某铜矿开采稳定性及地质环境评价

韩科学，坚润堂，*， 覃荣高， 杨 帆， 詹美山

(1.昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650093；2.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院，云南昆明 650051)



某铜矿开采稳定性及地质环境评价

韩科学1，坚润堂1，2*， 覃荣高1， 杨 帆2， 詹美山2

(1.昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650093；2.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院，云南昆明 650051)

摘要通过对工程地质岩组划分，运用岩体质量系数法和岩体质量指标法分析评价了硐室围岩稳定性，采用比拟法和岩体力学极限平衡法分析评价了露天采矿坑边坡稳定性。对开采区不良物理地质现象，地下水、地表水水质的放射性和有毒有害元素进行了分析评价。

关键词矿山开采；工程地质；地质环境；稳定性；分析评价

矿产资源开发中，人类对矿产资源的利用价值和经济效益关注较多，忽略了对环境的保护。在开发矿产资源的同时，既要对开采的工程地质稳定性进行评价，又要对矿山开采可能造成的地质环境问题进行分析。目前，很多学者致力于运用Ansys等计算机软件对开采的工程地质稳定性进行分析，并通过RS及GIS等技术手段对矿区环境进行监测评价，而很少再采用简单的方法对矿山开采稳定性及地质环境进行分析评价。某铜矿地处甘孜—理塘结合带西侧德格—中甸陆块东缘，印支期义敦—中甸岛弧带南段，总体上近北西向展布[1]。首采区南起X3102000，北至X3105000，西起Y17596000，东止Y17598000，南北向长3 km，东西向宽2 km，面积6 km2。笔者采用地下和露天两种方法相结合进行开采，评价了矿区开采稳定性，通过现场勘查、室内试验及坑探等手段分析评价了开采矿区的地质环境，以期为矿山设计部门提供可靠的开采设计依据。

1工程地质稳定性

1.1工程地质岩组划分根据岩石成因类型、岩性、构造特征及岩石抗压强度，将矿区地层做如下划分：

1.1.1松散堆积岩组(I)。由于成因类型不同，各类型间工程地质特征性差异明显。①残积：仅分布于图姆沟组(T3t)地层的表部，厚度一般为1.0～5.0 m，坡度与自然安息角一致，斜坡稳定。②坡积：矿区表部基本上均有覆盖，但厚度变化大，一般为0～2.0 m，最大达13.1 m。坡度即碎屑物自然安息角，黏粒含量较多，斜坡稳定。③冲洪积：主要分布于Ⅲ号大沟底部，向下厚度增大，厚度为4.0～54.4 m，由巨砾、卵石、砂及少量黏土组成。露采剥离后，砾径组成复杂，有巨砾存在，对采掘造成一定影响。④冰碛：主要分布于海拔3 900.0 m以上地段，特别是4 100.0 m以上地段。表部均为冰碛层，厚度变化大，为4.0～81.6 m，以砾石为多，混杂砂土。在山脊及陡坡处薄，在洼地及负地形处较厚，无胶结，松散。其坡度即碎屑物自然安息角松散，不稳定，对露天开采有一定影响。

1.1.2层状变质岩岩组(Ⅱ)。①Ⅱ1：图姆沟组上段第2层(T3t2-2)，以板岩、粉砂质绢云板岩，变质砂岩为主，薄-中厚层状。裂隙发育，岩石质量劣，中等坚硬，不含矿，对矿床开采基本无影响(钻孔未揭露)。②Ⅱ2：图姆沟组上段第1层(T3t2-1)，以粉砂质绢云板岩和变质砂岩夹安山岩为主，薄-中层状。裂隙发育，岩石质量劣，中等坚硬(钻孔未揭露)。不含矿，且距矿体较远，开采中很少触及，对矿床开采基本无影响。③Ⅱ3：图姆沟组下段(T3t1)，以板岩、绢云板岩和变质砂岩夹薄层灰岩为主，薄-中厚层状。裂隙发育，岩石质量劣，中等坚硬(钻孔未揭露)。不含矿，且距矿体较远，开采中很少触及，对矿床开采基本无影响。然而，水平开拓主巷主要在其中掘进并通过。

1.1.4不规则蚀变岩类中等坚硬岩组(IV)。蚀变角岩化带(Hs)，呈不规则状展布，节理裂隙极发育，岩石中等坚硬，完整性差，陡峭处时有掉块发生。硐室围岩稳定性差，开采边坡稳定性亦差。

1.2硐室围岩稳定性评价因矿区赋矿地层为侵入岩体，因此仅针对侵入岩体，依据矿区收集到的钻孔水文地质、工程地质资料及岩矿石物理力学试验成果，采用岩体质量系数法和岩体质量指标法进行评价[3]。

1.2.1岩体质量系数法。按照《矿区水文地质工程地质勘探规范》(GB 12719—91)中的公式：

Z=I·f·S

式中,Z为岩体质量系数；f为结构面摩擦系数(影响稳定的主要结构面)；I为岩体完整系数(无资料时可用RQD值代替)；S为岩块坚硬系数。

S=Rc/100

式中，Rc为岩块饱和轴向抗压强度。

1.2.2岩体质量指标法。按照《矿区水文地质工程勘探规范》(GB 12719—91)中的公式：

M=Rc/300·RQD

式中，M为岩体质量指标；Rc为岩块饱和轴向抗压强度；RQD为岩石质量指标。

1.3露天采矿坑边坡稳定性评价首采区主要位于Ⅲ号大沟小流域内，海拔3 750～4 320 m，形成最大开采坡高为570 m，组成边坡的岩性以石英闪长玢岩为主，角岩及石英二长斑岩次之[4]。采用类比法和岩体力学极限平衡法评价露采边坡稳定性[5]。

1.3.1类比法。从图1可见，当坡长为570 m时，坡度α=33°，斜坡表层第四系松散堆积物组成的边坡维持稳定。

图1　稳定边坡的H-α曲线Fig.1　 H-α curve of stable slope

1.3.2岩体力学极限平衡法。

n=[ri(ctgβ-ctgα)sinβcosβtgφ+2Ci]/[riH(ctgβ-ctgα)sin2β]

式中，n为可能滑动岩体的稳定性系数；φ为可能滑动面可被利用的摩檫角，°；Ci为减弱的岩体黏结力，×104Pa(可能滑动面可被利用的内聚力，根据结构面的发育程度可将实验室试验指标予以弱化，Ci=λCh)；Ch为岩块试验的黏结力，×104Pa；α为边坡角，°；β为可能滑动面的倾角，°；ri为可能滑动岩体的平均容重，×104N/m3；H为可能滑动岩体的高度，m。

左边一般取n=1.3，而该研究未考虑区域稳定性、地下水、人为及冻胀4个因素。取n=1.5，λ=0.1，其余参数参照岩石力学试验成果取值。其中,φ=38°，Ch=15.4×106Pa，Ci=0.1×15.4×106Pa，ri=2.6×104N/m3，H=570 m。

边坡稳定性试算(图2)，设边坡角为α=45°，假设可能滑动面坡角：β=40°、35°、33°、30°、25°，各坡角对应的ri均为2.6×104N/m3,H均为570 m,Ci为1.54 Pa,φ为38°，n分别为2.624、1.478、1.300、1.138、0.805。

图2　开挖边坡稳定计算示意Fig.2　Calculation sketch map of slope stability during excavation

由此可看出，露采边坡的坡角不能与岩体结构面倾角相差太大，在侵入岩体中，推荐开挖边坡角≤45°。当露采边坡≤45°时，岩体总体上稳定，但局部仍有掉块，在开挖中应加以重视。

2地质环境

2.1矿区不良物理地质现象发育特征

2.1.1滑坡。矿区为深切割高山区，有利于地下(表)水体的自然排泄，山体自然坡度多小于松散碎屑物的安息角，加之山坡地面植被发育，因此其山坡稳定，无滑坡产生。

2.1.2倒石堆。仅发生于海拔大于4 300.0 m的山头陡崖坡角处，如矿区中北部4 357.0 m(高程)山头下就存在3个典型的倒石堆。其形状基本上呈扇形，开口朝下。每一个倒石堆下方宽度均为100～200.0 m，中部长边为100～200.0 m，块石大小不一，松散。其坡度即为块石堆的安息角，坡体稳定。

2.1.3泥石流。矿区地处原始自然地带，地表植被发育，水土保持良好。除首采区中部偏西，受筑路等人为因素的影响，有一条切沟溯源侵蚀强烈，存在泥石流现象外，无泥石流危害。

2.2地下水、地表水水质从所取水样的水化学分析成果看，矿区地下(表)水中有害组分均未超过卫生饮用水水质限量标准，水质较好、洁净，符合卫生饮用水水质标准。

2.3放射性及有毒有害元素

2.3.1放射性元素。根据矿区YD1坑道测量γ辐射资料，在室内整理分析，制作出坑道γ辐射曲线(图3)，可以得出如下规律：

0～20.0 m段：强硅化、绢云母化、孔雀石化、黄铜矿化石英二长斑岩[6]。因靠近地表，岩石微风化，半坚硬，放射性γ辐射强度相对较低，平均23.70 μR/h。

20.0～140.0 m段：钾化、绢云母化、黄铜矿化、黄铁矿化石英二长斑岩[7]。主要由岩石斑晶斜长石(15%)，钾长石(25%)、石英(5%)、黑云母(5%)及基质(50%)(长石、石英及黑云母组成)。显然钾化强烈，其内含放射性元素(U、Th、K)增多，γ辐射强度平均值达45.07 μR/h，较0～20.0 m段高出近1倍。

140.0～215.0 m段:绢云母化、硅化、钠黝帘石化、黄铜矿化石英二长斑岩[8]。该段岩石新鲜，较破碎，节理发育，线率10～50条/m，坑道普遍滴水，岩石淋失作用较强，引起放射性γ辐射强度降低，平均为47.24 μR/h，较0～20.0 m段高出近1倍。

215.0～335.0 m段:为绢云母化、钾化、黑云母化、硅化、黄铜矿化石英二长斑岩，岩石新鲜，完整、坚硬。γ辐射强度平均高达60.36 μR/h，为坑道内各类岩石之最。

图3　 矿区YD1坑道γ辐射曲线Fig.3　γ radiation curve of mine YD1tunnel

335.0～397.8 m段:为强硅化、黄铜矿化石英闪长玢岩及钾化、黄铜矿化石英二长斑岩[9]。放射性γ辐射强度平均为58.86 μR/h。综上所述,坑道内斑岩型铜矿石因含矿岩石不同，其放射性γ辐射性强度亦不同，同一种岩石因钾化强烈程度不同导致γ辐射强度存在差异。坑道放射性γ辐射测量地质效果较好，测量质量可靠，坑道内未发现超过国家限制剂量的γ辐射异常段。按1974年卫生部颁发的“放射性防护规定”不需做特殊防护。

2.3.2矿石有毒有害元素。矿区中有毒有害元素砷(As)含量小于0.100%，小于国家限量标准值(<0.300%)；元素锌(Zn)含量为0.047%，小于国家限量标准值(<6.000%)；氧化镁(MgO)含量为2.600%，小于国家限量标准值(<5.000%)；元素硫(S)含量为0.950%。这些组分在矿山开采过程对环境有一定影响。

3结论

(1)矿区岩性单一，岩石硬度以坚硬为主；采用岩体质量系数法和岩体质量指标法，对硐室围岩稳定性进行评价，结果可信度较高，可作为矿山开采设计依据；采用比拟法对露天采矿坑边坡稳定性进行评价，当坡长为570.0 m，坡度α=33°，斜坡表层第四系松散堆积物组成的边坡可维持稳定。采用岩体力学极限平衡法分析可知，露采边坡的坡角不能和岩体结构面倾角相差太大，在侵入岩体中，推荐开挖边坡角≤45°。

(2)矿区附近无污染，地下(表)水水质较好，矿石中As含量<0.100%，Zn为0.047%，MgO为2.600%，S为0.950%；无大型不良地质现象，有小型崩塌存在，无放射性危害；矿区地质环境质量中等。

参考文献

[1] 苏昌学，李石磊，燕永锋，等.普朗铜矿的找矿标志与成矿规律探讨[J].安徽地质,2007,17(4)：252-256.

[2] 郭鹏志，樊秉鸿，肖成东，等.河北省涞水县安妥岭钼矿含矿岩体与成矿的关系[J].地质调查与研究，2012,35(3)：167-175.

[3] 郑雷.基于岩石质量指标的新岩体分类方法研究[D].包头：内蒙古科技大学，2009.

[4] 黄艳丽，翟忠标.香格里拉X铜矿区成矿规律与深边部找矿[J].现代矿业，2012(9):54-56.

[5] 周龙义.关于露天矿边坡稳定性计算的研究[J].露天采矿技术，2011(6):49-51.

[6] 张廷斌.斑岩铜矿遥感蚀变信息重现性与优选研究：以西藏自治区典型斑岩铜矿为例[D].成都：西南交通大学，2014.

[7] 牛会良.内蒙古克什克腾旗黄岗山锡多金属矿床地质特征[D].石家庄：石家庄经济学院，2013.

[8] 曾普胜，莫宣学，喻学惠，等.滇西北中甸斑岩及斑岩铜矿[J].矿床地质，2003,22(4)：393-400.

[9] 杨帆，邹国富，吴静，等.中甸春都铜矿区岩体成岩时代及地质意义[J].大地构造与成矿学，2011,35(2)：307-314.

Evaluation of Stability and Geological Environment of a Copper Mine

HAN Ke-xue1,JIAN Run-tang1,2*,QIN Rong-gao1et al

(1.Faculty of Land Resource Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming,Yunnan 650093; 2.Kunming Prospecting Design Institute of China Nonferrous Metals Industry,Kunming,Yunnan 650051)

AbstractThrough the engineering geological petrofabric,using rock mass quality factor and rock quality indices to analyze and evaluate the stability of surrounding rock and using analogy method and limit equilibrium method to analyze and evaluate the slope stability of open-pit coal mining.The bad physic geological phenomena,quality of groundwater and surface water,radioactivity and poisonous and harmful elements of the mining area were analyzed.

Key wordsMining; Engineering geology; Geological environment; Stability; Analysis and evaluation

基金项目云南省科技惠民计划(2013CA019)；云南铜业(集团)有限公司重点科技计划项目(20140101)。

作者简介韩科学(1989- )，男，河南商丘人，硕士研究生，研究方向：水文地质与工程地质。*通讯作者，高级工程师，博士，硕士生导师，从事矿床地质研究。

收稿日期2016-03-16

中图分类号S 181

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)10-064-02