大型露天矿岩体工程地质分区及边坡岩土强度参数取值

李其在,董志富,周癸武

(云南黄金矿业集团股份有限公司)

工程地质分区在越来越多的露天开采矿山得到实际运用,也解决了系列问题,同时为下一步边坡稳定性评价提供了评价依据及基本参数。王亚强等[1]通过近景摄影测量统计结构面,结合岩石物理力学试验结果将乌山铜钼矿露天采场分为5个地质分区,并进行各区的边坡稳定性评价,给出各区具有针对性的治理方案。陶志刚等[2]采用模糊数学综合评判方法和GIS空间矩阵差值算法对南芬露天铁矿采场高陡边坡进行了危险区域划分。韩廷文等[3]根据岩石结构类型、工程地质岩组分布特征等多种指标将夏日哈木镍钴露天采场划分为5个地质分区。本次以某大型露天矿山为工程背景,通过采场的地层划分、结构面调查、破坏模式等对露天采场进行4个区域的划分,同时对试验及工程类比的边坡岩土参数进行反分析,确定了岩土参数取值,支撑工程地质分区的合理性。

1 矿区概况

该露天矿山开采方式为山坡露天+凹陷露天,正在进行的露天初步设计最高标高1 925 m,封闭圈标高1 835 m,采场设计最低标高1 385 m,设计终了边坡最大高差540 m,整体边坡角38°～42°,属于高陡边坡。矿山边坡台阶高度15 m,现阶段露天开采深度为1 554 m水平,局部区域深度已经超过300 m,露天境界北部、西部部分区域上部已逐步靠帮。

随着岩体揭露范围不断扩大,采场开采过程中已出现局部多台阶楔形滑落、台阶局部崩塌、复合破碎带区域安全台阶消失、复合破碎带软化等情况(如图1所示)。因此,亟须对该矿山开展详细的工程地质调查并进行分区及稳定性评价[4-5],为矿山安全高效开采提供理论支撑。

图1 灾害现场照片

2 工程地质调查与分区

2.1 现场工程地质调查

经过现场踏勘工程地质调查,并结合多年的开采工作经验,将整个采场地层按照地质年代、岩性和构造特点分为5种地层,如图2所示。

图2 矿区不同地层空间分布示意图

工程经验表明,结构面也是影响岩体稳定性的因素,因此本次在露天采场区域共统计了189处534组结构面。根据方位角度将露天采场平均分成8个区域(如图3所示),分别统计了各区域内结构面的倾角、倾向,分析其对边坡潜在破坏模式的影响。

1)1区统计31处共计76组结构面。层理面的倾角为15°～77°,平均倾角38°,倾向接近东西,与坡面反交,有利于边坡的稳定性。节理倾向的分布范围较为广泛,大部分与1区台阶坡面正交或者逆交。

2)2区统计17处共计48组结构面。层理面的倾角为10°～50°,平均倾角37°,倾向接近东西,与坡面反交,有利于边坡的稳定性。主要发育有2组节理:一组为西南的陡倾节理,一组为径向正北的陡倾节理。大部分的节理倾角大于55°,与坡面为大角度斜交或者正交。

3)3区统计12处共计33组结构面,其分布规律与2区类似。层理以与坡面反倾的缓倾结构面为主,大部分倾角小于30°。节理则同样发育为2组陡倾节理:一组倾向西南,一组倾向北,与坡面呈大角度斜交或者正交。

4)4区统计11 处共计 29 组结构面,层理的分布规律与 2 区类似。层理以与坡面反倾的缓倾结构面为主,大部分倾角小于30 °。节理则同样发育为2组陡倾节理:一组倾向西南,一组倾向西北与坡面倾向一致,但大部分的倾角要比坡角大,有利于边坡的稳定性。

5)5区统计15处共计31组结构面,层理的分布规律与4区类似。层理以与坡面反倾的缓倾结构面为主,大部分倾角小于30°,但发育有一组顺倾的30°左右的节理。节理则同样发育为2组陡倾节理:一组倾向西北,与坡面倾向一致;一组倾向东南,与坡面倾向正交,但大部分的倾角要比坡角大,有利于边坡的稳定性。

6)6区统计13处共计34组结构面,其中包括7组层理和27组节理。层理以与坡面反倾的缓倾结构面为主,大部分倾角小于30°。而节理主要为反倾及正交陡倾。

7)7区统计 35 处共计 79 组结构面。层理以与坡面反倾的缓倾结构面为主,大部分倾角小于 30 °。而节理受到 F6断层的影响,分布较为分散。除了有部分与坡面近乎正交和反交的节理外,有相当数量的与坡面倾向近似的陡倾节理分布,岩层相对破碎。

8)8区统计54处共计76组结构面。层理以与坡面反倾的缓倾结构面为主,大部分倾角小于30°。节理受到F6和F6-1断层综合影响分布密集,岩石完整性是8个区域中最差的。

2.2 边坡工程地质分区

边坡工程地质分区的目的在于对露天矿边坡的各种表象特征及促其产生的各种因素进行组合概括,以简明扼要地反映边坡作用的内外在规律。科学的边坡工程地质分区不仅能深化对边坡的认识,而且能指导矿产开采、稳定性评价、灾害预测和防治活动[6-9]。

2.2.1 工程地质分区

根据现场踏勘结果,露天采场主要岩层为灰岩、侵入岩接触带、冲洪积层、崩塌、残坡积层、人工堆积体。工程地质分区如表1所示,各个工程地质分区的空间位置如图4所示,各区节理分析如图5 所示。

表1 露天采场工程地质分区

图4 露天采场工程地质分区

图5 各区节理分析图

1)Ⅰ区(东区)。 露天矿东侧近一半的边坡下部主要为灰岩,且受构造带影响小,岩层相对完整,北东侧灰岩倾向与边坡倾向构成正交坡,东侧岩层倾向与边坡倾向构成反向坡,但边坡稳定性都是受与层面近直交的节理和岩层完整性控制。由于顺坡向节理面倾角普遍大于63°,且贯通长度有限,潜在整体破坏以陡倾节理和斜切岩体为主。整体表现为岩体强度控制的近弧形滑动。从节理分布来说,在矿区东侧灰岩层中分布有2组陡倾节理,分别为一组倾向340°、倾角70°的陡倾节理和一组倾向240°、倾角75°的陡倾节理,难以形成楔形体,局部破坏模式以局部崩塌掉块为主。

2)Ⅱ区(西区)。露天矿西侧主要是灰岩,与边坡构成反向缓倾,上部为冲洪积层,中间为断层破碎带。从节理分布上来看,西部主要的层理以与坡面反倾的缓倾结构面为主,大部分倾角小于30°。而2组节理一组为倾向20°的陡倾节理、一组为倾向160°的陡倾节理,以与坡面正交为主,层理和节理与坡面组合可以形成楔形体,局部潜在破坏模式是楔形破坏。

3)Ⅲ区(南西区)。位于露天矿西南侧,受F6断层和F30断层影响,灰岩稍破碎,但普遍有钙质胶结,整体破坏以顺倾节理和斜切灰岩为主。但在局部边坡表层,岩体发育有1组顺倾30°左右的节理。节理则同样发育为3组陡倾节理,但2组倾向西北,1组倾向北东,与坡面小角度斜交,贯通长度几米到十几米,局部潜在破坏以顺倾节理控制的崩塌滑移为主。

4)Ⅳ区(北西区)。位于露天矿北西侧,受F6断层和F6-1断层影响,灰岩较破碎,节理发育,方向各异,边坡稳定性稍差。岩层以缓倾角反倾坡面为主,节理与坡面可以形成楔形体,而且潜在滑面较多,局部潜在破坏模式是楔形破坏。

2.2.2 不同工程地质分区的典型剖面

根据露天采场地质分区结果,在各分区建立典型地质剖面,每个分区典型剖面在空间的具体位置如图6所示。

图6 每个分区典型剖面

Ⅰ区典型剖面Ⅰa(如图7所示),剖面最低点1 576 m,最高点1 891 m,主要岩层包括人工填土、冲洪积层、灰岩。

图7 Ⅰ区典型剖面Ⅰa模型

Ⅰ区典型剖面Ⅰb,最低点1 579 m,最高点1 850 m,主要穿越岩层包括冲洪积层、灰岩。与Ⅰa剖面不同,Ⅰb剖面由于位于矿区的东部,顶部无人工填土,而冲洪积层较厚,同时平均坡角更陡。典型剖面如图8所示。

图8 Ⅰ区典型剖面Ⅰb模型

Ⅱ区典型剖面,最低点1 578 m,最高点1 921 m,岩层包括上部的冲洪积层和灰岩,F6断层穿过灰岩下部。典型剖面如图9所示。

图9 Ⅱ区典型剖面模型

Ⅲ区典型剖面,剖面最低点1 578 m,最高点1 893 m,主要穿越岩层为灰岩,是整个矿区中最陡的部分,平均坡角达到41°。上部因为存在一组顺倾向缓倾节理及一组陡倾结构面的组合,发生了局部崩塌。典型剖面如图10所示。

图10 Ⅲ区典型剖面模型

Ⅳ区典型剖面,最低点1 577 m,最高点1 940 m,主要穿越岩层包括灰岩和斑岩,F6断层和F6-1断层穿过边坡中部,是整个矿区边坡中稳定性最差的部位。典型剖面如图11所示。

图11 Ⅳ区典型剖面模型

3 露天采场边坡岩土强度参数取值

根据现场工程调查结果,露天采场主要岩层为冲洪积层、灰岩和破碎带。通过工程类比法收集类似岩层的强度参数,得到露天采场主要岩层的力学参数取值范围,结果如表2所示。

表2 露天采场岩层力学参数试验结果

针对该露天采场岩层情况开展室内试验和现场直剪试验,试验参数结果如表3所示。

表3 露天采场岩层力学参数试验结果

3.1 强度参数反分析

根据边坡工程地质分区结果,建立典型剖面及台阶概化模型。根据边坡岩土强度参数统计资料确定各岩层强度参数取值范围,结合不同剖面的稳定性状态,对冲洪积层、灰岩和破碎带的强度参数进行反分析。参数反分析采用极限平衡方法中的Bishop法,圆弧滑面,利用Rocscience Slide软件完成[10-14]。

根据GB 51016—2014 《非煤露天矿边坡工程技术规范》中对露天矿边坡危害等级划分,露天采场边坡等级拟定为1级。根据该规范的要求,露天矿边坡设计安全系数限值当考虑地下水时,安全系数为1.20～1.25;考虑地下水和爆破振动时,安全系数为1.18～1.23;考虑地下水和地震力时,安全系数为1.15～1.20。

3.1.1 冲洪积层强度参数反分析

1)冲洪积层整体地质模型。选取1,2号2个典型剖面进行反分析。

(1)1号剖面最低点1 578 m,最高点1 858 m,主要穿越岩层为冲洪积层及灰岩(如图12所示)。冲洪积层强度参数初始取值范围为:内聚力C=30～75 kPa,内摩擦角φ=31°～34°。当强度参数取C=26 kPa,φ=30°时,边坡稳定系数为1.00,边坡刚刚满足稳定性要求,为计算的下限值。当强度参数取C=32 kPa,φ=31°时,边坡稳定系数达到1.10;当强度参数取C=44 kPa,φ=32°时,边坡稳定系数达到1.25;当强度参数取C=56 kPa,φ=33°时,边坡稳定系数达到1.40;当强度参数取C=72 kPa,φ=34°时,边坡稳定系数达到1.55;当强度参数取C=92 kPa,φ=35°时,边坡稳定系数达到1.70。

图12 1号剖面地质模型

(2)2号剖面最低点1 579 m,最高点1 842 m,主要穿越岩层为冲洪积层及灰岩(如图13所示)。当强度参数取C=35 kPa,φ=31°时,边坡稳定系数为1.08,边坡刚刚满足稳定性要求,为强度参数的下限值。当强度参数取C=37 kPa,φ=31°时,边坡稳定系数达到1.10;当强度参数取C=49 kPa,φ=32°时,边坡稳定系数达到1.25;当强度参数取C=61 kPa,φ=33°时,边坡稳定系数达到1.40;当强度参数取C=74 kPa,φ=34°时,边坡稳定系数达到1.55;当强度参数C=101 kPa,φ=35°时,边坡稳定系数达到1.70。

图13 2号剖面地质模型

图14 冲洪积层台阶模型计算结果

依据现场调查结果,目前冲洪积层的现状边坡稳定性较好,因此冲洪积层的强度参数反分析结果为C=45～75 kPa,φ=32°～34°。

2)冲洪积层局部台阶模型。对于东侧的冲洪积层,其台阶边坡稳定性较好。台阶高度10 m,台阶宽度6 m、坡角56°～63°,取4种参数组合进行反分析,结果如表4所示。模型采用2种:模型1为单级坡角56°,坡高10 m,台阶宽度6 m;模型2为单级坡角63°,坡高10 m,台阶宽度6 m。

表4 冲洪积层台阶模型组合

当冲洪积层强度参数取C=45～60 kPa,φ=32°～33°时,得到的台阶稳定性情况与现场实地情况较为一致(如图4所示)。

3.1.2 灰岩强度参数反分析

1)灰岩整体地质模型。选取3,4号2个典型剖面进行反分析。

(1)3号剖面坡度较陡,为40°左右,最低点1 578 m,最高点1 893 m,主要穿越岩层为灰岩,如图15所示。当灰岩强度参数取C=80 kPa,φ=36°时,边坡稳定系数为1.013,边坡刚刚满足稳定性要求,为计算的下限值。当灰岩强度参数取C=105 kPa,φ=37°时,边坡稳定系数为1.09;当灰岩强度参数取C=150 kPa,φ=39°时,边坡稳定系数为1.24;当灰岩强度参数取C=230 kPa,φ=40°时,边坡稳定系数为1.24。

图15 3号剖面地质模型

根据现场调查,北东、东和西侧的灰岩完整性好,南侧灰岩相对破碎,但整体灰岩强度应该不低于3号剖面反分析获得的强度参数。因此,整体灰岩参数值比3号剖面的强度参数要高,取内摩擦角φ=37°～40°,内聚力C=200～280 kPa。当灰岩层位均取下限值φ=37°,内聚力C=200 kPa时,3号剖面的稳定性系数为1.34。

(2)4号剖面最低点1 578 m,最高点1 921 m,主要穿越岩层包括冲洪积层和灰岩,剖面的模型如图16所示。当灰岩强度参数取C=50 kPa,φ=35°时,边坡稳定系数为1.05,边坡满足稳定性要求下限,为灰岩强度参数的下限值。当灰岩强度参数取C=65 kPa,φ=35°时,边坡稳定系数为1.09;当灰岩强度参数取C=116 kPa,φ=36°时,边坡稳定系数为1.25;当灰岩强度参数取C=180 kPa,φ=37°时,边坡稳定系数为1.40;当灰岩强度参数取C=215 kPa,φ=39°时,边坡稳定系数为1.55。4号剖面平均坡角稍缓,灰岩总体完整性好于3号剖面,且无不利顺倾结构面,反分析得到的灰岩强度参数值代表了目前的稳定性状态下限。灰岩强度参数C=200～280 kPa,内摩擦角φ=37°～40°,计算得到的边坡稳定性系数符合目前边坡稳定状态。

图16 4号剖面地质模型

2)灰岩局部台阶模型。大部分灰岩台阶边坡的稳定性较好。取4种参数组合进行分析,结果如表5所示,模型采用2种:模型1为单级坡角63°,坡高10 m,台阶宽度3 m;模型2为单级坡角75°,坡高10 m,台阶宽度5 m。从计算结果中可以看出,当灰岩强度参数取下限值C=200 kPa,φ=37°时,灰岩台阶边坡的稳定性较好(如图17所示),与现场调查结果一致。

表5 灰岩台阶模型组合

3.1.3 破碎带强度参数反分析

断层破碎带为F6、F6-1、F30、F31,断层破碎带内岩层主要为破碎灰岩和侵入的风化斑岩,以破碎灰岩为主。破碎灰岩的岩体性质较风化斑岩好。F6断层是最主要断层,在矿场的南侧,块体较大;在矿场的北部和中间,岩体破碎;在矿场的西和西南侧,多有斑岩侵入,破碎带内岩体更为破碎。

通过分析建立台阶边坡模型,对灰岩破碎带和斑岩破碎带的强度参数进行反分析。当灰岩破碎带的强度参数取下限值C=80 kPa,φ=33°时,台阶的稳定性已非常好,与现场调查结果一致(如表6及图18所示)。

表6 灰岩破碎带台阶边坡计算结果

图18 灰岩破碎带与斑岩破碎带台阶模型计算结果

当斑岩破碎带的强度参数取下限值C=30 kPa,φ=30°时,台阶边坡处于不稳定状态,与现场调查结果一致(如表7所示)。

表7 斑岩破碎带台阶边坡计算结果

结合现场调查结果,以F6断层为主的破碎带主要是灰岩破碎带,由于普遍存在胶结,整体性较好,而F6-1断层几乎一半是斑岩破碎带,其台阶边坡的整体稳定性弱于F6断层台阶边坡,因此F6-1断层强度参数取值比F6断层稍低。

灰岩破碎带强度参数为:内聚力C取值大于80 kPa,内摩擦角φ取值大于33°;斑岩破碎带强度参数为:内聚力C取值大于30 kPa,内摩擦角φ取值大于30°。

3.2 强度参数取值

根据边坡主要岩层如冲洪积层、灰岩、破碎带等的强度参数反分析结果,结合边坡岩土现场和室内试验结果,综合考虑得到边坡岩土强度参数取值,结果如表8所示。

表8 露天采场岩体强度参数取值

4 结 论

1)露天采场边坡主要岩层为灰岩,依据岩性、地形地貌、岩石完整性、结构面等级、岩层倾向与边坡倾向关系、岩层倾角、边坡高度、破坏模式及水文地质条件等地质要素,将露天采场边坡划分为Ⅰ区(东侧)、Ⅱ区(西侧)、Ⅲ区(南西侧)和Ⅳ区(北西侧)等4个区。给出了不同工程地质分区的典型地质剖面,为不同工程地质分区边坡强度参数反分析提供了有代表性的地质模型。

2)通过工程类比确定了露天采场主要岩层的强度参数取值范围,得到露天采场主要岩层的物理力学参数取值范围。在此基础上,选取典型地质剖面,根据边坡整体稳定和台阶边坡局部稳定状态,分别对冲洪积层、灰岩、灰岩破碎带和斑岩破碎带的强度参数进行了反分析,得到了各岩层的强度参数,结合现场和室内试验结果,给出了露天采场边坡岩土强度参数取值。