金堆城露天矿节理裂隙调查及边坡潜在破坏模式研究

陈庆发,马付超,张世雄

(1.广西大学资源与冶金学院,广西 南宁 530004)

(2.甘洛豫光矿业有限责任公司,四川 甘洛 616850) (3.武汉理工大学资源与环境学院,湖北 武汉 430070)

金堆城钼矿是国内乃至亚洲最大的露天钼矿山,其矿床规模巨大、形态简单、且埋藏浅,适宜露天开采[1]。矿床由一个巨大的近于水平产出的规则透镜状矿体构成,矿体走向 330°～150°,倾向北东,倾角 70°,长 2 200 m,宽 600～800 m,深 600～800 m(未封钻)。根据最低可采品位 0.06%、边界品位 0.03%、最大允许夹石厚度 4 m、最小可采厚度2 m计算矿石地质储量约为 10亿 t,钼金属量约 100万 t。依据金堆城钼矿工程初步设计,金堆城钼矿采用分期开采,即开采顺序为小北露天、南露天和全露天,目前开采为小北露天(见图 1)。露天边坡在水平面上呈矩形,竖向剖面上呈直线型,造成 4个边角部位大量无用剥离；4个直角边两向受力状态,受地应力的压迫向坑内弯曲,处于拉应力状态,不符合露天矿边坡少剥离技术的空间力学原理[2,3]。为了有效降低剥采比优化边坡形状,开展了包括边坡表层松动岩体结构面调查、松动岩体分布范围测试和边坡岩体内部位移测试等多项工程特性研究工作。

边坡表层松动岩体力学性质受到各种结构面的控制和影响,岩体结构特征是控制边坡岩体变形和破坏机制的决定性因素,而发育于岩体中各种不同成因的结构面则往往是变形和破坏的关键部位。在各类工程岩体力学问题的评价和计算中,对岩体结构特征的研究是必不可少的。结构面调查重点是对Ⅳ、Ⅴ级节理裂隙的组数、密度、彼此交切情况,特别是结构体的几何形态及咬合状态进行调查研究。节理裂隙调查分析可为工程岩体的力学特性分析、力学参数修正、采矿工程结构稳定性分析等研究提供重要依据[4]。

图 1 金堆城露天矿俯视图

1 节理裂隙详细线观测窗口的选择

为掌握边坡表层松动岩体节理裂隙的分布规律,进行了大量细致的节理裂隙调查与统计工作。详细线观测窗口的选择取决于观测任务,一般不要求均匀分布,而应该根据边坡松动岩体的工程地质情况和节理裂隙发育情况,布点疏密适当。观测窗口要有代表性,应在边坡不同部位、不同深度、不同岩系、不同岩性层中的构造重要部位布置。构造愈复杂,布置的观测窗口应愈多。现场踏勘表明,矿区内节理裂隙很发育,岩石普遍发育各种方向的节理,矿体范围内成矿前的节理裂隙均为各种矿脉所充填；露天矿钻孔资料也同时表明,地表以下数百米处节理裂隙仍很发育。在现场踏勘的基础上,确定了10条有代表性的详细线 (见表 1)。在详细线测量过程中,利用地质罗盘来测量节理裂隙的走向、倾角。观测内容则包括节理的岩性、所处的构造部位、节理组的走向或倾向等,以陡、中陡、中等、平缓等词语描述节理组的倾角趋势并记录。

表 1 详细线观测窗口选择

2 节理裂隙数据统计分析

对节理裂隙长度超过 2 m的进行测量,小于 2 m的不参与调查,但在岩体质量分级和力学参数选取时应适当考虑。对 10条详细线进行实地调查数据及时整理,各详细线的节理裂隙数据统计见表 2。

表 2 节理裂隙数据统计表

从表 2可以看出,各帮边坡平均节理裂隙均值大都在 2条/m以上,平均间距和主导间距都比较小,这说明边坡岩体非常破碎,这与声波测试得出结论是基本一致的[5]。节理裂隙的大量存在对边坡表层岩体稳定性具有不利影响,需要在施工过程中加强监测与管理,避免边坡滑坡灾害,特别是在大爆破与降雨过程中应加强人工观测,局部危险性较大区域需强化支护措施。

3 节理裂隙分布规律研究

3.1 各详细线节理裂隙分布规律

结构面的表示方法很多,如玫瑰花图、等角度图或等面积散点图、等密度图等,通过确定它们的夹角和组合关系来确定岩体的结构特征。对金堆城露天矿深凹边坡,将每组详细线测量的结果进行整理,应用计算机绘出节理玫瑰花图和施密特投影等密度图。施密特投影等密度图代表了不同结构面组方位的离散程度,可以定量地反映不同组节理发育的密集程度及其优势方位,这是其他图示法所不能比拟的,在工程地质界得到广泛采用。限于篇幅,仅给出E1线节理裂隙走向、倾角玫瑰花图 (见图 2)和 E1线施密特投影等密度线图(见图 3)。在定义优势结构面时,我们取施密特等密度线图种,以极点中心密度 ＞5%的区域为优势结构面组。

图 2 E1线的走向(左)和倾角(右)玫瑰花图

图 3 E1线施密特投影等密度线图

E1线共有 5组优势结构面组,节理走向分布主要集中于 340°～35°之间,其中NW350°方向的节理裂隙数量最多；节理倾角分布集中于 30°～80°之间,其中 70°的倾角数量最多；节理裂隙基本张开角较小,总体呈压性,局部呈张性,充填物较少,以长石、石英为主。E2线共有 3组优势结构面组,节理走向主要集中于NW270°～280°、NW340°～350°以及NE50°～80°之间,以NW270°方向的节理裂隙数量为最多,NW350°和NE65°方向的节理裂隙数量紧随其后；节理倾角分布主要集中于 35°～65°,且倾角为 60°时的数量最多,倾角为 38°时也多；结构面较为粗糙,呈压性。E3线共有 2组优势结构面组,节理走向分布主要集中于 330°～30°和NE55°～80°之间。其中 350°方向的节理裂隙数量为最多；倾角分布主要集中于 35°～80°,其中 60°倾角数量最多；结构面光滑波状较多,呈压性。E4线有 4组优势结构面组,节理走向集中于NW290°～310°、300°～20°和NE40°～80°之间,其中NW350°方向的节理裂隙数量最多；倾角集中分布在 35°～80°,其中 50°和70°的倾角最多,2个角度数量基本相等；结构面较粗糙的,力学性质以压性和压扭性为主,结构面较为平滑的,力学性质主要为压扭性,压性、张性为次之。

W1线共有 5组优势结构面组,节理走向分布主要集中于 340°～20°之间,其中以 360°方向的节理裂隙数量最多；节理倾角集中分布于 60°～80°,其中以 80°的倾角数量最多；结构面光滑波状,力学性质以压性和压扭性为主。W2线有 4组优势结构面组,节理走向分布主要集中于 NW280°～290°、NW310°～320°和NE10°～50°之间,其中以NW320°方向时节理裂隙数量最多；倾角分布集中于70°～80°,以 80°的倾角数量最多；结构面光滑波状,力学性质以压扭性为主。W3线有 1组优势结构面组,节理走向分布主要集中于 NE40°～70°之间,其中以NE70°方向的节理裂隙数量最多；倾角多分布在60°～80°,以 70°倾角的数量最多。

S1线有 2组优势结构面组,节理走向分布主要集中于 NW270°～340°之间,其中以 280°方向的节理裂隙数量最多；倾角集中在 35°～80°,以 50°的倾角数量最多。结构面平直光滑,呈压性；S2线有 3组优势结构面组,节理走向分布主要集中于NW310°～320°、NE60°之间,其中以NE60°方向的节理裂隙数量最多,以 80°倾角的数量最多,结构面较粗糙,压性为主,充填物主要有石英、石英脉、黄铁矿脉。

N1线有 1组优势结构面,节理走向分布主要集中于NW330°～345°之间,其中以NW330°方向的节理裂隙数量最多；倾角分布集中在 50°～60°,以 50°倾角的数量最多；结构面光滑波状,呈压性。充填物主要有石英、长石脉。

3.2 各帮边坡节理裂隙分布规律综合分析

将各帮边坡上的多条详细线合并绘出节理裂隙等密图,可得出各帮节理裂隙存在着以下分布规律：

⑴东帮边坡的节理裂隙走向主要以东西向、近东西向为主,正南北向也存在着 1组优势节理组,东帮中的节理裂隙倾角普遍较大,大部分以直立、近乎直立的产状存在。西帮边坡的优势节理裂隙走向在70°～110°、140°～175°之间分布,倾角以直立、近乎直立的产状居多,同时存在少部分急倾斜、缓倾斜的节理裂隙组。

综合东西两帮的节理裂隙调查,可以断定西帮走向在 70°～110°之间的节理裂隙与东帮正东西向、近东西向的节理裂隙组是贯穿于采场东西两帮岩体的宏观裂隙,平行于矿区内近东西向主断裂,大致平行于采场北帮燕门凹断裂；而走向在140°～175°之间的优势节理裂隙组平行于矿区内成矿前及成矿期内最晚形成的北西向断裂。

⑵南帮安山玢岩中的主要优势节理组大致平行于采场内北东向大断裂中的金堆城 -青岗坪断裂,节理性质以张性为主；根据采场现场踏勘可知在露天采场南东方向附近,挤压破碎严重,为露天采场西南角处分布的花岗斑岩的侵入和矿体的形成提供了依据。露天采场北帮优势节理组平行于北帮燕门凹断裂,该组优势节理组受东西向断裂束控制,属于矿区成矿后断裂。

4 边坡松动岩体潜在破坏模式研究

岩质边坡多沿岩体结构面发生滑动破坏,因此边坡岩体破坏与结构面的分布、组合及其密度密切相关,应结合所在区段边坡岩体的产状和内摩擦角,对边坡稳定性与破坏类型进行判断[6]。露天矿边坡破坏模式主要有 4类,如图 4所示。平面破坏、楔体破坏和圆弧形破坏等 3种形式破坏的机理主要是剪切破坏,倾倒破坏机理主要是受拉破坏。

图 4 露天边坡破坏模式

金堆城原设计边坡 1 200 m高程以上的边坡角为 36°,以下为 42°～43°。生产过程中出现边坡风化滚石,于是把边坡角分别降低到 32°和 41°。本次结构面调查主要是在 1 200 m高程以下,因此总体边坡角取 41°。边坡岩体较破碎,很多地方无法找到合适的节理调查的露头面,大都呈现散体特性,此类边坡岩体有较大可能发生局部小规模的圆弧形破坏,特别是在雨季,随着大量雨水的浸泡,潜在滑动面抗滑能力减弱,发生局部圆弧形破坏的可能性较大,建议对边坡上较破碎区域加强变形监测。

依据各详细线所做的岩体结构面调查分析结果,结合边坡产状、边坡岩体摩擦角、各测线处的工程地质,对边坡松动岩体潜在破坏模式进行了分析(见表 3)。

综合结构面调查,结合工程地质条件,发现边坡岩体较为破碎,除了北帮主要受燕门凹大断层的影响,其他各帮松动岩体主要受结构面影响,散体状边坡岩体主要破坏模式为圆弧形破坏,节理密集地方的岩体主要破坏模式为楔体破坏。生产中应密切对可能发生破坏的重点区域加强观测和重视,特别是雨季雨水浸泡和大型开挖爆破震动的影响,做到防患于未然。

表 3 边坡潜在破坏模式分析表

5 结论

在金堆城深凹露天矿边坡各帮松动岩体现场踏勘和钻孔资料分析的基础上,确定了多条有代表性的详细线,进行了节理裂隙详细现场调查和数据分析处理工作。利用玫瑰花图和施密特投影等密度图,重点分析了各详细线和各帮边坡的节理裂隙产状分布规律,结合边坡产状、边坡岩体摩擦角、各测线处的工程地质,深入探讨边坡松动岩体潜在的破坏模式。研究表明,金堆城深凹边坡表层松动岩体大部分是比较稳定的,有较大可能发生局部破坏的边坡主要以受结构面控制的楔体破坏、平面破坏为主,其次受断层控制的北帮边坡主要以平面破坏为主,多次滑坡后的堆积层则有可能再次以圆弧面破坏模式发生破坏。研究成果为岩体质量分级和凹陷露天矿边坡形状优化提供了重要的参考依据。

[1] 张建功,睢小燕,王永新.金堆城钼矿资源开采分析[J].中国钼业,2005,29(1)：17-21.

[2] 张世雄.凹陷露天矿边坡少剥离技术的时空原理[J].中国矿业,1998,9(2)：26-28.

[3] 张世雄,彭涛,王福寿,等.岩石深凹边坡工程稳定性的空间原理研究[J].武汉理工大学学报,2001,23 (11)：75-79.

[4] 丁铭,袁海平,张贤平.某矿岩体节理调查与统计分析[J].铜业工程,2008,25(2)：15-17,27.

[5] 沈昌贤,刘雁鹰.金堆城凹陷露天矿边坡岩体声波测试研究[J].中国钼业,2008,32(6)：24-27.

[6] 张世雄.固体矿物资源开发工程[M].武汉：武汉理工大学出版社,2005.