某銅礦開采穩(wěn)定性及地質(zhì)環(huán)境評價(jià)

韓科學(xué)，堅(jiān)潤堂，*， 覃榮高， 楊 帆， 詹美山

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南昆明 650093；2.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院，云南昆明 650051)

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某銅礦開采穩(wěn)定性及地質(zhì)環(huán)境評價(jià)

韓科學(xué)1，堅(jiān)潤堂1，2*， 覃榮高1， 楊 帆2， 詹美山2

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南昆明 650093；2.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院，云南昆明 650051)

摘要通過對工程地質(zhì)巖組劃分，運(yùn)用巖體質(zhì)量系數(shù)法和巖體質(zhì)量指標(biāo)法分析評價(jià)了硐室圍巖穩(wěn)定性，采用比擬法和巖體力學(xué)極限平衡法分析評價(jià)了露天采礦坑邊坡穩(wěn)定性。對開采區(qū)不良物理地質(zhì)現(xiàn)象，地下水、地表水水質(zhì)的放射性和有毒有害元素進(jìn)行了分析評價(jià)。

關(guān)鍵詞礦山開采；工程地質(zhì)；地質(zhì)環(huán)境；穩(wěn)定性；分析評價(jià)

礦產(chǎn)資源開發(fā)中，人類對礦產(chǎn)資源的利用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益關(guān)注較多，忽略了對環(huán)境的保護(hù)。在開發(fā)礦產(chǎn)資源的同時(shí)，既要對開采的工程地質(zhì)穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)，又要對礦山開采可能造成的地質(zhì)環(huán)境問題進(jìn)行分析。目前，很多學(xué)者致力于運(yùn)用Ansys等計(jì)算機(jī)軟件對開采的工程地質(zhì)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并通過RS及GIS等技術(shù)手段對礦區(qū)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測評價(jià)，而很少再采用簡單的方法對礦山開采穩(wěn)定性及地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行分析評價(jià)。某銅礦地處甘孜—理塘結(jié)合帶西側(cè)德格—中甸陸塊東緣，印支期義敦—中甸島弧帶南段，總體上近北西向展布[1]。首采區(qū)南起X3102000，北至X3105000，西起Y17596000，東止Y17598000，南北向長3 km，東西向?qū)? km，面積6 km2。筆者采用地下和露天兩種方法相結(jié)合進(jìn)行開采，評價(jià)了礦區(qū)開采穩(wěn)定性，通過現(xiàn)場勘查、室內(nèi)試驗(yàn)及坑探等手段分析評價(jià)了開采礦區(qū)的地質(zhì)環(huán)境，以期為礦山設(shè)計(jì)部門提供可靠的開采設(shè)計(jì)依據(jù)。

1工程地質(zhì)穩(wěn)定性

1.1工程地質(zhì)巖組劃分根據(jù)巖石成因類型、巖性、構(gòu)造特征及巖石抗壓強(qiáng)度，將礦區(qū)地層做如下劃分：

1.1.1松散堆積巖組(I)。由于成因類型不同，各類型間工程地質(zhì)特征性差異明顯。①殘積：僅分布于圖姆溝組(T3t)地層的表部，厚度一般為1.0～5.0 m，坡度與自然安息角一致，斜坡穩(wěn)定。②坡積：礦區(qū)表部基本上均有覆蓋，但厚度變化大，一般為0～2.0 m，最大達(dá)13.1 m。坡度即碎屑物自然安息角，黏粒含量較多，斜坡穩(wěn)定。③沖洪積：主要分布于Ⅲ號大溝底部，向下厚度增大，厚度為4.0～54.4 m，由巨礫、卵石、砂及少量黏土組成。露采剝離后，礫徑組成復(fù)雜，有巨礫存在，對采掘造成一定影響。④冰磧：主要分布于海拔3 900.0 m以上地段，特別是4 100.0 m以上地段。表部均為冰磧層，厚度變化大，為4.0～81.6 m，以礫石為多，混雜砂土。在山脊及陡坡處薄，在洼地及負(fù)地形處較厚，無膠結(jié)，松散。其坡度即碎屑物自然安息角松散，不穩(wěn)定，對露天開采有一定影響。

1.1.2層狀變質(zhì)巖巖組(Ⅱ)。①Ⅱ1：圖姆溝組上段第2層(T3t2-2)，以板巖、粉砂質(zhì)絹云板巖，變質(zhì)砂巖為主，薄-中厚層狀。裂隙發(fā)育，巖石質(zhì)量劣，中等堅(jiān)硬，不含礦，對礦床開采基本無影響(鉆孔未揭露)。②Ⅱ2：圖姆溝組上段第1層(T3t2-1)，以粉砂質(zhì)絹云板巖和變質(zhì)砂巖夾安山巖為主，薄-中層狀。裂隙發(fā)育，巖石質(zhì)量劣，中等堅(jiān)硬(鉆孔未揭露)。不含礦，且距礦體較遠(yuǎn)，開采中很少觸及，對礦床開采基本無影響。③Ⅱ3：圖姆溝組下段(T3t1)，以板巖、絹云板巖和變質(zhì)砂巖夾薄層灰?guī)r為主，薄-中厚層狀。裂隙發(fā)育，巖石質(zhì)量劣，中等堅(jiān)硬(鉆孔未揭露)。不含礦，且距礦體較遠(yuǎn)，開采中很少觸及，對礦床開采基本無影響。然而，水平開拓主巷主要在其中掘進(jìn)并通過。

1.1.4不規(guī)則蝕變巖類中等堅(jiān)硬巖組(IV)。蝕變角巖化帶(Hs)，呈不規(guī)則狀展布，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖石中等堅(jiān)硬，完整性差，陡峭處時(shí)有掉塊發(fā)生。硐室圍巖穩(wěn)定性差，開采邊坡穩(wěn)定性亦差。

1.2硐室圍巖穩(wěn)定性評價(jià)因礦區(qū)賦礦地層為侵入巖體，因此僅針對侵入巖體，依據(jù)礦區(qū)收集到的鉆孔水文地質(zhì)、工程地質(zhì)資料及巖礦石物理力學(xué)試驗(yàn)成果，采用巖體質(zhì)量系數(shù)法和巖體質(zhì)量指標(biāo)法進(jìn)行評價(jià)[3]。

1.2.1巖體質(zhì)量系數(shù)法。按照《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》(GB 12719—91)中的公式：

Z=I·f·S

式中,Z為巖體質(zhì)量系數(shù)；f為結(jié)構(gòu)面摩擦系數(shù)(影響穩(wěn)定的主要結(jié)構(gòu)面)；I為巖體完整系數(shù)(無資料時(shí)可用RQD值代替)；S為巖塊堅(jiān)硬系數(shù)。

S=Rc/100

式中，Rc為巖塊飽和軸向抗壓強(qiáng)度。

1.2.2巖體質(zhì)量指標(biāo)法。按照《礦區(qū)水文地質(zhì)工程勘探規(guī)范》(GB 12719—91)中的公式：

M=Rc/300·RQD

式中，M為巖體質(zhì)量指標(biāo)；Rc為巖塊飽和軸向抗壓強(qiáng)度；RQD為巖石質(zhì)量指標(biāo)。

1.3露天采礦坑邊坡穩(wěn)定性評價(jià)首采區(qū)主要位于Ⅲ號大溝小流域內(nèi)，海拔3 750～4 320 m，形成最大開采坡高為570 m，組成邊坡的巖性以石英閃長玢巖為主，角巖及石英二長斑巖次之[4]。采用類比法和巖體力學(xué)極限平衡法評價(jià)露采邊坡穩(wěn)定性[5]。

1.3.1類比法。從圖1可見，當(dāng)坡長為570 m時(shí)，坡度α=33°，斜坡表層第四系松散堆積物組成的邊坡維持穩(wěn)定。

圖1　穩(wěn)定邊坡的H-α曲線Fig.1　 H-α curve of stable slope

1.3.2巖體力學(xué)極限平衡法。

n=[ri(ctgβ-ctgα)sinβcosβtgφ+2Ci]/[riH(ctgβ-ctgα)sin2β]

式中，n為可能滑動巖體的穩(wěn)定性系數(shù)；φ為可能滑動面可被利用的摩檫角，°；Ci為減弱的巖體黏結(jié)力，×104Pa(可能滑動面可被利用的內(nèi)聚力，根據(jù)結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度可將實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)指標(biāo)予以弱化，Ci=λCh)；Ch為巖塊試驗(yàn)的黏結(jié)力，×104Pa；α為邊坡角，°；β為可能滑動面的傾角，°；ri為可能滑動巖體的平均容重，×104N/m3；H為可能滑動巖體的高度，m。

左邊一般取n=1.3，而該研究未考慮區(qū)域穩(wěn)定性、地下水、人為及凍脹4個(gè)因素。取n=1.5，λ=0.1，其余參數(shù)參照巖石力學(xué)試驗(yàn)成果取值。其中,φ=38°，Ch=15.4×106Pa，Ci=0.1×15.4×106Pa，ri=2.6×104N/m3，H=570 m。

邊坡穩(wěn)定性試算(圖2)，設(shè)邊坡角為α=45°，假設(shè)可能滑動面坡角：β=40°、35°、33°、30°、25°，各坡角對應(yīng)的ri均為2.6×104N/m3,H均為570 m,Ci為1.54 Pa,φ為38°，n分別為2.624、1.478、1.300、1.138、0.805。

圖2　開挖邊坡穩(wěn)定計(jì)算示意Fig.2　Calculation sketch map of slope stability during excavation

由此可看出，露采邊坡的坡角不能與巖體結(jié)構(gòu)面傾角相差太大，在侵入巖體中，推薦開挖邊坡角≤45°。當(dāng)露采邊坡≤45°時(shí)，巖體總體上穩(wěn)定，但局部仍有掉塊，在開挖中應(yīng)加以重視。

2地質(zhì)環(huán)境

2.1礦區(qū)不良物理地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育特征

2.1.1滑坡。礦區(qū)為深切割高山區(qū)，有利于地下(表)水體的自然排泄，山體自然坡度多小于松散碎屑物的安息角，加之山坡地面植被發(fā)育，因此其山坡穩(wěn)定，無滑坡產(chǎn)生。

2.1.2倒石堆。僅發(fā)生于海拔大于4 300.0 m的山頭陡崖坡角處，如礦區(qū)中北部4 357.0 m(高程)山頭下就存在3個(gè)典型的倒石堆。其形狀基本上呈扇形，開口朝下。每一個(gè)倒石堆下方寬度均為100～200.0 m，中部長邊為100～200.0 m，塊石大小不一，松散。其坡度即為塊石堆的安息角，坡體穩(wěn)定。

2.1.3泥石流。礦區(qū)地處原始自然地帶，地表植被發(fā)育，水土保持良好。除首采區(qū)中部偏西，受筑路等人為因素的影響，有一條切溝溯源侵蝕強(qiáng)烈，存在泥石流現(xiàn)象外，無泥石流危害。

2.2地下水、地表水水質(zhì)從所取水樣的水化學(xué)分析成果看，礦區(qū)地下(表)水中有害組分均未超過衛(wèi)生飲用水水質(zhì)限量標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)較好、潔凈，符合衛(wèi)生飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3放射性及有毒有害元素

2.3.1放射性元素。根據(jù)礦區(qū)YD1坑道測量γ輻射資料，在室內(nèi)整理分析，制作出坑道γ輻射曲線(圖3)，可以得出如下規(guī)律：

0～20.0 m段：強(qiáng)硅化、絹云母化、孔雀石化、黃銅礦化石英二長斑巖[6]。因靠近地表，巖石微風(fēng)化，半堅(jiān)硬，放射性γ輻射強(qiáng)度相對較低，平均23.70 μR/h。

20.0～140.0 m段：鉀化、絹云母化、黃銅礦化、黃鐵礦化石英二長斑巖[7]。主要由巖石斑晶斜長石(15%)，鉀長石(25%)、石英(5%)、黑云母(5%)及基質(zhì)(50%)(長石、石英及黑云母組成)。顯然鉀化強(qiáng)烈，其內(nèi)含放射性元素(U、Th、K)增多，γ輻射強(qiáng)度平均值達(dá)45.07 μR/h，較0～20.0 m段高出近1倍。

140.0～215.0 m段:絹云母化、硅化、鈉黝簾石化、黃銅礦化石英二長斑巖[8]。該段巖石新鮮，較破碎，節(jié)理發(fā)育，線率10～50條/m，坑道普遍滴水，巖石淋失作用較強(qiáng)，引起放射性γ輻射強(qiáng)度降低，平均為47.24 μR/h，較0～20.0 m段高出近1倍。

215.0～335.0 m段:為絹云母化、鉀化、黑云母化、硅化、黃銅礦化石英二長斑巖，巖石新鮮，完整、堅(jiān)硬。γ輻射強(qiáng)度平均高達(dá)60.36 μR/h，為坑道內(nèi)各類巖石之最。

圖3　 礦區(qū)YD1坑道γ輻射曲線Fig.3　γ radiation curve of mine YD1tunnel

335.0～397.8 m段:為強(qiáng)硅化、黃銅礦化石英閃長玢巖及鉀化、黃銅礦化石英二長斑巖[9]。放射性γ輻射強(qiáng)度平均為58.86 μR/h。綜上所述,坑道內(nèi)斑巖型銅礦石因含礦巖石不同，其放射性γ輻射性強(qiáng)度亦不同，同一種巖石因鉀化強(qiáng)烈程度不同導(dǎo)致γ輻射強(qiáng)度存在差異?？拥婪派湫驭幂椛錅y量地質(zhì)效果較好，測量質(zhì)量可靠，坑道內(nèi)未發(fā)現(xiàn)超過國家限制劑量的γ輻射異常段。按1974年衛(wèi)生部頒發(fā)的“放射性防護(hù)規(guī)定”不需做特殊防護(hù)。

2.3.2礦石有毒有害元素。礦區(qū)中有毒有害元素砷(As)含量小于0.100%，小于國家限量標(biāo)準(zhǔn)值(<0.300%)；元素鋅(Zn)含量為0.047%，小于國家限量標(biāo)準(zhǔn)值(<6.000%)；氧化鎂(MgO)含量為2.600%，小于國家限量標(biāo)準(zhǔn)值(<5.000%)；元素硫(S)含量為0.950%。這些組分在礦山開采過程對環(huán)境有一定影響。

3結(jié)論

(1)礦區(qū)巖性單一，巖石硬度以堅(jiān)硬為主；采用巖體質(zhì)量系數(shù)法和巖體質(zhì)量指標(biāo)法，對硐室圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果可信度較高，可作為礦山開采設(shè)計(jì)依據(jù)；采用比擬法對露天采礦坑邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)，當(dāng)坡長為570.0 m，坡度α=33°，斜坡表層第四系松散堆積物組成的邊坡可維持穩(wěn)定。采用巖體力學(xué)極限平衡法分析可知，露采邊坡的坡角不能和巖體結(jié)構(gòu)面傾角相差太大，在侵入巖體中，推薦開挖邊坡角≤45°。

(2)礦區(qū)附近無污染，地下(表)水水質(zhì)較好，礦石中As含量<0.100%，Zn為0.047%，MgO為2.600%，S為0.950%；無大型不良地質(zhì)現(xiàn)象，有小型崩塌存在，無放射性危害；礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量中等。

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Evaluation of Stability and Geological Environment of a Copper Mine

HAN Ke-xue1,JIAN Run-tang1,2*,QIN Rong-gao1et al

(1.Faculty of Land Resource Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming,Yunnan 650093; 2.Kunming Prospecting Design Institute of China Nonferrous Metals Industry,Kunming,Yunnan 650051)

AbstractThrough the engineering geological petrofabric,using rock mass quality factor and rock quality indices to analyze and evaluate the stability of surrounding rock and using analogy method and limit equilibrium method to analyze and evaluate the slope stability of open-pit coal mining.The bad physic geological phenomena,quality of groundwater and surface water,radioactivity and poisonous and harmful elements of the mining area were analyzed.

Key wordsMining; Engineering geology; Geological environment; Stability; Analysis and evaluation

基金項(xiàng)目云南省科技惠民計(jì)劃(2013CA019)；云南銅業(yè)(集團(tuán))有限公司重點(diǎn)科技計(jì)劃項(xiàng)目(20140101)。

作者簡介韓科學(xué)(1989- )，男，河南商丘人，碩士研究生，研究方向：水文地質(zhì)與工程地質(zhì)。*通訊作者，高級工程師，博士，碩士生導(dǎo)師，從事礦床地質(zhì)研究。

收稿日期2016-03-16

中圖分類號S 181

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)10-064-02