秀水河鐵礦露天采場邊坡巖體質量評價

張良喜，韓剛

（四川省第四地質大隊，成都 611130）

釩鈦磁鐵礦是我國重要的戰略礦產資源，四川省攀西地區儲量尤為豐富。為進一步滿足日益增長的資源需求，亟需開展現有礦山擴能開采設計及露天采場邊坡穩定性研究，而礦山邊坡巖體質量評價則是上述工作的基礎。巖體質量主要受控于巖性、結構面特征、風化卸荷狀態、地下水條件等工程地質因素，常用的巖體質量分級方法主要是根據上述因素采用并聯或串聯的方法量化評價（張倬元等，1994）。目前，適用于礦山邊坡巖體質量分級的方法主要有BQ 法（工程巖體分級標準（GB50218-2014））、RMR 法（Bieniawski ZT，1974）等。BQ 法涵蓋巖石堅硬程度和巖體完整程度兩個基本指標，并根據結構面類型、延伸性、地下水發育程度、結構面產狀與坡面關系、地應力等進一步修正。RMR 法包括完整巖塊強度、RQD、節理間距、節理條件及地下水等指標，同時考慮結構面產狀對邊坡巖體穩定性的影響。由于RMR巖體質量分級結果可以與地質強度指標GSI 關聯（Hoek，2019），并可進一步確定巖體抗剪強度參數（非煤露天礦邊坡工程技術規范（GB51016-2014）；許宏發等，2014），在我國邊坡、硐室、壩基等穩定性評價過程中得到廣泛應用（劉業科等，2010；王樂華等，2013；劉國鋒等，2022）。

本文以四川省涼山彝族自治州會理市秀水河鐵礦為例，采用工程地質測繪、鉆探、微動勘探、室內與現場巖石力學試驗等方法，在查明邊坡工程地質環境條件基礎上，量化巖體質量分級指標，包括：巖石堅硬程度、完整性程度、RQD、結構面特征、地下水特征等，進一步開展邊坡巖體質量分級;采用微動勘探方法對比分析，成果對攀西地區類似礦山邊坡巖體質量勘察、評價具有借鑒意義。

1 地質構造

秀水河鐵礦露天采場位于會理市，礦區中心點坐標：東經102°02′36″，北緯26°36′31″。礦區出露第四系覆蓋層以及海西期、印支期層狀含釩鈦磁鐵礦基性-超基性巖體、印支期花崗巖，偶見細晶輝長巖脈，由上而下分別由輝長巖、輝石巖和橄欖巖組成三個含釩鈦磁鐵礦層，以輝石巖含礦性最好，分布范圍大，次為橄欖巖層，輝長巖層含礦性較差。礦體呈層狀、似層狀、透鏡狀產出，總體為不規則巖盆。秀水河含釩鈦磁鐵礦基性～超基性層狀巖體為紅格巖體南東段一部分，構造由兩條南北向深大斷裂：昔格達斷裂和安寧河斷裂，和系列東西向次級斷裂帶組成。南北向昔格達斷裂嚴格控制著基性～超基性含礦巖體展布。

2 露采邊坡工程地質條件

2.1 地形地貌

呈不規則圓形（圖1、圖2），東西長1 200 m，南北長1 000 m，境界周長4 000 m，面積0.7 km2，自然排水封閉標高2 265 m，地勢北部高、南部低，坡度較陡，海拔高程2 300～2 670 m，相對高差370 m。其中，北幫邊坡高度至設計最終開采平臺邊坡高369 m；西幫與東幫最終開采面高度分別為223 m、161 m；南幫目前以自然邊坡為主。采場最終露天底最低部高程2 220 m，最終將形成超過400 m 高邊坡。

圖1 秀水河鐵礦礦區全貌圖（鏡頭方向正北）

圖2 秀水河鐵礦邊坡工程地質平面圖

2.2 地層巖性

除第四系人工填土和坡殘積層，含礦巖體由輝長巖、輝石巖和橄欖巖三個含釩鈦磁鐵礦層，礦巖體周邊和內部發育輝長巖、輝長玢巖及花崗巖（圖2）。含礦巖體主要出露于2 545 m 平臺以南區域；輝長巖灰綠-暗綠色；輝長玢巖呈透鏡狀產出于輝長巖中，略帶綠色；花崗巖分布于礦區周邊，為鉀長花崗巖肉紅色。

2.3 結構面特征

發育26 條斷層（圖2）影響寬度較小，延伸不大。根據《水力發電工程地質勘察規范》（GB 50287-2016）附錄F，結合礦區斷層發育規模和特征，將礦區內斷層分級為Ⅲ級、Ⅳ級。根據斷層延伸方向，可將礦區斷層分為近南北向、北東向東西向以及北西向4 組，以近南北向斷層延伸最大，北東向斷層發育程度最高。

Ⅲ級結構面主要為F1逆斷層（圖2），延伸長900 m，產狀NW342°～355°/NE ∠59°～65°，上下盤錯動顯著，斷裂帶有強烈擠壓形成構造透鏡體和密集擠壓小褶曲，破碎帶寬0.3～0.5 m密實程度較松散，膠結差，充填擠壓片狀巖、碎裂巖，斷層局部發育黑色斷層泥。

Ⅳ級結構面主要為小斷層，規模較小，破碎帶寬一般小于30 cm，充填碎裂巖、巖屑及局部夾泥；延伸一般50～200 m，少量斷層延伸長大于200 m。

為查明Ⅴ級結構面布置30 條測線，統計Ⅴ級結構面均為硬性結構面，發育于輝長巖、輝長玢巖、花崗巖內。結構面以平直粗糙為主卸荷帶結構面多可見鐵紅色銹染，呈強風化，其余為中～微風化，含礦巖體結構面以平直光滑為主，可見擦痕鏡面，普遍見鈣膜充填，黑色、暗紅色銹染。Ⅴ級結構面走向以NNE、NNW 為主，NWW 次之，傾角以中～陡傾為主，少量中傾角，延伸長度小于5 m，隨機發育。優勢產狀：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 風化卸荷帶

采區開挖邊坡總體為中風化～微新巖體，中高高程帶邊坡可見強風化巖體。西幫開挖邊坡2 468 m 高程以下為微新巖體，2 468～2 510 m 高程發育中風化巖體，2 510 m 高程以上為強風化。北幫開挖邊坡2 625 m 高程以下為微新巖體，2 625～2 650 m 高程發育中風化巖體，2 650 m 高程以上強風化。東幫開挖邊坡2 464 m 高程以下為微新巖體，2 464～2 490 m 高程發育中風化巖體，2 490 m 高程以上邊坡為強風化。

除靠幫及臨空部有卸荷巖體外，礦山開挖邊坡卸荷致巖體應力差異性釋放，邊坡一定水平深度內巖體松弛，裂隙張開，強卸荷巖體位于開挖面5 m 深度范圍，巖體完整性破碎～較破碎，裂隙密集，普遍張開，張開大于幾厘米，有架空現象，部分看到明顯松動或變位錯落，卸荷裂隙沿原有結構面張開，多呈整體松弛。

2.5 水文地質條件

地下水賦存和補給條件差，大部分斷層和破碎帶中未見地下水出露。采場底部受F1斷層影響有少量出露，受季節性影響較大?，F場壓水試驗結果表明，中風化地層巖性透水率1.62～12.86 Lu，滲透系數1.76×10-2～13.8×10-2m/d，屬弱透水～中等透水；微風化地層巖性透水率為0.53～10.85 Lu，滲透系數0.57×10-2～11.7×10-2m/d，屬微透水～弱透水，局部為中等透水?？辈炱陂g處于雨季中期至旱季，鉆孔進行了地下水位觀測，大部分鉆孔為干孔，少量鉆孔觀測到地下水位。

3 鉆孔巖芯特征

開展巖體質量分級，在1-1’勘探剖面布置ZK1～ZK5 勘探鉆孔（圖2），孔口高程2 360～2 570 m，孔間距120～170 m，孔深70～140 m，孔口巖體屬微風化。采用雙重巖心管取芯鉆探，現場編錄，測定巖芯RQD 值、統計結構面間距、結構面性狀及巖芯破碎程度。鉆孔巖芯基本特征如下：

ZK1 鉆孔：孔深70.12 m。0～1.2 m 人工填土；1.2～57.4 m 微風化輝長巖；57.4～70.12 m 微風化輝長玢巖。近地表10 m 輝長巖節理面發育較少，受卸荷影響，普遍銹染（圖3），孔深增加節理面數量增多，呈微風化（圖4）?？咨?0～45 m，發育一條陡傾軟弱夾層，極破碎（圖5）。輝長玢巖節理面發育較少，孔底巖體較為破碎（圖6）。

圖3 ZK1 鉆孔4.75～9.80m 特征

圖4 ZK1 鉆孔19.20～24.60m 特征

圖5 ZK1 鉆孔57.10～61.60m 特征

圖6 ZK1 鉆孔66.30～70.12m 特征

ZK2 鉆孔：孔深140.0 m，0～30.4 m 微風化鐵礦石；30.4～32.3 m 微風化輝長巖；32.3～38.0 m 微風化鐵礦石；38.0～67.1 m 微風化輝長玢巖；67.1～98.3 m 微風化輝長巖；98.3～140.0 m 微風化花崗巖。鐵礦石極破碎，局部可見短柱狀巖芯外，均呈碎塊狀，斷口呈鐵紅色銹染，強風化（圖7）。輝長玢巖節理面較發育，可見擦痕鏡面，普遍銹染（圖8），孔深85 m 受斷層F1影響，巖芯破碎（圖9）?？咨?5 m 之下，巖芯呈長柱狀，完整性較好（圖10）。

圖7 ZK2 鉆孔15.90～24.30m 特征

圖8 ZK2 鉆孔71.40～78.80m 特征

圖9 ZK2 鉆孔86.40～94.50m 特征

圖10 ZK2 鉆孔102.6～110.30m 特征

ZK3 鉆孔：孔深110.0 m，0～30.5 m 鐵礦石；30.5～33.7m 輝長巖；33.7～41.5 m 鐵礦石；41.5～91.5 m 輝長巖；91.5～95.7 m 花崗巖；95.7～98.5 m 輝長巖；98.5～110.0 m 花崗巖?？卓? m 范圍，鐵礦石極破碎，孔深增加完整性漸變好，巖芯短柱狀，節理發育，普遍可見擦痕鏡面，發育黃褐色鈣膜，中-強風化（圖11），55～65 m 范圍，節理不發育，巖芯長柱狀，完整性較好（圖12）?？咨?0 m 左右受斷層F1影響巖芯破碎（圖13）?？咨?5 m 之下，巖體完整性變好，局部可見破碎段（圖14）。

圖11 ZK3 鉆孔32.90～40.60m 特征

圖12 ZK3 鉆孔56.0～63.40m 特征

圖13 ZK3 鉆孔63.40～70.85m 特征

圖14 ZK4 鉆孔0～6.0m 特征

圖14 ZK3 鉆孔92.40～98.40m 特征

ZK4 鉆孔：孔深80.0 m。0～26.2 m 微風化輝長巖；26.2～85 m 微風化花崗巖。除孔口5 m 范圍內巖體極破碎外（圖15），其余巖芯完整性較好，局部可見破碎段（圖16），F1斷層不明顯。

圖15 ZK4 鉆孔47.70～54.00m 特征

圖16 ZK5 鉆孔15.4～23.0m 特征

圖17 ZK5 鉆孔47.80～56.00m 特征

4 基于RMR 法的鉆孔巖體質量分級

RMR 法包括5 個基本參數：巖石強度（R1）、RQD（R2）、節理間距（R3）、節理條件（R4）與地下水狀態（R5）。根據評分標準（表1）打分，最終取5 項之和即為RMR 總分值。各評價指標如表1：

根據巖性劃分，選取代表性試樣開展室內巖石抗壓強度試驗，獲得天然、飽和抗壓強度（表2）。除微風化輝長巖單軸抗壓強度小于50 MPa 外，R1=4；其余微風化鐵礦石、微風化花崗巖、微風化輝長巖均大于50 MPa，R1=7。

表2 巖石單軸抗壓強度統計表

由于秀水河礦山地下水賦存和補給條件差，勘察期間在ZK1～ZK5 內均未見地下水，因此地下水條件評分值R5=15。根據巖芯統計分析及巖芯工程地質特征，各鉆孔RQD（R2）、節理間距（R3）及節理條件（R4）如表3 所示，并進一步計算RMR 值。

表3 RMR 值評分表

由表3、表4 可見，秀水河鐵礦邊坡巖體質量具有如下特征（圖18）：

圖18 1-1 工程地質剖面圖

（1）RMR 值最大為70，最小值為29，分別對應II 級與IV 巖體；

（2）由于卸荷、爆破擾動，近地表（垂直深度大約5m）巖體質量較差，多表現為IV 級巖體；

（3）軟弱夾層分布較為隨機，巖體質量多表現為III 級、IV 級；

（4）由于鐵礦石表現出明顯的脆性，極為破碎，受外部擾動較為強烈地段表現為IV 級，其余為III級，局部可見少量II 級巖體；

（5）輝長巖、輝長玢巖與花崗巖性質較為類似，巖體質量以II 級為主；

（6）F1斷層及影響帶為IV 類巖體，呈條帶狀分布。

5 微動勘探

為進一步驗證鉆孔巖體質量分級成果，在1-1 剖面東側約15 m 布置微動勘探剖面W-W’（圖2）。采用ALLSEIS-3CLF 一體化短周期地震計，正交三分量高靈敏度短周期0.2Hz 地震檢波器，沿測線全排列觀測，采用H/V 譜比法估算不同巖體的波速（王偉君等，2009；徐佩芬等，2012；汪文剛，2021）。

微動勘探結果表明（圖19），不同巖體縱波波速存在明顯差異，最大值為4 200 m/s，最小值小于2 000 m/s。若以Vp=4 200 m/s 代表邊坡新鮮完整巖體縱波速，根據《非煤露天礦邊坡工程技術規范》（GB51016-2014）中關于巖體完整程度定量劃分指標Kv，求出不同完整程度巖體縱波波速界限值如下：

圖19 W-W’微動勘探剖面解譯成果

Kv>0.75，Vp>3 600 m/s，完整巖體

0.55

0.35

0.15

Kv<0.15，Vp<2 000 m/s，極破碎巖體

進一步對比圖18、圖19 可見，邊坡巖體具有如下特征：

（1）花崗巖、輝長巖縱波波速普遍大于3 200 m/s，以較完整巖體為主，與鉆孔巖體質量分級較為一致。

（2）邊坡內見連續低波速帶，縱波波速2 400～2 800 m/s，局部小于2 000 m/s;完整性較差-差，對應于F1斷層及影響帶。

（3）邊坡表部存在明顯連續低波速帶，縱波波速小于2 800 m/s，與ZK3、ZK4、ZK5 孔口附近連續分布的IV 級巖體吻合，與ZK1、ZK2 孔口附近II 級巖體相矛盾。由于測量RQD 與統計節理間距中，肉眼難以識別隱微裂隙，導致RMR 法中R2、R3兩項指標評分過高，實際大量存在爆破、松弛裂隙未參與統計。

（4）總體上，微動勘探巖體完整性成果與鉆孔RMR 分級結果較一致。

6 結論

本文采用工程地質測繪、鉆探、微動勘探、室內與現場巖石力學試驗等綜合方法，開展秀水河鐵礦露天采場邊坡巖體質量分級：

（1）露天采場邊坡巖體以II 級、IV 級為主，部分為III 級?；◢弾r、輝長巖巖體以II 級為主。

（2）邊坡表部發育厚10～20m 松弛帶巖體質量為IV 級。

（3）F1斷層及條帶狀分布影響帶為IV 類巖體。

（4）鐵礦石表現明顯脆性，極破碎，受擾動較強烈地段為IV 級，其余為III 級，少量II 級巖體。

（5）肉眼難以分辨的爆破、松弛裂隙易于忽視，導致RMR 分級結果偏離實際。