乌努格吐山铜钼矿边坡稳定及灾害防控技术研究

赵春波，张海涛，宋志伟

(中国黄金集团内蒙古矿业有限公司，内蒙古 满洲里 021400)

1 研究背景

乌努格吐山铜钼矿(以下简称乌山)为一大型斑岩型铜钼矿床，构成边坡工程地质岩组的岩性主要为黑云母花岗斑岩、次流纹质晶屑凝灰熔岩、次斜长花岗斑岩、次英安质角砾熔岩及部分花岗(斑)岩、闪长玢岩。区内地表水体不发育，大气降水是矿区地下水的唯一补给来源，矿体大部分位于侵蚀基准面以下，地形有利于自然排水，露天采坑地下水易于疏干。

2 研究内容

2.1 工程地质调查与分析

为了充分了解矿区各域岩体节理的外观质量以及分布状态，得出各区域结构面产状的优势方位，对整个矿区已揭露区域结构面进行了系统调查，为乌山矿区边坡岩体稳定性分析提供定量依据。本研究利用ShapeMetrix3D近景摄影系统对乌山露天矿北矿段720、735、750、765、780、795、810七个台阶，南矿段765、780、795、810四个台阶进行了结构面扫描。拍摄照片400余张，3GSM视图60组。通过3GSM后处理软件选择合成三维立体图21组(图1、2)。

图1 节理分析及产状统计Fig.1 Joint analysis and production statistics

图2 合成三维图及节理分布情况Fig.2 Distribution of synthetic three-dimensional graphs and joints

2.2 岩石物理力学性质试验研究

通过对乌山铜钼矿现场进行的岩石单轴压缩及变形试验、岩石饱水单轴压缩及变形试验、岩石冻融性质试验等室内试验及现场点荷载试验，得出如下结论：

1)三种岩石试样的自然状态单轴抗压强度差异较大，黑云母花岗岩单轴抗压强度最大为 140.83 MPa，次英安质角砾熔岩单轴抗压强度居中为 120.46 MPa，次斜长花岗斑岩最小为 63.21 MPa。

2)三种岩石试样的饱和状态单轴抗压强度差异较大，黑云母花岗岩单轴抗压强度最大为 81.26 MPa，软化系数为 0.58；次英安质角砾熔岩单轴抗压强度居中为 78.99 MPa，软化系数为 0.66；次斜长花岗斑岩最小为 58.76 MPa，软化系数为 0.93。

3)随着冻融循环次数的增加，各类岩石单轴抗压强度均有所降低，并由冻融循环试验得出岩石损伤破坏为裂纹模式[1]。冻融循环后，不同岩体的单轴压缩强度有明显的降低：黑云母花岗冻融质量损失率为 0.38%，冻融系数为 0.84；次英安质角砾熔岩冻融质量损失率为 0.31%，冻融系数为 0.84；次斜长花岗斑岩质量损失率为 0.29%，冻融系数为 0.79。

4)不同岩性岩石抗压强度差异明显，且同一岩性岩石在不同分区也表现出不同强度特征。2 区次英安质角砾熔岩和 3 区黑云母花岗岩、3 区次英安质角砾熔岩强度相对较高，其次是 1 区黑云母花岗岩和 5 区黑云母花岗岩强度居中，而2 区的次斜长花岗斑岩及 4 区的黑云母花岗岩强度较低。

2.3 边坡工程地质分区与岩体质量评价研究

工程地质分区的目的在于定性描述和定量计算各个分区的稳定性，在此基础上得出各个分区边坡角，并为后续的开采和边坡治理监测提供参考[2]。划分工程地质岩组，从岩体结构观点研究岩组的岩性和它的原生结构面的性质及其分布规律。工程地质岩组划分的主要标志有岩性标志和原生结构面标志。

乌山铜钼矿露天采场边坡工程地质分区不但要反映地层和构造，还要根据边坡工程的特点，反映矿区各边坡不同部位的稳定性。根据边坡工程周围的地形地貌、地层岩性、边坡产状等信息，结合采场出露边坡的现状节理裂隙调查、岩体完整性调查、历史详勘钻孔的 RQD 值等定量和定性评价指标，建立矿岩体与露天坑关系的三维工程地质模型，统计优势结构面与露天边坡关系，对乌山铜钼矿露天采场进行了工程地质分区。分区过程中，同时考虑了水文地质条件、断层节理以及破碎带的工程因素和地质因素。

最终，乌山铜钼矿露天采场分为 5 个地质特征区，分区见图3所示。

图3 乌山铜钼矿边坡地质分区图Fig.3 Slope geological zone of Wunugetushan copper-molybdenum mine

2.4 生产爆破振动测试及分析研究

1) 爆破振动测试研究内容

(1)在乌山露天采场边坡上按照工程地质分区设置 6 个测振区，每个测振区布置 6 个测点，分别布置爆破测振仪，采集爆破振动信号；

(2)共监测 10 个爆破区爆破振动信号，获取爆破振动监测数据，并拟合出不同监测区域的场地系数K值和衰减指数α值；

(3)根据记录的多点振动波形取得主振频率与振动速度、加速度值，分析露天爆破对边坡的影响；

(4)根据爆破振动监测结果，拟合出乌山露天矿边坡的爆破振动衰减规律公式；在尽量减少对现有生产工艺影响的情况下，给出爆破总药量以及最大单段药量指标，降低爆破振动有害效应对露天边坡的影响，将爆破振动有害效应控制在允许范围之内，为后续爆破设计提供技术依据。

2)爆破振动对露天矿边坡的影响分析

按照爆源与坡体的相对位置，乌山露天采场爆破振动对边坡的动力稳定影响分两种不同的情况，如图4所示。

a—最终边坡角；b—工作帮坡角；c—台阶坡面角；AB—工作平盘；H—台阶高度；HR-运输道路宽；BF-台阶坡面；SB-安全平台；CB-清扫平台图4 乌山露天采场构成要素与爆破类型Fig.4 Composition and blasting type of open field of Wunugetushan copper-molybdenum mine

1)正常生产爆破，即爆源在边坡体外，采用《爆破安全规程》 “永久性岩石高边坡”控制标准：最终边坡坡底质点振动速度控制在 8～15 cm/s 以内。可根据爆破区与最终边坡坡底距离的远近，按照公式计算最大单段药量，尽量控制最大单段装药量。

2)靠帮边坡爆破，即爆源在边坡体上，按照《非煤露天矿边坡工程技术规范》控制，即靠帮边坡质点振动速度应小于 24 cm/s。必须采用预裂爆破、光面爆破等技术控制爆破振动，优化爆破参数，提高半孔率，保证永久边坡岩体的完整性，加强减振控制技术研究。

露天矿生产爆破是一个反复持久的过程，爆破产生的动载冲击作用日积月累，使各种破坏效应得到不断的加强和延续，产生近似材料的蠕变或岩石内部的损伤积累，当其超过边坡稳定的临界值时，就会发生边坡的失稳。在矿山生产过程中，应以保护最终边坡稳定为主；对于临时工作台阶，边坡的局部垮塌并不会影响正常生产。

2.5 露天采场边坡稳定性分析研究

1)露天边坡稳定性影响因素

露天边坡稳定性受岩性条件、岩体结构、水文地质条件、边坡形态、地震和爆破等多种因素控制[3-5]。此外，气候条件、风化作用以及其它因素都可能影响边坡的稳定。以上因素中，岩性条件、岩体结构、水文地质条件和边坡形态是影响边坡稳定性的内在因素，地震、爆破、气候、风化等是外部因素[6]。内因起决定作用，它决定了边坡稳定性的总状况，规定了边坡失稳的可能性大小；外因起次要作用，它往往通过内因起作用，是边坡失稳的诱发因素。

2)露天边坡稳定性监测及边坡安全防护措施研究

随着矿山开采规模和开采深度的日益增加，各种不确定性因素会对边坡的稳定性造成超出预想的灾害，可能出现如下问题：

(1)通过数值计算得出的稳定边坡，在采掘过程中可能出现局部滑坡灾害；

(2)边坡滚石对采场底部作业设备和人员造成安全威胁；

(3)顺层边坡采掘过程中，出现表层顺层滑坡，威胁运输车辆和采掘设备；

(4)反倾边坡在日照、风、降雨的联合作用下，出现严重风化、掉块、崩塌灾害。

针对以上问题，结合乌山铜钼矿去年引进了合成孔径雷达地表变形监测系统，在充分利用现有监测手段的基础上，考虑结合潜在危险区变形特征，通过增加测点及其他监测手段，探测边坡岩体移动的规律，并依据观测资料了解和掌握边坡的形态、规模和发展趋势，以便采取相应的处理措施[4-5]。

2.6 乌山矿露天边坡在线监测改进措施

1)对现有雷达监测系统的技术改进

升级雷达监测系统的数据传输方式，优化供电系统。

2)补充爆破振动监测

采用爆破振动监测系统，针对依据规范设置的爆破振动测点进行了爆破振动测试，分析拟合爆破振动数据，得出适用于乌山铜钼矿的监测区域范围内爆破振动衰减规律公式，用于指导乌山铜钼矿爆破设计。

3)增加深部滑动力监测和降雨量监测

对滑坡周边区域加强监测，增加深部滑动力监测手段对可能存在滑坡风险的坡面岩体内部下滑力进行实时监测。

矿区降雨主要分布于 7、8 月间，矿区岩体节理裂隙较发育，降雨期间边坡稳定性受集中降雨的影响较大，因此建议增加降雨量监测。

3 结论与建议

1)边坡稳定性研究是一项贯穿整个露天开采始终的系统工程，在开采过程中，随着边坡岩体信息的逐步揭露，加强边坡地质资料的收集、分析和稳定性评价工作，适时调整边坡设计参数，为后续开采设计和边坡安全管理提供科学依据。

2)在露天开采过程中，密切关注揭露的断层破碎带及密集的不利结构面，时刻注意观察边坡的动态，须加强必要的监测，必要时对危险坡体采取加固措施或局部将边坡放缓。

3)在邻近采场最终境界或永久边坡的靠帮边坡爆破时，宜采用预裂爆破和光面爆破技术，优化爆破参数，提高半孔率，保证永久边坡岩体的完整性，加强减振控制技术研究。