铜矿露天边坡稳定性例析

铜矿露天边坡稳定性例析
1 概况
KOLWEZI铜矿位于刚果（金）加丹加省科卢韦齐（KOLWEZI）市区西南部边缘，矿权区面积3.37km2。

矿区位于加丹加高原，总体地势南高北低，海拔1375～1520m，地貌类型为低缓丘陵区，属于热带草原气候，年平均气温21.2℃，最高气温31.9℃，最低气温9.4℃，年平均降水量1203mm，受赤道低气压和信风带南北移动的交替影响，一年之中干、湿季分明，5月至10月为干季，月降水量不足5mm，11月至次年4月为湿季，降水量占全年降水量的85%以上。

比利时人自1940年开始开采该矿，至1963年结束，已形成的露天采坑面积0.418km2，最大开采深度约90m。

2 区域地质
刚果（金）地处中非刚果盆地内，大地构造位置处于刚果克拉通东北部。

继石炭世古老基底形成后，开始了大陆侵蚀和堆积过程，至第三纪出现造山运动，并进一步导致刚果河周围地壳的隆起，形成了中非刚果盆地。

区域古老的沉积地层经过了新太古代褶皱、基底杂岩褶皱、基巴拉褶皱、孔德龙古褶皱等一系列的大规模构造运动，发生了不同程度的变质作用和岩浆作用。

区域出露地层主要为前寒武纪加丹加沉积岩相地层，地层总厚约7000米，不整合于下伏的古老基底之上，主要为一套巨厚的海相浅水富镁碳酸盐岩、碎屑岩沉积，岩性主要有页岩、白云岩、灰岩、砂岩以及砾岩，区域变质程度较低，以绿片岩相为主，由下至上分为罗安群、恩古巴群和孔德龙古群，其中罗安群是主要赋矿地层（Caiffeax，2003）。

KOLWEZI铜矿床所在区域的构造主要由加丹加褶--推覆构造带组成，属非洲中部卢菲利（Lufilian）弧形构造带的一部分（赵英福，2011）。

构造带内次级构造极其复杂，穹隆、残丘、背向斜、推覆构造和断裂极其发育。

3 矿区地质
矿区出露地层主要为罗安群（R）地层及第四系覆盖物，地表见有大面积的废石场、废石堆等。

罗安群为一套浅海相的细碎屑岩和变质岩，原岩为白云岩、页岩、粘土岩、砂岩等。

罗安群层厚大于500米，分为RAT组（R1）和矿山组（R2）。

第四系在近地表广泛发育，厚度5-8米，主要是灰黑色、土黄色、红褐
色的腐殖层、泥沙质及残坡积物，其底部常见有黄褐色-赭红色的2-3米厚的含鲕状赤铁矿的泥砂岩层。

地层柱状如图1所示。

4 勘查工作布置
2011年3月至2013年10月，该矿先后进行了两次矿区边坡工程地质勘查，投入了大量研究工作，主要进行了矿区工程地质测绘2km2、1：200辅助工程地质剖面测量3044.58m（矿山已有边坡调查）、1：500实测工程地质剖面1605.80m、边坡工程地质钻探3452.27m、岩石力学试验37组、原状土样试验65组、扰动土样试验57组、钻孔抽水试验9孔次等。

工作量平面布置见图2。

5 分析研究
5.1 已有边坡调查研究
矿山已由1430m标高开采至1340m标高，形成90m高的边坡，目前采坑水位基本维持在1400m标高，水位以上可见30m高的边坡，通过辅助工程地质剖面测量充分了解了以往露采边坡的现存状态及稳定边坡角，见表1所列。

另外，附近的KAMOTO铜矿、T17铜矿与KOLWEZ铜矿的地质结构相似，所采用的边坡角一般为30°～40°。

5.2 边坡地质模型及破坏模式分析
本次主要研究采场西、北、东北、东、东南帮露采边坡稳定性，针对此分别布设有A-A’～B-B’五条边坡工程地质勘探剖面。

研究时对每条剖面分别建立二维边坡地质模型，详细分析地层、构造、地下水条件及其与边坡稳定性之间的关系，详见表2。

5.3 极限平衡法计算稳定边坡角
类比国内外各大露天矿边坡采用的允许安全系数（邓钟敏等，2001；于庭安等，2008），考虑KOLWEZI铜矿工程重要性、施工技术、服务年限等因素，最终选择允许安全系数为1.200，当考虑地震力时取1.100。

根据岩性、岩体结构、岩石力学特征将矿区地层划分为18个工程地质岩组，在各岩组岩土物理力学试验数据统计分析基础上，充分考虑岩体的坚硬程度和完整性，并结合类似工程经验，确定各岩组物理力学参数如表3所示。

利用极限平衡法原理，使用GEO-SLOPE软件中边坡稳定性分析模块，计算时含Ordinary、Bishop和Janbu三种计算方法，计算安全系数遵循最小值原则，分别对五条剖面进行边坡稳定性定量计算（屈建军等，2009）。

在模擬地下水预疏干条件下，考虑两种工况：工况一是未考虑地震力影响；工况二是考虑6度地震力的影响。

计算结果见表4，计算模型举例—图3 C-C’剖面工况一边坡计算模型图。

6. 结语
本文通过对KOLWEZI铜矿已有边坡的调查和五条边坡工程地质剖面的重点研究，得出如下结论：边坡岩体结构主要为散体结构和碎裂结构类型，边坡破坏形态为圆弧状，破坏力学模式为蠕滑-拉裂，各边帮的总体边坡角推荐值范围为31°～35°。

KOLWEZI铜钴矿带内各大矿区均为推覆构造作用下形成，主要地层均为加丹加系，地质构造、岩性、岩组物理力学特征相似，因此本文涉及的研究方法和结论不仅能为KOLWEZI铜矿未来露天采矿设计提供了依据，而且对周围矿山的露采设计和生产实施具有重要的借鉴和指导意义。

参考文献：
[1]Cailteux. Proterozoic sedimentary-hosted base-metal of Western Gondwana Gondwana [J]. Conference and field workshop，Lubumbashi，2003，28（2）：223-224.
[2]邓钟敏，徐世光，郭婷婷.边坡稳定性分析评价方法综述[J].矿业工程，2001，8（1）：14-16.
[3]屈建军，李建林，王乐华.GEO-slope软件在边坡稳定性分析中的应用[J].人民长江，2009，40（15）：39-40.
[4]于庭安，戴兴国.露天矿边坡稳定性的安全因素分析[J].矿业安全与环保，2008，35（1）：73-76.。