陳慶發(fā),馬付超,張世雄

(1.廣西大學(xué)資源與冶金學(xué)院,廣西 南寧 530004)

(2.甘洛豫光礦業(yè)有限責(zé)任公司,四川 甘洛 616850) (3.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430070)

金堆城鉬礦是國內(nèi)乃至亞洲最大的露天鉬礦山,其礦床規(guī)模巨大、形態(tài)簡單、且埋藏淺,適宜露天開采[1]。礦床由一個巨大的近于水平產(chǎn)出的規(guī)則透鏡狀礦體構(gòu)成,礦體走向 330°～150°,傾向北東,傾角 70°,長 2 200 m,寬 600～800 m,深 600～800 m(未封鉆)。根據(jù)最低可采品位 0.06%、邊界品位 0.03%、最大允許夾石厚度 4 m、最小可采厚度2 m計算礦石地質(zhì)儲量約為 10億 t,鉬金屬量約 100萬 t。依據(jù)金堆城鉬礦工程初步設(shè)計,金堆城鉬礦采用分期開采,即開采順序為小北露天、南露天和全露天,目前開采為小北露天(見圖 1)。露天邊坡在水平面上呈矩形,豎向剖面上呈直線型,造成 4個邊角部位大量無用剝離；4個直角邊兩向受力狀態(tài),受地應(yīng)力的壓迫向坑內(nèi)彎曲,處于拉應(yīng)力狀態(tài),不符合露天礦邊坡少剝離技術(shù)的空間力學(xué)原理[2,3]。為了有效降低剝采比優(yōu)化邊坡形狀,開展了包括邊坡表層松動巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查、松動巖體分布范圍測試和邊坡巖體內(nèi)部位移測試等多項工程特性研究工作。

邊坡表層松動巖體力學(xué)性質(zhì)受到各種結(jié)構(gòu)面的控制和影響,巖體結(jié)構(gòu)特征是控制邊坡巖體變形和破壞機制的決定性因素,而發(fā)育于巖體中各種不同成因的結(jié)構(gòu)面則往往是變形和破壞的關(guān)鍵部位。在各類工程巖體力學(xué)問題的評價和計算中,對巖體結(jié)構(gòu)特征的研究是必不可少的。結(jié)構(gòu)面調(diào)查重點是對Ⅳ、Ⅴ級節(jié)理裂隙的組數(shù)、密度、彼此交切情況,特別是結(jié)構(gòu)體的幾何形態(tài)及咬合狀態(tài)進行調(diào)查研究。節(jié)理裂隙調(diào)查分析可為工程巖體的力學(xué)特性分析、力學(xué)參數(shù)修正、采礦工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析等研究提供重要依據(jù)[4]。

圖 1 金堆城露天礦俯視圖

1 節(jié)理裂隙詳細(xì)線觀測窗口的選擇

為掌握邊坡表層松動巖體節(jié)理裂隙的分布規(guī)律,進行了大量細(xì)致的節(jié)理裂隙調(diào)查與統(tǒng)計工作。詳細(xì)線觀測窗口的選擇取決于觀測任務(wù),一般不要求均勻分布,而應(yīng)該根據(jù)邊坡松動巖體的工程地質(zhì)情況和節(jié)理裂隙發(fā)育情況,布點疏密適當(dāng)。觀測窗口要有代表性,應(yīng)在邊坡不同部位、不同深度、不同巖系、不同巖性層中的構(gòu)造重要部位布置。構(gòu)造愈復(fù)雜,布置的觀測窗口應(yīng)愈多?，F(xiàn)場踏勘表明,礦區(qū)內(nèi)節(jié)理裂隙很發(fā)育,巖石普遍發(fā)育各種方向的節(jié)理,礦體范圍內(nèi)成礦前的節(jié)理裂隙均為各種礦脈所充填；露天礦鉆孔資料也同時表明,地表以下數(shù)百米處節(jié)理裂隙仍很發(fā)育。在現(xiàn)場踏勘的基礎(chǔ)上,確定了10條有代表性的詳細(xì)線 (見表 1)。在詳細(xì)線測量過程中,利用地質(zhì)羅盤來測量節(jié)理裂隙的走向、傾角。觀測內(nèi)容則包括節(jié)理的巖性、所處的構(gòu)造部位、節(jié)理組的走向或傾向等,以陡、中陡、中等、平緩等詞語描述節(jié)理組的傾角趨勢并記錄。

表 1 詳細(xì)線觀測窗口選擇

2 節(jié)理裂隙數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

對節(jié)理裂隙長度超過 2 m的進行測量,小于 2 m的不參與調(diào)查,但在巖體質(zhì)量分級和力學(xué)參數(shù)選取時應(yīng)適當(dāng)考慮。對 10條詳細(xì)線進行實地調(diào)查數(shù)據(jù)及時整理,各詳細(xì)線的節(jié)理裂隙數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表 2。

表 2 節(jié)理裂隙數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

從表 2可以看出,各幫邊坡平均節(jié)理裂隙均值大都在 2條/m以上,平均間距和主導(dǎo)間距都比較小,這說明邊坡巖體非常破碎,這與聲波測試得出結(jié)論是基本一致的[5]。節(jié)理裂隙的大量存在對邊坡表層巖體穩(wěn)定性具有不利影響,需要在施工過程中加強監(jiān)測與管理,避免邊坡滑坡災(zāi)害,特別是在大爆破與降雨過程中應(yīng)加強人工觀測,局部危險性較大區(qū)域需強化支護措施。

3 節(jié)理裂隙分布規(guī)律研究

3.1 各詳細(xì)線節(jié)理裂隙分布規(guī)律

結(jié)構(gòu)面的表示方法很多,如玫瑰花圖、等角度圖或等面積散點圖、等密度圖等,通過確定它們的夾角和組合關(guān)系來確定巖體的結(jié)構(gòu)特征。對金堆城露天礦深凹邊坡,將每組詳細(xì)線測量的結(jié)果進行整理,應(yīng)用計算機繪出節(jié)理玫瑰花圖和施密特投影等密度圖。施密特投影等密度圖代表了不同結(jié)構(gòu)面組方位的離散程度,可以定量地反映不同組節(jié)理發(fā)育的密集程度及其優(yōu)勢方位,這是其他圖示法所不能比擬的,在工程地質(zhì)界得到廣泛采用。限于篇幅,僅給出E1線節(jié)理裂隙走向、傾角玫瑰花圖 (見圖 2)和 E1線施密特投影等密度線圖(見圖 3)。在定義優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面時,我們?nèi)∈┟芴氐让芏染€圖種,以極點中心密度 ＞5%的區(qū)域為優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組。

圖 2 E1線的走向(左)和傾角(右)玫瑰花圖

圖 3 E1線施密特投影等密度線圖

E1線共有 5組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組,節(jié)理走向分布主要集中于 340°～35°之間,其中NW350°方向的節(jié)理裂隙數(shù)量最多；節(jié)理傾角分布集中于 30°～80°之間,其中 70°的傾角數(shù)量最多；節(jié)理裂隙基本張開角較小,總體呈壓性,局部呈張性,充填物較少,以長石、石英為主。E2線共有 3組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組,節(jié)理走向主要集中于NW270°～280°、NW340°～350°以及NE50°～80°之間,以NW270°方向的節(jié)理裂隙數(shù)量為最多,NW350°和NE65°方向的節(jié)理裂隙數(shù)量緊隨其后；節(jié)理傾角分布主要集中于 35°～65°,且傾角為 60°時的數(shù)量最多,傾角為 38°時也多；結(jié)構(gòu)面較為粗糙,呈壓性。E3線共有 2組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組,節(jié)理走向分布主要集中于 330°～30°和NE55°～80°之間。其中 350°方向的節(jié)理裂隙數(shù)量為最多；傾角分布主要集中于 35°～80°,其中 60°傾角數(shù)量最多；結(jié)構(gòu)面光滑波狀較多,呈壓性。E4線有 4組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組,節(jié)理走向集中于NW290°～310°、300°～20°和NE40°～80°之間,其中NW350°方向的節(jié)理裂隙數(shù)量最多；傾角集中分布在 35°～80°,其中 50°和70°的傾角最多,2個角度數(shù)量基本相等；結(jié)構(gòu)面較粗糙的,力學(xué)性質(zhì)以壓性和壓扭性為主,結(jié)構(gòu)面較為平滑的,力學(xué)性質(zhì)主要為壓扭性,壓性、張性為次之。

W1線共有 5組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組,節(jié)理走向分布主要集中于 340°～20°之間,其中以 360°方向的節(jié)理裂隙數(shù)量最多；節(jié)理傾角集中分布于 60°～80°,其中以 80°的傾角數(shù)量最多；結(jié)構(gòu)面光滑波狀,力學(xué)性質(zhì)以壓性和壓扭性為主。W2線有 4組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組,節(jié)理走向分布主要集中于 NW280°～290°、NW310°～320°和NE10°～50°之間,其中以NW320°方向時節(jié)理裂隙數(shù)量最多；傾角分布集中于70°～80°,以 80°的傾角數(shù)量最多；結(jié)構(gòu)面光滑波狀,力學(xué)性質(zhì)以壓扭性為主。W3線有 1組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組,節(jié)理走向分布主要集中于 NE40°～70°之間,其中以NE70°方向的節(jié)理裂隙數(shù)量最多；傾角多分布在60°～80°,以 70°傾角的數(shù)量最多。

S1線有 2組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組,節(jié)理走向分布主要集中于 NW270°～340°之間,其中以 280°方向的節(jié)理裂隙數(shù)量最多；傾角集中在 35°～80°,以 50°的傾角數(shù)量最多。結(jié)構(gòu)面平直光滑,呈壓性；S2線有 3組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組,節(jié)理走向分布主要集中于NW310°～320°、NE60°之間,其中以NE60°方向的節(jié)理裂隙數(shù)量最多,以 80°傾角的數(shù)量最多,結(jié)構(gòu)面較粗糙,壓性為主,充填物主要有石英、石英脈、黃鐵礦脈。

N1線有 1組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面,節(jié)理走向分布主要集中于NW330°～345°之間,其中以NW330°方向的節(jié)理裂隙數(shù)量最多；傾角分布集中在 50°～60°,以 50°傾角的數(shù)量最多；結(jié)構(gòu)面光滑波狀,呈壓性。充填物主要有石英、長石脈。

3.2 各幫邊坡節(jié)理裂隙分布規(guī)律綜合分析

將各幫邊坡上的多條詳細(xì)線合并繪出節(jié)理裂隙等密圖,可得出各幫節(jié)理裂隙存在著以下分布規(guī)律：

⑴東幫邊坡的節(jié)理裂隙走向主要以東西向、近東西向為主,正南北向也存在著 1組優(yōu)勢節(jié)理組,東幫中的節(jié)理裂隙傾角普遍較大,大部分以直立、近乎直立的產(chǎn)狀存在。西幫邊坡的優(yōu)勢節(jié)理裂隙走向在70°～110°、140°～175°之間分布,傾角以直立、近乎直立的產(chǎn)狀居多,同時存在少部分急傾斜、緩傾斜的節(jié)理裂隙組。

綜合東西兩幫的節(jié)理裂隙調(diào)查,可以斷定西幫走向在 70°～110°之間的節(jié)理裂隙與東幫正東西向、近東西向的節(jié)理裂隙組是貫穿于采場東西兩幫巖體的宏觀裂隙,平行于礦區(qū)內(nèi)近東西向主斷裂,大致平行于采場北幫燕門凹斷裂；而走向在140°～175°之間的優(yōu)勢節(jié)理裂隙組平行于礦區(qū)內(nèi)成礦前及成礦期內(nèi)最晚形成的北西向斷裂。

⑵南幫安山玢巖中的主要優(yōu)勢節(jié)理組大致平行于采場內(nèi)北東向大斷裂中的金堆城 -青崗坪斷裂,節(jié)理性質(zhì)以張性為主；根據(jù)采場現(xiàn)場踏勘可知在露天采場南東方向附近,擠壓破碎嚴(yán)重,為露天采場西南角處分布的花崗斑巖的侵入和礦體的形成提供了依據(jù)。露天采場北幫優(yōu)勢節(jié)理組平行于北幫燕門凹斷裂,該組優(yōu)勢節(jié)理組受東西向斷裂束控制,屬于礦區(qū)成礦后斷裂。

4 邊坡松動巖體潛在破壞模式研究

巖質(zhì)邊坡多沿巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑動破壞,因此邊坡巖體破壞與結(jié)構(gòu)面的分布、組合及其密度密切相關(guān),應(yīng)結(jié)合所在區(qū)段邊坡巖體的產(chǎn)狀和內(nèi)摩擦角,對邊坡穩(wěn)定性與破壞類型進行判斷[6]。露天礦邊坡破壞模式主要有 4類,如圖 4所示。平面破壞、楔體破壞和圓弧形破壞等 3種形式破壞的機理主要是剪切破壞,傾倒破壞機理主要是受拉破壞。

圖 4 露天邊坡破壞模式

金堆城原設(shè)計邊坡 1 200 m高程以上的邊坡角為 36°,以下為 42°～43°。生產(chǎn)過程中出現(xiàn)邊坡風(fēng)化滾石,于是把邊坡角分別降低到 32°和 41°。本次結(jié)構(gòu)面調(diào)查主要是在 1 200 m高程以下,因此總體邊坡角取 41°。邊坡巖體較破碎,很多地方無法找到合適的節(jié)理調(diào)查的露頭面,大都呈現(xiàn)散體特性,此類邊坡巖體有較大可能發(fā)生局部小規(guī)模的圓弧形破壞,特別是在雨季,隨著大量雨水的浸泡,潛在滑動面抗滑能力減弱,發(fā)生局部圓弧形破壞的可能性較大,建議對邊坡上較破碎區(qū)域加強變形監(jiān)測。

依據(jù)各詳細(xì)線所做的巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查分析結(jié)果,結(jié)合邊坡產(chǎn)狀、邊坡巖體摩擦角、各測線處的工程地質(zhì),對邊坡松動巖體潛在破壞模式進行了分析(見表 3)。

綜合結(jié)構(gòu)面調(diào)查,結(jié)合工程地質(zhì)條件,發(fā)現(xiàn)邊坡巖體較為破碎,除了北幫主要受燕門凹大斷層的影響,其他各幫松動巖體主要受結(jié)構(gòu)面影響,散體狀邊坡巖體主要破壞模式為圓弧形破壞,節(jié)理密集地方的巖體主要破壞模式為楔體破壞。生產(chǎn)中應(yīng)密切對可能發(fā)生破壞的重點區(qū)域加強觀測和重視,特別是雨季雨水浸泡和大型開挖爆破震動的影響,做到防患于未然。

表 3 邊坡潛在破壞模式分析表

5 結(jié)論

在金堆城深凹露天礦邊坡各幫松動巖體現(xiàn)場踏勘和鉆孔資料分析的基礎(chǔ)上,確定了多條有代表性的詳細(xì)線,進行了節(jié)理裂隙詳細(xì)現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)據(jù)分析處理工作。利用玫瑰花圖和施密特投影等密度圖,重點分析了各詳細(xì)線和各幫邊坡的節(jié)理裂隙產(chǎn)狀分布規(guī)律,結(jié)合邊坡產(chǎn)狀、邊坡巖體摩擦角、各測線處的工程地質(zhì),深入探討邊坡松動巖體潛在的破壞模式。研究表明,金堆城深凹邊坡表層松動巖體大部分是比較穩(wěn)定的,有較大可能發(fā)生局部破壞的邊坡主要以受結(jié)構(gòu)面控制的楔體破壞、平面破壞為主,其次受斷層控制的北幫邊坡主要以平面破壞為主,多次滑坡后的堆積層則有可能再次以圓弧面破壞模式發(fā)生破壞。研究成果為巖體質(zhì)量分級和凹陷露天礦邊坡形狀優(yōu)化提供了重要的參考依據(jù)。

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[2] 張世雄.凹陷露天礦邊坡少剝離技術(shù)的時空原理[J].中國礦業(yè),1998,9(2)：26-28.

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[6] 張世雄.固體礦物資源開發(fā)工程[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社,2005.