秀水河铁矿露天采场边坡岩体质量评价

2024-01-08张良喜韩刚

四川地质学报 2023年4期

张良喜，韩刚

（四川省第四地质大队，成都 611130）

钒钛磁铁矿是我国重要的战略矿产资源，四川省攀西地区储量尤为丰富。为进一步满足日益增长的资源需求，亟需开展现有矿山扩能开采设计及露天采场边坡稳定性研究，而矿山边坡岩体质量评价则是上述工作的基础。岩体质量主要受控于岩性、结构面特征、风化卸荷状态、地下水条件等工程地质因素，常用的岩体质量分级方法主要是根据上述因素采用并联或串联的方法量化评价（张倬元等，1994）。目前，适用于矿山边坡岩体质量分级的方法主要有BQ 法（工程岩体分级标准（GB50218-2014））、RMR 法（Bieniawski ZT，1974）等。BQ 法涵盖岩石坚硬程度和岩体完整程度两个基本指标，并根据结构面类型、延伸性、地下水发育程度、结构面产状与坡面关系、地应力等进一步修正。RMR 法包括完整岩块强度、RQD、节理间距、节理条件及地下水等指标，同时考虑结构面产状对边坡岩体稳定性的影响。由于RMR岩体质量分级结果可以与地质强度指标GSI 关联（Hoek，2019），并可进一步确定岩体抗剪强度参数（非煤露天矿边坡工程技术规范（GB51016-2014）；许宏发等，2014），在我国边坡、硐室、坝基等稳定性评价过程中得到广泛应用（刘业科等，2010；王乐华等，2013；刘国锋等，2022）。

本文以四川省凉山彝族自治州会理市秀水河铁矿为例，采用工程地质测绘、钻探、微动勘探、室内与现场岩石力学试验等方法，在查明边坡工程地质环境条件基础上，量化岩体质量分级指标，包括：岩石坚硬程度、完整性程度、RQD、结构面特征、地下水特征等，进一步开展边坡岩体质量分级;采用微动勘探方法对比分析，成果对攀西地区类似矿山边坡岩体质量勘察、评价具有借鉴意义。

1 地质构造

秀水河铁矿露天采场位于会理市，矿区中心点坐标：东经102°02′36″，北纬26°36′31″。矿区出露第四系覆盖层以及海西期、印支期层状含钒钛磁铁矿基性-超基性岩体、印支期花岗岩，偶见细晶辉长岩脉，由上而下分别由辉长岩、辉石岩和橄榄岩组成三个含钒钛磁铁矿层，以辉石岩含矿性最好，分布范围大，次为橄榄岩层，辉长岩层含矿性较差。矿体呈层状、似层状、透镜状产出，总体为不规则岩盆。秀水河含钒钛磁铁矿基性～超基性层状岩体为红格岩体南东段一部分，构造由两条南北向深大断裂：昔格达断裂和安宁河断裂，和系列东西向次级断裂带组成。南北向昔格达断裂严格控制着基性～超基性含矿岩体展布。

2 露采边坡工程地质条件

2.1 地形地貌

呈不规则圆形（图1、图2），东西长1 200 m，南北长1 000 m，境界周长4 000 m，面积0.7 km2，自然排水封闭标高2 265 m，地势北部高、南部低，坡度较陡，海拔高程2 300～2 670 m，相对高差370 m。其中，北帮边坡高度至设计最终开采平台边坡高369 m；西帮与东帮最终开采面高度分别为223 m、161 m；南帮目前以自然边坡为主。采场最终露天底最低部高程2 220 m，最终将形成超过400 m 高边坡。

图1 秀水河铁矿矿区全貌图（镜头方向正北）

图2 秀水河铁矿边坡工程地质平面图

2.2 地层岩性

除第四系人工填土和坡残积层，含矿岩体由辉长岩、辉石岩和橄榄岩三个含钒钛磁铁矿层，矿岩体周边和内部发育辉长岩、辉长玢岩及花岗岩（图2）。含矿岩体主要出露于2 545 m 平台以南区域；辉长岩灰绿-暗绿色；辉长玢岩呈透镜状产出于辉长岩中，略带绿色；花岗岩分布于矿区周边，为钾长花岗岩肉红色。

2.3 结构面特征

发育26 条断层（图2）影响宽度较小，延伸不大。根据《水力发电工程地质勘察规范》（GB 50287-2016）附录F，结合矿区断层发育规模和特征，将矿区内断层分级为Ⅲ级、Ⅳ级。根据断层延伸方向，可将矿区断层分为近南北向、北东向东西向以及北西向4 组，以近南北向断层延伸最大，北东向断层发育程度最高。

Ⅲ级结构面主要为F1逆断层（图2），延伸长900 m，产状NW342°～355°/NE ∠59°～65°，上下盘错动显著，断裂带有强烈挤压形成构造透镜体和密集挤压小褶曲，破碎带宽0.3～0.5 m密实程度较松散，胶结差，充填挤压片状岩、碎裂岩，断层局部发育黑色断层泥。

Ⅳ级结构面主要为小断层，规模较小，破碎带宽一般小于30 cm，充填碎裂岩、岩屑及局部夹泥；延伸一般50～200 m，少量断层延伸长大于200 m。

为查明Ⅴ级结构面布置30 条测线，统计Ⅴ级结构面均为硬性结构面，发育于辉长岩、辉长玢岩、花岗岩内。结构面以平直粗糙为主卸荷带结构面多可见铁红色锈染，呈强风化，其余为中～微风化，含矿岩体结构面以平直光滑为主，可见擦痕镜面，普遍见钙膜充填，黑色、暗红色锈染。Ⅴ级结构面走向以NNE、NNW 为主，NWW 次之，倾角以中～陡倾为主，少量中倾角，延伸长度小于5 m，随机发育。优势产状：①NW331°～360°/SW∠55°～88°；②NE0°～27°/NW∠46°～90°；③NE0°～42°/SE∠71°～90°；④NW274°～295°/NE∠73°～86°；⑤NW270°～285°/SW∠74°～85°。

2.4 风化卸荷带

采区开挖边坡总体为中风化～微新岩体，中高高程带边坡可见强风化岩体。西帮开挖边坡2 468 m 高程以下为微新岩体，2 468～2 510 m 高程发育中风化岩体，2 510 m 高程以上为强风化。北帮开挖边坡2 625 m 高程以下为微新岩体，2 625～2 650 m 高程发育中风化岩体，2 650 m 高程以上强风化。东帮开挖边坡2 464 m 高程以下为微新岩体，2 464～2 490 m 高程发育中风化岩体，2 490 m 高程以上边坡为强风化。

除靠帮及临空部有卸荷岩体外，矿山开挖边坡卸荷致岩体应力差异性释放，边坡一定水平深度内岩体松弛，裂隙张开，强卸荷岩体位于开挖面5 m 深度范围，岩体完整性破碎～较破碎，裂隙密集，普遍张开，张开大于几厘米，有架空现象，部分看到明显松动或变位错落，卸荷裂隙沿原有结构面张开，多呈整体松弛。

2.5 水文地质条件

地下水赋存和补给条件差，大部分断层和破碎带中未见地下水出露。采场底部受F1断层影响有少量出露，受季节性影响较大。现场压水试验结果表明，中风化地层岩性透水率1.62～12.86 Lu，渗透系数1.76×10-2～13.8×10-2m/d，属弱透水～中等透水；微风化地层岩性透水率为0.53～10.85 Lu，渗透系数0.57×10-2～11.7×10-2m/d，属微透水～弱透水，局部为中等透水。勘察期间处于雨季中期至旱季，钻孔进行了地下水位观测，大部分钻孔为干孔，少量钻孔观测到地下水位。

3 钻孔岩芯特征

开展岩体质量分级，在1-1’勘探剖面布置ZK1～ZK5 勘探钻孔（图2），孔口高程2 360～2 570 m，孔间距120～170 m，孔深70～140 m，孔口岩体属微风化。采用双重岩心管取芯钻探，现场编录，测定岩芯RQD 值、统计结构面间距、结构面性状及岩芯破碎程度。钻孔岩芯基本特征如下：

ZK1 钻孔：孔深70.12 m。0～1.2 m 人工填土；1.2～57.4 m 微风化辉长岩；57.4～70.12 m 微风化辉长玢岩。近地表10 m 辉长岩节理面发育较少，受卸荷影响，普遍锈染（图3），孔深增加节理面数量增多，呈微风化（图4）。孔深40～45 m，发育一条陡倾软弱夹层，极破碎（图5）。辉长玢岩节理面发育较少，孔底岩体较为破碎（图6）。

图3 ZK1 钻孔4.75～9.80m 特征

图4 ZK1 钻孔19.20～24.60m 特征

图5 ZK1 钻孔57.10～61.60m 特征

图6 ZK1 钻孔66.30～70.12m 特征

ZK2 钻孔：孔深140.0 m，0～30.4 m 微风化铁矿石；30.4～32.3 m 微风化辉长岩；32.3～38.0 m 微风化铁矿石；38.0～67.1 m 微风化辉长玢岩；67.1～98.3 m 微风化辉长岩；98.3～140.0 m 微风化花岗岩。铁矿石极破碎，局部可见短柱状岩芯外，均呈碎块状，断口呈铁红色锈染，强风化（图7）。辉长玢岩节理面较发育，可见擦痕镜面，普遍锈染（图8），孔深85 m 受断层F1影响，岩芯破碎（图9）。孔深95 m 之下，岩芯呈长柱状，完整性较好（图10）。

图7 ZK2 钻孔15.90～24.30m 特征

图8 ZK2 钻孔71.40～78.80m 特征

图9 ZK2 钻孔86.40～94.50m 特征

图10 ZK2 钻孔102.6～110.30m 特征

ZK3 钻孔：孔深110.0 m，0～30.5 m 铁矿石；30.5～33.7m 辉长岩；33.7～41.5 m 铁矿石；41.5～91.5 m 辉长岩；91.5～95.7 m 花岗岩；95.7～98.5 m 辉长岩；98.5～110.0 m 花岗岩。孔口5 m 范围，铁矿石极破碎，孔深增加完整性渐变好，岩芯短柱状，节理发育，普遍可见擦痕镜面，发育黄褐色钙膜，中-强风化（图11），55～65 m 范围，节理不发育，岩芯长柱状，完整性较好（图12）。孔深70 m 左右受断层F1影响岩芯破碎（图13）。孔深85 m 之下，岩体完整性变好，局部可见破碎段（图14）。

图11 ZK3 钻孔32.90～40.60m 特征

图12 ZK3 钻孔56.0～63.40m 特征

图13 ZK3 钻孔63.40～70.85m 特征

图14 ZK4 钻孔0～6.0m 特征

图14 ZK3 钻孔92.40～98.40m 特征

ZK4 钻孔：孔深80.0 m。0～26.2 m 微风化辉长岩；26.2～85 m 微风化花岗岩。除孔口5 m 范围内岩体极破碎外（图15），其余岩芯完整性较好，局部可见破碎段（图16），F1断层不明显。

图15 ZK4 钻孔47.70～54.00m 特征

图16 ZK5 钻孔15.4～23.0m 特征

图17 ZK5 钻孔47.80～56.00m 特征

4 基于RMR 法的钻孔岩体质量分级

RMR 法包括5 个基本参数：岩石强度（R1）、RQD（R2）、节理间距（R3）、节理条件（R4）与地下水状态（R5）。根据评分标准（表1）打分，最终取5 项之和即为RMR 总分值。各评价指标如表1：

根据岩性划分，选取代表性试样开展室内岩石抗压强度试验，获得天然、饱和抗压强度（表2）。除微风化辉长岩单轴抗压强度小于50 MPa 外，R1=4；其余微风化铁矿石、微风化花岗岩、微风化辉长岩均大于50 MPa，R1=7。

表2 岩石单轴抗压强度统计表

由于秀水河矿山地下水赋存和补给条件差，勘察期间在ZK1～ZK5 内均未见地下水，因此地下水条件评分值R5=15。根据岩芯统计分析及岩芯工程地质特征，各钻孔RQD（R2）、节理间距（R3）及节理条件（R4）如表3 所示，并进一步计算RMR 值。

表3 RMR 值评分表

由表3、表4 可见，秀水河铁矿边坡岩体质量具有如下特征（图18）：

图18 1-1 工程地质剖面图

（1）RMR 值最大为70，最小值为29，分别对应II 级与IV 岩体；

（2）由于卸荷、爆破扰动，近地表（垂直深度大约5m）岩体质量较差，多表现为IV 级岩体；

（3）软弱夹层分布较为随机，岩体质量多表现为III 级、IV 级；

（4）由于铁矿石表现出明显的脆性，极为破碎，受外部扰动较为强烈地段表现为IV 级，其余为III级，局部可见少量II 级岩体；

（5）辉长岩、辉长玢岩与花岗岩性质较为类似，岩体质量以II 级为主；

（6）F1断层及影响带为IV 类岩体，呈条带状分布。

5 微动勘探

为进一步验证钻孔岩体质量分级成果，在1-1 剖面东侧约15 m 布置微动勘探剖面W-W’（图2）。采用ALLSEIS-3CLF 一体化短周期地震计，正交三分量高灵敏度短周期0.2Hz 地震检波器，沿测线全排列观测，采用H/V 谱比法估算不同岩体的波速（王伟君等，2009；徐佩芬等，2012；汪文刚，2021）。

微动勘探结果表明（图19），不同岩体纵波波速存在明显差异，最大值为4 200 m/s，最小值小于2 000 m/s。若以Vp=4 200 m/s 代表边坡新鲜完整岩体纵波速，根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB51016-2014）中关于岩体完整程度定量划分指标Kv，求出不同完整程度岩体纵波波速界限值如下：

图19 W-W’微动勘探剖面解译成果

Kv>0.75，Vp>3 600 m/s，完整岩体

0.55

0.35

0.15

Kv<0.15，Vp<2 000 m/s，极破碎岩体

进一步对比图18、图19 可见，边坡岩体具有如下特征：

（1）花岗岩、辉长岩纵波波速普遍大于3 200 m/s，以较完整岩体为主，与钻孔岩体质量分级较为一致。

（2）边坡内见连续低波速带，纵波波速2 400～2 800 m/s，局部小于2 000 m/s;完整性较差-差，对应于F1断层及影响带。

（3）边坡表部存在明显连续低波速带，纵波波速小于2 800 m/s，与ZK3、ZK4、ZK5 孔口附近连续分布的IV 级岩体吻合，与ZK1、ZK2 孔口附近II 级岩体相矛盾。由于测量RQD 与统计节理间距中，肉眼难以识别隐微裂隙，导致RMR 法中R2、R3两项指标评分过高，实际大量存在爆破、松弛裂隙未参与统计。

（4）总体上，微动勘探岩体完整性成果与钻孔RMR 分级结果较一致。