图木尔廷－敖包锌矿露天边坡稳定性分析

阮琰文,潘 懿

(1.中国有色金属建设股份有限公司, 北京 100029;2.长沙矿山研究院有限责任公司,湖南长沙 410012;3.金属矿山安全技术国家重点实验室, 湖南长沙 410012)

图木尔廷－敖包锌矿露天边坡稳定性分析

阮琰文1,潘 懿2,3

(1.中国有色金属建设股份有限公司, 北京 100029;2.长沙矿山研究院有限责任公司,湖南长沙 410012;3.金属矿山安全技术国家重点实验室, 湖南长沙 410012)

图木尔廷敖包露天锌矿地处蒙古高原,在矿山开采过程中,受不良地质及恶劣气候条件影响,各段边坡均出现不同程度的破坏,严重制约矿山安全高效生产。针对敖包锌矿露天边坡破坏情况,在边坡工程地质、水文地质条件详查的基础上,系统研究了各段边坡稳定性状况,优化了边坡最终结构参数,为矿山下一步边坡设计提供了可靠依据。

露天边坡;稳定性研究;边坡参数;地质调查

1 概 述

蒙古国图木尔廷—敖包锌矿为中蒙合资矿山,矿山每天加工矿石约1000t,年产精矿超过7万t,矿山自投产以来,经济效益良好,为中国企业海外矿业投资最成功的案例之一,被誉为“中蒙合作的典范”。图木尔廷—敖包锌矿开采方式为露天开采,台阶高度12m,目前已形成边坡高度约100m。由于边坡岩体条件较差,矿山开采过程中边坡存在不同程度的垮塌及开裂,严重威胁矿山安全生产。

2 矿山概况

图木尔廷－敖包锌矿隶属中蒙合资企业鑫都矿业有限公司,地处蒙古国东南部无林草原,为地势平缓的丘陵地形,海拨高度1000～1100m。矿区为高纬度地区大陆性气候,气温变化较大,日温差达到26℃,绝对最低气温至零下39℃,最高超过36℃,年平均气温为－1.5℃～2.5℃。矿区为半干旱地区,降雨量较少,年平均降雨量130～280mm,主要集中在7～8月,日最大降雨量64mm。地表层冻结深度为2.5～3m,没有永久冻土层[1]。

矿山于2005年8月建成,经十余年开采边坡高度超过百米,露天坑西南部发育有较大的正断层F8A和F4,2007年,6A至10线之间的边坡平台1070m发生垮塌,垮塌部位剪节理发育,对边坡稳定性不利。目前露天开采阶段主要有1070m台阶、1058m台阶、1046m台阶、1034m台阶、1022 m台阶和1010m台阶,分布范围4～20线。露天边坡各区段均存在不同程度的破坏现象,主要表现形式为坡顶开裂及台阶边坡的垮塌。

3 边坡工程地质

露天采场边坡岩体整体倾向SW,倾角45°～55°。其中北边坡为下盘边坡,主要由矽卡岩构成,垂直边坡发育有多条纵向断层,将边坡切割为多个区域,对边坡稳定性影响较大,同时,北边坡岩体节理、裂隙十分发育,一般分布结构面组数多于3组,边坡岩体条件较差。南边坡为上盘边坡,主要由花岗岩构成,岩体含泥量较高,极易风化,边坡开挖后均呈中等风化状,裂隙发育,边坡表面岩体呈块夹泥或局部泥夹块状,岩体较破碎。西边坡为切层边坡,构成岩体由北至南依次为大理岩和角岩,其中大理岩节理不发育,稳定性较好,角岩节理较为发育,西南边坡与上盘花岗岩接触部位为破碎带,该破碎带贯穿采场东西,为正—平移断层,断距为数百米,破碎带宽度10～20m,对边坡稳定性极为不利;东边坡主要由角岩和花岗岩构成,受多条纵向断层影响,角岩十分破碎,角岩和花岗岩接触部位为大破碎带,花岗岩岩体条件与南边坡类似,风化严重。

3.1 边坡工程地质调查

为全面研究图木尔廷敖包锌矿边坡工程地质条件,采用三维摄影测量与人工现场调查相结合的方法对矿山已形成的边坡进行了工程地质调查,测量并描述边坡岩体节理裂隙产状、充填物及厚度、形状、结构面形状、地下水状况、节理间距等特征。并根据矿区岩层的赋存特点,进行了各区段边坡工程地质分区,将敖包锌矿边坡划分为Ⅰ～Ⅳ四个工程地质区,其中Ⅰ区分为Ⅰ－A和Ⅰ－B两个亚区,Ⅲ区分Ⅲ－A、Ⅲ－B、Ⅲ－C、Ⅲ－D四个亚区,Ⅳ区分为Ⅳ－A、Ⅳ－B、Ⅳ－C三个亚区,分区结果见图1。

图1 边坡工程地质分区图

(1)Ⅰ－A区,为北边坡4A～8A线,主要为褐红色矽卡岩,发育多条纵向断层,岩体中节理、裂隙发育,以Ⅳ、Ⅴ级结构面为主,边坡岩体呈块状结构,岩体较坚硬。属于楔体滑动。

(2)Ⅰ－B区,为北边坡8A～16A线,主要为褐红色磁铁化矽卡岩,断层及节裂隙发育程度与北边坡西部矽卡岩发育程度相似,边坡岩体呈层状结构。属于楔体滑动,倾倒破坏。

(3)Ⅱ区,为南边坡7～11线,南边坡主要为肉红中风化中－粗颗粒花岗岩,岩体节理裂隙发育,以Ⅳ、Ⅴ级结构面为主,由于风化蚀变强烈,强度较低,岩体为块状、散体和破碎结构。属于顺层滑动。

(4)Ⅲ－A区,为西南边坡10～16线,西南边坡主要为肉红色中风化中－粗颗粒花岗岩,岩体风化蚀变强烈,节理裂隙发育,整体强度较低,为散体和破碎结构。属于楔体滑动、圆弧滑动。

(5)Ⅲ－B区,为西边坡中部,该区域主要为西边坡的南部破碎带,该破碎带位于花岗岩与钠长角岩之间,属东西向正断层,宽20～30m,充填物主要有:流纹斑岩的凝灰岩[τp]、流纹斑岩的凝灰角砾岩[τp]、流纹斑岩[λπp]、花岗岩角砾和粘石等,整体强度较低。属于圆弧滑动。

(6)Ⅲ－C区,为西边坡9～11线,该区域内岩体主要为钠长角岩,位于矿体上盘,岩体节理裂隙发育,风化程度较低,岩体强度较大,整体稳定性相对较好,岩体为块状结构。属于楔体滑动、顺层滑动。

(7)Ⅲ－D区,为西北边坡2～6线,西北边坡主要为大理岩,位于矿体下盘,岩体强度较高,整体稳定性较好,岩体属块状结构。属于楔体滑动,顺层滑动。

(8)Ⅳ－A,为东南边坡3A～9A线,东南边坡1040m以下主要为微风化中－粗颗粒花岗岩,1040 m以上主要发育肉红色中－粗颗粒花岗岩,受多组软弱层、节理裂隙的切割,东边坡岩体极为破碎,整体稳定性差,同时,受到爆破作用影响,东边已出现不同程度的垮塌,坡顶有多条延伸至深处的裂缝,裂缝最大宽度达20cm。属于楔体滑动,圆弧滑动。

(9)Ⅳ－B区,为东边坡中部,该区域主要为东边坡的南部破碎带。破碎带属性与东边坡破碎带相同。属于圆弧滑动。

(10)Ⅳ－C区,为东北边坡16～18线,东北部边坡主要为角岩,从岩层分布规律来看,与西北边坡的钠长角属同一层位岩体,但节理较西边坡角岩发育,整体稳定性较西边坡差,岩体属块状和破碎结构。属于楔体滑动,顺层滑动。

3.2 岩体质量评价

运用RQD值分级、RMR分级和CSMR分级3种分级方法,对敖包锌矿组成边坡各岩组进行了质量分级,综合各种方法的分级结果及现场实际调查得出北边坡的矽卡岩和磁铁矿化矽卡岩、西边坡角岩和大理岩、中风化花岗岩和东边坡的角岩均为Ⅲ级岩体,岩体质量为中等岩体,东边坡和南边坡微风化花岗岩为Ⅳ级差岩体。

4 边坡稳定性分析

目前边坡稳定性分析方法主要分为两大类,极限平衡法与数值模拟法,常用的二维极限平衡分析方法有:瑞典法(亦称作Fellenious法)、简化Janbu法、Bishop简化法、Lowe－Karafiath(罗厄)法、美国陆军工程师团法、垂直条分Sarma法、传递系数法、Morgenstern－Price法、Spencer法、严格Janbu法、斜条分Sarma法等,其中前7种方法为非严格条分法,后几种方法为严格条分法[2]。基于强度折减的数值模拟法主要由有限元和边界元分析组成[3]。

4.1 边坡稳定性计算

综合分析各种计算方法的优缺点及敖包锌矿实际情况,采用Spencer法、Morgenstern－Price法和Bishop法等极限平衡条分法及有限元强度折减法对矿山边坡稳定性状况进行了分析。首先,根据边坡岩体工程地质特征、边坡布置情况、地质横剖面图、各平盘地质平面图及矿山开采现状等基础资料,建立了各岩组与最终边坡的三维可视化模型。并利用三维模型选取14个剖面建立了计算模型,综合分析敖包锌矿边坡稳定性状况。分析过程考虑了爆破震动、地震力、重力及地下水对边坡稳定性的影响,边坡稳定性分析结果见表1。

表1 整体边坡稳定性计算结果

由表1可以看出,受不良地质条件影响,4,7, 8,9,10,11剖面整体安全系数小于允许安全系数1.15,不能满足边坡整体稳定性要求,存在边坡整体滑动的威胁,计算结果与现场情况较为吻合。

4.2 边坡参数优化研究

为解决敖包锌矿边坡失稳对露天开采的威胁,确定科学合理的边坡结构参数,根据边坡稳定性状况计算结果,充分考虑边坡工程地质、水文地质条件、地震力、地下水、爆破震动等影响因素,采用多种极限平衡法及有限元强度折减法开展了敖包锌矿边坡结构参数优化研究。研究推荐边坡参数为:Ⅰ区整体边坡角为42°～43°;Ⅱ区整体边坡角41°～42°;Ⅲ区整体边坡角43°～45°;Ⅳ区整体边坡角42°～44°。

5 结 论

(1)针对图木尔廷－敖包锌矿所面临的边坡问题,在充分分析已有地质资料的基础上,通过现场工程地质调查与分析,研究了矿山工程地质分区及各分区边坡破坏模式,并确定了各工程地质分区的岩体力学参数。

(2)采用多种极限平衡法及有限元强度折减法对敖包锌矿14个剖面进行了边坡稳定性分析及边坡参数优化,得出了各工程地质分区科学合理的边坡参数,为边坡下一步设计提供了可靠的依据,同时保障了矿山安全高效开采,为提高矿山经济效益、国际影响创造了良好的条件。

[1]江思宏,聂凤军,苏永江,等.蒙古国图木尔廷敖包大型锌矿床地质特征及成因[J].地球学报,2010,31(3):321-330.

[2]王尚祯,赵文奎.玉龙铜矿露天边坡稳定性计算与评价[J].露天采矿技术,2014,14(5):13-16.

[3]王 旭,唐绍辉,潘 懿,等.基于数值模拟的露天边坡稳定性分析[J].矿业研究与开发,2016,36(8):37-40.

2017-05-17)

阮琰文(1966－),男,陕西渭南人,工程师,主要从事露天开采现场技术管理工作,Email:476418948＠qq.com。