西藏謝通門雄村銅礦特殊地質條件對露天采礦的影響與對策

劉洲基

（金川集團股份有限公司，甘肅金昌 737100）

1 謝通門雄村銅礦基本情況

西藏謝通門雄村銅礦位于西藏自治區(qū)日喀則市謝通門縣榮瑪鄉(xiāng)境內，行政區(qū)劃隸屬謝通門縣榮瑪鄉(xiāng)。礦區(qū)地理座標：東經88°23′45″～88°26′30″，北緯29°21′30″～29°24′00″，礦區(qū)范圍南北長約4.5km，東西近4.5km。礦區(qū)位于雅魯藏布江北側，整體地形北高南低，主要以高原和谷地為主，地形切割中等至強烈，屬高原山丘型。礦區(qū)向北高山地連帶，向南河谷地勢低緩、開闊平坦。

礦區(qū)海拔一般在3900m～4750m之間，平均海拔在4100m以上。礦區(qū)氣候以年溫差小而晝夜溫差懸殊、干濕季節(jié)明顯、夏季溫和濕潤、降水集中、冬季干燥寒冷、蒸發(fā)強烈為特征，屬藏南溫帶半干旱高原季風氣候。

雄村銅礦床屬于與晚侏羅世侵位的角閃石英閃長玢巖有關的低品位斑巖型Cu（Au）礦床，在平面上為一巨型透鏡體，南北向剖面上呈似層狀、厚板狀，東西向剖面呈順層分布的向南東側伏似層狀。礦體中等傾斜（40°～45°），長1670m左右，平均出露地表寬約700m，厚約470m，埋藏淺，礦體充水水源貧乏，含水層富水性弱，礦體頂?shù)装鍘r石為堅硬-半堅硬類型，邊坡工程地質條件較好。資源儲量豐富，礦體厚大且埋藏淺，剝采比較小。采用露天開采，坑內采用螺旋式公路運輸方式。

露天采場位于錯公普西南側雄普溝谷上游，露天采場總出入溝布置在南側，控制標高為4005m。

采用螺旋式公路開拓全汽車運輸方案。即：采用10m3電鏟在工作面裝礦、91t自卸汽車經4005m標高總出入溝口直接運至選礦廠粗碎站。

坑內廢石運輸采用全汽車運輸，10m3電鏟在工作面裝礦、91t自卸汽車直接運往廢石場堆存。

2 雄村銅礦地質條件特征

2.1 地表土風化層厚大

雄村銅礦礦區(qū)位于西藏特提斯-喜馬拉雅構造域南部，屬岡底斯-念青唐古拉陸殼地體基礎上發(fā)育的岡底斯南緣晚燕山期-早喜馬拉雅期陸緣巖漿弧東段南緣與昂仁-日喀則中-新生代弧前盆地轉換部位。

表土風化層主要為第四系松散堆積層，廣泛分布于礦床南部地勢相對平緩地帶。主要由沖洪積層和崩積體層組成。

沖洪積層：分布于采場中心偏北。北溝由亞砂土夾巖塊、巖屑、次棱角狀礫石卵石組成。厚度一般在30m以上，最厚40m左右。

崩積體層：砂土夾棱角狀巖塊，一般厚30m左右，最厚達50m左右，主要分布于礦區(qū)的西南角，分布最低高程約4300m左右。

2.2 凍土層廣泛分布

礦區(qū)地處高寒氣候帶，晝夜溫差較大，冰凍期長達5個月（11月到次年3月），勘探區(qū)第四系松散層廣泛分布，冰凍期間地表出現(xiàn)0.4m左右的凍土層。每年解凍前凍土層之上覆蓋一層積雪（0.3～0.5m），每年4月積雪開始融化，隨著氣溫日漸升高，冰凍水下滲加劇，凍土隨之變軟，因礦區(qū)晝夜溫差大，多于晚上凍結，白天解凍。

2.3 斷層貫穿整個礦區(qū)

礦區(qū)斷裂構造主要有三組，即：西-北西走向，中度陡傾，北偏倒轉脆韌性斷層；走向340°～20°的陡傾脆性斷層；走向30°～50°的陡傾脆性斷層。

主要控礦構造是F1、F2斷層，具有早期韌性剪切、晚期脆性變形的特征。在晚期脆性變形階段，具有先逆沖后正滑的特點。礦體基本局限在F1、F2間的斷塊中，兩條斷層幾乎平行。斷裂帶發(fā)育的韌性剪切糜棱巖化帶，其滲透性具有順片理方向強而垂直片理方向弱的各向異性特點，對斑巖系統(tǒng)的巖漿-成礦熱液在橫向上構成有效屏蔽。

F1斷層貫穿整個區(qū)域，呈265°～280°方向展布于礦區(qū)中部，破碎帶寬一至數(shù)十米不等。斷層具典型的先壓后張?zhí)卣鳎由旒s3.5km，傾向北，傾角一般40°～50°，局部60°～75°，在礦區(qū)外走向自北西轉向北東，傾向北，傾角50°。礦區(qū)內高品位的鉆孔剖面圖上，主礦體的傾向幾乎平行F1斷層，顯示該斷層是礦區(qū)重要控礦構造，是主礦體的底板。

F2斷層是礦區(qū)的主干斷層，呈265°～280°方向展布，貫穿于礦區(qū)的北東側，傾向北，傾角一般在50°以上，最大可達73°。破碎帶寬約10m，牽引褶皺發(fā)育，組成該斷裂的巖石主要為碎裂巖化構造蝕變巖。斷層向西延至洞嘎金礦區(qū)內，構成雄村銅礦主礦體的頂板。

F3斷層呈近東西向展布于礦區(qū)中部，破碎帶寬1～10m不等，斷層性質具有典型的先張后壓扭特征，貫穿整個礦區(qū)，傾向北東，傾角一般60°，最大達75°。該斷層具有早期韌性剪切，晚期脆性變形特征，斷裂帶中早期糜棱片理小褶皺發(fā)育，并被晚期脆性剪切裂隙破壞。

2.4 礦區(qū)局部地域水患存在

礦區(qū)地下水水文地質條件大致可分為第四系松散巖類孔隙水與基巖裂隙水兩大類。地下水位埋深多在21m～43m，含水層厚度14m～73m。流量較小，以股狀或滲流狀形式溢出，為季節(jié)性下降泉。坡積層一般為透水層而不是含水層。在溝中下游所發(fā)現(xiàn)的松散層中出露的泉水流量均不大，多在沖溝底部從松散的碎塊石中流出，或從溝兩側的底部呈面狀滲流對溝水進行補給，流量多在0.002L/s左右，流量較大者0.1L/s左右。對在礦區(qū)下游沖洪積層分布區(qū)施工的鉆孔g-02進行抽水試驗算得降深為4.3m時，涌水量為0.806L/s，滲透系數(shù)為0.1612m/d，影響半徑為20m。

基巖裂隙水是工作區(qū)最主要的地下水類型。區(qū)內凝灰?guī)r、花崗巖、閃長巖廣泛分布，基巖塊狀裂隙較為發(fā)育，是地下水賦存、運移的主要空間?；鶐r裂隙水的富水性嚴格受基巖裂隙發(fā)育程度及地形地貌的控制，一般來說在基巖裂隙發(fā)育的區(qū)段和溝谷地段，基巖裂隙水較為豐富。根據(jù)礦區(qū)內常年地表溢流水情況看，在總體地下水趨穩(wěn)的前提下，不排除局部高強度涌水的可能性。

根據(jù)西藏自治區(qū)氣象廳資料，本區(qū)6～9月降水量為440.2mm，同期蒸發(fā)量為1420mm，全年蒸發(fā)量大于降雨量，一年中降水補給時間十分有限。另外，由于區(qū)內山體長期遭受寒凍風化、侵蝕、剝蝕、風化產物多被搬離原地，基巖風化殼??；巖石在歷次構造運動中形成的開啟裂隙一般發(fā)育深度有限，且多被泥質、鈣質充填，降水入滲困難； 礦區(qū)地表水水系屬雅魯藏布江水系。礦區(qū)內除雅魯藏布江外，錯公普、卓布慶普、陸曲、吳堅普等支溝均為其二級支流且大多數(shù)均為季節(jié)性河流，流量較小。但在雨季，大暴雨使錯公普、卓布慶普、陸曲、吳堅普等支溝洪水并迅速演化成泥石流。

3 特殊地質條件對露天采礦的影響

3.1 地表土風化層的影響

（1）增大地質災害危險

整個礦區(qū)有兩條溝即南溝和北溝，貫穿整個勘探區(qū)，北溝長1680m左右，南溝長1200m左右。雨季期間，暴雨頻發(fā)，急速的水流加裹著第四系的泥沙和卵石，在個別坡度較陡的沖溝內現(xiàn)場泥石流。泥石流產生巨大的沖擊力對最終邊坡和主運輸?shù)缆芳霸O備構成較大的威脅。礦區(qū)在前期建成的2座透水壩已經被水卵石所淤塞滿。

（2） 構造對邊坡穩(wěn)定性的影響

北東邊坡：邊坡與地形坡向相反。組成邊坡的巖石為第四系松散巖組和黑云母花崗閃長巖。松散堆積物為亞砂土、碎屑及黑云母花崗閃長巖轉石，厚約35m左右。松散層之下為黑云母花崗閃長巖，巖石中裂隙發(fā)育，但巖石抗壓強度較高，穩(wěn)定性較好。

南邊坡:位于南溝以南的斜坡地段，邊坡坡向與地形坡向一致，組成南邊坡的巖石為第四系松散層巖組及閃長玢巖，松散層由亞砂土及轉石、碎屑組成，厚約18m左右。該層之下為閃長玢巖，巖石裂隙發(fā)育，巖石抗壓強度較高，穩(wěn)定性較好。

北西邊坡：邊坡坡向與地形坡向一致，組成邊坡的巖石有松散堆積層及礦層，礦層風化強度不強，無軟弱夾層，但北西邊部地勢高，坡度陡，開采時會產生大的臨空面，影響邊坡的穩(wěn)定性。

南西邊坡：邊坡坡向與地形坡向一致，組成邊坡的巖石有松散堆積層及粉砂巖夾板巖及閃長玢巖。松散層由亞砂土及轉石、碎屑組成，厚約15m左右。該層之下為粉砂巖夾板巖及閃長玢巖。南西邊坡裂隙發(fā)育，山勢陡峻，開挖后有較大的臨空面，荷載力很大，因而邊坡穩(wěn)定性較差，容易產生崩塌。

（3）增加了廢石剝離量

以沖洪積層和崩積體層為主的第四系松散堆積層，厚度一般在30m～50m，廣泛堆積于礦區(qū)南部礦體上部。這些堆集層卵石內不含有用金屬，在正常的巖石剝離之前必須將它們清理，增加了廢石的剝離量。

3.2 凍土層的影響

（1）易發(fā)融凍土蠕動或泥石流

發(fā)生小規(guī)模的融凍土蠕動或泥石流當白天氣溫較高(20°以上)，由于地形起伏不同的影響，融凍水向不同的方向流動。凍土中含水量增大，呈塑流狀態(tài)，在局部地段（坡陡區(qū)或由陡變緩區(qū)）可能會發(fā)生小規(guī)模的融凍土蠕動或泥石流。

（2） 影響邊坡的穩(wěn)定性

白天溫度高時凍土層溶化，對巖石產生抗拉效應；夜間溫度低時凍土層凍結，對巖石產生抗壓效應?？估c抗壓效應頻繁交織，使礦巖的整體性受到傷害，礦巖的整體穩(wěn)定性降低，直接威脅到邊坡的穩(wěn)定性。

（3） 影響主運輸?shù)缆返陌踩?/p>

主運輸凍土地段由于含水量增大，可能會發(fā)生小規(guī)模的融凍土蠕動，受重載車輛的反復碾壓，或鼓包，或沉降，路面損壞頻繁，影響到車輛的行車安全，使道路的維護成本加大。

3.3 礦區(qū)斷層的影響

（1） 構造對主運輸?shù)缆返挠绊?/p>

采場主運輸?shù)缆凡捎寐菪讲贾?，道路呈螺旋狀布置邊坡四周，礦石、坑內廢石運輸以及人員、材料均通過主運輸?shù)缆?，是采場名副其實的“生命線”。螺旋式主運輸?shù)缆饭倘挥兄T多的優(yōu)點，但又一個缺陷是不能回避的，就是只要某一處發(fā)生破壞，全道路面臨“關門”的危險。

F1、F2、F3等三條主要斷層帶幾乎橫跨了整個采場區(qū)域，其中F1斷層貫穿整個區(qū)域；F2斷層貫穿于礦區(qū)的北東側，破碎帶寬約10m；F3斷層展布于礦區(qū)中部，破碎帶寬1～10m不等，貫穿整個礦區(qū)。接近或穿過這些斷層帶的路段容易產生變形甚至垮塌，是礦山的運輸較大的隱患。

（2） 構造穿孔的影響

在斷層中和斷層附近巖石中穿孔比較困難，主要體現(xiàn)在：由于巖石破碎，穿孔過程中容易產生塌孔、卡鉆等現(xiàn)象，嚴重者可使鉆桿“卡死”而報廢；成孔后掉渣而封堵鉆孔，成孔率低。

（3） 構造穿孔爆破的影響

炸藥在爆破過程中，能量朝“軟軟”方向集中。在斷層中和斷層附近巖石中爆破時，爆破能量朝斷層帶方向集中，從而產生大塊率高、巖根集中、后鼓突出等現(xiàn)象，影響了作業(yè)效率，造成礦石貧化增大，增加了后續(xù)穿孔作業(yè)的難度。

3.4 采場積涌水對生產工藝的影響

露天采場進入到標高4124m及以下時，受潛水面的影響，地下涌水突然增加，有可能對生產產生較大的影響。根據(jù)目前所觀察的采場及附近現(xiàn)場情況看，采場地下涌水比勘探結論要嚴重，采場4124m—3775m的359m垂高范圍內都在涌水環(huán)境中作業(yè)。地下涌水對采礦的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

（1）對新水平開拓不利

新水平開拓時，工作面狹小，裝載機、礦用卡車等多種設備交織作業(yè)，地下涌水造成作業(yè)面軟弱泥濘，自身作業(yè)困難，又相互影響，作業(yè)效率降低，安全隱患加大。

（2） 威脅主運輸?shù)缆?/p>

泥濘路段沉陷突出，重載礦用卡車等設備容易陷入沉陷區(qū)，道路損壞嚴重，維護保養(yǎng)難度大。

（3）威脅穿孔作業(yè)

在涌水區(qū)域穿孔作業(yè)，比在斷層中穿孔所遇到的情況更加嚴重，甚至出現(xiàn)排不了渣而鉆頭“空轉”的現(xiàn)象。

（4）威脅爆破作業(yè)

在涌水區(qū)域爆破作業(yè)，孔內積水嚴重，裝藥困難，炸藥漂浮在水面附近而沉不到孔底，爆破效率低。

（5）威脅主要采礦設備

電鏟、鉆機、礦用卡車在涌水區(qū)域作業(yè)，容易出現(xiàn)沉陷、側偏等現(xiàn)象，由于該類設備龐大，重量從幾十噸到上千噸不等，處理極為困難，而且安全隱患突出。

4 對策

與國內外同類型的露天礦山相比，雄村銅礦地質條件中的地表第四系堆集層、冰凍、斷層、涌水問題更加突出，是露天采礦中不容回避的重大難題。筆者通過綜合思考，提出以下綜合施策：

4.1 清理第四系地表覆蓋堆集層

以沖洪積層和崩積體層為主的第四系地表覆蓋堆集層厚度30～50m。在基建期和投產初期就要盡可能將采場以及南溝和北溝附近流域內的覆蓋堆集層清理，與廢石一同運往廢石場。防止雨季時暴雨引發(fā)泥石流，通過南溝和北溝進入采場。杜絕對采場邊坡和生產帶來不利影響。

4.2 全過程監(jiān)護治理，確保邊坡的穩(wěn)定

邊坡的穩(wěn)定是露天礦山的前提和核心。雄村銅礦的邊坡高度270～675m（最終邊坡角42°～47°），這在國內外同類礦山中是不多見的。受第四系地表覆蓋堆集層、冰凍、斷層、地下涌水等多種不利因素影響，邊坡穩(wěn)定性條件“先天不足”。邊坡穩(wěn)定性研究作為一個永久的課題，要貫穿于礦山的服務周期。前期，針對上述因素進行邊坡破壞機理的分析，找出邊坡變形破壞的方式，從設計、施工多方面進行預防；中期建立綜合監(jiān)測控制系統(tǒng)，主要包括邊坡位移、地下水壓力等方面的監(jiān)測，研究爆破震動及地震對露天邊坡穩(wěn)定性的影響；對巖石軟弱地段和已經發(fā)生變形破壞的地段進行重點監(jiān)護，對已經發(fā)生破壞的地段進行局部治理；后期，對全邊坡進行監(jiān)測，通過位移的變化提前做出判斷，并采取針對措施，成立專業(yè)隊伍進行邊坡的治理。

4.3 根據(jù)影響程度對采場主要參數(shù)局部優(yōu)化

礦體頂板為凝灰?guī)r，厚約160m左右，主要構成北東向邊坡，傾向與坡向斜交，巖石裂隙發(fā)育，質量指標(RQD)值40%；抗壓強度73.476～114.304MPa；抗拉強度7.899～12.595MPa；內聚力7.9MPa；內摩擦角67.6°。屬半堅硬-堅硬巖石。

礦體底板為粉砂巖夾板巖，厚約65 m左右，構成西南部坡，傾向與坡向斜交，該巖石的內聚力13.9 MPa；摩擦角50.2°；屬半堅硬巖石。礦體的西南部底板為閃長玢巖，RQD值為48.6%；其抗壓強度90.30MPa；抗拉強度為9.708MPa；內聚力15.2MPa；內摩擦角60.4°；屬堅硬巖石。

表1 礦巖物理力學性質表

礦巖物理力學性質見表1。

礦巖屬于中等穩(wěn)固型，露天開采境界設計參數(shù)見表2。臺階高度15m,全境界內采取并幫開采，因此，事實上的最終邊幫高度為30m。最終臺階坡面角45°～65°。

露天開采境界部分參數(shù)見表2。

表2 露天開采境界部分技術參數(shù)表

及時評估各種特殊地質條件對露天采場的影響程度，對直接危及到采場安全生產的局部地段在全境界參數(shù)總體保持的前提下進行局部優(yōu)化，地質災害嚴重的地段適當降低臺階高度，由15m減為12m；并局部取消并段。臺階坡面角由45°～65°放緩為44°～60°。

4.4 局部改造，確保主運輸?shù)缆窌惩?/h3>

主運輸?shù)缆肥锹短斓V山的“生命線”。雄村銅礦采用螺旋式布置主運輸?shù)缆?。螺旋坑線開拓是將運輸溝道沿露天礦場四周邊幫盤旋布置。汽車在坑線上直近行駛，不需經常改變運行速度；螺旋坑線的轉彎半徑較大，司機的視線好，線路通過能力大。但由于主運輸?shù)缆吠瑯邮艿谒南档乇砀采w堆集層、冰凍、斷層、地下涌水等多種不利因素影響。確保主運輸?shù)缆返臅惩ㄊ强滩蝗菥彽墓ぷ?。要采取綜合措施，將道路布置在巖石相對穩(wěn)定，受第四系地表覆蓋堆集層、斷層、地下涌水影響較小的地段。在總體保持螺旋式布置的前提下，不排除在受第四系地表覆蓋堆集層、斷層、地下涌水影響嚴重地段局部采取折返式布置，以避開局部地段巖石軟弱破碎地帶，確保運輸系統(tǒng)的暢通。

4.4 構建完善的防排水系統(tǒng)

從設計、施工、生產管理諸多方面強化治水措施。建立綜合性的防排水系統(tǒng)，尤其是到采場凹陷開采期后，采場的排水系統(tǒng)的沿深要超前于生產。

4.5 加強特殊地質條件下的操作工藝管理

第四系地表覆蓋堆集層、冰凍、斷層、地下涌水是避不了、躲不開的客觀存在。要保持采場長周期高效生產，只能針對上述因素綜合施策。但每一項措施的落地都體現(xiàn)在操作人員身上。提高操作人員的綜合素養(yǎng)是當務之急。

在選擇新水平開口的位置上，要盡可能避開涌水突出地段；在斷層、涌水嚴重地段穿孔時，盡可能減小風壓，通過反復鉆桿的提拉減少卡鉆；對成孔采取隔離等措施，減少外部因素對鉆孔的影響；

在斷層地段爆破作業(yè)時，減少散裝藥，采用藥卷，以降低對孔壁的沖擊，減少根底的產生；在臨近最終邊坡附近要采取光面爆破，盡可能減少爆破對最終邊坡巖體的沖擊。起爆方向平行于斷層走向，以減少大塊的產生。

4.6 持續(xù)開展礦區(qū)巖石力學綜合研究

由于種種因素的制約，雄村銅礦礦區(qū)的巖石力學研究不是太充分，露天采場參數(shù)的選取方面難免出現(xiàn)偏差。為了對安全生產起指導作用，必須在基建生產的同時持續(xù)開展巖石力學綜合研究，利用完善后的工程地質模型對最終的設計境界再進行邊坡穩(wěn)定性分析計算，對設計進行修改、完善； 由于礦區(qū)地處高寒高海拔地區(qū)，晝夜溫差較大，應對高寒條件下巖體風化、凍土膨脹、水的結冰融化、極端寒冷氣溫等因素對邊坡穩(wěn)定性及巖體力學特性的影響進行研究； 露天采礦和剝離的卸荷作用會導致邊坡變形失穩(wěn)，露天礦邊坡處于高地應力區(qū)，地應力的釋放和采礦擾動是導致露天邊坡巖體變形失穩(wěn)的主要力學原因，因此在下一步的工作中需要進行地應力對露天邊坡巖體變形破壞的影響研究工作。

5 結語

雄村銅礦地質條件復雜，第四系地表覆蓋堆集層、冰凍、斷層、地下涌水相對突出，對包括邊坡的穩(wěn)定性、主運輸系統(tǒng)的暢通、正常生產帶來嚴重的威脅。通過逐項的分析，初步弄清影響的表現(xiàn)形式。通過清理第四系地表覆蓋堆集層、構建全過程監(jiān)護系統(tǒng)、優(yōu)化采場主要參數(shù)局部、局部改造主運輸?shù)缆窌惩ā⒔⒏咝实姆琅潘到y(tǒng)、加強特殊地質條件下的操作工藝管理、持續(xù)開展礦區(qū)巖石力學綜合研究等綜合措施使特殊地質條件對露天安全生產的影響減小到最低程度，雄村銅礦的建設生產更加高效。