分區(qū)并對(duì)各分區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)判，以期指導(dǎo)采場(chǎng)邊坡設(shè)計(jì)和礦山安全開(kāi)采。

1 工程地質(zhì)特征

1.1 地形地貌

鞍千礦業(yè)啞巴嶺露天采場(chǎng)位于遼寧省鞍山市東部15～20 km 處，為東南高、西北低的丘陵山地，海拔標(biāo)高為100～200 m。礦區(qū)位于太古代鞍山群變質(zhì)巖系組成的鞍山復(fù)向斜的東北翼，該翼走向由櫻桃園至西大背呈北西—南東向，形成一個(gè)長(zhǎng)104 km的鐵礦帶。鞍千礦業(yè)位于鐵礦帶的西北部，礦區(qū)面積為6 km2，處于鞍山市東部千山鄉(xiāng)胡家廟子村，北距齊大山鐵礦8 km，南距眼前山鐵礦5.5 km，東側(cè)與遼陽(yáng)縣接壤，行政隸屬于鞍山市立山區(qū)。

1.2 地層巖性

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及現(xiàn)場(chǎng)踏勘調(diào)查，礦區(qū)內(nèi)出露的地層主要為前震旦紀(jì)鞍山群及遼河群變質(zhì)巖系、混合巖和第四紀(jì)層。

（1）前震旦紀(jì)鞍山群變質(zhì)巖系。地表除鐵礦層出露較好以外，其他各層多被遼河群與第四紀(jì)巖層所覆蓋。全群地層走向?yàn)?45°～165°，傾向南西，地表與淺部多倒轉(zhuǎn)為東北向，傾角大于80°，總厚度大于500 m。本群巖層為礦區(qū)最老巖層，主要由含鐵石英巖、片巖和千枚巖組成。

（2）前震旦紀(jì)遼河群變質(zhì)巖系。遼河群不整合覆蓋在鞍山群地層的地形凹陷部位。廣泛分布于淺部，大多數(shù)分布在鐵礦層的南西側(cè)，少數(shù)雜亂地分布在鐵礦層頂部或北東側(cè)。全群地層走向?yàn)?40°，傾向SW，個(gè)別NE，傾角一般不大于45°，總厚度大于200 m。鐵礦層上的覆蓋層厚度平均為52 m，最大為155 m。全群地層由南西向北東呈現(xiàn)厚度漸薄、分布深度漸淺的趨勢(shì)。全群巖層以千枚巖為主，石英巖和礫巖較少。

（3）第四紀(jì)層。本層主要由沖積、坡積、殘積、植物生長(zhǎng)層及人工堆積物等組成。

（4）混合巖與巖脈?；旌蠋r呈淺粉白色，條紋狀或片麻狀或花崗狀構(gòu)造，中至粗?；◢徸兙ЫY(jié)構(gòu)。主要由斜長(zhǎng)石、石英和白云母等組成，偶見(jiàn)綠泥石、褐鐵礦、硅狀鋯石、石榴石、綠簾石、角閃石、磁鐵礦、褐鐵礦，斜長(zhǎng)石表面已絹云母化和白云母化?；旌蠋r與鞍山群地層呈混合交代接觸，廣泛出露于礦區(qū)東北側(cè)。在啞叭山橫向斷層F3斷裂帶中也見(jiàn)有混合巖。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造為一單斜層構(gòu)造，相對(duì)比較簡(jiǎn)單。礦區(qū)斷裂構(gòu)造種類(lèi)較多，按其與礦體產(chǎn)狀的關(guān)系可劃分為走向斷層、斜交斷層與橫向斷層。三組斷層在空間分布上呈明顯規(guī)律性。主應(yīng)力為南西—北東方向的擠壓應(yīng)力，同時(shí)產(chǎn)生與擠壓應(yīng)力相伴的一組張應(yīng)力和兩組剪切應(yīng)力。主壓應(yīng)力形成走向斷層，張應(yīng)力產(chǎn)生北東橫斷層，剪切應(yīng)力產(chǎn)生北西向斜斷層，均為基底斷裂。礦區(qū)主要斷層特征見(jiàn)表1。

表1 主要斷層特征

2 邊坡巖體工程地質(zhì)分區(qū)

鞍千礦業(yè)啞巴嶺露天礦生產(chǎn)能力為500 萬(wàn)t/a，一期境界內(nèi)形成的固定邊坡最高標(biāo)高為+168 m，最低作業(yè)水平為?24 m，垂高為192 m。目前四周邊坡均為一期境界固定邊坡，邊坡累計(jì)總長(zhǎng)為15 067 m，邊坡揭露面積約18×104 m2，臺(tái)階坡面角設(shè)計(jì)下盤(pán)為55°、上盤(pán)為65°，但實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中，臺(tái)階坡面傾角略大。露天采場(chǎng)境界上口尺寸為1400 m×（290～480）m；下口尺寸為670 m×40 m。根據(jù)采場(chǎng)的礦體結(jié)構(gòu)特征，將采場(chǎng)劃分為A、B、C、D等共四個(gè)工程地質(zhì)分區(qū)（見(jiàn)圖1）。

圖1 啞巴嶺露天采場(chǎng)分區(qū)

（1）A 區(qū)。A 區(qū)位于采場(chǎng)東北幫，礦體上盤(pán)，邊坡巖體主要由混合巖、綠泥石英片巖和含鐵石英巖組成。邊坡長(zhǎng)約850 m，地表標(biāo)高為60～170 m，采場(chǎng)底標(biāo)高為?12 m。邊坡巖體為典型的逆坡向?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)，綠泥石英片巖片理非常發(fā)育，片理走向與邊坡走向基本一致，片理面平直光滑，產(chǎn)狀穩(wěn)定，延展較長(zhǎng)，貫通性較好，傾角主要變化在65°～85°之間。選取A1 和A2 兩個(gè)代表性剖面開(kāi)展分析，剖面主要巖性為混合巖（Me）和綠泥石英片巖（Chq）（見(jiàn)圖2、圖3）。

圖2 A1 工程地質(zhì)剖面

圖3 A2 工程地質(zhì)剖面

（2）B 區(qū)。B 區(qū)位于采場(chǎng)西北幫，邊坡長(zhǎng)約680 m，地表標(biāo)高為59～81 m，采場(chǎng)底標(biāo)高為0 m。上盤(pán)巖性為混合花崗巖、綠泥石英片巖以及含鐵石英巖，上部覆蓋第四系。下盤(pán)巖性為鞍山群千枚巖、斜長(zhǎng)角閃巖以及含鐵石英巖，上部覆蓋遼河群千枚巖及第四系。B 區(qū)邊坡巖體為典型的順坡向?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)，片理走向與邊坡走向基本一致，傾向相同，片理面平直光滑，產(chǎn)狀穩(wěn)定，延展較長(zhǎng)，貫通性較好，傾角主要變化在70°～85°之間。選取一個(gè)代表性剖面B1 開(kāi)展分析，剖面主要巖性為千枚巖（Lph）（見(jiàn)圖4）。

圖4 B1 工程地質(zhì)剖面

（3）C 區(qū)。C 區(qū)位于采場(chǎng)西南幫，邊坡長(zhǎng)約620 m，地表標(biāo)高為80～122 m，采場(chǎng)底標(biāo)高為?24 m。礦體下盤(pán)，邊坡巖性主要為千枚巖、底礫巖、綠泥片巖、斜長(zhǎng)角閃巖和含鐵石英巖，上部覆蓋第四系。C 區(qū)圍巖地表風(fēng)化較嚴(yán)重，圍巖相對(duì)比較破碎。邊坡巖體為典型的順坡向?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)，片理走向與邊坡走向基本一致，傾向相同，片理面平直光滑，產(chǎn)狀穩(wěn)定，延展較長(zhǎng)，貫通性較好，傾角主要變化在70°～85°之間。西南幫96 m 水平部位曾于2018年8 月14 日發(fā)生滑坡，該滑坡部位位于啞巴嶺排巖主干公路96～108 m 水平部位，滑體上層為堆積土，下方為泥質(zhì)千枚巖及炭質(zhì)千枚巖。選取C1 和C2 兩個(gè)代表性剖面開(kāi)展分析，該區(qū)域主要巖性為千枚巖（Lph）和斜長(zhǎng)角閃巖（Am）（見(jiàn)圖5、圖6）。

圖5 C1 工程地質(zhì)剖面

圖6 C2 工程地質(zhì)剖面

（4）D 區(qū)。D 區(qū)位于采場(chǎng)東南幫，邊坡長(zhǎng)約720 m，地表標(biāo)高為110～160 m，采場(chǎng)底標(biāo)高為?24 m。礦體上盤(pán)巖性主要為混合巖和綠泥石英片巖，礦體下盤(pán)巖性主要為千枚巖、斜長(zhǎng)角閃巖和含鐵石英巖。邊坡巖體為典型的逆坡向?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)，片理走向與邊坡走向基本一致，傾向相同，片理面平直光滑，產(chǎn)狀穩(wěn)定，延展較長(zhǎng)，貫通性較好，傾角主要變化在85°～90°之間。選取一個(gè)代表性剖面D1 開(kāi)展分析，主要巖性為千枚巖（Lph）、少量的斜長(zhǎng)角閃巖（Am）和鐵礦石（Fepp）（見(jiàn)圖7）。

圖7 D1 工程地質(zhì)剖面

3 巖體邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)的節(jié)理信息，利用Hoek-Brown節(jié)理巖體破壞準(zhǔn)則，估算出啞巴嶺采場(chǎng)不同分區(qū)巖體的強(qiáng)度參數(shù)（見(jiàn)表2）。本次計(jì)算所用參數(shù)參考啞巴嶺采場(chǎng)的地質(zhì)資料，同時(shí)根據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》和相關(guān)規(guī)范中的經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行確定，材料參數(shù)見(jiàn)表3，表3 中γ、c，φ分別表示重度、黏聚力、內(nèi)摩擦角。

表2 啞巴嶺采場(chǎng)各分區(qū)巖體強(qiáng)度參數(shù)

表3 材料參數(shù)

選取4 種極限平衡方法（Ordinary 法、Bishop法、Janbu 法和M-P 法）分析露天采場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性，共計(jì)算4 種不同的工況，分別是自然狀態(tài)、采動(dòng)狀態(tài)、降雨?duì)顟B(tài)和爆破振動(dòng)狀態(tài)。由表4 可知，自然狀態(tài)和降雨?duì)顟B(tài)的失穩(wěn)模式基本一致，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面均位于臺(tái)階坡面上，依附千枚巖層；降雨?duì)顟B(tài)下最危險(xiǎn)滑面位置較自然狀態(tài)下移，這是因?yàn)榻涤隊(duì)顟B(tài)下材料的容重增加，加大了下滑力，邊坡安全系數(shù)有所下降，表明水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響較大；人工采動(dòng)和爆破振動(dòng)均引發(fā)邊坡穩(wěn)定性下降。其中，采場(chǎng)C 區(qū)最小安全系數(shù)偏低，應(yīng)加強(qiáng)邊坡監(jiān)測(cè)并采取相應(yīng)的安全措施。

表4 各種工況條件下分區(qū)邊坡最小安全系數(shù)

4 結(jié)論

（1）根據(jù)礦區(qū)工程地質(zhì)特征和水文地質(zhì)特征、巖性、構(gòu)造、地形地貌等條件，初步將啞巴嶺露天采場(chǎng)邊坡分為A、B、C、D 四個(gè)工程地質(zhì)分區(qū)。

（2）采用極限平衡方法，計(jì)算4 種不同的工況（自然狀態(tài)、采動(dòng)狀態(tài)、降雨?duì)顟B(tài)和爆破振動(dòng)狀態(tài)）下啞巴嶺采場(chǎng)的邊坡安全系數(shù)和失穩(wěn)模式，研究結(jié)果表明：自然狀態(tài)和降雨?duì)顟B(tài)下邊坡失穩(wěn)模式基本一致，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面均位于臺(tái)階坡面上且依附千枚巖層；降雨?duì)顟B(tài)下最危險(xiǎn)滑面位置較自然狀態(tài)下移，邊坡安全系數(shù)下降；采場(chǎng)C 區(qū)最小安全系數(shù)偏低，應(yīng)加強(qiáng)邊坡監(jiān)測(cè)并采取相應(yīng)的安全措施。