高石咀石英岩矿边坡稳定性影响因素及防治

潘天录



高石咀石英岩矿边坡稳定性影响因素及防治

潘天录

（甘肃省地矿局第二地质矿产勘查院，甘肃兰州 730000）

由于地质、岩石、爆破、降水等因素，高石咀石英岩露天矿边坡出现裂缝等问题，对石英岩矿的后续回采工作产生困扰。本文简述了高石咀石英岩露天采场的边坡现状，简要分析了影响高石咀石英岩露天采场边坡稳定的因素，并据此提出一些预防与治理边坡问题的建议和对策。

石英岩矿；边坡；影响因素；治理；高石咀

露天矿边坡稳定性问题是露天矿在开采过程中需要关注的一个重要问题，边坡稳定是露天开采安全生产工作的头等大事，也是制约露天矿能否最大程度回采矿石的一个关键因素。随着边坡的加高和开采深度的增加，边坡稳定性和安全性越来越差，但对于露天矿山又不得不考虑充分回收资源、降低生产成本、增加开采效益[1]。金川铜镍矿露天老坑就是由于边坡问题不得不提前闭坑，导致200多万吨矿石无法回采利用。因此，露天矿开采过程中边坡问题的研究与治理对于露天矿正常回采及提高经济效益至关重要。

高石咀石英岩矿位于甘肃省金昌市金川区高石咀村，矿区受区域构造控制和SW、NE向的挤压，含矿岩系形成NWW向的紧闭褶皱和断裂，并有一系列NE和NW向的剪切断裂伴生，加上矿区受开采影响，地表岩石普遍松动，裂隙发育，矿区地层非常破碎，工程地质条件较差，对保持采场边坡稳定造成不利影响。目前，高石咀石英岩矿边坡局部地段已出现裂缝等不同程度的失稳现象，对后续的石英岩回采造成困扰。随着回采工作的继续，高石咀石英岩矿将由山坡型开采转为凹陷开采，采场边坡垂直高差逐渐增大，对石英岩矿安全生产构成的威胁将越来越严重。

1 露天采场边坡现状

经过多年的生产，高石咀石英岩露天矿已形成1 856m、1 846m、1 836m、1 826 m、1 816 m、1 792m 、1 780m 、1 768m、1 756m等台阶，东西长1 100m、南北宽500m左右、上下垂高近90m的山坡型露天采场。随着开采工作的继续，将增加1 744m 、1 732 m、1 720m 、1 708 m、1 696m 等5个台阶，最终将形成坑长1 000余m、宽390余m、高160m的深凹露天采坑。总体上讲，采场北端边坡问题比较突出，1 816 m水平东部出现过坍塌；1 816m水平、1792m水平皆出现裂缝（照片1~2），且有扩大的趋势。而矿区1#、2#矿体靠近北端边坡，北端边坡不稳定势必会影响到1#、2#矿体的回采。其中，3行附近的最终边坡高达143m，如果该处边坡发生变形破坏，1 708m和1 696m两个水平的102.5万t矿石将有可能永久损失。采场西南端边坡为绿色变质砂岩，岩层规整稳定，边坡问题还没有显现。

照片1 边坡裂缝（1816水平）    照片2 边坡裂缝（1792水平）

2 露天采场边坡稳定性影响因素

2.1 地质构造

褶皱、断裂等地质构造挤压、切割地层，在应力作用的机械破坏下，所经过部位岩石破碎，裂隙发育 ，易造成边坡失稳。在地质构造作用下，地层岩石会由于挤压、错断，形成岩石结构面，影响边坡稳定。高石咀石英岩矿区经历了自吕梁运动以来多期构造运动的作用，使得矿区岩石组合较为复杂。受区域构造控制和SW、NE向的挤压，矿区部分岩系形成NWW向的紧闭褶皱和断裂，并有一系列NE和NW向的剪切断裂伴生，后期断裂作用使褶皱构造的完整性受到破坏。矿区断裂活动次数较多，每次断裂作用对矿区的影响不尽相同。矿区断层主要有F1断层、F2断层、F3断层及一些其它较小的断层。其中F1断层横穿矿区3～7行线，F2断层横穿矿区1～5行线，且靠近采场北端边坡。此外，矿区小型褶皱遍布，改变着矿区岩层产状。在褶皱、断裂等地质构造作用下，矿区边坡局部地段岩体节理、裂隙、结构面发育，岩石破碎，极易出现裂纹及边坡垮塌等灾害事故。

2.2 地层及岩石

地层及岩石类型和软硬程度以及层间结构决定了岩土体力学强度和抗风化能力，进而影响到边坡的稳定性。岩石破碎、裂隙发育、岩性软弱的岩层或软硬相间的岩层比岩性均一的坚硬岩层易遭破坏，易发生边坡滑塌。软硬相间的岩性易于风化，抗剪强度低，又是较好的隔水层，可以为滑面的形成提供良好的地质结构条件，边坡滑塌多分布于这类岩层区域。具体而言，砂岩、泥岩、以及砂岩、页岩和泥岩互层和页岩、泥岩、板岩软硬相间的岩层所构成的边坡易发生滑塌。

高石咀石英岩矿区地层主要可分为下古生界、泥盆系、石炭二叠系及第三、第四系等。岩石主要有紫红色砾岩及砂砾岩、绿色泥质砂岩、肉红色长石砂岩、灰白色石英粗砂岩、粘土岩、页岩及泥岩、绿色变质砂岩、紫灰色板状石英砂岩、紫红色千枚岩、灰色碎屑灰千枚岩等。上述岩石相互交错，接触分布整个矿区。除矿体外，矿区岩石基本属于砂岩、页岩、泥岩等质软的岩石。除石炭统-二迭系（C3-P）岩石质量指标（RQD）值在40%~50%之间，完整性较好外，矿区其它地层岩石质量指标（RQD）值都在10%以下，岩石极其破碎，裂隙较为发育，稳固性较差，这就为矿区边坡失稳创造了条件。

2.3 开采技术条件

主要指露天矿开采的边坡角、台阶组合形式等技术因素。本文主要讨论边坡角。露天矿开采的边坡角与露天矿生产安全和经济效益都有很大关系。边坡角过小将增加剥离量，增加开采成本，降低经济效益，边坡角过大又会增加边坡失稳的概率，影响露天矿安全生产。因此，露天矿边坡角既要考虑安全稳定条件又要考虑生产技术条件。安全稳定条件指根据边坡岩体的性质，通过稳定性分析计算，确定能保证边坡稳定的边坡角。在境界设计阶段，一般是参照类似矿山实践资料选取稳定的边坡角，并用已有资料对其稳定性进行初步分析和简要计算。关于开采技术条件，是指按边坡的构成要素确定边坡角。

高石咀石英岩露天矿边坡角是参照矿山目前实际生产情况及其它类似矿山经验，采用类比法确定的。设计边坡角北端为43°，南端和东西两端为45°，阶段高度12m。实地自然边坡角在36°～55°之间，平均45.8°。目前，石英岩露天矿边坡角与边坡稳定的最佳临界点还无法确定，关于边坡角是否合理还缺乏相关资料，有待后续观察。

2.4 爆破

露天采场内爆破震动所产生的地震波通过边坡岩体时，给岩性较差岩体的潜在破坏面以附加的振动力，使原生结构面和构造结构面的规模不断增大，并产生次生结构面（爆破裂隙）。在长期爆破震动的影响下岩体表面会发生脱落，进而影响露天边坡的稳定性[2]。高石咀石英岩矿采用多排孔微差松动爆破，矿石和废石分采分爆，穿孔深度12.5m，平均抵抗线小于4.5～5.5m，孔位以三角形或矩形方式布孔，孔距、排距均为4.5～6m，多数情况下爆破孔数都在50以上，所用铵油炸药每次都超过8吨，炸药量较大，爆破时能量传递引起的地面震动不可小觑，对边坡稳定具有较大的影响。

2.5 降雨

降雨是诱发露天采场边坡发生移动的一个重要因素。降雨对边坡稳定的影响主要表现为降雨的冲蚀与入渗，边坡节理裂隙中的岩石颗粒和岩体可溶解成份会被水带走，使岩石强度降低，改变岩土体应力状态，降低边坡稳定性。降雨通过边坡裂隙渗入后会明显增大岩体间的滑动力和减小弱面间的摩擦力，从而导致边坡失稳、滑动。尽管高石咀石英岩矿区地处西北内陆，气候干旱，降水量很少，只有122mm，但这122mm降水却是集中于不多的几次降水实现的，单次降雨量仍然较大，特别是夏季暴雨及秋季连绵的降雨，对已经产生裂缝的矿区边坡，仍然是一个无法忽视的诱发因素（照片3~4）。

照片3 降水渗入边坡      照片4 水冲蚀边坡

3 边坡问题的预防与治理

露天矿边坡稳定性的研究、边坡问题的预防与治理是一个综合性的工作，也是一个长期的过程，伴随着露天矿回采的整个阶段，直至矿石回采终结。作为甘肃省金川公司重要的镍冶炼溶剂来源，如何安全有效地回采有限的高石咀石英岩矿资源，边坡问题的预防与治理是一个不得不考虑的问题。

1）加强监测和预警。目前，高石咀石英岩露天矿采场边坡稳定性在线远程智能监测预警系统已投入使用，对露天矿边坡采场进行实时监测和预警。该预警系统可以获取连续的边坡动态数据，为边坡稳定性研究提供大量的基础数据，同时可以在边坡发生滑坡及垮塌前做出预警，使采场作业人员及设备能够快速安全撤离。然而，虽然该预警系统对于边坡实时监测有很大作用，但其对于延缓或阻止边坡问题的出现却是没有直接帮助的。因此，还需要采取其它多种措施来对边坡问题进行预防与治理。

2）做好人工巡视观测工作，要强化露天矿现场作业人员对边坡失稳现象的认识，提高警惕；要开展日常人工巡视检查，从整体上了解和认识平台及周边岩石的形态变化情况，寻找坡面开裂、变形、沉降等异常现象；要在边坡出现裂缝的平台树立警示牌，防止人员踩踏及设备碾压。

3）进行岩石力学研究，探寻岩体在自重应力和滑移块体推力作用下的岩体失稳机理，为边坡问题预防与治理提供科学的数据支撑。

4）地表及边坡安全平台产生较大张开裂缝时，要及时进行处理，在深部采用砾石充填 ，裂隙口用粘土密封。在发生裂缝的1 826、1 816、1 792等平台做好排水措施，减少雨水顺着裂缝进入和渗透。

5）为保证露天边坡坡面平整和提高边坡的稳定性，减少因爆破引起的地面震动对边坡稳定性的破坏，要对临近边坡的爆破严加控制，临近边坡的爆破可采用预裂爆破。此外，还可探索对边坡影响更小，爆破效果更好的爆破方式。

6）可以考虑根据实际情况对部分边坡实施适当的削裁，以减轻边坡的自重，减小边坡地应力，降低边坡角，防止风化岩石的剥落，预防边坡滑落的出现。同时考虑对已揭露的新岩层面采用喷锚和喷锚网联合支护，防止岩石进一步风化和渗水的侵蚀 ，实现露天边坡的长期稳固。

4 结语

尽管边坡问题的预防与治理不会像回采矿石那样为露天矿带来直接的经济效益，但边坡稳定性的研究、边坡问题的预防及治理却是露天矿无法回避的重要问题。在实践中露天矿边坡问题的预防和治理是一个复杂的问题，单一的治理措施可能无法奏效，因此具体的防治方法应根据边坡的实际情况而定，采取综合手段治理。

[1] 杨天鸿, 张锋春, 于庆磊等. 露天矿高陡边坡稳定性研究现状及发展趋势[J]. 岩土力学，2011,5，32（5）：1437～1439.

[2] 吴伟. 露天边坡失稳原因分析及预防与治理[J]. 采矿技术，2011，9,11（5）：44～46.

Slope Stability and Its Influence Factors for the Gaoshizui Quartzite Mine

PAN Tian-lu

(No.2 Institute of Geology and Mineral Exploration, Lanzhou 730000)

Some factors such as blasting and rainfall results in cracking in slope of the Gaoshizui quartzite open-pit mining which has an influence upon exploitation work. This paper briefly describes the present situation of slope of the Gaoshizui quartzite open pit and discusses its slope stability, accordingly, gives some control countermeasures.

quartzite ore; slope stability, influence factors; control

P642.21

A

1006-0995（2015）01-0108-03

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.01.024

2013-12-23

潘天录（1983-），男，甘肃武威人，地质工程硕士研究生，现主要从事矿山地质工作