大型露天矿岩体工程地质分区及边坡稳定性评价*

王亚强，张海涛，王晓东，秦秀山，刘伟

(1.中国黄金集团内蒙古矿业有限公司，内蒙古 满洲里市 021400；2.矿冶科技集团有限公司，北京 100160)

0 引言

露天开采比井工开采劳动生产率（吨/人月）高5～10 倍，节约成本30%～60%，具有很大的工效、成本优势，在金属非金属矿床中具有重要地位[1−2]。对于露天矿边坡工程，其稳定性受工程地质因素控制。按照工程地质条件将边坡岩体区分开来，可为工程设计提供所需的基本参数与评价根据。

边坡分区设计与优化已经在国内外露天矿山得到相当广泛的应用。方鸿琪[3]提出了工程场地与工程地质分区的基本原则与流程。印度某矿山[4]充分利用钻孔数据，将深凹露天矿划分为若干个区段，分别进行边坡角设计。曙光金铜矿[5]将采场划分为5 个工程地质分区，进行分区境界优化，在降低剥采比的同时提高了边坡的稳定性。大孤山铁矿[6]将露天采场按照岩体强度指标进行精细化分区，识别北帮潜在滑坡区域并建立起长短期监测相结合的监测预警系统，成功捕获楔体滑坡前兆信息，避免了人员设备损失。乌拉根锌矿将3 km 的露天采场分为东-中-西3 个采区，并设计不同的采矿方案，保障了露天开采到地下开采的无缝衔接，实现了安全高效开采。

上述研究并未详细介绍工程地质分区的依据和具体的实施流程。本文以乌山铜钼矿为研究对象，首先采用结构面特征调查方法，完成现场工程地质调查分析，并利用相关规范，对边坡岩体进行工程地质分区；其次通过现场采样测试与室内试验，获得岩石物理力学性质基础数据；然后结合矿山岩石工程地质数据、岩石力学性质参数和岩体工程地质分区特征，利用数值分析软件完成边坡稳定性分析评价；最后在已有监测手段及加固治理方法的基础上，结合潜在危险区失稳破坏模式及工程地质分区特征，制定适用于矿山现状的边坡监测及加固治理方案。研究成果不仅为乌山铜钼矿边坡分区提供指导，也可为大型露天矿岩质边坡的岩体工程分区及边坡稳定性的评价治理提供借鉴。

1 矿区概况

乌山铜钼矿位于内蒙古呼伦贝尔地区，铜资源储量为267 万t，钼资源储量为54 万t，矿区面积为9.84 km2。如图1 所示，乌山铜钼矿为露天开采，分南北两矿段同时进行采矿作业，露天采场设计最高标高为858.00 m，封闭圈标高为735 m，采场设计坑底标高为东部465 m，西部345 m。设计终了边坡最大高差超过500 m，整体边坡角为43°～45°，属于高陡边坡。矿山边坡台阶高度为15 m，并段后台阶高度为30 m。露天开采终了境界圈定的采场尺寸为：上口3640 m×1330 m，东部下口850 m×160 m，西部下口700 m×160 m。露天采场目前最低开采水平为630 m，露天采坑局部深度已超过200 m，露天坑北矿段东北部有部分边坡已靠帮。

图1 乌山铜钼矿露天采场境界

随着矿山开采揭露岩体范围的不断扩大，不同边坡区域节理构造发育情况有较大差异，部分边坡区域构造发育、岩体破碎，对下部安全生产产生一定影响。且现阶段揭露的部分边坡岩体构造发育，岩体较破碎，存在断层及其破碎带，一经开挖，潜在应力释放快、围岩易失稳，边坡岩体存在局部失稳垮塌的风险，上部松散地层、土岩交界面及破碎岩体均会对下部露天采剥工作产生较大的安全影响。如图2 所示，在矿山的北帮、东帮和南帮出现多处单台阶破坏，其中东帮765 m、735 m 平台均出现不同程度的裂缝。裂缝区域走向长度为15～30 m 左右，破坏高度一般为10～15 m 左右，每一处小型楔形滑坡体面积均不大，一般不超过750 m2。近年随着逐渐靠帮，受自身岩性、构造、节理等影响，在爆破震动、雨水、冻融作用下，发生了多次不同规模的滑坡。因此，滑坡灾害是威胁矿山安全生产的重大隐患，需要在详细的工程地质调查的基础上进行边坡分区稳定性评价与治理。

图2 岩石力学灾害现场照片

2 工程地质调查与工程地质分区

2.1 近景摄影测量

工程经验表明在低应力条件下，岩体尤其是硬岩的稳定性主要受结构面控制。为了获取区域岩体结构面的分布特征规律，采用ShapeMetriX3D 系统进行现场近景摄影测量调查，使用该设备进行岩体结构面测量可以高效安全获取现场节理裂隙信息。矿区节理裂隙分类统计结果如下。

（1）1 区。区域内结构面体密度为0.71 条/m3，主要分布有3 组优势结构面，方位分别为191°∠3 5°、259°∠6 9°和328°∠6 1°。分布有二级结构面，南部沿断裂出露环状次斜长花岗斑岩岩脉形成的Ⅲ级结构面，北部沿断裂分布有流纹斑岩岩脉和次斜长花岗斑岩岩脉形成的Ⅲ级结构面。露天采场边坡面平直，呈南北走向，如图3 所示。

图3 1 区结构面密度云图

（2）2 区。区域内结构面体密度为0.66 条/m3，主要分布有3 组优势结构面，方位分别为259°∠7 8°、340°∠7 8°和107°∠3 5°。北东向的Ⅱ级结构面发育，在南部黑云母花岗岩中分布有次斜长花岗斑岩岩脉形成的Ⅲ级结构面，露天采场边坡总体形状呈凹型，如图4 所示。

图4 2 区结构面密度云图

（3）3 区。区域内结构面体密度为0.94 条/m3，主要分布有3 组优势结构面，方位分别为205°∠75 °、52°∠78 °和298°∠57 °。该区位于露天采场的西南帮，岩性以黑云母花岗岩为主，其次为次英安质角砾熔岩。分布有断裂构造和岩脉形成的Ⅱ级结构面，岩脉形成的Ⅲ级结构面发育，露天采场边坡总体形状平顺，如图5 所示。

图5 3 区结构面密度云图

（4）4 区。区域内结构面体密度为1.37 条/m3，主要分布有2 组优势结构面，方位分别为93°∠69 °和284° ∠57 °。由断裂构造形成的Ⅱ级结构面和由岩脉形成的Ⅲ级结构面发育露天采场边坡总体形状呈现凹凸形，断裂构造较发育，如图6 所示。

图6 4 区结构面密度云图

（5）5 区。区域内结构面体密度为0.89 条/m3，主要分布有3 组优势结构面，方位分别为250°∠7 3°、200 °∠3 4°和85°∠6 6°。分布有断裂构造形成的Ⅱ级结构面和岩脉形成的Ⅲ级结构面，露天采场边坡总体形状平顺，如图7 所示。

图7 5 区结构面密度云图

2.2 岩石物理力学性质试验

岩石物理力学性质试验岩芯取自乌山露天坑边坡。由于岩芯取出时间较长，且大多已劈裂，通过现场采取岩石大块，在后期加工成标准试样的方式来完成相关岩石力学试验制样工作。采集矿区分布最广且具有代表性的3 种岩样为黑云母花岗岩、次斜长花岗斑岩、次英安质角砾熔岩。取样地点及所取岩样基本代表研究范围内各种岩石性质指标，岩块完整，不存在明显节理裂隙。根据式（1）计算点荷载强度。

其次，将ID折算成标准点荷载强度指数Is(50)。根据现行的工程岩体分级标准，岩石单轴抗压强度Rc(单位为MPa)为：

点荷载试验结果表明，黑云母花岗压的单轴抗压强度为140.83 MPa，次英安质角砾熔岩单轴抗压强度为120.46 MPa，次斜长花岗斑岩的单轴抗压强度为63.21 MPa。此外利用Hoek-Brown 方法对岩体力学参数进行估算，岩体的力学参数见表1。

表1 岩体力学参数

2.3 工程地质分区

工程地质分区原则：按设计部门初步确定的开采境界线外扩200 m 范围内，同一个工程地质区的地貌单元、地形构造特征、地层岩性、水文地质条件等基本相同。在一个工程地质区内，个别条件有差异，将其再分亚区。按照以上原则，将乌山铜钼矿露天采场划分为5 个地质特征区，如图8 所示。

图8 边坡工程地质分区

（1）1 区。东帮F4 断层倾向与矿体倾向一致，与边坡倾向呈大角度相交，不会直接构成边坡滑动面，因此，该区总体稳定性分析可按圆弧型滑面进行。而南侧区域由于受F7 断层影响，破碎带倾向与边坡倾向一致，该处边坡破损受破碎带控制，易出现折线型滑面。

（2）2 区。该区总体边坡不存在构成滑动面的构造，其稳定性分析可按圆弧型滑面进行。

（3）3 区。该区总体边坡不存在构成滑动面的构造，其稳定性分析可按圆弧型滑面进行。而南侧区域由于受F5 断层影响，破碎带倾向与边坡倾向一致，该处边坡破损受破碎带控制，易出现折线型破坏类型

（4）4 区。该分区内有F2、F3、F7 断层，走向均与边坡面平行或斜交，倾向与边坡倾向相反，对该区总体边坡稳定性不构成直接影响。该区总体边坡不存在构成滑动面的构造，其稳定性分析可按圆弧型滑面进行。

（5）5 区。F1 断层与边坡走向近似平行，倾向与边坡面相反，不会直接构成边坡滑动面。该区总体边坡不存在构成滑动面的构造，其稳定性分析可按圆弧型滑进行。

3 边坡稳定性评价及边坡治理方案设定

3.1 边坡分区稳定性分析

乌山铜钼矿初步设计的露天服务年限为27 a，其中稳产期为24 a，减产为3 a。根据《有色金属采矿设计规范》（GB50771-2012），当非工作帮边坡服务年限大于20 a 时，设计稳定安全系数为1.3～1.4。根据边坡岩体工程地质分区的实际情况，本次研究中共布置5 条剖面，通过计算选取每个分区安全系数最小的1 条代表性剖面参与最终的极限平衡计算，具体剖面线如图1 所示。

露天矿边坡稳定性受爆破振动的影响，需将爆破振动纳入边坡稳定性计算中。根据爆破震动测试结果计算，各个分区的平均爆破振动水平影响系数为0.0023～0.0096，取最大值0.0096 计算爆破振动作用下的边坡稳定性。在进行分区并选取代表性剖面基础上，采用简化Bishop 法进一步分析分区的边坡稳定性，经过不断的优化计算，各分区典型剖面安全系数计算结果如图9 所示。

图9 边坡稳定性评价结果

3.2 边坡分区治理方案

根据极限平衡分析的结果，边坡整体安全系数在允许范围内。但由于断层和软弱结构面的存在，局部可能存在潜在滑移的区域。

（1）1 区。上部台阶有第四系覆盖，该区南侧受F5 断层影响，结构面与边坡倾向一致，破坏模式多呈平面滑动，局部台阶出现小面积的裂隙水渗出。防护工程必须充分考虑小型泥石流、裂隙水和局部滑塌等伤害。

（2）2 区。边坡总体形状呈凸形，优势结构面与边坡面呈大角度切割，相对稳定。开采过程中局部区域可能产生楔形体滑移破坏或平面滑移破坏，浅部地层节理裂隙发育。防护工程必须充分考虑滚石、崩塌等。

（3）3 区。露天采场剥离现状显示岩体为碎裂结构，完整性差，节理裂隙较发育。该区受F5 断层影响，结构面与边坡倾向一致，破坏模式多呈平面滑动。防护工程必须充分考虑滚石、崩塌和局部滑塌等。

（4）4 区。边坡总体形状呈现凹凸型，优势结构面与边坡面呈大角度切割，开采过程中局部区域可能产生楔形体滑移破坏，节理裂隙发育。防护工程必须充分考虑滚石、崩塌等灾害。

（5）5 区。结构面与终了边坡倾向相反，不影响终了边坡整体的稳定性。优势结构面和边坡面呈大角度切割，局部区域可能产生楔形体滑移破坏，节理裂隙较发育。防护工程必须充分考虑滚石、崩塌等灾害。

针对5 个分区的不同特点，分别提出了相应的灾害防治对策。对1～5 各分区坡面现有不稳定滑塌堆积体，采取人工清理浮石和长臂钩机相结合的措施进行清除，以保证治理工程的顺利实施。针对1 区出现的局部出水点（区），有针对性地采取疏干孔，加强边坡内部地下水的排干。采场下盘边坡1区、2 区、3 区存在表层顺层滑坡的可能，重点对部分台阶坡脚采取支挡或抗滑桩工程。3 区、4 区、5 区等破碎岩体分区采取挂钢筋网的方式进行补强，防止局部失稳影响整体边坡稳定性。针对1 区、3 区、4 区可能出现边坡变形破坏严重的区域，建议采用表面挂网喷砼的“刚柔结合”加固措施。

4 结论

（1）现场结构面测试结果表明，乌山铜钼矿岩体结构面发育中等，倾角较大。室内岩石力学试验与现场点荷载试验表明，乌山铜钼矿3 种岩石试样的单轴抗压强度差异较大，黑云母花岗岩单轴抗压强度为140.83 MPa，次英安质角砾熔岩单轴抗压强度为120.46 MPa，次斜长花岗斑岩单轴抗压强度为63.21 MPa。

（2）在明确工程地质分区原则的基础上，将乌山铜钼矿边坡岩体划分为5 个工程地质分区。地质分区结合现场地质调查的结果是计算边坡稳定性的前提和基础。对不同地质区段的岩体质量进行定量分析和评价，为边坡稳定性计算提供更为充分的依据。

（3）边坡稳定性分析结果表明，乌山铜钼矿现行边坡角的计算安全系数符合规范规定的边坡安全系数1.3～1.4 的要求。同时考虑到断层和破碎矿体韧性剪切带对边坡稳定性的影响，针对5 个分区的不同特点，提出了对应的处置预案。