德兴铜矿官帽山边坡稳定性分析

德兴铜矿官帽山边坡稳定性分析

摘 要：官帽山边坡位于我国最大的有色金属矿山--德兴铜矿富家坞采矿场，由于原地方单位不合理露采和坑采及切坡过陡，导致官帽山边坡产生多处小规模的滑塌，采空区发生大面积的坍塌，边坡的整体稳定性直接影响着矿山后期开采安全。本文通过对官帽山边坡综合分析、计算，确定边坡整体处于稳定状态，但不排除在暴雨及爆破震动作用下边坡局部失稳的可能。

关键词：德兴铜矿 官帽山 边坡 稳定性分析 局部失稳

1引言

官帽山边坡位于我国最大的有色金属矿山--德兴铜矿富家坞采矿场，为一人工岩质边坡。由于原地方单位对官帽山矿体进行了不合理露采和坑采及切坡过陡(50-54°)，导致官帽山边坡产生多处小规模的滑塌，采空区发生大面积的坍塌，并且在坡体产生了比较集中的三个裂缝带。德兴铜矿接手后，对原裂缝带进行了剥离卸荷，在坡体仅剩下一条长约10m的张裂缝。为了对官帽山铜矿进行分级露天剥离开采，对富家坞官帽山边坡进行稳定性分析和评价十分必要。

2边坡地质环境条件

2.1地形地貌

富家坞矿区位于怀玉山脉官帽山支脉的南东麓，为低山丘陵地带，属构造剥蚀地形。区内侵蚀基准面海拔160m，工作区处于分水岭近旁。官帽山山体经数次人工改造，目前山顶高程约620m。在山顶南侧现有剥离台阶3级，每级台阶高约15m，整体坡度约38°，第三级台阶剥离至575m。剥离的土石少部分沿山坡及山前的沟谷进行堆弃，在平面上可分为2个不同的弃石堆。坡脚运矿公路在305～310m高程处通过，公路为半挖半填式，公路内侧切坡较陡，坡度约50度，高度约20m，见图1。

2.2地层岩性及物理力学性质

工作区地层均为震旦系浅变质岩系，主要为一套泥砂质与凝灰质混合沉积层，具类复理式建造，由绢云母千枚岩、绿泥石绢云母千枚岩、凝灰质千枚岩及沉凝灰岩组成。总体地层走向近EW，倾向NNW—NNE，倾角30°—70°，呈一单斜层序产出。岩浆岩主要为燕山早期第二阶段侵入的脉状花岗闪长斑岩。根据勘查资料综合分析，工作区边坡地层岩性如下：

①素填土（Qml）：主要分布于高程305m与575m之间，分布厚度受原地形

影响，厚度为0～5.6m，平

均厚度3.0m。物质成因主要为原山体开挖堆积，物质成份为强、中风化基岩碎块夹细颗粒组成，碎块级配好，直径多在30~50cm，最大可达2m，碎块含量约占50%，碎块直径随高程降低而变大、含量也随其增加。

②强风化千枚岩（Ptsh）：黄褐色，千枚状结构，块状构造，岩芯破碎，以碎屑状为多，少量块状。钻探所揭露厚度3.50~25.0m，岩芯采取率82%~87%，岩石单轴饱和抗压强度平均值4.1MPa，岩石基本质量等级为Ⅴ级。

③中风化千枚岩（Ptsh）：灰黄～青灰色，千枚状结构，块状构造，岩芯较破碎，节理裂隙较发育，多被黄铁矿细脉充填，岩芯以碎屑、碎块状为主，少量短柱状。钻探揭露厚度10.20~46.50m，岩芯采取率87%~91%，岩石单轴饱和抗压强度平均值12.7Mpa，岩石基本质量等级为Ⅳ级。

④微风化千枚岩（Ptsh）：灰绿色，千枚状结构，块状构造，岩芯较新鲜，岩芯较完整，以短柱状为主，强度较高。岩芯采取率90%~93%，岩石饱和抗压强度平均值22.0 Mpa，岩石基本质量等级为Ⅳ级。

⑤花岗斑岩（γδπ）：浅灰绿色，全晶质斑状结构，块状构造，斑晶主要为石英、黑云母、角闪石、正长石等，粒度一般为2-5mm，最大达2cm。岩芯较新鲜、完整，以柱状为主，强度较高，主要以透镜状分布，厚度3.9~14.0m。

依场地内裂隙、节理结构面的发育程度判定岩体完整程度属较完整，结构面结合一般，多为闭合型。根据岩体完整程度及结构面特征确定该边坡的岩体类型为Ⅱ类，区内主要岩体物理力学性质见表1。

岩体物理力学性质统计表 表1

2.3 地质构造与地震

2.3.1地质构造与节理、裂隙

从区域地质来说，富家坞矿区处于隆起与凹陷交接的脆弱地带，并为多构造体系的主干断裂交接复合部位。因此，矿区断裂构造显得特别发育，组次多，强度大，而褶皱构造相对不太发育，褶皱构造仅表现为官帽山向斜及其次级褶曲。

官帽山边坡区及其周围的断裂构造主要有NE向、NNE向和NW向断层。

由于矿区构造岩浆活动频繁，各期活动均派生广泛而多样的微细裂隙，经地表裂隙调查，区内主要发育有以下几组节理、裂隙：

（1）倾向70-75°，倾角36-81°，该组裂隙主要发育在L2、L4、L9点。

（2）倾向113°，倾角69°，该组裂隙主要发育在L8点。

（3）倾向156-171°，倾角50-76°，该组裂隙主要发育在L5、L7及L10点。

（4）倾向196-204°，倾角34-78°，该组裂隙主要发育在L3、L4、L6及L10点。

（5）倾向242-279°，倾角57-72°，该组裂隙主要发育在L1、L5、L6、L7及L11点。

（6）倾向296-315°，倾角69-81°，该组裂隙主要发育在L1、L8、L9及L11点。

边坡主要坡向约140度，与坡向呈顺向关系的裂隙为第3组裂隙，按照该裂隙的特征（裂隙面闭合、贯穿长度小、裂隙倾角比坡角大），其对边坡的稳定性影响较小。其余各组裂隙均与坡向呈斜向、逆向关系，所以对边坡稳定性基本无影响。仅在L4、L10点的两组裂隙所切割的楔形体的组合面方向与坡向呈顺向关系，且组合面的倾角小于坡角，初步判断楔形体有滑移破坏的可能。

2.3.2地震

工作区位于稳定性较好的泗洲庙复向斜南翼，根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）和国家地震局1:400万《中国地震烈度区划图》（1990年，50年超越概率10%），工作区一带抗震设防烈度为小于6度区，区内场地土类型属中硬土，Ⅰ类建筑场地。

1.4气象条件及水文地质特征

（1）气象条件

区内气候温和湿润，四季分明，雨量充沛。年平均气温17.4℃，极端最高气温39.5℃，极端最低气温－10.4℃。多年平均降雨量为1996.6mm，最大降雨量为2803.6mm，最小降雨量为1312.8mm，最大日降雨量为311.7mm，最大小时降雨量为67mm，每年的3～7月份为丰水期，降雨量占全年降雨量的70%，8-11月为平水期，12月至次年2月份为枯水期。

（2）水文地质条件

工作区处于含水微弱的变质千枚岩系广布的山区，地形陡峻，山沟纵贯，地

表水、地下水排泄条件极好，不利于地下水的积集。地下水类型主要有第四系孔隙水和基岩构造裂隙水。第四系孔隙水含水介质为人工松散堆积物，其孔隙发育，但无贮水条件，降雨由坡体渗入沿坡脚流出，迳流时间一般3～5天。基岩构造裂隙水主要受构造断层及岩石裂隙发育情况控制，水量较贫乏。

3边坡稳定性分析评价

3.1边坡稳定影响因素分析

1、地层岩性因素

边坡出露地层为震旦系浅变质岩，主要由绢云母千枚岩、绿泥石绢云母千枚岩、凝灰质千枚岩及脉状花岗斑岩组成。受区域构造及原采矿单位切坡爆破开采的影响，基岩节理裂隙发育，局部成碎块状，岩石的本身特性及破碎程度是边坡稳定性影响的主要物质因素。

2、地形地貌因素

工作区属典型构造侵蚀低山丘陵地貌，高差大，地形坡度较陡（35-45°），边坡有人类采矿、修路切坡造成较多高陡的坡坎，形成临空面，不利于边坡的稳定。

3、大气降水因素

区内汛期雨量充沛，且多以大暴雨形式发生。大暴雨过程中大量地表水渗入地下，并沿裂隙下渗，使裂隙面的力学强度降低；勘查区极端最低气温－10.4℃，冬季雨雪沿裂隙下渗冻胀将使裂隙面的力学强度大大降低，是导致崩滑的主要诱发因素。

4、人工爆破

矿山爆破开采对边坡岩体的影响很大，加快了浅部岩体的破碎程度，迫使节理、裂隙更加发育和贯通，容易造成边坡局部崩滑。

5、坑采空区

由于采矿形成的坑采空区对边坡的稳定性影响，主要在于形成局部临空面。虽经冒落充填，但回填土体松散、欠固结，不利于边坡底部岩体抗剪。

3.2 边坡稳定性定性分析

工作区边坡由于原采矿单位进行露天开采时切坡过陡，山脚至山腰部位坑采空区发生大面积的坍塌，破坏了原自然边坡的稳定性，并且在官帽山顶620m标高平台产生了相对比较集中的三个裂缝带。后经剥离卸荷，原山顶裂缝在575m

平台处已基本尖灭或接近尖灭，仅剩下一条近似垂直向下延伸长约10m、宽3-5cm的张裂缝，对边坡整体稳定性已基本无影响。

官帽山边坡总体倾向为东南向约140°，总体坡度为30°～38°之间，影响边坡稳定的各因素中：①边坡出露地层总体走向近EW，倾向NNW—NNE，倾角为30°～70°，呈一单斜层序产出，除表部地层较破碎外，深部地层完整性较好；②区内构造断层基本为NE向或NNE向压扭性断层，倾向NW或NNW，倾角在55°～80°之间，与地层产状基本接近；③通过节理、裂隙分析统计，边坡区顺坡向节理、裂隙不太发育，且多为闭合状不连续状；④对官帽山顶原裂缝带剥离卸荷后，经过多次的持续强降雨和爆破震动，边坡未发生过滑坡或崩塌。

综上所述，可以判定官帽山边坡在现状条件下整体稳定性较好，但不排除局部小规模的楔形体滑塌和崩塌落石等灾害的存在。小规模的楔形体滑塌可能产生的地段主要在边坡东面陡坎较多处，以L4点为例，其结构面赤平投影见图2。

当楔形体下放方存在临空面时，在自然状态下处于稳定，一旦状态改变（如大暴雨、结构面冰雪冻胀、爆破震动等），将有可能产生滑塌现象。

3.2.3 边坡稳定性定量计算

（1）计算方法

①整体稳定性计算

整体滑移的产生均沿深层的控滑结构面及破碎带产生，本次计算根据钻孔揭露的破碎段按最不利组合，以575m平台ZK1孔附近裂缝为起算点，进行边坡稳定性计算，实际上本次计算所采用的滑面是一假设的贯穿连通面，客观上该面是非贯穿的，所以计算结果偏于保守。计算选A—A’ 剖面，该剖面上各钻孔所揭遇的破碎段分布情况见表2。计算方法采用折线滑动法进行计算。

A—A’剖面破碎段一览表 表2

整体稳定性计算按各钻孔破碎段的最不利连线作为潜在滑动面，根据整体破坏所剪出的高程不同可分为三种滑动模式，见图3～4。

②局部稳定性计算方法：

边坡局部失稳多沿浅层的软弱结构面产生滑动，根据裂隙统计资料，场地内主要发育的裂隙为共轭裂隙，该类裂隙多把岩体切割成楔形体，当两组裂隙所切割楔形体的组合面与坡向形成顺向关系时，人工切坡后形成临空面，在雨水、震动等外因的影响下将产生小规模滑动，官帽山原滑塌破坏就属此种破坏类型。

根据各裂隙点的裂隙产状与边坡的关系通过赤平投影，按可能产生楔形体破坏的裂隙点（L4）进行稳定性计算，计算方法采用理正岩土三维楔形体稳定性分析软件进行计算。

（2）计算参数

① 边坡岩体重度:弃石堆和强风化千枚岩均按强风化千枚岩室内试验平均值取天然重度26.8 kN/m3，饱和重度27.0kN/m3；中风化按室内试验平均值取天然重度27.1 kN/m3，饱和重度27.2kN/m3。

② 整体稳定性计算所需的破碎段天然抗剪强度按碎石土查表，同时参照岩石室内抗剪强度试验值，结合破碎段情况及区域经验，综合取值为c=0.1MPa、φ=40°，饱和抗剪强度值在天然强度的基础上乘以0.9的系数得c=0.09MPa、φ=36.0°；

③ 楔形体计算所需的裂隙结构面天然抗剪强度按结构面特征（软弱结构面、结合很差）查表得的c=30KPa、φ=16.0°。

（3）稳定性计算结果

① 计算工况及荷载

综合影响滑坡稳定性的各种因素，稳定性计算工况有4种，详见表3。

稳定性计算工况 表3

工况 荷载组合

1 自重

2 自重+暴雨

3 自重+爆破震动(影响系数按0.05考虑)

4 自重+暴雨+爆破震动(影响系数按0.05考虑)

② 计算结果

采用相应的公式对不同的滑移破坏模式在不同的工况下进行稳定性计算，计算的滑坡稳定系数见表4。

滑坡稳定系数表 表4

工况 工况一 工况二 工况三 工况四

A-A’剖面 模式一 1.84 1.58 1.66 1.43

模式二 1.69 1.45 1.52 1.31

模式三 2.88 2.50 2.58 2.23

B-B’剖面 楔形体 1.23 1.12 1.21 1.10

3.2.4 稳定性综合评价

经A—A’剖面稳定性计算结果显示，各滑动模式在天然状态下，稳定系数均>1.35，处于稳定状态，遭遇暴雨时最小稳定系数1.45，处于稳定状态。矿区爆破震动时最小稳定系数1.52；处于稳定状态，在暴雨与爆破震动叠加的情况下最小稳定系数1.31，处于稳定状态。

经B—B’剖面上采用由两组裂隙切割的楔形体稳定性计算结果显示，在暴雨、爆破震动及暴雨+爆破震动的工况下，稳定性系数介于1.10~1.21之间。处于欠稳定状态。

通过边坡定性分析、定量计算，综合评价：官帽山边坡稳定整体稳定性好，在现状条件下未出现变形迹象，稳定系数>1.35，处于稳定状态。需要指出的是边坡人工改造后由多组裂隙相互切割的楔形体会出现变形现象，存在局部失稳的可能性。

4结论及建议

（1）官帽山边坡为一人工切坡形成的岩质边坡，高程305~620m，整体坡度约38°，局部坡度为50-54°，边坡岩体主要由强～微风化千枚岩组成，部分覆盖由剥离卸荷顺坡堆填的松散土层。

（2）山顶裂缝带剥离卸荷后，原山顶裂缝基本被挖除，仅剩的一条裂缝宽度3-5cm，延伸长度约10m，可见原山顶裂缝在575m平台处已基本尖灭或接近尖灭；另据勘查期监测资料显示，近两个月时间监测点变形甚微，可判定该裂缝

对边坡整体稳定性已基本不构成威胁。

（3）经综合分析、计算，可以确定边坡整体处于稳定状态，可以不必进行工程治理，但不排除在暴雨及爆破震动作用下局部边坡过陡处岩体崩塌、小规模楔形滑塌的可能性。后期开采对边坡的坡度控制及监测工作非常重要，需严格按有关规范规程执行。

参考文献：

[1] 江西省勘察设计研究院. 江铜集团德兴铜矿富家坞采场官帽山边坡稳定性勘查报告 [R]. 2010.7

[2] 中华人民共和国国家标准GB50021-2001.岩土工程勘察规范（S）.2002.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。