某矿区现状不良地质作用与影响边坡稳定的因素

刘明戍

(紫金矿业集团股份有限公司，福建 上杭 364200)

我国地域广袤，矿产资源丰富，各类矿产资源的开采给社会提供了大量工业原材料的同时，因矿山开采引发的地质灾害问题也逐渐凸显[1-3]。其中滑坡、坍塌、泥石流等已经成为露天矿山的主要常见地质灾害，做好矿区地质灾害防治工作对矿山安全开采具有重大意义[4-6]。本文以紫金山金铜矿为依托，分析矿区现状存在的不良地质作用，重点讨论了影响矿区边坡安全的各种因素，并对潜在的地质灾害提出了建议性工程措施。

紫金山金铜矿是国内当前最大的金、铜露天矿，目前采场北帮(A 区)东部边坡最高标高为+1 012 m，最低标高+568 m，最大垂高约 444 m；采场现已形成 5～31 个不等台阶，台阶一般高度 12～24 m，单台阶坡面角约 65°～75°，其中单级台阶坡高为 12 m 多属于生产台阶(未并帮)，单级台阶坡高为 24 m多属并帮固定平台；为了对本采场的工程地质及水文地质分析详尽方便，本采场共分为北帮(A 区)、西帮(B 区)、南帮(C 区)、东帮(D 区)4个帮坡区(见图1)。

图1 采场四个帮坡区(从左至右分别为A、B、C、D区)Fig.1 The four working areas of the stope(from left to right are area A，B，C and D)

1 采场不良地质作用

紫金山金矿露天采场处于生产建设的中期；由于地势地形原由，本采区北帮坡(A区)中部及西侧终了边坡正在剥离形成过程中；其中北帮坡(A区)东侧、西帮坡(B区)、南帮坡(C区)及东帮坡(D区)分别于标高+820 m、+676 m、+700 m及+820 m平台以上已经开采到设计境界，属于固定帮。

根据地质调查显示，本采场帮坡仅局部坡体发生小规模崩塌、顺层滑塌现象(如图2所示)。该采场帮坡目前只存在小规模的滑塌与岩体破坏，尚未出现大规模、深层次的边坡失稳。但是由于紫金山特殊的工程地质条件，采矿过程中曾多次出现塌陷、崩落和泥石流等不良地质现象，而矿区地质模型未有大的改观前，类似的不良地质现象存在再次发生的可能。例如北口排土场所在沟谷陡峭，排土场坡面堆积物松散，部分区域堆积物料较细，形成了泥石流产生的必要条件。

图2 侵蚀引发的局部垮塌Fig.2 Local collapse caused by erosion

分布在采场下部标高分别为+300 m、+100 m的铜矿采空区给岩体位移提供了自由空间，具备冒落塌陷的前提条件。

现状露天采场范围内，由于边坡岩体强度、构造、蚀变及地下水因素影响，主要破坏类型包括小规模的崩塌，顺层滑塌、倾倒，粒状解体，楔形破坏，大气降水冲刷等。仅局部地段发生连续多平台崩塌现象(例如东帮坡中部的+820～+940 m平台主要以地开石化英安玢岩为主，该岩体遇水后岩体微观结构遭到破坏，强度急剧降低，在岩体结构面的切割作用下容易引发局部滑塌现象)；以上破坏类型基本能够代表未来终了边坡局部破坏类型，总体破坏类型以单台阶破坏为主。

2 采场边坡不稳定因素

1)岩石强度

紫金山金铜矿采场空间较大，组成边坡的岩石类别较多，共有五类岩组(Ⅰ—Ⅴ)。由坚硬—较坚硬岩石(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类岩组)构成的边坡岩体工程强度高，但由于岩体不同程度的蚀变矿化对其工程力学强度在空间上呈不均匀，总体上由此岩体构成的边坡体稳定性较好，而软弱岩石(Ⅳ、Ⅴ类岩组)构成的边坡岩体工程强度低，并具有遇水易软化、崩解、粒状解体等不良工程特征，其构成边坡稳定性差。岩石强度是影响边坡稳定性的主要因素之一。

2)岩体结构类型

整体状、块状结构边坡岩体受节理裂隙切割程度较低、完整性较好，加上主要由坚硬-较硬岩石构成，边坡岩体较完整，稳定性较好；但碎裂结构因裂隙节理发育，岩体完整性差，大多由软弱类岩石(Ⅳ、Ⅴ类岩组)构成，为边坡体软弱夹层(带)，其边坡岩体强度低，稳定性差，易出现滑坡、崩塌、垮塌、冲刷、粒状解体等类型破坏。岩体结构类型也是影响边坡稳定性的主要因素。

3)大气降水

强降雨或短时大暴雨，因雨量大对边坡的冲刷破坏作用力较强。散体类结构边坡在雨后会留下冲刷沟槽或漏斗状深槽(如图3所示)。再者大气降水主要由于从边坡岩体中渗入，无形中加大边坡岩体静水压力并且减低岩体抗剪强度从而增大边坡顺着结构发生滑动失稳趋势。大气降水是影响软弱类岩石即散体结构和散体—碎裂结构类边坡稳定性重要因素之一。

图3 雨水冲蚀形成的沟壑Fig.3 Gully formed by rainwater erosion

4)地下水

根据现场观测数据，采场 A、B、C、D区内边坡地下水位分布最高标高分别为+473.5 m、+598.8 m、+604.8 m、+745.60 m，采场中心最低水位标高为+300 m 或+100 m 即水平坑道或地采巷道分布位置。坡内地下水水力坡度较陡，属裂隙潜水。经多年的开采疏干排水，采场内地下水位较以往有大幅度下降，除在东帮、北帮边坡局部有小范围的地下水外渗之外，坡面基本处于干燥状态，但是对于终了边坡来说，目前采场周边范围内地下水位仍然比较高，地下水对未来边坡的稳定性影响较大。

5)岩性

构成边坡岩体岩性种类较多，主要有中细粒白云母花岗岩、花岗斑岩、隐爆凝灰岩、隐爆角砾岩等，采场岩石种类较多。因岩石自身强度存在差异性，加之受风化、蚀变的影响，差异性明显。因此岩石强度直接影响边坡岩体强度，即岩性在空间上的不均匀性也是影响边坡稳定性的主要因素之一。

6)采区爆破影响

爆破作业是采矿工艺中非常重要的环节，爆炸动力对爆区岩体产生破坏的同时，对周边已靠帮岩体同样存在损伤作用。虽然爆破振动是局部的损伤，但是在矿山生产过程中，频繁的爆破振动对岩体的累计损伤是不容忽视的，特别是大药量爆破，严重削弱了岩体的强度，降低了岩体的完整性，使得边坡岩体变得松弛，为降雨入渗提供了更多的通道和可能，从而导致边坡下滑力增大，抗滑力锐减，导致边坡岩体发生失稳崩塌现象。

7)风化与蚀变

风化和地开石化可降低岩石强度，强地开石化蚀变和强风化使岩石呈松软状态。遇水易软化、崩解，呈散体结构，边坡出现粒状解体，受强风化和强地开石化影响，岩石多呈松软土状，岩石强度低，边坡易发生圆弧形破坏，其稳定性差，对未来固定帮边坡的稳定性影响较大。目前采场东帮(D区)地开石化区域揭露后，在风化剥蚀和降雨侵蚀作用下，地开石化中细粒花岗岩的内部结构不断遭到破坏并泥化，严重削弱了边坡岩体的强度和边坡的稳定性。

8)结构面

顺坡向结构面是产生平面破坏的主要因素。矿区存在三组顺坡向Ⅱ级结构面，分别为F4-1、F1-4和F2-10，这三组结构面的倾向与边坡面倾向近似相同，倾角与整体边坡角相近，因此非常容易引发整体性边坡失稳。Ⅲ、Ⅳ级结构面在边坡岩体中较发育，破坏了岩体的完整性，使其强度降低，局部结构面的不利组合对局部边坡的稳定性影响较大，如两组结构面相交，其交线顺坡向且倾角缓于坡面角时易形成楔形破坏；当边坡内结构面呈陡倾或者反倾时，结构面容易引发倾倒破坏(如图4所示)。因此结构面对边坡稳定性影响很大。

图4 顺坡向结构面引发的局部垮塌Fig.4 Local collapse caused by structural surface along slope

9)节理裂隙

密集的节理裂隙切割岩体，会大大降低岩体强度，破坏岩体的完整性，易产生弧形破坏、垮塌破坏等。本次勘察边坡岩体节理裂隙很发育，其发育程度差异较大，岩体的完整性直接受节理裂隙发育密度控制，地表节理裂隙密度调查成果如表1所示。以往钻孔岩心由于受人为破坏，岩心编录时只能根据岩心裂隙面新鲜程度进行估计。本次岩心节理裂隙密度统计主要根据地表地质调查结合本次钻孔岩心进行统计。

表1 地表及本次钻孔岩心节理裂隙密度统计表Table 1 Statistics of the surface and the density of joints and fissures in the borehole

从表1中可以看，节理越发育岩体越破碎，因此节理裂隙是影响边坡稳定性的重要因素之一。

3 工程措施建议

矿区地质条件复杂，节理裂隙纵横交错，在地下水、爆破振动、开挖等因素下难免发生岩体破坏与边坡失稳。局部边坡发生小规模破坏是允许的，但是组合台阶失稳、整体边坡失稳会给矿山带来重大的安全风险和经济损失，甚至威胁到了人民的生命财产安全。因此，矿山需要采取必要工程措施进行边坡维护，主要防治措施如下：

1)地表截、排水：防止地面径流和汇水直接对边坡进行冲蚀，对地表水进行有序规划和引导，降低了地下水的补给来源，有利于防止地下水位的抬升，增强边坡的自稳能力。

2)疏干地下水：疏排地下水是边坡工程中被运用最广泛的工程手段之一。对于地下水埋深较浅的边坡，通过施工排水工程，可以有效降低边坡浸润线，减小岩体内孔隙水压力，增强岩体间的有效应力和抗滑力，有利于边坡的稳定与安全。

3)边坡综合加固支护措施：对存在软弱结构面或者潜在滑面的边坡，应在边坡开挖揭露后及时施加必要工程措施，增强边坡稳定性。

4)控制边坡总体边坡角：在露天开采过程中，高陡坡必须按设计进行自上而下台阶式或分层开采。边坡角度、最终边坡角及分层凿岩平台宽度应通过对不同岩体类型进行研究综合确定。

5)微差分段爆破：为维护边坡的安全稳定，可采用微差分段爆破技术。微差分段爆破技术可以降低非爆破区域的爆破振动的能量密度，将药包的能量分多次释放，从而降低了爆破应力波的峰值，降低了应力波对靠帮岩体的损伤。