海州露天礦F東1斷層工程地質特征分析

孫兆濤

（遼寧有色勘察研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110013）

海州露天礦太平東部一號斷層（F東1）包括斷層底鼓區(qū)和坑木場裂縫所影響的范圍，具體范圍在E20～E25.5，N500～N1300，區(qū)域面積可達0.44km2。該斷層是露天礦區(qū)內最大斷層，露頭位于東北端幫，走向N0°～20°E，傾向SE，傾角70°～80°，屬張扭性正斷層，最大落差可達110m，在露天礦境內斜切各礦層[1]。由于邊坡巖體在該斷層帶的影響下，巖體較為破碎，巖體強度相對較低，且其陡傾坡外，控制著北幫邊坡滑動的剪出口位置。因此，對該斷層區(qū)開展工程地質勘查，了解其工程地質特征，對海州露天礦北幫邊坡滑動模式的研究和邊坡穩(wěn)定性分析具有重要的意義。

1 斷層區(qū)工程地質條件

1.1 地形地貌

海州露天礦太平東部一號斷層（F東1）區(qū)范圍東西從E20～E25.5，南北從N500～N1300。斷層區(qū)東西長550m，南北長800m，垂高230m。由于人工開采剝離，形成了一個坡角在18°～20°露天邊坡，由多個8m左右高的臺階組成。

1.2 斷層區(qū)地層及巖組特征

1.2.1 地層

本區(qū)裸露礦層為晚侏羅世阜新組太平組和高德組。它是大陸沉積的礦產地層。具體可見斷層區(qū)工程地質平面圖（圖1）和綜合柱狀圖（圖2）。

區(qū)內太平層群地層在F東1上盤出露，主要由礫巖、粗砂巖和礦層組成，其中礫巖與粗砂巖呈互層狀分布。該層厚度在40m～100m之間。該層群礦層可分為太上礦層和太下礦層。西側為太上礦層，東側為太下礦層。

圖1 斷層區(qū)工程地質剖面圖

高德層群在F東1下盤出露，主要由巖性較細的粉砂巖和砂質頁巖等組成，其間夾有薄弱層，即巖體頁巖和礦層，該層群厚度在50m～60m之間。

在該區(qū)的北部，基巖之上，覆蓋有第四系沉積地層，層厚在10m～20m之間，主要由砂礫石和黃土等地層組成。

圖2 斷層區(qū)綜合柱狀圖

1.2.2 巖組

依據F東1斷層區(qū)出露地層情況以及巖石組合特征，可以將該區(qū)分為砂質頁巖—砂巖—夾薄礦層（或炭質頁巖）巖組、礦層—粗砂巖—礫巖互層巖組和斷層破碎帶巖組三個工程地質巖組。

（1）砂質頁巖—砂巖—夾薄礦層巖組

該工程地質巖組在F東1下盤出露，主要由粉砂巖、砂質頁巖和中粒砂巖等組成，其間夾有薄弱層，即炭質頁巖層或礦層，薄層間距為5～15m。巖層產狀較為穩(wěn)定，傾向為S5°～22°E，傾角為18°～20°。巖石完整性較好，根據相關試驗資料，該巖組切層內聚力c=35MPa，內摩擦角φ=36°。

①砂質頁巖：灰色～深灰色，呈中厚層狀構造，其成分主要為泥質，并含少量的粉砂質，易受風化，風化后巖石強度急劇降低，成為控制邊坡滑動的主要弱層面。②粉砂巖～中粉砂巖：淺黃色～黃灰色或灰色，呈中～厚層狀構造，層理較為發(fā)育，質較硬。碎屑礦物成分主要有石英和長石，并有少量的白云母，膠結物為泥質，極易風化。

（2）礦層—粗砂巖—礫巖互層巖組

該工程地質巖組在F東1斷層上盤出露，主要由礦層、粗砂巖和礫巖層組成，其中粗砂巖與礫巖層呈互層出現，其產狀為：傾向為S60°E，傾角為16°。

①礦層：屬半光亮～光亮型礦體，以亮礦體和鏡礦體為其主要組成成分，其單層厚度在2m～10m之間。在礦層中，常夾有較堅硬的砂巖層。根據相關試驗資料，礦的內聚力c=15MPa，內摩擦角φ=30°。②粗砂巖：巖石為灰白色，碎屑礦物組成以石英為主，含少量長石。③礫巖：該巖層礫石含量在50%～80%之間，其顆粒直徑在2cm～20cm之間，巖石成分主要有花崗巖和砂巖，礫粒間充填粗砂。

根據相關試驗資料，太下礦層與粗砂巖或礫巖接觸面內聚力c=2MPa，內摩擦角φ=21°。

（3）斷層破碎帶巖組

該巖組主要由斷層泥和斷層角礫巖組成。破碎帶出露寬度在0.5m～5m之間，由于斷層作用，巖體破碎，強度整體較低，且容易風化。

1.3 構造

（1）巖層產狀

該地區(qū)地層傾向于SE，與邊坡傾角基本一致，屬于順層邊坡。F東1下盤巖層與邊坡夾角為0°～19°。地層傾角與坡傾角大致相同，為18°～20°。f1盤，東巖以走向的坡角為20°，地層傾角為16°～18°。

（2）斷裂特征

F東1斷層規(guī)模大，呈NNE走向斜穿該區(qū)，切斷了該斷層下盤的8#～9#弱層，屬張扭性正斷層。太平層群和高德層群是上板塊的出露層。斷層傾向于看，傾角約70°，分界約50m。

相對于北方，上面的板塊有扭轉的傾向。裂縫寬度0.5m～5m，斷層發(fā)育斷層泥和斷層角礫巖。斷層泥為深灰色，含水量大，可塑性強，可見兩層。每層厚度0.1m～0.3m，延伸不穩(wěn)定，斷續(xù)出現。角礫巖不具有明顯的壓縮特征，其組分主要為上盤礦體、砂巖、礫巖和砂質頁巖。詳見FE1斷面圖。

圖3 F東1斷面圖

1.4 巖體結構特征

依據斷層區(qū)的巖體結構特征，將該區(qū)巖體結構分成層狀結構、層狀碎裂結構和散體結構三種結構類型。

（1）層狀結構

該結構類型巖體在F東1下盤出露，由砂巖和砂質頁巖組成，其中砂巖內夾薄弱層，即巖體或礦層。產狀相對穩(wěn)定，巖體為中厚層狀結構，相對完整。

（2）層狀碎裂結構

該構造類型的巖體主要由礫巖、粗砂巖和礦層組成，出現在f1東部上壁。厚層狀構造，產狀穩(wěn)定。由于下采空區(qū)的影響，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，局部破碎嚴重。大多數礦層是自燃的。巖體的完整性在很大程度上受到破壞，整體強度降低，不利于邊坡的穩(wěn)定。

（3）散體結構

該結構類型主要出現在F東1破碎帶中，開挖暴露寬度在0.5～5m之間。斷層角礫巖由斷層角礫巖和斷層泥組成，其中斷層角礫巖大小變化較大，且不均勻，呈角狀。溝槽是深灰色的，可塑狀態(tài)，手搓可成條。該結構類型巖體斷續(xù)出現，延伸不穩(wěn)定。

1.5 弱層特征[2]

在F東1下盤的巖層中，軟弱巖層時有出現，出現間隔5m～15m。有時出現軟弱層和地層賦存，接觸關系一致，傾向于S5°～22°E,18°～20°角。傾角在feast 1附近變得更陡。

由于它們的走向與斷裂帶的邊坡走向相交，軟弱層的露頭從西向東呈斜向排列。4～7號軟弱層暴露在該地區(qū)表面，并逐漸過渡到東環(huán)。然而，8～9號軟弱地層在開挖工程中并沒有暴露出來。弱層力學強度低，控制著該區(qū)的邊坡滑動。

（1）4#、4#下弱層

4#和4#位于E22節(jié)的西面。東部已被清除，西部的埋藏逐漸加深。4號軟弱層位于f1東部上盤，也分布在太下礦層下部。4#軟弱礦層由厚度為0.5m～1.5m的礦層組成。礦質較好，但相對破碎。

據相關試驗資料，該弱層內聚力c=1MPa，內摩擦角=16°。4號軟弱層下部，在4號軟弱層下方，距4號軟弱層1m～4m處。厚度為0.1m～0.5m。這層巖石相對較軟，據對該礦層的直剪試驗資料，其內聚力c=2.4MPa，內摩擦角φ=21.35°。

（2）5#弱層

暴露在E23剖面附近，東部已被移除，西部的埋藏加深。由2～3層薄礦層組成，每層厚0.2m～0.5m，薄礦層間距1m～3m。根據相關實驗數據，5號軟弱層c的粘結力=2MPa，內摩擦角φ=19°。

（3）6#弱層

由2～3個薄礦層組成，上層厚度為0.2m～0.5m，下層厚度為0.4m～0.6m，深部排水坑所見厚度可達2.2m。

（4）7#弱層

由炭質頁巖和薄礦層所構成，露天礦全區(qū)發(fā)育，層厚可達0.30m～0.35m，礦層底板下泥質頁巖較為發(fā)育，中區(qū)受斷層影響，巖層較為破碎，層面間含水率高，手感軟，可塑性強，為典型的塑性軟巖。根據在滑體上取樣測得其自然含水率為20%～25%，順層面摩擦角φ為13°～15°。該層預計在E9～E11斷面間邊坡潛伏滑動隱患。

據中部一號斷層區(qū)取樣進行的室內直剪試驗資料，該層力學指標為：內聚力c=2.4MPa，內摩擦角φ=13.81°。

（5）8#弱層

該弱層在F東1下盤均有分布，但一直未被揭露而出露。以往對該層的研究程度不足，通過平硐揭露，該層是由光亮～半光亮的礦體組成，厚度在1.0m～1.5m，結構較為破碎，露頭有滲水現象。在該層中夾一層炭質頁巖，已遭泥化，厚度在0.1m～0.2m之間，含水量大，塑料。軟弱層8是影響邊坡穩(wěn)定的主要軟弱層。

8#軟弱層為發(fā)生層:SE，角度為20°，延伸相對穩(wěn)定，在E22.5、電子學、E23.5、E24、E24.5剖面的埋藏深度分別為50m、28m、19m、15m和11m。在延伸到F東1處被切斷。據室內直剪試驗相關資料，該弱層抗剪強度指標：內聚力c=1.6MPa，內摩擦角φ=20.09°。

（6）9#上弱層

該弱層分布在8#弱層之下，9#弱層之上，距離8#弱層11m，距離9#弱層1m。其巖性為泥化頁巖，顏色呈灰色，厚度在0.1m～0.3m，含水量大，呈塑性。這一層的分布相對穩(wěn)定，基本平行于#8和#9的弱層。在這一層的頂部和底部的巖石是砂質頁巖或粉砂巖。E23、E23.5、E24、E24.5段埋深分別為40m、30m、25m、22m。因其抗剪強度很低，且具有顯著的流變性能，使其成為影響該區(qū)域邊坡穩(wěn)定性的主要軟弱地層。

（7）9#弱層

該弱層分布在9#上弱層以下約1m處，由半亮型礦層組成，總厚度5m，其間由砂質頁巖分隔成三層，其中第一層礦層厚度為0.3m；第二和三層礦層厚度均為1.0m。由于構造和風化作用，礦層結構破碎，強度很低。此外，開挖后發(fā)生滲水，礦層與上下巖層接觸良好。推測其順層抗剪強度應大于8#和9#上。

2 結論

通過對太平東部一號斷層區(qū)工程地質特征分析，得出結論如下：①8號弱層的泥質碳質夾層和上部軟弱層含水量大，為塑性軟弱層，是影響該地區(qū)邊坡穩(wěn)定的主要軟弱層；②由于該區(qū)斷層的存在，造成該區(qū)巖體結構破碎，巖石強度變弱，且該斷層產狀陡傾坡外，控制著邊坡滑動面剪出口位置，因此，該斷層對邊坡的滑動模式及穩(wěn)定性起到控制作用；③地下水對邊坡穩(wěn)定性起著重要作用，由于該斷層區(qū)是礦區(qū)邊坡重要的地下水含水層單元，因此，為保證礦山邊坡的長期穩(wěn)定，應對該斷層區(qū)提出行之有效的降水疏干減壓措施。