哑巴岭露天采场边坡工程地质特征分区与稳定性评价

衣瑛，亢建民，钟小宇，杨雷，霍本用

(1.鞍钢集团鞍千矿业有限责任公司， 辽宁 鞍山市 114000；2.中国矿业大学（北京） 能源与矿业学院， 北京 100083)

0 引言

采场边坡稳定性问题一直是露天矿山开采关注的重点，也是影响矿山安全生产的重大难题。若能在矿山开采之前，查明矿区采场边坡的工程地质特征和岩体结构特征，并对采场边坡进行初步的工程地质分区，进而评判采场边坡的稳定性风险，对露天矿山边坡设计具有重要的指导作用[1]。马秉务等[2]通过调研北京地区的区域地质条件，对延庆某区进行工程地质分区，并进行了各分区场地整体稳定性和工程建设适宜性评价。金艳平[3]通过归纳总结某规划区的区域地质背景与工程地质条件，分析了场地工程地质分区的影响因素，提出了规划区工程地质分区原则与建议，为区域规划和工程建设提供了基础依据。韩廷文等[4]根据不同位置的边坡高度、工程地质岩组分布特征、各岩组岩体基本质量等级、边坡面倾向与各岩体优势结构面的关系、边坡岩体完整程度等多项指标将边坡进行了分区。于慧丽等[5]在山西省黄土高原综合治理分区图的基础上，通过实地调研典型丘陵沟壑区的公路黄土边坡，并根据边坡类型、地层组合形式以及边坡破坏模式等要素将其进一步分区。曹红[6]通过现场踏勘、岩心编录、节理裂隙统计、室内试验和岩体质量分级等手段，分析了金堆城南露天矿新揭露地质断面的工程地质特征，得出了边坡的致灾因素及破坏模式，并对南露天矿边坡进行工程地质分区稳定性评价。

鞍钢集团鞍千矿业哑巴岭露天采场边坡岩体主要为泥质千枚岩、炭质千枚岩等软岩，强度低、节理裂隙发育，易形成破碎岩体，是导致露天采场边坡变形甚至滑坡的主要因素。本文以哑巴岭露天采场边坡为工程背景，通过工程地质勘察等手段，在查明边坡工程地质条件的情况下，对矿区边坡岩体结构特征进行研究，初步实现工程地质分区并对各分区进行稳定性评判，以期指导采场边坡设计和矿山安全开采。

1 工程地质特征

1.1 地形地貌

鞍千矿业哑巴岭露天采场位于辽宁省鞍山市东部15～20 km 处，为东南高、西北低的丘陵山地，海拔标高为100～200 m。矿区位于太古代鞍山群变质岩系组成的鞍山复向斜的东北翼，该翼走向由樱桃园至西大背呈北西—南东向，形成一个长104 km的铁矿带。鞍千矿业位于铁矿带的西北部，矿区面积为6 km2，处于鞍山市东部千山乡胡家庙子村，北距齐大山铁矿8 km，南距眼前山铁矿5.5 km，东侧与辽阳县接壤，行政隶属于鞍山市立山区。

1.2 地层岩性

根据区域地质资料及现场踏勘调查，矿区内出露的地层主要为前震旦纪鞍山群及辽河群变质岩系、混合岩和第四纪层。

（1）前震旦纪鞍山群变质岩系。地表除铁矿层出露较好以外，其他各层多被辽河群与第四纪岩层所覆盖。全群地层走向为145°～165°，倾向南西，地表与浅部多倒转为东北向，倾角大于80°，总厚度大于500 m。本群岩层为矿区最老岩层，主要由含铁石英岩、片岩和千枚岩组成。

（2）前震旦纪辽河群变质岩系。辽河群不整合覆盖在鞍山群地层的地形凹陷部位。广泛分布于浅部，大多数分布在铁矿层的南西侧，少数杂乱地分布在铁矿层顶部或北东侧。全群地层走向为140°，倾向SW，个别NE，倾角一般不大于45°，总厚度大于200 m。铁矿层上的覆盖层厚度平均为52 m，最大为155 m。全群地层由南西向北东呈现厚度渐薄、分布深度渐浅的趋势。全群岩层以千枚岩为主，石英岩和砾岩较少。

（3）第四纪层。本层主要由冲积、坡积、残积、植物生长层及人工堆积物等组成。

（4）混合岩与岩脉。混合岩呈浅粉白色，条纹状或片麻状或花岗状构造，中至粗粒花岗变晶结构。主要由斜长石、石英和白云母等组成，偶见绿泥石、褐铁矿、硅状锆石、石榴石、绿帘石、角闪石、磁铁矿、褐铁矿，斜长石表面已绢云母化和白云母化。混合岩与鞍山群地层呈混合交代接触，广泛出露于矿区东北侧。在哑叭山横向断层F3断裂带中也见有混合岩。

1.3 地质构造

矿区地质构造为一单斜层构造，相对比较简单。矿区断裂构造种类较多，按其与矿体产状的关系可划分为走向断层、斜交断层与横向断层。三组断层在空间分布上呈明显规律性。主应力为南西—北东方向的挤压应力，同时产生与挤压应力相伴的一组张应力和两组剪切应力。主压应力形成走向断层，张应力产生北东横断层，剪切应力产生北西向斜断层，均为基底断裂。矿区主要断层特征见表1。

表1 主要断层特征

2 边坡岩体工程地质分区

鞍千矿业哑巴岭露天矿生产能力为500 万t/a，一期境界内形成的固定边坡最高标高为+168 m，最低作业水平为−24 m，垂高为192 m。目前四周边坡均为一期境界固定边坡，边坡累计总长为15 067 m，边坡揭露面积约18×104 m2，台阶坡面角设计下盘为55°、上盘为65°，但实际开采过程中，台阶坡面倾角略大。露天采场境界上口尺寸为1400 m×（290～480）m；下口尺寸为670 m×40 m。根据采场的矿体结构特征，将采场划分为A、B、C、D等共四个工程地质分区（见图1）。

图1 哑巴岭露天采场分区

（1）A 区。A 区位于采场东北帮，矿体上盘，边坡岩体主要由混合岩、绿泥石英片岩和含铁石英岩组成。边坡长约850 m，地表标高为60～170 m，采场底标高为−12 m。边坡岩体为典型的逆坡向层状结构，绿泥石英片岩片理非常发育，片理走向与边坡走向基本一致，片理面平直光滑，产状稳定，延展较长，贯通性较好，倾角主要变化在65°～85°之间。选取A1 和A2 两个代表性剖面开展分析，剖面主要岩性为混合岩（Me）和绿泥石英片岩（Chq）（见图2、图3）。

图2 A1 工程地质剖面

图3 A2 工程地质剖面

（2）B 区。B 区位于采场西北帮，边坡长约680 m，地表标高为59～81 m，采场底标高为0 m。上盘岩性为混合花岗岩、绿泥石英片岩以及含铁石英岩，上部覆盖第四系。下盘岩性为鞍山群千枚岩、斜长角闪岩以及含铁石英岩，上部覆盖辽河群千枚岩及第四系。B 区边坡岩体为典型的顺坡向层状结构，片理走向与边坡走向基本一致，倾向相同，片理面平直光滑，产状稳定，延展较长，贯通性较好，倾角主要变化在70°～85°之间。选取一个代表性剖面B1 开展分析，剖面主要岩性为千枚岩（Lph）（见图4）。

图4 B1 工程地质剖面

（3）C 区。C 区位于采场西南帮，边坡长约620 m，地表标高为80～122 m，采场底标高为−24 m。矿体下盘，边坡岩性主要为千枚岩、底砾岩、绿泥片岩、斜长角闪岩和含铁石英岩，上部覆盖第四系。C 区围岩地表风化较严重，围岩相对比较破碎。边坡岩体为典型的顺坡向层状结构，片理走向与边坡走向基本一致，倾向相同，片理面平直光滑，产状稳定，延展较长，贯通性较好，倾角主要变化在70°～85°之间。西南帮96 m 水平部位曾于2018年8 月14 日发生滑坡，该滑坡部位位于哑巴岭排岩主干公路96～108 m 水平部位，滑体上层为堆积土，下方为泥质千枚岩及炭质千枚岩。选取C1 和C2 两个代表性剖面开展分析，该区域主要岩性为千枚岩（Lph）和斜长角闪岩（Am）（见图5、图6）。

图5 C1 工程地质剖面

图6 C2 工程地质剖面

（4）D 区。D 区位于采场东南帮，边坡长约720 m，地表标高为110～160 m，采场底标高为−24 m。矿体上盘岩性主要为混合岩和绿泥石英片岩，矿体下盘岩性主要为千枚岩、斜长角闪岩和含铁石英岩。边坡岩体为典型的逆坡向层状结构，片理走向与边坡走向基本一致，倾向相同，片理面平直光滑，产状稳定，延展较长，贯通性较好，倾角主要变化在85°～90°之间。选取一个代表性剖面D1 开展分析，主要岩性为千枚岩（Lph）、少量的斜长角闪岩（Am）和铁矿石（Fepp）（见图7）。

图7 D1 工程地质剖面

3 岩体边坡稳定性评价

根据调查统计的节理信息，利用Hoek-Brown节理岩体破坏准则，估算出哑巴岭采场不同分区岩体的强度参数（见表2）。本次计算所用参数参考哑巴岭采场的地质资料，同时根据《工程地质手册》和相关规范中的经验值进行确定，材料参数见表3，表3 中γ、c，φ分别表示重度、黏聚力、内摩擦角。

表2 哑巴岭采场各分区岩体强度参数

表3 材料参数

选取4 种极限平衡方法（Ordinary 法、Bishop法、Janbu 法和M-P 法）分析露天采场边坡的稳定性，共计算4 种不同的工况，分别是自然状态、采动状态、降雨状态和爆破振动状态。由表4 可知，自然状态和降雨状态的失稳模式基本一致，最危险滑动面均位于台阶坡面上，依附千枚岩层；降雨状态下最危险滑面位置较自然状态下移，这是因为降雨状态下材料的容重增加，加大了下滑力，边坡安全系数有所下降，表明水对边坡稳定性的影响较大；人工采动和爆破振动均引发边坡稳定性下降。其中，采场C 区最小安全系数偏低，应加强边坡监测并采取相应的安全措施。

表4 各种工况条件下分区边坡最小安全系数

4 结论

（1）根据矿区工程地质特征和水文地质特征、岩性、构造、地形地貌等条件，初步将哑巴岭露天采场边坡分为A、B、C、D 四个工程地质分区。

（2）采用极限平衡方法，计算4 种不同的工况（自然状态、采动状态、降雨状态和爆破振动状态）下哑巴岭采场的边坡安全系数和失稳模式，研究结果表明：自然状态和降雨状态下边坡失稳模式基本一致，最危险滑动面均位于台阶坡面上且依附千枚岩层；降雨状态下最危险滑面位置较自然状态下移，边坡安全系数下降；采场C 区最小安全系数偏低，应加强边坡监测并采取相应的安全措施。