西藏玉龍銅礦改擴(kuò)建邊坡工程穩(wěn)定性分析及監(jiān)測(cè)

熊世偉

摘要：依托西藏玉龍銅礦改擴(kuò)建工程，將目前采場(chǎng)邊坡劃分為Ⅰ～Ⅴ四個(gè)工程地質(zhì)區(qū)、11個(gè)工程地質(zhì)亞區(qū)。選取了11個(gè)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算剖面，采用極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法，對(duì)玉龍銅礦二期工程設(shè)計(jì)邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算分析。研究結(jié)果表明：其中1個(gè)邊坡不滿足要求；考慮開采爆破影響，則有5個(gè)邊坡不滿足要求。根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)5個(gè)坡面提出了優(yōu)化的方案，并對(duì)西藏玉龍銅礦的邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置進(jìn)行了說明。

關(guān)鍵詞：露天采礦項(xiàng)目；邊坡；穩(wěn)定性分析；邊坡監(jiān)測(cè)

0? ?引言

露天礦的改擴(kuò)建工程中，由于露天礦前期已經(jīng)開采，形成一定的開采邊坡，常引起周圍礦區(qū)土體應(yīng)力變化，甚至造成二期開采區(qū)的邊坡滑塌、變形和裂縫等，對(duì)礦區(qū)的安全造成影響。為此在大型露天礦區(qū)的改擴(kuò)建項(xiàng)目中，為避免邊坡失穩(wěn)，通常需要結(jié)合一期項(xiàng)目工程地質(zhì)情況、水文情況、巖石強(qiáng)度指標(biāo)等，對(duì)邊坡穩(wěn)定有影響的要素綜合分析判斷，選取邊坡穩(wěn)定性計(jì)算剖面建立計(jì)算模型，對(duì)大型露天礦山邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

高邊坡的穩(wěn)定對(duì)于工程建設(shè)具有非常重要的意義，而露天礦山的邊坡受地質(zhì)結(jié)構(gòu)面、產(chǎn)狀等影響明顯。近年來(lái)，眾多學(xué)者對(duì)露天礦上的邊坡穩(wěn)定進(jìn)行了相關(guān)研究[1-3]。本文依托西藏玉龍銅礦改擴(kuò)建工程，采用極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法，對(duì)玉龍銅礦二期工程設(shè)計(jì)邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算分析，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)5個(gè)坡面提出了優(yōu)化的方案。

1? ?工程背景

1.1? 工程基本情況

玉龍銅礦礦區(qū)處在青藏高原東南角的金沙江與瀾滄江之間的寧?kù)o山脈北段分水嶺地帶，山脈、山系多呈北北西-南南東方向排列，地形切割中等至強(qiáng)烈，海拔高程4560～5124m，相對(duì)高差在700m以內(nèi)。西藏玉龍銅礦改擴(kuò)建工程是在一期工程基礎(chǔ)上，進(jìn)行產(chǎn)能的擴(kuò)大。

礦區(qū)面積4.3025km2，露天采場(chǎng)處于較開闊的溝谷底端，三面環(huán)山，地面高差在600～700m，上部尺寸上口長(zhǎng)2280m、寬2220m，最低開采臺(tái)階標(biāo)高4200m，封閉圈標(biāo)高為4560m平臺(tái)，礦石運(yùn)輸出口標(biāo)高4560m。露天采場(chǎng)4560m標(biāo)高以上為山坡露天，以下為凹陷露天。

1.2? ?地質(zhì)狀況

礦區(qū)內(nèi)斷裂規(guī)模不大，成礦前斷裂方向散亂，角礫巖發(fā)育，與含礦斑巖體侵入擠壓有關(guān)。成礦后斷裂多為張性，個(gè)別為壓扭性。礦區(qū)內(nèi)共見7條斷層，基本沿含礦斑巖體呈環(huán)帶狀展布。

層間破碎帶主要發(fā)育于甲丕拉組砂泥巖和波里拉組碳酸鹽巖之間。其次發(fā)育于波里拉組中段不同巖性層之間。層間破碎帶呈環(huán)狀圍繞斑巖體，帶寬平均300m左右。破碎帶蝕變礦化強(qiáng)烈，為似層狀礦體的容礦空間，產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀一致。帶內(nèi)巖石主要呈角礫狀，也有條帶狀、土狀和膠狀。角礫成分主要為大理巖，膠結(jié)物為粘土礦物、褐鐵礦、孔雀石及黃鐵礦為主的硫化物等。

2? ?邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

2.1? ?邊坡工程地質(zhì)分區(qū)

2.1.1? ?采區(qū)主要工程地質(zhì)問題

采區(qū)礦體埋藏淺，屬土狀軟弱層，礦層頂板為大理巖，底板為角巖。大理巖、角巖為半堅(jiān)硬-堅(jiān)硬巖石。采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，南部相對(duì)復(fù)雜。采區(qū)的主要工程地質(zhì)問題是邊坡穩(wěn)定性欠佳[4]，主要是東、南邊坡的穩(wěn)定性較差，東邊坡出現(xiàn)小規(guī)?？逅F(xiàn)象，且季節(jié)性凍土層冰融水對(duì)邊坡穩(wěn)定性有所不利。

礦區(qū)裂隙構(gòu)造十分發(fā)育。主要含礦裂隙有3組，走向?yàn)?0～60°、270～280°和325～340°，陡傾角者居多。裂隙寬一般小于2mm，少數(shù)20～50mm。多呈網(wǎng)脈狀產(chǎn)出，裂面平直，常被各種巖脈或礦脈充填。分布于接觸帶附近的斑巖體和脆性圍巖中。裂隙頻率一般大于30條/m，最高達(dá)50條/m。

2.1.2? ?邊坡工程地質(zhì)分區(qū)結(jié)果

可根據(jù)礦區(qū)巖層的賦存特點(diǎn)，將巖性、構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件、邊坡幾何形狀和邊坡傾向基本相同的區(qū)段劃分為同一區(qū)，各區(qū)邊坡可用單一的剖面和相同的計(jì)算參數(shù)來(lái)表征。

依照此原則，將目前采場(chǎng)邊坡劃分為Ⅰ～Ⅴ四個(gè)工程地質(zhì)區(qū)，其中：Ⅰ區(qū)第四系覆蓋層；Ⅱ區(qū)為東北邊坡，在垂直方向上分為Ⅱ-A和Ⅱ-B、Ⅱ-C三個(gè)亞區(qū)；Ⅲ 區(qū)為西北邊坡，垂直方向上分為Ⅲ-A、Ⅲ-B、Ⅲ-C三個(gè)亞區(qū)；IV區(qū)為南邊坡，垂直方向上分為IV-A、IV-B、IV-C三個(gè)亞區(qū)；Ⅴ區(qū)為斑巖含礦層。邊坡工程地質(zhì)狀況如圖1所示。

2.2? ?各地質(zhì)分區(qū)破壞模式及特點(diǎn)

地質(zhì)分區(qū)Ⅰ區(qū)的工程地質(zhì)特征主要是頂端破碎帶，巖體破碎且風(fēng)化嚴(yán)重，破壞模式為圓弧滑動(dòng)。

地質(zhì)分區(qū)Ⅱ區(qū)的巖組原巖為紫紅色泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖夾石英砂巖，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，同一地點(diǎn)一般發(fā)育2～3組節(jié)理，以剪節(jié)理為主，節(jié)理面平直，局部充填有少量鐵質(zhì)、泥質(zhì)。最終邊坡面出露兩條斷層，受構(gòu)斷層影響，巖體局部較破碎，并伴隨有泥化、軟化、破碎帶的形成，斷層出露處邊坡區(qū)段易產(chǎn)生垮塌破壞。破壞模式為楔體滑動(dòng)、切層滑動(dòng)、斷層出露處局部垮塌、斷層層間破碎帶失穩(wěn)。

地質(zhì)分區(qū)Ⅲ區(qū)巖組原巖為紫紅色泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖夾石英砂巖，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，同一地點(diǎn)一般發(fā)育2～3組節(jié)理，以剪節(jié)理為主，節(jié)理面平直，局部充填有少量鐵質(zhì)、泥質(zhì)。無(wú)軟弱夾層，不利邊坡穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，邊坡穩(wěn)定性較好。破壞模式為楔體滑動(dòng)、切層滑動(dòng)。

地質(zhì)分區(qū)IV的巖組原巖為紫紅色泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖夾石英砂巖，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，同一地點(diǎn)一般發(fā)育2～3組節(jié)理，以剪節(jié)理為主，節(jié)理面平直，局部充填有少量鐵質(zhì)、泥質(zhì)，巖體強(qiáng)度高。受結(jié)構(gòu)面的影響，巖體局部較破碎，并伴隨有泥化、破碎帶的形成，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性有影響。破壞模式為楔體滑動(dòng)、切層滑動(dòng)、斷層出露處局部垮塌、斷層層間破碎帶失穩(wěn)。

地質(zhì)分區(qū)V為玉龍斑巖礦體，是主要容礦層，工程鉆孔所取巖芯以花崗斑巖為主，同一地點(diǎn)一般發(fā)育2組節(jié)理，以剪節(jié)理為主，節(jié)理面平直，充填泥質(zhì)、方解石、鐵質(zhì)。破壞模式為楔體滑動(dòng)、斷層下盤局部垮塌。

2.3? ?分區(qū)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果和邊坡工程地質(zhì)分區(qū)成果，選取了11個(gè)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算剖面，建立了邊坡穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算模型。采用極限平衡法[5]與有限元強(qiáng)度折減法，對(duì)玉龍銅礦二期工程設(shè)計(jì)邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算分析，根據(jù)設(shè)計(jì)的邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算分析各剖面邊坡滾石災(zāi)害，為設(shè)計(jì)邊坡參數(shù)優(yōu)化提供了依據(jù)。

對(duì)比國(guó)內(nèi)外礦山安全系數(shù)，根據(jù)玉龍銅礦改擴(kuò)建工程露天邊坡實(shí)際情況，邊坡穩(wěn)定性分析中綜合選取的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)不小于1.20。計(jì)算參數(shù)取值見表1，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)見表2。

采用畢肖普法和強(qiáng)度折減法對(duì)11個(gè)剖面分別進(jìn)行了計(jì)算，再對(duì)兩個(gè)計(jì)算結(jié)果取平均值，得到邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

3? ?邊坡穩(wěn)定性結(jié)果分析及參數(shù)優(yōu)化

3.1? ?計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果顯示，最終開采境界1-1剖面邊坡安全系數(shù)為1.13，小于允許安全系數(shù)，其余各剖面邊坡安全系數(shù)均大于1.2，設(shè)計(jì)邊坡整體穩(wěn)定性良好。此結(jié)果為自然狀態(tài)下的邊坡安全系數(shù)。

改擴(kuò)建的露天礦山穩(wěn)定性分析還要考慮到開挖爆破的影響。玉龍銅礦邊坡屬于高陡型，根據(jù)勘察報(bào)告，礦區(qū)內(nèi)所見構(gòu)造形跡，主要有褶皺、斷裂、裂隙、角礫巖帶和層間破碎帶等，層間破碎帶為區(qū)內(nèi)的主要控礦構(gòu)造，其中多數(shù)斷裂、裂隙、角礫巖帶和層間破碎帶，它們都是在同一個(gè)形成機(jī)制下，巖漿侵位形成的同生構(gòu)造。礦區(qū)內(nèi)無(wú)論是斑巖體內(nèi)還是圍巖中裂隙構(gòu)造均十分發(fā)育，可分出主要含礦裂隙、次要含礦裂隙和無(wú)礦裂隙三種，尤其是含礦裂隙非常發(fā)育。

3.2? ?參數(shù)優(yōu)化

礦區(qū)內(nèi)存在諸多不利邊坡穩(wěn)定的因素，例如斷層，破碎帶等。這些地質(zhì)不利因素在開挖的爆破振動(dòng)作用下，邊坡巖體穩(wěn)定性會(huì)受到影響，從而出現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)[6]。

在邊坡穩(wěn)定性分析過程中，考慮到采礦過程中的爆破作用[7]，需將各剖面的邊坡安全系數(shù)均降低6%～7%，其中1-1、3-3、4-4、6-6、7-7、9-9共5個(gè)坡面安全系數(shù)小于1.20。

同時(shí)需要對(duì)該5個(gè)坡面邊坡參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，具體如下：對(duì)上述5個(gè)剖面整體優(yōu)化邊坡位置；優(yōu)化段邊坡高度為570～720m，優(yōu)化邊坡角為37.5～41°，臺(tái)階坡面角上部三個(gè)臺(tái)階臺(tái)階坡面角為50°，下部臺(tái)階臺(tái)階坡面角65°，臺(tái)階高度15m。

經(jīng)過優(yōu)化后重新計(jì)算，坡面安全系數(shù)滿足邊坡穩(wěn)定要求。本文以剖面1-1為例，說明經(jīng)優(yōu)化后的邊坡情況。對(duì)于剖面1-1，整體邊坡角為34.4°，邊坡高度為827m，推薦整體邊坡角為37.3°，滿足邊坡穩(wěn)定性要求。

4? ?邊坡監(jiān)測(cè)

玉龍銅礦最終邊坡高度達(dá)800m，邊坡巖體質(zhì)量相對(duì)較差，且處于高寒地區(qū)，為此在高陡邊坡及巖體極其破碎的邊坡部位建立邊坡變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是非常必要的。

目前常用的邊坡位移監(jiān)測(cè)方法有經(jīng)緯儀、全站儀、GPS、微波雷達(dá)等[8]。本項(xiàng)目根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況選擇了全站儀作為監(jiān)測(cè)儀器。

鑒于玉龍銅礦最終邊坡逐步形成，一期工程大部分邊坡均為臨時(shí)邊坡，北部有部分靠幫邊坡，為保證生產(chǎn)安全，建議在北部邊坡靠幫后及時(shí)布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在臨時(shí)邊坡形成過程中，可根據(jù)邊坡的揭露情況適時(shí)布設(shè)臨時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并隨著最終邊坡境界臺(tái)階的逐步形成，增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)。根據(jù)最終邊坡境界參數(shù)及邊坡工程地質(zhì)條件，初步確定重點(diǎn)監(jiān)測(cè)部位為西幫邊坡、東北幫邊坡及東南幫邊坡。西南部邊坡盡管“二期工程露天邊坡穩(wěn)定性研究”中確定為重點(diǎn)治理的區(qū)段，但最終設(shè)計(jì)邊坡角較緩，整體邊坡角只有38°（研究推薦邊坡角為40～44°），因此暫未布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。待邊坡揭露后，可根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

5? ?結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)玉龍銅礦的工程地質(zhì)，將礦區(qū)分為4個(gè)工程地質(zhì)區(qū)，選取11個(gè)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算剖面，建立邊坡穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算模型。研究結(jié)果表明，自然狀態(tài)下有部分設(shè)計(jì)邊坡不滿足要求，爆破狀態(tài)下有5個(gè)坡面不滿足安全系數(shù)。本文對(duì)5個(gè)坡面進(jìn)一步提出了優(yōu)化方案。

由于最終邊坡的穩(wěn)定性與最終邊坡境界、邊坡高度、邊坡巖體條件等多因素直接相關(guān)，為此當(dāng)邊坡境界調(diào)整或巖體條件發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充各剖面最終邊坡角的驗(yàn)證工作。

由于邊坡工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性，隨著礦山的開采剝離，可能會(huì)出現(xiàn)邊坡巖體條件變化，特別是揭露出局部構(gòu)造破碎帶，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生影響。因此，在露天采場(chǎng)裂隙發(fā)育、斷裂破碎帶、強(qiáng)風(fēng)化帶等地段，宜采用護(hù)墻、抗滑樁、錨固、噴射混凝土等工程措施，預(yù)防邊坡巖體發(fā)生崩塌。此外，為保證生產(chǎn)安全，還要合理地、適時(shí)布置邊坡變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

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