云南某磷礦露天轉(zhuǎn)地下開采采場穩(wěn)定性分析

陳瑞紅，韓正超

(1.云南磷化集團工程建設(shè)有限公司，云南 昆明 650600；2.桂林理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541006)

0 引言

露天開采是礦產(chǎn)資源開發(fā)利用的一種重要形式，作為礦產(chǎn)資源大國，我國的眾多礦產(chǎn)資源在開發(fā)過程中采用露天開采這一方式。據(jù)統(tǒng)計，在我國有50%的有色金屬、90%的鐵礦石、70%化工原料在開發(fā)過程中均為露天開采，建筑材料則基本均為露天開采[1-2]。邊坡失穩(wěn)是露天開采極易產(chǎn)生的一類工程地質(zhì)問題。20世紀(jì)50年代，我國的露天開采礦山開采深度一般小于100 m，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā)利用，邊坡高度也隨之不斷增加，有的甚至達(dá)700 m[3]。開采深度越大，導(dǎo)致地質(zhì)環(huán)境條件發(fā)生變化的程度也越大[4-6]，加之開采過程中的爆破和重型機械作業(yè)等對巖體的裂隙、節(jié)理等結(jié)構(gòu)面的穩(wěn)定性會產(chǎn)生巨大影響，從而引發(fā)滑坡、崩塌等邊坡失穩(wěn)的工程地質(zhì)問題。因此，邊坡的穩(wěn)定性問題已成為露天礦山開發(fā)過程中必須重視和解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。前人對露天礦邊坡穩(wěn)定性問題展開了大量研究，如楊宮印等[7]分析了軟弱夾層特性對露天礦邊坡穩(wěn)定性影響；楊成奎等[8]分析了復(fù)雜地質(zhì)背景下露天采場的邊坡失穩(wěn)，Rose等[9]研究了裂隙位移與時間的變化關(guān)系，分析了露天礦邊坡的破壞情況；代永新等[10]綜合研究了露天礦開采過程中產(chǎn)生的超高邊坡引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的影響因素，并討論了災(zāi)害防控的一些關(guān)鍵技術(shù)手段；洪儒寶等[11]的研究提出露天礦邊坡失穩(wěn)的主要模式有危巖崩塌、平面滑動、楔形體破壞、傾倒破壞和圓弧滑動等；Khakestar 等[12]利用“多準(zhǔn)則”決策方法探討了確定露天礦邊坡危巖體的技術(shù)方法；劉小陽等[13]利用地基雷達(dá)測量技術(shù)研究了露天礦高邊坡微形變的監(jiān)測方法。

云南某磷礦(下文統(tǒng)稱為“該礦山”)是我國目前最大的海相沉積層狀磷塊巖礦床之一，也是“國家級礦產(chǎn)資源綜合利用示范基地”，為我國的磷礦產(chǎn)業(yè)作出了巨大貢獻(xiàn)。新時期為了保證磷礦資源的可持續(xù)開發(fā)利用，該礦山下一步計劃進(jìn)行地下開采，地下開采過程中必然會產(chǎn)生一些工程地質(zhì)災(zāi)害，對地下開采過程中可能出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測評價，可以有效保證生產(chǎn)安全。在對該礦山典型邊坡的危巖體特征、邊坡結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)面特征等進(jìn)行調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，利用赤平投影定性分析了擬進(jìn)行地下開采的采場軸向與邊坡優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的關(guān)系，評價了地下開采過程中可能出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害問題，并提出了相關(guān)防治措施，為礦區(qū)作業(yè)安全提供指導(dǎo)，同時也為該礦山磷礦資源的持續(xù)開發(fā)利用提供保障。

1 礦山地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 地形地貌

區(qū)內(nèi)地形總體呈南高北低，地貌類型以山地地貌為主，山地溝谷地貌次之，山地地貌基本分布于全區(qū)，以中山地貌為主；山地溝谷地貌主要分布在河谷周緣。局部地區(qū)受構(gòu)造作用和強烈的河流溝谷侵蝕作用，兩側(cè)山地較低，多為20～80 m，溝谷較寬，多為200～600 m。

1.2 礦區(qū)地層

磷礦主要產(chǎn)于下寒武統(tǒng)漁戶村組(∈1y)、中誼村組(∈1z)和筇竹寺組(∈1q)。漁戶村組下段以紫紅色—暗綠色頁巖、砂泥質(zhì)白云巖等為主；中段以灰色—灰白色條紋狀粉晶白云巖為主，局部夾雜薄層狀粉砂質(zhì)頁巖；上段以灰色—灰白色石英砂屑粉晶白云巖為主，夾雜黑色硅質(zhì)條帶或團塊[14]，本段是下礦層的直接底板(圍巖)。中誼村組自下而上可分為磷塊巖段和白云巖段，磷塊巖段進(jìn)一步被劃分為下礦層和上礦層，下礦層的中下部為粒屑磷塊巖或礫狀磷塊巖，中間夾層為灰白色—灰黃色凝灰質(zhì)黏土巖，上部為白云質(zhì)硅質(zhì)條帶磷塊巖；上礦層的中下部為粒屑磷塊巖，底部為白云質(zhì)、硅質(zhì)條帶磷塊巖，上部為白云質(zhì)磷塊巖[14]。白云巖段以灰色—灰白色含磷砂質(zhì)白云巖為主，夾雜硅質(zhì)團塊，是上礦層的直接頂板(圍巖)。筇竹寺組自下而上可劃分為黑色粉砂巖段、白云質(zhì)粉砂巖段、雜色頁巖段和暗綠色頁巖段四個巖性段[15]。礦層產(chǎn)狀較穩(wěn)定，其產(chǎn)狀與上覆地層基本一致，沿走向、傾向基本連續(xù)、穩(wěn)定。

1.3 礦區(qū)構(gòu)造

礦區(qū)主要構(gòu)造為斷裂和褶皺，斷裂以近SN向的F1和F2斷裂為主(圖1)，其中，F(xiàn)1為逆斷層，具有先壓后張的特點，F(xiàn)2為逆沖斷層，斷面向西傾。褶皺多呈近EW向，礦區(qū)附近的褶皺構(gòu)造為一背斜，軸跡以EW向為主，其核部地層以震旦系為主，兩翼地層為古生界。

圖1 礦區(qū)區(qū)域構(gòu)造綱要圖

1.4 礦區(qū)工程地質(zhì)條件

根據(jù)巖石類型、巖體風(fēng)化及裂隙巖溶發(fā)育程度和巖礦石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造等，將該礦區(qū)巖(礦)體劃分為4個工程地質(zhì)巖組[15]，見表1。

表1 礦區(qū)工程地質(zhì)巖組劃分

總體看來，礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，巖溶不發(fā)育，裂隙發(fā)育；礦區(qū)巖層傾角較緩，巖(礦)體力學(xué)強度較高，露天采場邊坡較穩(wěn)定，礦體存在不連續(xù)軟弱夾層。

1.5 礦山邊坡概況

該礦山屬于典型露天開采礦山，開采后形成巖(礦)體裸露面。坡體上陡下緩，頂部基本無植被覆蓋，邊坡多為切向坡巖質(zhì)邊坡(圖2)。邊坡高度約10 m，坡面角30°～50°，傾向168°。坡面發(fā)育與臨空面平行的陡傾裂隙，坡體巖性主要為白云巖、磷塊巖、粉砂質(zhì)頁巖、白云質(zhì)粉砂巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層產(chǎn)狀286°∠22°。結(jié)構(gòu)面以裂隙和層理為主，多呈閉合狀，除第四系松散沉積物外，邊坡巖(礦)體多呈塊狀結(jié)構(gòu)。

圖2 礦區(qū)邊坡形態(tài)野外照片

2 巖體結(jié)構(gòu)面主要特征

在對該礦山露天采場邊坡實地踏勘的基礎(chǔ)上，根據(jù)邊坡形態(tài)、結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況、巖性分布特征等，選擇4個地點進(jìn)行結(jié)構(gòu)面的調(diào)查，重點調(diào)查了節(jié)理和裂隙的數(shù)量、產(chǎn)狀、延展性、充填情況、粗糙度、滲水性等，具體調(diào)查結(jié)果見表2。

表2 礦區(qū)節(jié)理裂隙發(fā)育情況

2.1 結(jié)構(gòu)面間距

結(jié)構(gòu)面間距是影響巖體完整性的重要指標(biāo)之一，間距越小，巖體被結(jié)構(gòu)面切割得越厲害，巖體的完整性就越差。由表2可知，調(diào)查點1和2的節(jié)理裂隙的平均間距較小，分別為0.18 m和0.17 m，密度較大，分別為5.44條/m和5.76條/m，表明調(diào)查點1和2所在邊坡巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，完整性較差。調(diào)查點3和4的節(jié)理裂隙的平均間距相對較大，密度相對較小，表明其完整性優(yōu)于調(diào)查點1和2。

2.2 結(jié)構(gòu)面粗糙度

結(jié)構(gòu)面的粗糙度和平整起伏程度是結(jié)構(gòu)面抗剪強度的重要控制因子，一般來說，結(jié)構(gòu)面越粗糙，其抗剪強度就越高，巖體的質(zhì)量也相對要好。依據(jù)形態(tài)特征，結(jié)構(gòu)面一般可分為臺階型、波浪型、鋸齒型和平直型。根據(jù)野外觀察結(jié)果，該礦山露天采場邊坡巖(礦)體結(jié)構(gòu)面主要為平直型(圖2)，波浪型、鋸齒型和臺階型的結(jié)構(gòu)面少見。

2.3 結(jié)構(gòu)面傾角

結(jié)構(gòu)面傾角是影響結(jié)構(gòu)面空間分布規(guī)律的一個重要參數(shù)。根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果，該礦山露天采場邊坡結(jié)構(gòu)面傾角主要變化于60°～89°，屬于陡傾結(jié)構(gòu)面，因而邊坡巖(礦)體被切割成孤立塊體后，極易脫落、滑塌等，帶來安全隱患，需要注意防范。

2.4 結(jié)構(gòu)面張開度

結(jié)構(gòu)面的張開度直接影響結(jié)構(gòu)面的抗剪強度，一般來說，閉合的結(jié)構(gòu)面能有效增加結(jié)構(gòu)面的抗剪阻力，其抗剪強度較高，而張開的結(jié)構(gòu)面會大大降低結(jié)構(gòu)面的抗剪強度。一般將結(jié)構(gòu)面狀態(tài)張開度劃分為閉合、微張、張開三類。根據(jù)野外調(diào)查分析結(jié)果，該礦山露天采場邊坡巖(礦)體結(jié)構(gòu)面張開度主要以閉合為主，少見微張和張開。

2.5 地下水條件

地表水和地下水的滲透會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面巖壁和結(jié)構(gòu)面充填物發(fā)生軟化，特別是當(dāng)巖(礦)體存在軟弱夾層時，會致使軟弱夾層發(fā)生軟化和泥化，從而使得巖(礦)體的抗剪強度降低，影響巖(礦)體的穩(wěn)定性。根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果，該礦山露天采場邊坡巖(礦)體結(jié)構(gòu)面多為干燥結(jié)構(gòu)面，在非雨季或冰雪情況下，不易發(fā)生軟化，但是到了雨季或冰雪氣候，在雨水或冰雪融化水的滲透作用下，易導(dǎo)致邊坡發(fā)生垮塌、滑塌等，帶來安全隱患，需要注意做好地表水的排水工作。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的確定

優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面理論廣泛運用于地質(zhì)災(zāi)害、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)[14]，巖體形成后在漫長而復(fù)雜的地質(zhì)作用下，會產(chǎn)生各種各樣的面狀構(gòu)造，如斷層、節(jié)理、劈理、裂隙、軟弱層等，這些面狀構(gòu)造統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面的發(fā)育使巖體不再完整。結(jié)構(gòu)面的分布具有復(fù)雜性、不均勻性和隨機性，優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面就是上述各種各樣的面狀構(gòu)造按一定的優(yōu)勢指標(biāo)找出的對巖體穩(wěn)定性起控制作用的結(jié)構(gòu)面[16]，找出優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面是進(jìn)行巖體工程穩(wěn)定性評價的基礎(chǔ)，因此，優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面理論是解決地質(zhì)工程、巖土工程等問題的一種基本方法[17]。

優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的確定方法有聚類分析法和圖形分析法等方法[18-19]，圖形分析方法主要是采用極點圖、玫瑰花圖或等密度圖等圖件進(jìn)行分析[20]。本文利用“理正巖土工程計算分析軟件”對4個調(diào)查點記錄的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀進(jìn)行極點等密度圖的繪制(圖3)，根據(jù)極點等密度圖的統(tǒng)計結(jié)果可以得到黑色粉砂質(zhì)頁巖和磷塊巖兩組巖(礦)體的全部結(jié)構(gòu)面的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及其平均值(表3)。

圖3 礦區(qū)巖(礦)體結(jié)構(gòu)面極點等密度圖

表3 礦區(qū)優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀

3.2 邊坡穩(wěn)定性評價

邊坡穩(wěn)定性評價有定性評價和定量評價兩種方法，赤平投影法是邊坡穩(wěn)定性定性評價的最常用方法[24]。赤平投影的基本原理是假想一個球體(投影球)，通過球心的任何一個面狀構(gòu)造和線狀構(gòu)造，延伸后均與球面相交，并在球面上表現(xiàn)為大圓和點，球面大圓與極射點(相當(dāng)于北極點或南極點)的連線必然穿過赤平面(經(jīng)過球心的水平面)，在赤平面上這些穿透點的連線即為該面狀構(gòu)造的赤平投影，簡稱大圓弧，即面狀構(gòu)造的赤平投影表現(xiàn)為赤平面上的一個大圓弧，而線狀構(gòu)造的赤平投影表現(xiàn)為赤平面上的一個點。

赤平投影法是通過對巖體節(jié)理裂隙進(jìn)行統(tǒng)計分析，確定優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面后，通過邊坡的空間位置與邊坡中結(jié)構(gòu)面的空間位置的相互關(guān)系進(jìn)行分析評價，該方法已在巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評價、工程地質(zhì)測繪、硐室圍巖穩(wěn)定性等方面得到了廣泛應(yīng)用[21-22]。前人利用赤平投影法定性評價邊坡穩(wěn)定性展開了大量工作，并提出了相關(guān)判別標(biāo)準(zhǔn)[23]，邊坡穩(wěn)定性的具體判別標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 赤平投影法定性評價邊坡穩(wěn)定性的判別標(biāo)準(zhǔn)

該礦山下一步擬進(jìn)行地下開采的采場范圍及分區(qū)見圖4。根據(jù)所調(diào)查優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的分布情況，繪制了赤平極射投影圖(圖5)，并根據(jù)采場軸向與優(yōu)勢結(jié)構(gòu)的關(guān)系對采場的穩(wěn)定性評價：

圖4 礦區(qū)擬進(jìn)行地下開采的范圍和分區(qū)

1)在圖5a、圖5d和圖5e中，A采區(qū)、D采區(qū)、E采區(qū)采場軸向與兩組結(jié)構(gòu)面的走向斜交或與其中一組結(jié)構(gòu)面近平行，且一組結(jié)構(gòu)面的傾角較緩，另一組結(jié)構(gòu)面的傾角較陡，易形成不穩(wěn)定體，對采場穩(wěn)定性影響較大，容易發(fā)生片幫、冒頂?shù)仁鹿省?/p>

2)在圖5b中，B區(qū)采場軸向與兩組結(jié)構(gòu)面的走向斜交，且S1結(jié)構(gòu)面傾角較緩，結(jié)構(gòu)面分布對采場穩(wěn)定性有較大影響，將來在地下開采的過程中應(yīng)注意片幫、冒頂?shù)葹?zāi)害事故的發(fā)生。

3)在圖5c中，C區(qū)采場軸向與S2近正交，S2結(jié)構(gòu)面對采場穩(wěn)定性影響較?。籆區(qū)采場軸向與S1結(jié)構(gòu)面近平行，且S1結(jié)構(gòu)面傾角較緩，結(jié)構(gòu)面分布對采場穩(wěn)定性影響較大，易發(fā)生冒頂?shù)仁鹿省?/p>

圖5 礦區(qū)不同區(qū)域赤平極射投影圖

4 開采建議

礦山將來采用地下開采的方式時，建議在下部采礦工程中，根據(jù)巖體的結(jié)構(gòu)特征，對巖體采場條帶或巷道壁面潛在的不穩(wěn)定塊體，特別是在破碎帶發(fā)育程度高、裂隙較大、巖體力學(xué)強度低的區(qū)域，要有針對性的采取加固、防護措施，如清理浮石、錨桿加固等，預(yù)防不穩(wěn)定塊體的片幫、冒頂，同時注意做好防排水措施；根據(jù)邊坡地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境的復(fù)雜程度，采用最適宜的地下開采順序，最大程度減輕地下開采過程中對圍巖的破壞；做好采場的位移監(jiān)測措施，及時預(yù)測采場可能發(fā)生變形破壞的位置并做好相關(guān)防治措施。

5 主要結(jié)論

1)根據(jù)巖石類型、風(fēng)化程度、裂隙發(fā)育情況等，礦區(qū)巖(礦)體可劃分為松散巖組、堅硬—半堅硬層狀碎屑巖巖組、堅硬弱巖溶化碳酸鹽巖巖組和軟弱巖組4個工程地質(zhì)巖組。

2)礦山邊坡巖(礦)體多呈塊狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面主要為平直型，以閉合的陡傾結(jié)構(gòu)面為主，在水的滲透作用下易發(fā)生軟化。

3)赤平投影法分析結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)面的分布情況對采場穩(wěn)定性影響較大，易發(fā)生冒頂?shù)仁鹿?，需要做好清理浮石、錨桿加固等防護措施。

致謝：昆明理工大學(xué)侯克鵬教授等對野外和室內(nèi)工作給予指導(dǎo)和幫助，審稿專家提出了寶貴意見和建議，在此一并致以衷心感謝。