刚果 （金） 某铜钴矿开采边坡岩体结构特征与分区评价

王亚明

华北有色工程勘察院有限公司， 河北 石家庄 050021

金属矿山的露天开采过程必将导致形成长大的高边坡问题， 矿山开采边坡的稳定安全性问题一直是露天采矿工程需重点关注的课题， 也是影响矿山安全生产的重大难题， 如能在矿山开采前查明矿区的开采边坡的工程地质特征， 查明开采边坡的岩体结构特征， 并对开采边坡进行初步的工程地质分区评价， 将能初步综合判断开采边坡的风险， 对矿山开采边坡的设计具有重要的指导作用。 矿山开采边坡的岩体结构是主要控制边坡稳定性的重要因素，王亚明［1-3］通过对老挝、 刚果（金） 的矿山开采边坡的岩体结构进行了研究， 并对其矿区的工程地质条件进行了评价。 工程地质分区主要是依据工程地质条件相似或相近原则， 结合生产区的工程类型与分布进行工程地质分区评价［4］， 如： 丁继新等［5］和廖崇高等［6］根据区域地质背景、 地层岩性特征、 岩土体类型及结构特征等情况对生产区进行工程地质分区， 并进行了定量的工程地质评价； 因此通过综合认识矿山开采区的岩体结构和工程地质特征是进行工程地质分区评价的基础， 同时工程地质分区也对矿山建设具有重要的指导意义。

论文以刚果（金） 某铜钴矿场区内的拟开采边坡为例， 通过采用钻孔调查、 井下电视扫描和工程地质勘察等手段对场地进行作业， 在查明工程地质条件情况下， 对该铜钴矿区边坡的岩体结构进行研究， 并初步进行工程地质分区， 其主要内容为： （1） 查明该铜钴矿区地层岩性分布状况及地质构造（断层） 分布情况； （2） 查明该铜钴矿区的工程地质条件及岩体结构面类型、 分布及结构特征； （3） 对该铜钴矿拟开采区进行初步工程地质分区并对各分区进行评价。 本研究对刚果（金） 地区矿山开采及开采边坡设计提供借鉴意义和指导意义。

1 矿区综合地质概况

1.1 矿区自然地理概况

该铜钴矿位于刚果（金） 卢阿拉巴省科卢韦齐市东35 km， N39 公路南600 m 处（图1）。 该铜钴矿位于刚果（金） 东南部低缓丘陵区， 区内总体地势为东南高、 西北低， 海拔标高1 294 ～1 390 m。 科卢韦齐市历年平均降水量1 130.05 mm， 降水主要集中在11月份至次年3 月份， 降水量年内分布极不均匀， 占全年降水量的85%以上， 而5 月份至9 月份为旱季， 几乎无降水。 Lualaba 河呈近南北向从矿区西侧约4 km处经过， 该河是区域内最大的地表水系， 河水流量较大， 矿区南侧约5 km 处发育一条东西向的Lualaba 河支流， 该铜钴矿区内部无地表水系。

图1 铜钴矿区地理位置图Fig.1 The Geographical map of the Cu-Co mine

1.2 矿区地层岩性特征

根据钻孔揭露的岩芯进行进行描述， 并与区域地地层及地质志进行对比， 该铜钴矿区内主要发育有罗安群的RAT 组 （R1）、 矿山组 （R2）、 迪佩特组（R3）、 下孔德龙古亚群利卡西组（Ki1） 及第四系，其地层分布见图2a。 地层特征由老到新描述如下：

1.2.1 罗安群（R）

罗安群主要分布在矿区中南部、 西南部， 呈北东东—南西西向带状分布， 宽度约90 ～300 m， 面积0.39 km2， 地层倒置， 总体倾向南南东， 倾角约45°，含RAT、 矿山、 迪佩特三个组：

（1） RAT 组（R1）， 分布在矿山组两端及南侧，岩性主要为砾岩、 角砾岩、 淡紫色白云质泥岩， 含浸染状赤铁矿， 厚度大于30 m；

（2） 矿山组（R2）， 主要分布在矿区中南部， 可划分为三段六层， 第一段R2.1 含RSF、 RSC 两层，DSTRAT 层缺失， 第二段（R2.2） 包含SDB、 SDS 两层， BOMZ 层缺失， 第三段包含CMN1、 CMN2 两层，由老到新又可分为： RSF、 RSC、 SDB、 SDS、 CMN1和CMN2 亚层。 RSF （R2.1.2） 为隐晶质层状白云岩，强-全风化， 具滑石化蚀变， 真厚度约15m； RSC（R2.1.3） 为细粒-粗粒蜂窝状硅化白云岩， 在细粒的基质中由于重结晶作用产生大的白云石“斑状变晶”， 有时呈类似于叠层石结构； 粗大的白云石晶体大多风化殆尽， 产生典型的藻状多孔结构， 真厚度约4～16 m； SDB （R2.2.1） 为灰白色白云质页岩， 强-全风化， 真厚度约11～27 m； SDS （R2.2.3） 为灰白色、 浅黄色砂质页岩， 夹灰白色白云质页岩， 强-全风化， 真厚度约15 m； CMN1 （R2.3.1） 为灰色夹黄褐色隐晶质层状白云岩， 真厚度约19.5 ～34 m；CMN2 （R2.3.2） 为灰白色-浅黄色白云质粉砂岩、灰色粗砂岩， 粗砂岩全风化为粗砂， 白云质粉砂岩强风化， 部分全风化为砂泥状， 真厚度约29 m。

（3） 迪佩特组（R3）， 主要分布在矿区中部及西南部， 地层主要为迪佩特组第一段RGS （R3.1）， 岩性主要为滑石化白云岩、 白云岩， 其中滑石化白云岩强-全风化， 真厚度大于90 m。 临近的Ki1.1 混积岩基底具有典型的破碎和滑石层， RGS 段与上覆地层呈断层接触。

1.2.2 下孔德龙古亚群（Ki）

该铜钴矿区内的下孔德龙古亚群为Likaxi 组（Ki1）， 且可划分为三段： （1） Ki1.1， 主要分布在矿区南部及中部小片区域， 总体呈北东东—南西西向展布， 岩性主要为角砾岩（混积岩）， 厚度超过500 m；（2） Ki1.2， 主 要 出 露 第 一 层Ki1.2.1， 第 二 层Ki1.2.2 少量分布于矿区深部。 Ki1.2.1 呈曲折条带状分布在矿区中东部及西北部， 岩性主要为白云质页岩、 页岩、 砂质页岩及泥质粉砂岩， 少量（泥质） 白云岩和白云质泥岩， 局部在强构造作用下形成构造角砾岩带； （3） Ki1.3， 主要分布在矿区北部， 呈北东东—南西西条带状展布， 岩性主要为紫色页岩、 泥质粉砂岩。

1.2.3 第四系（Q）

第四系广泛分布于整个铜钴矿区， 岩性以红褐色、 灰褐色粉质黏土、 含砾粉质黏土为主， 局部为残坡积或人工堆积碎石土， 厚度0.00～11.40 m。

1.3 矿区地质构造特征

该铜钴矿在区域上由倾向南、 倾角中等的下孔德龙古亚群沉积建造， 经旋转楔入到弯曲的倾向南、 倾角40°～60°的逆冲断层和陡倾逆冲带之间。 RGS 地层在上盘相对较软并且贯穿整个矿床， 沿着相比之下底部更脆性的孔德龙古群地层形成了边缘剪切带， 在这两个边界构造之间的整个地层层序显示为正确的沉积模式。 此外， 浅部地层的晚期破碎带将主要的上盘冲断层错断， 并且将主要来自基底滑脱地带的宽大、 近乎垂直的白云岩和矿化角砾岩联系起来， 整体形态符合典型的Reidel 剪切带特征， 不同程度的角砾岩化和脆性断裂影响带宽度约50～300 m。

该铜钴矿区断裂构造极发育， 共探明14 条断层，其规模大小不等， 从平面上来看， 以F1、 F14断层发育规模最大（图2a）， 呈近东西向贯穿整个矿区， 从垂向上来看， F1、 F9、 F14均延伸至深部（图2b）。 断裂构造的发育导致矿区内岩体破碎， 同时风化作用沿断裂构造向深部发育。

2 矿区工程地质结构面分级及特征

2.1 矿区岩体结构面分级

该铜钴矿区内的结构面以断层、 不整合接触面、层理、 节理裂隙为主， 可划分为四个结构面等级， 即Ⅱ、 Ⅲ、 Ⅳ、 Ⅴ级结构面， 现分述如下：

2.1.1 Ⅱ级结构面

该铜钴矿区内发育逆冲断层以及次级的断层14条（图2a）， 主要呈北东—南西向和近东西向展布，当矿山露天开采将时， 将揭露断层的结构面或影响带。 而这些断层形成了一定宽度的构造破碎带， 破坏了岩体的完整性， 对边坡稳定性影响较大。 矿区内主要断层的发育特征如下：

图2 （a） 铜钴矿区地层和构造分布图； （b） 铜钴矿区A-A’ 剖面断层和地层分布图Fig.2 （a） Geological and Tectonic map of Cu-Co mine； （b） Geological and fault profile of A-A’ cross section in Cu-Co mine.

（1） F1断层： 贯穿整个主矿体， 发育规模较大，整体走向北东—南西， 在主矿体北部向北凸出， 倾向南—南东， 浅部倾角较陡， 深部变缓。 F1断层在主矿床西部与F9断层交汇， 在东北部与F3断层形成的构造带宽度约20 ～50 m。 F1断层通常为北部Ki1.3 与Ki1.2 的分界线。

（2） F2、 F3、 F4、 F5断层： 整体走向北东—南西， 倾向南—南东， 大致与F1平行。 平面上F2、 F5断层在主矿床北部分别与F1、 F3交汇， 垂向上四条断层在不同深度交于F1断层。 四条断层均发育于Ki1.2中， 形成的构造带宽度5～65 m 不等。

（3） F6、 F7、 F8断层： 发育于主矿床中部， 走向变化较大， 呈“⌒” 形， 两侧交于F9 断层。 F6-F7、F8-F9之间的形成的构造带宽度5 ～30 m 不等。 F6、 F8断层作为主矿床Ki1.2 与Ki1.1 的分界线。

（4） F9断层： 发育于主矿床中、 西部， 并向西延伸， 整体走向南西西—北东东， 倾向南—南东， 西侧倾角较陡， 约60°， 东侧倾角稍缓， 约45°。 F9断层通常为RGS 与Ki1.1 地层的分界线。

（5） F10、 F11、 F12断层： 发育于主矿床中南部罗安群中， 整体走向近似东西， 其中F11 在西侧向北转向， 整体倾向南， 倾角约45°。 F10为RGS 与CMN 地层的分界线， F11、 F12为RAT 与相邻地层的分界线。

（6） F13、 F14断层： F13断层发育于主矿床东南部， 规模较小， 为F14断层的次一级断层。 F14断层发育于主矿床南侧， 整体呈波浪形近东西向展布， 发育规模较大， 南倾约45°， 为南部Ki1.1 与罗安群及东部Ki1.1 地层的分界线。

2.1.2 Ⅲ级结构面

该铜钴矿区Ⅲ级结构面主要为地层不整合接触带， 主要为主矿体中心深部的Ki1.2.1 与Ki1.1 地层间为不整合接触， 此类III 级结构面对边坡的影响有限， 工程评价时可将其归类为等效的地层整合接触带。

2.1.3 Ⅳ、 Ⅴ级结构面

该铜钴矿区岩体中发育有互相切割的多组裂隙，其结构面清楚， 属区内主结构面的低序次结构面， 此种结构面使岩体的完整性及稳定性降低。 该铜钴矿区碳酸盐岩整体岩溶发育强度较低， 主要以溶蚀裂隙为主， 局部发育有溶洞。 岩溶发育强度和深度主要取决于构造裂隙的发育程度， 断裂构造延深大、 破碎带宽、 水动力条件好， 则岩溶越发育。 岩溶的发育不同程度地破坏了岩体的完整性， 地下水动力因素影响增大， 对岩体力学性质产生一定的影响。

2.2 控制开采边坡岩体结构面特征

该铜钴矿区内的地表岩石露头极少， 而井下电视扫描方法可360°全方位扫描钻孔井下的岩体结构裂隙， 获取岩体结构面特征， 因此在该铜钴矿场区进行了井下电视360°全方位扫描， 依据《水文测井工作规范》 （DZ／T0181—1997）［7］对各钻孔井下解译出层理875 条， 裂隙314 条。 对铜矿区布置的GK02、GK03、 GK04、 GK05、 GK08、 GK09 钻孔进行井下电视扫描、 解译， 经统计分析， 通过井下电视扫描方法获得该铜钴矿区内的IV、 IV 级结构面的特征：

2.2.1 GK02 钻孔

GK02 钻孔主要揭露Ki1.2.1 地层， 岩性主要为白云质页岩。 该孔井下电视解译数据多位于170 ～230m 段内， 其结构面的极点图和等密度图见图3， 倾向较为稳定， 倾角变化较大， 产状为280° ～320°∠30°～65°， 其中在148 m 处， 岩层产状为187°∠57°，这可能是受到F3 断层影响。

图3 GK02 钻孔结构面（a） 极点图和（b） 等密度图Fig.3 （a） Pole diagram and （b） Isodensity diagram of rock stratum in GK 02 drilling hole

2.2.2 GK03 钻孔

GK03 钻孔主要揭露Ki1.2.1 地层， 岩性为白云质页岩， 垂向上， 该地层倾向以北西向为主， 倾向283°～315°， 其中253～291 m 岩层产状为202°∠43°，该段地层可能受到F3断裂构造影响。 裂隙产状不规律， 倾向0°～360°均见， 倾角大部分在30°～70°之间， 其结构面的极点图和等密度图见图4。

图4 GK03 钻孔结构面（a） 极点图和（b） 等密度图Fig.4 （a） Pole diagram and （b） Isodensity diagram of rock stratum in GK 03 drilling hole

2.2.3 GK04 钻孔

GK04 钻孔主要揭露Ki1.3 地层， 垂向上地层倾向较稳定， 约为300°， 地层倾角随深度增加而增大， 变化范围为50°～73°， 其结构面的极点图和等密度图见图5。

图5 GK04 钻孔结构面（a） 极点图和（b） 等密度图Fig.5 （a） Pole diagram and （b） Isodensity diagram of rock stratum in GK 04 drilling hole

2.2.4 GK05 钻孔

GK05 钻孔位于剖面中部， 揭露Ki1.2.1 地层，岩性为白云质页岩， 其产状变化较大， 中部地层倾向北东， 向下倾向北西西和南西西， 随深度进一步增加， 倾向转向东、 东南。 钻孔深部裂隙不发育，98.06～197.87 m， 裂隙较为发育， 倾向北西或西南，优势裂隙产状为223°∠66°、 322°∠74°， 其结构面的极点图和等密度图见图6。

图6 GK05 钻孔结构面（a） 极点图和（b） 等密度图Fig.6 （a） Pole diagram and （b） Isodensity diagram of rock stratum in GK 05 drilling hole

2.2.5 GK08 钻孔

GK08 钻孔主要揭露Ki1.2.1 地层， 岩性为白云质页岩， 深度范围为92.12 ～170.45 m 间地层产状为221°∠58°， 其结构面的极点图和等密度图见图7。

图7 GK08 钻孔结构面（a） 极点图和（b） 等密度图Fig.7 （a） Pole diagram and （b） Isodensity diagram of rock stratum in GK 08 drilling hole

2.2.6 GK09 钻孔

GK09 钻孔主要揭露Ki1.2.1 地层， 岩性为白玉质页岩， 测试深度范围为99.45 ～145.44 m 间， 地层产状为197°∠53°。 解译数据显示， 2 组优势裂隙，分别为233°∠63°、 272°∠69°， 其结构面的极点图和等密度图见图8。

图8 GK09 钻孔结构面（a） 极点图和（b） 等密度图Fig.8 （a） Pole diagram and （b） Isodensity diagram of rock stratum in GK 09 drilling hole

2.3 工程地质分区及其特征

根据岩性、 构造、 工程地质和水文地质条件等主要因素， 可将该铜钴矿开采边坡划分为A、 B、 C 三个工程地质分区， 如图9， 各分区特征如下：

2.3.1 A 区

该工程地质分区位于矿区西北、 北及东北部， 即F9 断层（RGS 北界）、 F7断层东南段、 F14断层东段北区段， 岩体结构主要为散体结构和碎裂结构， 且为散体结构和碎裂结构互层类型， 岩体质量差-一般。 本区地层总体倾向北西（285°～312°）， 倾角较陡（43°～73°）， 与边坡坡向斜交至相反。 A 区内II 级结构面（断裂构造） 极发育， 总体走向北东—南西， 倾向南东， 形成一定规模的构造破碎带， 与边坡坡向同向；在构造作用和风化作用共同影响下， 部分页岩、 粉砂岩强-全风化成土状， 力学强度极低； 边坡变形破坏主要受这些厚度较大、 一定范围展布的破碎岩、 软弱层控制。 该区含水层的空间分布状态主要受断裂构造控制， 含水层在水平上、 垂向上强弱相间分布， 含水层结构复杂。

2.3.2 B 区

该工程地质分区位于矿区中南部， 东侧F14断层为界， 北侧以F9断层为界， 西侧以F10断层及其延长线为界。 边坡岩体为碎裂结构岩体和散体结构岩体，本区边坡坡腰、 坡脚岩体质量为非常差-差， 坡顶及其外围岩体质量差-好。 B 区各地层倾向南， 倾角较A 区缓， 约40°～50°， 与边坡坡向相反。

2.3.3 C 区

该工程地质分区位于矿区中部和西南部， 北侧以F9断层西段为界， 东南侧以F10断层西段及其延长线为界， 岩体表层为强-全风化白云岩， 为极软岩， 属散体结构， 岩体质量非常差； 而下部为中-微风化白云岩， 为较软岩， 岩体较破碎-较完整， 属块状结构，岩体质量一般。 C 区地层倾向北西（287°～304°）， 与边坡坡向大角度斜交。 II 级结构面（断裂构造） 环绕本区整个坡体。 区内含水层分布差异主要表现在水平向上： 内侧（坑底、 坡脚区段） 上部为RGS 白云岩弱含水层， 下部为Ki1.1 白云质（粉） 砂岩、 石英砂岩构造裂隙中等含水层； 中部（坡腰区段） 主要为RGS 白云岩弱含水层； 外围则为Ki1.1 角砾岩弱含水层。

3 结 论

（1） 刚果（金） 某铜钴矿位于卢韦齐市东， 区域上由倾向南、 倾角中等的下孔德龙古亚群沉积建造， 经旋转楔入到弯曲的倾向南、 倾角40°～60°的逆冲断层和陡倾逆冲带之间， 且RGS 地层在上盘相对较软并且贯穿整个矿床。

（2） 该铜钴矿区内的结构面以断层、 不整合接触面、 层理、 节理裂隙为主， 可划分为四个结构面等级， 即Ⅱ、 Ⅲ、 Ⅳ、 Ⅴ级结构面。 II 级结构面主要是以研究矿区内的断层破碎带为主， III 级结构面为地层不整合接触面， 主要为主矿体中心深部的Ki1.2.1与Ki1.1 地层间为不整合接触， IV、 V 级结构面为岩体层理面与节理控制面， 以溶蚀裂隙为主； 同时利用井下电视扫描方法获取IV、 V 结构面的优势面产状及等密度图， 为铜钴矿区开采边坡的设计提供稳定性计算依据。

图9 铜钴矿区工程地质分区及亚区分区示意图Fig.9 The map ofengineering geological zones and sub-zones in a Cu-Co mine

（3） 该铜钴矿区根据岩性、 构造、 工程地质和水文地质条件因素， 初步分为A、 B、 C 三个工程地质分区， A 区的岩层倾角较陡（43°～73°）， 与边坡坡向斜交至相反； B 区的岩层倾向南， 倾角较A 区缓， 约40°～50°， 与边坡坡向相反； C 区的地层倾向北西（287°～304°）， 与边坡坡向大角度斜交， 同时认识了该矿区的工程地质条件， 并指出分区开采更适宜该矿区的开采工作， 对以后类似的矿区的工程地质勘查、 采矿设计和施工提供了指导作用。