露天铜矿边坡工程地质分区及稳定性评价分析

摘要：随着矿山开采深度的不断增加，矿山露天采场的边坡稳定性问题日益严重。以土屋铜矿露天采场为工程地质背景，通过对原有地质调查资料的补充和分析进行工程地质分区，把矿山露天采场分成了4个区域，并运用赤平极射投影法和全波列声波测井法对不同区域的岩体进行了分析，以便于对不同区域不同特征的边坡稳定性有针对性研究。结果表明：通过评价各区岩体质量、蚀变程度、水文地质特征和岩层与边坡赋存状态，分析得出Ⅳ区工程地质条件最差;通过赤平极射投影法绘制的极点图、等密度图和玫瑰花图对比各区平均节理密度和节理发育程度，分析得出Ⅱ区边坡稳定性最差;通过全波列声波测井法测得各区代表钻孔的波速，进而求解出各区钻孔的岩体完整性系数Kv，分析得出Ⅱ区边坡稳定性最差。结合工程地质分区、赤平极射投影法与全波列声波测井法三种方法综合分析，Ⅱ区边坡稳定性最差，容易出现边坡失稳等问题，需要重点监测、防护并加以治理。

关键词：边坡;工程地质分区;赤平极射投影法;全波列声波;稳定性评价

引言

随着我国能源需求的不断增大，矿产资源的开发利用成为我国经济发展的关键因素，但露天矿边坡稳定性问题一直是困扰露天开采的难点问题，是关乎露天矿生产安全的关键性问题[1]。因此，矿山边坡稳定性的研究显得尤为重要。国内外许多学者为了研究边坡稳定性采用了多种方法。

工程地质分区对边坡稳定性的研究具有实用价值，通过对某个区域的工程地质分区，可以有效地了解区域内的地质条件，为地质灾害的防治提供依据。王健等[2]根据实用性和预测性原则对龙羊峡—青铜峡段进行了工程地质分区，从现场资料直观的分析边坡稳定性;冯希杰等[3]利用模糊综合评判法进行区域稳定性工程地质分区评价，通过多指标的复杂综合因素判定边坡失稳情况;S.Kalogirou[4]利用GIS法进行了工程地质分区评价，将GIS平台和数学方法相结合分析研究边坡稳定性问题。

赤平极射投影法是研究地质构造的一种重要手段，即在平面上投影出物体的三维空间几何要素(面、线)，更能形象直观地反映出不同结构面的角距关系和运动轨迹[5]，进而分析出边坡岩体的稳定性。HoekE等[6-7]运用赤平极射投影法，分析岩质边坡的边坡稳定性问题;GoodmanR.E等[8]运用赤平极射投影法分析岩体节理发育程度，对边坡稳定性分析具有指导性意义;张子新等[9]利用赤平极射投影法进行块体理论分析和楔形体稳定性分析计算等，更加形象直观地表达出边坡稳定情况。

声波测井法是目前工程上一种较为先进的测井方法，根据声波在不同岩体内的传播速度不同的原理，利用沿井壁传播的声波-滑行波精确测量出钻孔内岩体的完整程度[10]，进而判断出岩体的质量，为后续研究边坡稳定性提供依据。Dvorkin等[11]利用喷射流效应，将孔隙介质声波理论应用于工程地质勘测中;乔文孝[12]把插值法应用在全波列声波测井技术中，提高了时差的计算精度。

虽然国内外学者对边坡稳定性做了很多研究，但仍然存在些许不足，我国的矿山开采环境大部分是露天开采环境，由于矿山的开挖只能在所在区域的特定地质条件下进行，矿山的工程地质背景显得复杂多变，因此单一方法的研究存在些许误差。赤平极射投影法只能初步判断边坡稳定情况，不能满足现实中复杂的工程分析;全波列声波测井法局限于横波和纵波的测量，测试结果存在误差。所以，我们对一个区域的边坡稳定性进行研究，要综合利用多种方法共同分析，才能使分析结果更加准确。

本文基于土屋铜矿工程地质条件，从以下3个方面展开对矿山边坡稳定性的研究：(1)根据地层、岩性、水文地质等地质条件对土屋铜矿露天采场进行工程地质分区，以便于对矿区边坡稳定性进行针对性研究，从而达到分区治理的目的。(2)运用赤平极射投影法分析各矿区岩体的结构面特征，进而准确地分析各矿区稳定性。(3)运用全波列声波测井法测量出矿区孔位声波数据，根据数据对比出岩体的完整性程度，进而分析各矿区边坡的稳定性。

土屋铜矿露天采场工程地质条件

地层地貌

新疆土屋铜矿位于吐鲁番-哈密市西南210°方向，矿区南高北低，以残山和垄岗为主，西北部有冲沟及凹面发育，海拔550~779.2m，地面坡度较小。

地层调查资料显示，土屋铜矿南有康古尔塔格深大断裂，断裂及其以南为两大板块缝合带—秋格明塔什—黄山韧性剪切带。矿区岩层走向为NEE向，上盘边坡倾向与岩层倾向相反，下盘边坡与岩层倾向相同(但倾角较大)，端帮与岩层倾向呈大角度相交(图1)。

地质构造资料[13]显示，矿区位于塔里木板块与准格尔板块对接带北侧，受板块碰撞影响作用，火山活动较为频繁，岩浆侵入较为明显。矿区整体倾角为65°~75°，走向为SW—NE。断裂构造发育以近东西向为主，北西向次之。

由于矿区位于板块与板块交界处，板块碰撞会产生强烈的岩浆活动，岩浆侵入作用较强[14]，所以矿区岩体主要以侵入岩、火山岩和第四系为主，各岩性组成表1所示。

水文特征

土屋铜矿露天采场位于新疆哈密市，属于典型的干旱大陆性气候，降水稀少，蒸发量大，年平均降水量24.2mm，蒸发量高达5401.2mm，年蒸发量是降水量的200倍以上，故常年无地表水存在。

地下水类型主要为构造断裂破碎带脉状水，其地下水的补给主要来源于大气降水，而矿区又处于干旱性气候带，降水稀少，因此地下水的补给十分贫乏。

土屋铜矿露天采场工程地质分区分析

工程地质岩组划分

岩组的划分是一个地区工程地质分区的基础，将岩性、强度和类型等相近的岩体划分在一起，可以更加方便地对一个区域的工程地质条件进行分析研究。

依据调查资料[13]显示，土屋铜矿露天采场的出露地层为上-下石炭统企鹅山群第一组(C1-2Q1)和第二组(C1-2Q2)，上石炭统干墩岩组(C2g)，中侏罗统西山窑组(J2X)及第四系全新统的坡积物(Q4sl)和洪冲积物(Q4al)。根据上述划分依据和原则，可以划分出4个典型岩组，如表2所示。