云南某磷矿露天转地下开采采场稳定性分析

2022-09-06陈瑞红韩正超

矿产与地质 2022年2期

陈瑞红，韩正超

(1.云南磷化集团工程建设有限公司，云南昆明 650600；2.桂林理工大学地球科学学院，广西桂林 541006)

0 引言

露天开采是矿产资源开发利用的一种重要形式，作为矿产资源大国，我国的众多矿产资源在开发过程中采用露天开采这一方式。据统计，在我国有50%的有色金属、90%的铁矿石、70%化工原料在开发过程中均为露天开采，建筑材料则基本均为露天开采[1-2]。边坡失稳是露天开采极易产生的一类工程地质问题。20世纪50年代，我国的露天开采矿山开采深度一般小于100 m，随着经济的发展和矿产资源的不断开发利用，边坡高度也随之不断增加，有的甚至达700 m[3]。开采深度越大，导致地质环境条件发生变化的程度也越大[4-6]，加之开采过程中的爆破和重型机械作业等对岩体的裂隙、节理等结构面的稳定性会产生巨大影响，从而引发滑坡、崩塌等边坡失稳的工程地质问题。因此，边坡的稳定性问题已成为露天矿山开发过程中必须重视和解决的关键技术问题。前人对露天矿边坡稳定性问题展开了大量研究，如杨宫印等[7]分析了软弱夹层特性对露天矿边坡稳定性影响；杨成奎等[8]分析了复杂地质背景下露天采场的边坡失稳，Rose等[9]研究了裂隙位移与时间的变化关系，分析了露天矿边坡的破坏情况；代永新等[10]综合研究了露天矿开采过程中产生的超高边坡引发地质灾害的影响因素，并讨论了灾害防控的一些关键技术手段；洪儒宝等[11]的研究提出露天矿边坡失稳的主要模式有危岩崩塌、平面滑动、楔形体破坏、倾倒破坏和圆弧滑动等；Khakestar 等[12]利用“多准则”决策方法探讨了确定露天矿边坡危岩体的技术方法；刘小阳等[13]利用地基雷达测量技术研究了露天矿高边坡微形变的监测方法。

云南某磷矿(下文统称为“该矿山”)是我国目前最大的海相沉积层状磷块岩矿床之一，也是“国家级矿产资源综合利用示范基地”，为我国的磷矿产业作出了巨大贡献。新时期为了保证磷矿资源的可持续开发利用，该矿山下一步计划进行地下开采，地下开采过程中必然会产生一些工程地质灾害，对地下开采过程中可能出现的地质灾害进行预测评价，可以有效保证生产安全。在对该矿山典型边坡的危岩体特征、边坡结构和结构面特征等进行调查分析的基础上，利用赤平投影定性分析了拟进行地下开采的采场轴向与边坡优势结构面的关系，评价了地下开采过程中可能出现的地质灾害问题，并提出了相关防治措施，为矿区作业安全提供指导，同时也为该矿山磷矿资源的持续开发利用提供保障。

1 矿山地质环境条件

1.1 地形地貌

区内地形总体呈南高北低，地貌类型以山地地貌为主，山地沟谷地貌次之，山地地貌基本分布于全区，以中山地貌为主；山地沟谷地貌主要分布在河谷周缘。局部地区受构造作用和强烈的河流沟谷侵蚀作用，两侧山地较低，多为20～80 m，沟谷较宽，多为200～600 m。

1.2 矿区地层

磷矿主要产于下寒武统渔户村组(∈1y)、中谊村组(∈1z)和筇竹寺组(∈1q)。渔户村组下段以紫红色—暗绿色页岩、砂泥质白云岩等为主；中段以灰色—灰白色条纹状粉晶白云岩为主，局部夹杂薄层状粉砂质页岩；上段以灰色—灰白色石英砂屑粉晶白云岩为主，夹杂黑色硅质条带或团块[14]，本段是下矿层的直接底板(围岩)。中谊村组自下而上可分为磷块岩段和白云岩段，磷块岩段进一步被划分为下矿层和上矿层，下矿层的中下部为粒屑磷块岩或砾状磷块岩，中间夹层为灰白色—灰黄色凝灰质黏土岩，上部为白云质硅质条带磷块岩；上矿层的中下部为粒屑磷块岩，底部为白云质、硅质条带磷块岩，上部为白云质磷块岩[14]。白云岩段以灰色—灰白色含磷砂质白云岩为主，夹杂硅质团块，是上矿层的直接顶板(围岩)。筇竹寺组自下而上可划分为黑色粉砂岩段、白云质粉砂岩段、杂色页岩段和暗绿色页岩段四个岩性段[15]。矿层产状较稳定，其产状与上覆地层基本一致，沿走向、倾向基本连续、稳定。

1.3 矿区构造

矿区主要构造为断裂和褶皱，断裂以近SN向的F1和F2断裂为主(图1)，其中，F1为逆断层，具有先压后张的特点，F2为逆冲断层，断面向西倾。褶皱多呈近EW向，矿区附近的褶皱构造为一背斜，轴迹以EW向为主，其核部地层以震旦系为主，两翼地层为古生界。

图1 矿区区域构造纲要图

1.4 矿区工程地质条件

根据岩石类型、岩体风化及裂隙岩溶发育程度和岩矿石的结构构造等，将该矿区岩(矿)体划分为4个工程地质岩组[15]，见表1。

表1 矿区工程地质岩组划分

总体看来，矿区地质构造简单，岩溶不发育，裂隙发育；矿区岩层倾角较缓，岩(矿)体力学强度较高，露天采场边坡较稳定，矿体存在不连续软弱夹层。

1.5 矿山边坡概况

该矿山属于典型露天开采矿山，开采后形成岩(矿)体裸露面。坡体上陡下缓，顶部基本无植被覆盖，边坡多为切向坡岩质边坡(图2)。边坡高度约10 m，坡面角30°～50°，倾向168°。坡面发育与临空面平行的陡倾裂隙，坡体岩性主要为白云岩、磷块岩、粉砂质页岩、白云质粉砂岩，节理裂隙发育，岩层产状286°∠22°。结构面以裂隙和层理为主，多呈闭合状，除第四系松散沉积物外，边坡岩(矿)体多呈块状结构。

图2 矿区边坡形态野外照片

2 岩体结构面主要特征

在对该矿山露天采场边坡实地踏勘的基础上，根据边坡形态、结构面发育情况、岩性分布特征等，选择4个地点进行结构面的调查，重点调查了节理和裂隙的数量、产状、延展性、充填情况、粗糙度、渗水性等，具体调查结果见表2。

表2 矿区节理裂隙发育情况

2.1 结构面间距

结构面间距是影响岩体完整性的重要指标之一，间距越小，岩体被结构面切割得越厉害，岩体的完整性就越差。由表2可知，调查点1和2的节理裂隙的平均间距较小，分别为0.18 m和0.17 m，密度较大，分别为5.44条/m和5.76条/m，表明调查点1和2所在边坡岩体节理裂隙较发育，完整性较差。调查点3和4的节理裂隙的平均间距相对较大，密度相对较小，表明其完整性优于调查点1和2。

2.2 结构面粗糙度

结构面的粗糙度和平整起伏程度是结构面抗剪强度的重要控制因子，一般来说，结构面越粗糙，其抗剪强度就越高，岩体的质量也相对要好。依据形态特征，结构面一般可分为台阶型、波浪型、锯齿型和平直型。根据野外观察结果，该矿山露天采场边坡岩(矿)体结构面主要为平直型(图2)，波浪型、锯齿型和台阶型的结构面少见。

2.3 结构面倾角

结构面倾角是影响结构面空间分布规律的一个重要参数。根据野外调查结果，该矿山露天采场边坡结构面倾角主要变化于60°～89°，属于陡倾结构面，因而边坡岩(矿)体被切割成孤立块体后，极易脱落、滑塌等，带来安全隐患，需要注意防范。

2.4 结构面张开度

结构面的张开度直接影响结构面的抗剪强度，一般来说，闭合的结构面能有效增加结构面的抗剪阻力，其抗剪强度较高，而张开的结构面会大大降低结构面的抗剪强度。一般将结构面状态张开度划分为闭合、微张、张开三类。根据野外调查分析结果，该矿山露天采场边坡岩(矿)体结构面张开度主要以闭合为主，少见微张和张开。

2.5 地下水条件

地表水和地下水的渗透会导致结构面岩壁和结构面充填物发生软化，特别是当岩(矿)体存在软弱夹层时，会致使软弱夹层发生软化和泥化，从而使得岩(矿)体的抗剪强度降低，影响岩(矿)体的稳定性。根据野外调查结果，该矿山露天采场边坡岩(矿)体结构面多为干燥结构面，在非雨季或冰雪情况下，不易发生软化，但是到了雨季或冰雪气候，在雨水或冰雪融化水的渗透作用下，易导致边坡发生垮塌、滑塌等，带来安全隐患，需要注意做好地表水的排水工作。

3 边坡稳定性分析

3.1 优势结构面的确定

优势结构面理论广泛运用于地质灾害、工程地质和环境地质[14]，岩体形成后在漫长而复杂的地质作用下，会产生各种各样的面状构造，如断层、节理、劈理、裂隙、软弱层等，这些面状构造统称为结构面，结构面的发育使岩体不再完整。结构面的分布具有复杂性、不均匀性和随机性，优势结构面就是上述各种各样的面状构造按一定的优势指标找出的对岩体稳定性起控制作用的结构面[16]，找出优势结构面是进行岩体工程稳定性评价的基础，因此，优势结构面理论是解决地质工程、岩土工程等问题的一种基本方法[17]。

优势结构面的确定方法有聚类分析法和图形分析法等方法[18-19]，图形分析方法主要是采用极点图、玫瑰花图或等密度图等图件进行分析[20]。本文利用“理正岩土工程计算分析软件”对4个调查点记录的结构面产状进行极点等密度图的绘制(图3)，根据极点等密度图的统计结果可以得到黑色粉砂质页岩和磷块岩两组岩(矿)体的全部结构面的优势结构面产状及其平均值(表3)。

图3 矿区岩(矿)体结构面极点等密度图

表3 矿区优势结构面产状

3.2 边坡稳定性评价

边坡稳定性评价有定性评价和定量评价两种方法，赤平投影法是边坡稳定性定性评价的最常用方法[24]。赤平投影的基本原理是假想一个球体(投影球)，通过球心的任何一个面状构造和线状构造，延伸后均与球面相交，并在球面上表现为大圆和点，球面大圆与极射点(相当于北极点或南极点)的连线必然穿过赤平面(经过球心的水平面)，在赤平面上这些穿透点的连线即为该面状构造的赤平投影，简称大圆弧，即面状构造的赤平投影表现为赤平面上的一个大圆弧，而线状构造的赤平投影表现为赤平面上的一个点。

赤平投影法是通过对岩体节理裂隙进行统计分析，确定优势结构面后，通过边坡的空间位置与边坡中结构面的空间位置的相互关系进行分析评价，该方法已在岩质边坡稳定性评价、工程地质测绘、硐室围岩稳定性等方面得到了广泛应用[21-22]。前人利用赤平投影法定性评价边坡稳定性展开了大量工作，并提出了相关判别标准[23]，边坡稳定性的具体判别标准见表4。

表4 赤平投影法定性评价边坡稳定性的判别标准

该矿山下一步拟进行地下开采的采场范围及分区见图4。根据所调查优势结构面的分布情况，绘制了赤平极射投影图(图5)，并根据采场轴向与优势结构的关系对采场的稳定性评价：

图4 矿区拟进行地下开采的范围和分区

1)在图5a、图5d和图5e中，A采区、D采区、E采区采场轴向与两组结构面的走向斜交或与其中一组结构面近平行，且一组结构面的倾角较缓，另一组结构面的倾角较陡，易形成不稳定体，对采场稳定性影响较大，容易发生片帮、冒顶等事故。

2)在图5b中，B区采场轴向与两组结构面的走向斜交，且S1结构面倾角较缓，结构面分布对采场稳定性有较大影响，将来在地下开采的过程中应注意片帮、冒顶等灾害事故的发生。

3)在图5c中，C区采场轴向与S2近正交，S2结构面对采场稳定性影响较小；C区采场轴向与S1结构面近平行，且S1结构面倾角较缓，结构面分布对采场稳定性影响较大，易发生冒顶等事故。

图5 矿区不同区域赤平极射投影图

4 开采建议

矿山将来采用地下开采的方式时，建议在下部采矿工程中，根据岩体的结构特征，对岩体采场条带或巷道壁面潜在的不稳定块体，特别是在破碎带发育程度高、裂隙较大、岩体力学强度低的区域，要有针对性的采取加固、防护措施，如清理浮石、锚杆加固等，预防不稳定块体的片帮、冒顶，同时注意做好防排水措施；根据边坡地质构造环境的复杂程度，采用最适宜的地下开采顺序，最大程度减轻地下开采过程中对围岩的破坏；做好采场的位移监测措施，及时预测采场可能发生变形破坏的位置并做好相关防治措施。