马豆沟露天钛矿土质岩质组合边坡稳定性分析

张雄伟

(昆明有色冶金设计研究院股份公司,云南 昆明 650051)

0 引言

马豆沟钛砂矿位于武定县狮山镇,为一在建的露天钛矿山,该露天钛矿生产规模34 万t/a,该矿山钛矿为砂质土体,采用机采水运(挖掘机挖掘矿体集堆,水枪冲采矿体造浆,矿浆自流+泵送的方式运输到选厂) 的开采方式,采场形成的最终边坡上部为土质边坡,下部为岩质边坡。矿权区位于武定河下游南东岸的斜坡地带,地形总体南东高北西低,最高点为矿区南部山脊,标高1 999.8 m,最低点为矿区北东侧的马豆沟,标高1 807 m,相对高差192.8 m,地面坡度一般5°～15°,属山区丘陵。坡面植被一般较好,植物以松树和其它灌木为主,植被覆盖率约80 %。

1 矿区工程地质概况

矿区地处武定盆地东部边缘中山地形地貌区,植被发育,浮土覆盖较厚。矿区岀露地层主要为泥盆系中统(D2) 及第四系(Q) 地层。

1.1 泥盆系中统(D2)

根据岩性组合可划分为3 段。

1.2 第四系(Q)

主要由残坡积、人工堆积层及少量冲积层组成。

残坡积层主要由辉长辉绿岩体风化形成的残积层、坡积层组成。残坡积层为矿区钛铁砂矿的含矿层。

矿区范围内的残坡积层-基岩(ν)。据疏松土状集合体的颜色、结构、化学组分、矿物组合、粘土矿物成分差异,自地表至深部将基性岩风化壳垂直划分为：红土层、粘土层、粘土岩屑层及新鲜含钛辉绿辉长岩(ν) 4 层。分述如下：

红土层(Ⅰ)：分布于风化壳的表层,为砖红色,潮湿者呈棕红、鲜红色,土状结构,多孔、疏松,近地表植物根系发育,土壤化作用明显,原生岩石结构、构造已无保存,主要由粘土及细粒铁氧化矿物及氢氧化物的混合物,而粘土矿物则以鳞片状埃洛石、伊利石为主,少见蒙脱石、褐铁矿污染强。

粘土层(Ⅱ)：位于红土层之下,在沟谷两侧可见,呈黄褐、灰白、浅紫、浅棕等杂色,砂土状结构,原岩的风化残余结构(辉绿结构、斑状结构) 在局部时有保存,主要由粘土、铁氧化物与氢氧化物、岩屑、砂等集合体组成,粘土矿物以鳞片状伊利石为主,局部见埃洛石、下部见较多的蒙脱石。

粘土岩屑层(Ⅲ)：介于粘土层与新鲜含钛辉绿辉长岩间,以半风化辉绿辉长岩为主,呈褐色,风化残余的原岩结构、构造清晰可见,拉长石、辉石的斑晶多已变成粘土矿物或绿泥石,岩石虽具新鲜岩石的外貌。已变软出现以蒙脱石为主,少量伊利石的粘土矿物。

辉绿辉长岩体(ν) 岩石外观呈灰黑色、暗绿色,块状构造,致密坚硬,为富钛、富铁硅不饱和岩体,为钛铁砂矿成矿母岩。岩石结构以辉绿结构、辉长结构、嵌晶含长结构以及这3 种结构的过渡类型为主。岩体出露面积与风化壳分布范围基本一致。在地形地貌条件适宜的情况下,形成面状分布的钛铁砂矿矿床。

2 矿体及围岩稳固性评价

2.1 钛铁砂矿顶、底板围岩特征

矿区范围内的残积型钛铁砂矿及坡积型钛铁砂矿体呈面状分布,并直接出露地表,没有盖层,钛铁砂矿体基本没有顶板。

2.2 钛铁砂矿体、底板稳固性评价

含矿层主要由第四系残坡积物、人工堆积物组成。主要成分为粘土、亚粘土、原岩碎块、碎石,松散-稍密或硬塑,局部含碎石,粗粒含量一般占5 %～25 %,往底部粗粒成分增多,为粗砂等碎屑夹辉长辉绿岩风化碎块,并逐渐过渡到完整辉长辉绿岩体。钛铁砂矿具有一定的膨胀与收缩性,土状结构,多孔、疏松;由于孔隙比均较高,土样的压缩性偏高,强度不均一,在矿体露天开采过程中有可能会出现局部边坡坍塌及滑坡,安全生产管理过程中时,应注意采取必要的预防措施。

矿体深部直接底板岩性(基岩ν) 为含钛辉绿辉长岩,为钛铁砂矿的母岩,分布于矿区中部,为钛铁矿矿体的底板围岩;辉绿辉长岩属于新鲜岩体,坚硬且强度高,稳定性好;风化岩体强度及稳定性降低,总体属坚硬岩组。其强风化带为钛铁砂矿的赋矿层,对矿床开采边坡稳定有影响。

3 岩土体物理力学性质

根据昆明理工大学于2021 年6 月提交的《云南冶金新立钛业有限公司马豆沟钛矿20 万m3/a采矿工程露天采场现状边坡稳定性分析》 研究报告当中,为了验证露天采场边坡的稳定性,开展了现场原位直剪试验和室内土工试验工作(见图1、图2 和图3),继而开展了边坡岩土体力学参数研究工作,确定了该矿采场边坡岩土体物理力学参数指标,详见表1。

图1 现场切割好的毛试样图Fig.1 Samples cut on site

图2 现场浇灌好的试体图Fig.2 The test body irrigated on site

表1 马豆沟钛矿露天矿边坡岩土体物理力学参数汇总表Tab.1 Summary table of physical and mechanical parameters of slope rock and soil of Madougou Open-pit Titanium Mine

图3 马豆沟露天采场现状形态布置图Fig.3 The current morphological layout of Madougou open pit

4 露天采场现状边坡现场勘查

通过现场实际踏勘调查,马豆沟钛矿露天采场现状边坡位于矿区东南帮,露天采场东南帮现状边坡1 965 m 平台平均宽度5.4 m;1 955 m 平台平均宽度6 m;1 945 m 平台平均宽度12.5 m;1 930 m 平台平均宽度6.2 m;大部分现状台阶坡面角为35°～50°。1 965 m 平台靠西边现状台阶高度为12～14 m,1 965 m 平台中部以及靠东边现状台阶高度为5～10 m;1 965 m 平台至1 955 m平台之间现状台阶高度基本为6～10 m;1 955 m平台至1 945 m 平台之间现状台阶高度为12～13 m;位于1 945 m 平台西边,紧挨1 945 m 平台下面的现状台阶高度为14～20 m。现状110 kV 高压线保护带已被开挖破坏,形成了3 个独立的山包,见图3。同时根据现场调查情况,露天采场东南帮及高压电线塔山包(110 kV 高压线杆塔基础边坡) 现状边坡未发现明显变形及开裂现象。山包后期设计中直接开采掉,消除其安全隐患。

5 露天终了境界边坡稳定性分析

5.1 计算剖面选择、建立

结合各采区终了边坡高度、边坡岩土体特性及边坡稳定性研究报告结论,该次边坡稳定性分析共选取了4 个典型剖面,设计终了境界的各个剖面图位置详见图4,生成的三维立体露天终了境界模型详见图5。终了境界边坡稳定性分析根据露天境界不同区域选取了有代表性的剖面,详见图6-9。2021 年4 月在露天采场开展了现场原位直剪试验和室内土工试验工作,确定了该矿采场边坡岩土体物理力学参数指标,详见表1。

图4 露天开采终了境界平面图及边坡稳定验算剖面位置图Fig.4 The plan view of the ultimate boundary of open-pit mining and the position of the slope stability check section

图5 露天开采终了境界3DMINE 三维立体模型图Fig.5 3DMINE three-dimensional model diagram at the final pit of open-pit mining

图6 B-B 剖面图Fig.6 B-B section plan

根据各采区典型剖面图,结合矿区露采边坡岩土体特性,对剖面进行概化处理,并结合采场边坡设计结构形态,建立各采区边坡计算模型,采用数值分析法借助岩土边坡分析软件FLAC2D7.0 对设计终了采场边坡稳定性进行了验算分析。

图7 C-C 剖面图Fig.7 C-C section plan

图8 D-D 剖面图Fig.8 D-D section plan

图9 E-E 剖面图Fig.9 E-E section plan

5.2 边坡稳定性判别标准

根据 《非煤露天矿边坡工程技术规范》(GB 51016—2014) 中对不同荷载组合下总体边坡的设计安全系数要求见表2。

表2 不同荷载组合下总体边坡的设计安全系数Tab.2 Design safety factors of the overall slope under different load combinations

依据上述边坡稳定性判别准则,马豆沟露天采场设计终了边坡最高点标高为1 995 m,露天坑底标高1 890 m,设计终了采场边坡最大高度为105 m,边坡下部坡度平缓且平缓地带较长,如发生滑坡,边坡危害等级为不严重。据已有勘察资料揭示,马豆沟钛铁矿露天采场边坡岩土体均位于地下水位之上,地下水对边坡稳定性基本无影响;由于马豆沟采场采用机采水运采矿方法,故不用考虑爆破振动载荷情况下的边坡安全系数。

综上所述,拟定该露天矿边坡工程安全等级为Ⅲ级,其边坡安全系数评价标准为：

荷载组合Ⅰ为自重+地下水工况Fs≥1.15;

荷载组合Ⅲ为自重+地下水+地震力工况Fs≥1.10。

5.3 基于数值模拟FLAC2D 边坡稳定性分析

边坡稳定性计算结果

该露天矿设计终了境界边坡上部为钛铁砂矿土体,下部边坡出露介质为新鲜致密坚硬的辉绿辉长岩,该岩石稳定性好。该次采用强度折减法FLAC2D7.0 岩质边坡分析软件对该露天矿设计终了境界边坡稳定性进行计算分析,搜索边坡的最危险滑动面,并计算出边坡的安全系数,计算结果见表3。

表3 露天设计终了境界采场边坡安全系数计算结果表Tab.3 The calculation results of the safety factor of ultimate boundary of the open-pit design

剪应变率等值线表示剪切破坏面,即是边坡变形潜在滑坡破坏面的位置,见图10-13,露天开挖后边坡潜在的最不利滑动面位置图。

6 结语

根据表3 汇总的露天终了采场边坡稳定性计算结果和计算结果云图10-13 中可见：

图10 B-B 剖面潜在滑动面分布云图Fig.10 Cloud map of potential sliding surface distribution in section B-B

(1) 设计开采终了境界边坡各剖面安全系数在自重+地下水工况下(荷载组合I),露天采场不同区域边坡剖面安全系数FS 均大于1.15,满足规范Ⅲ级边坡工程安全等级要求,说明露天终了境界边坡处于稳定状态,安全有一定保障,也论证了该露天开采设计方案具有一定的可行性和合理性,为后期的露天边坡开挖布置提供了指导依据。

(2) 设计开采终了境界边坡各剖面安全系数在自重+地下水+地震工况下(荷载组合III),露天采场不同区域边坡剖面安全系数均大于1.10,满足规范Ⅲ级边坡工程安全等级要求,说明该露天终了境界边坡在现露天开采设计方案下具有一定的抗地震扰动能力。

(3) 通过对露天采场东南帮现状边坡稳定性分析计算,该区域边坡处于稳定状态,建议东南帮边坡区域采取植被复垦的防护处理措施,同时每个平台设置浆砌石排水沟,断面尺寸400 mm×400 mm。

(4) 东南帮边坡整体处于稳定状态,但不排除局部发生破坏的可能。在实际生产过程中,要加强对边坡的巡查,发现危石、浮石,应及时处理,确保矿山安全生产,同时露天境界周边尽快建设场外截水沟,加强防排水工作。

图11 C-C 剖面潜在滑动面分布云图Fig.11 Cloud map of potential sliding surface distribution in section C-C

图12 D-D 剖面潜在滑动面分布云图Fig.12 Cloud map of potential sliding surface distribution in section D-D

图13 E-E 剖面潜在滑动面分布云图Fig.13 Cloud map of potential sliding surface distribution in E-E section