西藏玉龙铜矿改扩建边坡工程稳定性分析及监测

熊世伟

摘要：依托西藏玉龙铜矿改扩建工程，将目前采场边坡划分为Ⅰ～Ⅴ四个工程地质区、11个工程地质亚区。选取了11个边坡稳定性计算剖面，采用极限平衡法和有限元强度折减法，对玉龙铜矿二期工程设计边坡进行了稳定性计算分析。研究结果表明：其中1个边坡不满足要求；考虑开采爆破影响，则有5个边坡不满足要求。根据计算结果对5个坡面提出了优化的方案，并对西藏玉龙铜矿的边坡监测点布置进行了说明。

关键词：露天采矿项目；边坡；稳定性分析；边坡监测

0   引言

露天矿的改扩建工程中，由于露天矿前期已经开采，形成一定的开采边坡，常引起周围矿区土体应力变化，甚至造成二期开采区的边坡滑塌、变形和裂缝等，对矿区的安全造成影响。为此在大型露天矿区的改扩建项目中，为避免边坡失稳，通常需要结合一期项目工程地质情况、水文情况、岩石强度指标等，对边坡稳定有影响的要素综合分析判断，选取边坡稳定性计算剖面建立计算模型，对大型露天矿山边坡进行稳定性分析。

高边坡的稳定对于工程建设具有非常重要的意义，而露天矿山的边坡受地质结构面、产状等影响明显。近年来，众多学者对露天矿上的边坡稳定进行了相关研究[1-3]。本文依托西藏玉龙铜矿改扩建工程，采用极限平衡法和有限元强度折减法，对玉龙铜矿二期工程设计边坡进行了稳定性计算分析，并根据计算结果对5个坡面提出了优化的方案。

1   工程背景

1.1  工程基本情况

玉龙铜矿矿区处在青藏高原东南角的金沙江与澜沧江之间的宁静山脉北段分水岭地带，山脉、山系多呈北北西-南南东方向排列，地形切割中等至强烈，海拔高程4560～5124m，相对高差在700m以内。西藏玉龙铜矿改扩建工程是在一期工程基础上，进行产能的扩大。

矿区面积4.3025km2，露天采场处于较开阔的沟谷底端，三面环山，地面高差在600～700m，上部尺寸上口长2280m、宽2220m，最低开采台阶标高4200m，封闭圈标高为4560m平台，矿石运输出口标高4560m。露天采场4560m标高以上为山坡露天，以下为凹陷露天。

1.2   地质状况

矿区内断裂规模不大，成矿前断裂方向散乱，角砾岩发育，与含矿斑岩体侵入挤压有关。成矿后断裂多为张性，个别为压扭性。矿区内共见7条断层，基本沿含矿斑岩体呈环带状展布。

层间破碎带主要发育于甲丕拉组砂泥岩和波里拉组碳酸盐岩之间。其次发育于波里拉组中段不同岩性层之间。层间破碎带呈环状围绕斑岩体，带宽平均300m左右。破碎带蚀变矿化强烈，为似层状矿体的容矿空间，产状与地层产状一致。带内岩石主要呈角砾状，也有条带状、土状和胶状。角砾成分主要为大理岩，胶结物为粘土矿物、褐铁矿、孔雀石及黄铁矿为主的硫化物等。

2   边坡稳定性计算

2.1   边坡工程地质分区

2.1.1   采区主要工程地质问题

采区矿体埋藏浅，属土状软弱层，矿层顶板为大理岩，底板为角岩。大理岩、角岩为半坚硬-坚硬岩石。采区地质构造简单，南部相对复杂。采区的主要工程地质问题是边坡稳定性欠佳[4]，主要是东、南边坡的稳定性较差，东边坡出现小规模垮塌现象，且季节性冻土层冰融水对边坡稳定性有所不利。

矿区裂隙构造十分发育。主要含矿裂隙有3组，走向为30～60°、270～280°和325～340°，陡倾角者居多。裂隙宽一般小于2mm，少数20～50mm。多呈网脉状产出，裂面平直，常被各种岩脉或矿脉充填。分布于接触带附近的斑岩体和脆性围岩中。裂隙频率一般大于30条/m，最高达50条/m。

2.1.2   边坡工程地质分区结果

可根据矿区岩层的赋存特点，将岩性、构造、水文地质条件、工程地质条件、边坡几何形状和边坡倾向基本相同的区段划分为同一区，各区边坡可用单一的剖面和相同的计算参数来表征。

依照此原则，将目前采场边坡划分为Ⅰ～Ⅴ四个工程地质区，其中：Ⅰ区第四系覆盖层；Ⅱ区为东北边坡，在垂直方向上分为Ⅱ-A和Ⅱ-B、Ⅱ-C三个亚区；Ⅲ 区为西北边坡，垂直方向上分为Ⅲ-A、Ⅲ-B、Ⅲ-C三个亚区；IV区为南边坡，垂直方向上分为IV-A、IV-B、IV-C三个亚区；Ⅴ区为斑岩含矿层。边坡工程地质状况如图1所示。

2.2   各地质分区破坏模式及特点

地质分区Ⅰ区的工程地质特征主要是顶端破碎带，岩体破碎且风化严重，破坏模式为圆弧滑动。

地质分区Ⅱ区的岩组原岩为紫红色泥质粉砂岩和粉砂质泥岩夹石英砂岩，岩体节理裂隙较发育，同一地点一般发育2～3组节理，以剪节理为主，节理面平直，局部充填有少量铁质、泥质。最终边坡面出露两条断层，受构断层影响，岩体局部较破碎，并伴随有泥化、软化、破碎带的形成，断层出露处边坡区段易产生垮塌破坏。破坏模式为楔体滑动、切层滑动、断层出露处局部垮塌、断层层间破碎带失稳。

地质分区Ⅲ区岩组原岩为紫红色泥质粉砂岩和粉砂质泥岩夹石英砂岩，岩体节理裂隙较发育，同一地点一般发育2～3组节理，以剪节理为主，节理面平直，局部充填有少量铁质、泥质。无软弱夹层，不利边坡稳定的结构面不发育，边坡稳定性较好。破坏模式为楔体滑动、切层滑动。

地质分区IV的岩组原岩为紫红色泥质粉砂岩和粉砂质泥岩夹石英砂岩，岩体节理裂隙较发育，同一地点一般发育2～3组节理，以剪節理为主，节理面平直，局部充填有少量铁质、泥质，岩体强度高。受结构面的影响，岩体局部较破碎，并伴随有泥化、破碎带的形成，对边坡的稳定性有影响。破坏模式为楔体滑动、切层滑动、断层出露处局部垮塌、断层层间破碎带失稳。

地质分区V为玉龙斑岩矿体，是主要容矿层，工程钻孔所取岩芯以花岗斑岩为主，同一地点一般发育2组节理，以剪节理为主，节理面平直，充填泥质、方解石、铁质。破坏模式为楔体滑动、断层下盘局部垮塌。

2.3   分区边坡稳定性计算

根据现场工程地质调查、室内试验结果和边坡工程地质分区成果，选取了11个边坡稳定性计算剖面，建立了边坡稳定性数值计算模型。采用极限平衡法[5]与有限元强度折减法，对玉龙铜矿二期工程设计边坡进行了稳定性计算分析，根据设计的边坡结构参数，计算分析各剖面边坡滚石灾害，为设计边坡参数优化提供了依据。

对比国内外矿山安全系数，根据玉龙铜矿改扩建工程露天边坡实际情况，边坡稳定性分析中综合选取的边坡稳定安全系数应不小于1.20。计算参数取值见表1，边坡稳定性安全系数见表2。

采用毕肖普法和强度折减法对11个剖面分别进行了计算，再对两个计算结果取平均值，得到边坡稳定性系数。

3   边坡稳定性结果分析及参数优化

3.1   计算结果分析

计算结果显示，最终开采境界1-1剖面边坡安全系数为1.13，小于允许安全系数，其余各剖面边坡安全系数均大于1.2，设计边坡整体稳定性良好。此结果为自然状态下的边坡安全系数。

改扩建的露天矿山稳定性分析还要考虑到开挖爆破的影响。玉龙铜矿边坡属于高陡型，根据勘察报告，矿区内所见构造形迹，主要有褶皱、断裂、裂隙、角砾岩带和层间破碎带等，层间破碎带为区内的主要控矿构造，其中多数断裂、裂隙、角砾岩带和层间破碎带，它们都是在同一个形成机制下，岩浆侵位形成的同生构造。矿区内无论是斑岩体内还是围岩中裂隙构造均十分发育，可分出主要含矿裂隙、次要含矿裂隙和无矿裂隙三种，尤其是含矿裂隙非常发育。

3.2   参数优化

矿区内存在诸多不利边坡稳定的因素，例如断层，破碎带等。这些地质不利因素在开挖的爆破振动作用下，边坡岩体稳定性会受到影响，从而出现失稳状态[6]。

在边坡稳定性分析过程中，考虑到采矿过程中的爆破作用[7]，需将各剖面的边坡安全系数均降低6%～7%，其中1-1、3-3、4-4、6-6、7-7、9-9共5个坡面安全系数小于1.20。

同时需要对该5个坡面边坡参数进一步优化，具体如下：对上述5个剖面整体优化边坡位置；优化段边坡高度为570～720m，优化边坡角为37.5～41°，台阶坡面角上部三个台阶台阶坡面角为50°，下部台阶台阶坡面角65°，台阶高度15m。

经过优化后重新计算，坡面安全系数满足边坡稳定要求。本文以剖面1-1为例，说明经优化后的边坡情况。对于剖面1-1，整体边坡角为34.4°，边坡高度为827m，推荐整体边坡角为37.3°，满足边坡稳定性要求。

4   边坡监测

玉龙铜矿最终边坡高度达800m，边坡岩体质量相对较差，且处于高寒地区，为此在高陡边坡及岩体极其破碎的边坡部位建立边坡变形监测系统是非常必要的。

目前常用的边坡位移监测方法有经纬仪、全站仪、GPS、微波雷达等[8]。本项目根据现场的实际情况选择了全站仪作为监测仪器。

鉴于玉龙铜矿最终边坡逐步形成，一期工程大部分边坡均为临时边坡，北部有部分靠帮边坡，为保证生产安全，建议在北部边坡靠帮后及时布置监测点。在临时边坡形成过程中，可根据边坡的揭露情况适时布设临时监测点，并随着最终边坡境界台阶的逐步形成，增加监测点。根据最终边坡境界参数及边坡工程地质条件，初步确定重点监测部位为西帮边坡、东北帮边坡及东南帮边坡。西南部边坡尽管“二期工程露天边坡稳定性研究”中确定为重点治理的区段，但最終设计边坡角较缓，整体边坡角只有38°（研究推荐边坡角为40～44°），因此暂未布置监测点。待边坡揭露后，可根据实际地质情况增加监测点。

5   结束语

本文根据玉龙铜矿的工程地质，将矿区分为4个工程地质区，选取11个边坡稳定性计算剖面，建立边坡稳定性数值计算模型。研究结果表明，自然状态下有部分设计边坡不满足要求，爆破状态下有5个坡面不满足安全系数。本文对5个坡面进一步提出了优化方案。

由于最终边坡的稳定性与最终边坡境界、边坡高度、边坡岩体条件等多因素直接相关，为此当边坡境界调整或岩体条件发生变化时，应及时补充各剖面最终边坡角的验证工作。

由于边坡工程地质条件的复杂性，随着矿山的开采剥离，可能会出现边坡岩体条件变化，特别是揭露出局部构造破碎带，对边坡的稳定性会产生影响。因此，在露天采场裂隙发育、断裂破碎带、强风化带等地段，宜采用护墙、抗滑桩、锚固、喷射混凝土等工程措施，预防边坡岩体发生崩塌。此外，为保证生产安全，还要合理地、适时布置边坡变形监测系统。

参考文献

[1] 李红毅.宝日希勒露天矿端帮煤靠帮开采边坡稳定控制技

术[D].辽宁工程技术大学，2023.

[2] 韩流，周伟，舒继森，等.软岩边坡平面滑动时效稳定性分

析及结构优化[J].中国矿业大学学报，2014，43（3）：395-401.

[3] 谢欢欢，夏江黔，廖德武，等.露天石灰岩矿山高边坡岩体

稳定性综合分析[J].地下水，2023，45（5）：167-169.

[4] 杨祥飞.露天矿边坡稳定关键影响因素及边坡治理与采矿

一体化方法探讨[J].世界有色金属，2022（7）：52-54.

[5] 易大雄.基于极限平衡理论的路堑高边坡稳定性分析方法

[J].黑龙江交通科技，2021，44（7）：7-8+11.

[6] 潘荣森，陈浩，杨砚等.露天高陡型边坡爆破振动监测和稳

定性分析[J].铜业工程，2023（2）：141-146.

[7] 张金山，郝文刚，任杰.山西某矿井工开采对露天矿边坡稳

定影响[J].煤炭技术，2018，37（4）：7-8.

[8] 潘奇波.露天矿边坡稳定性监测技术现状及进展[J].中小

企业管理与科技，2022（10）：136-138.