矿山岩土工程勘察中土工试验的要点研究

白 冰

（甘肃省地质矿产勘查开发局水文地质工程地质勘察院，甘肃 张掖 734000）

矿产资源的开发与利用是社会经济发展的基础，也是科学技术赖以持续发展的原材料之一。因此，合理规划资源的开采进度是至关重要的[1]。资源的开发与利用离不开工程地质的勘察，如何有效地提高矿山岩土工程勘察质量是降低采矿风险的前提。鉴于此，本文结合矿山岩土工程勘察实例，分析土工试验在该项工作中的要点，以期为提高土工试验质量提供参考依据。

1 矿山土工试验主要内容

矿山土工试验的主要目的是查明矿山范围内各个岩土体的物理力学参数，为进一步制定资源开采方案等提供数据支撑[2，3]。因此，矿山土工试验就是利用专业仪器设备对矿山范围内开采资源可能涉及到的岩土体进行测试分析，对各个岩土体结构以及物理力学性能等进行综合评价，如含水量、密度、压缩强度、抗弯强度和放射性等。常见的矿山土工试验方法包括渗透试验、三轴试验等，应结合矿山岩土体类型等选择合理的试验方法[4，5]。如某矿山为了确定各个岩土体物理力学参数，对涉及到的风化花黑云母二长花岗岩、半风化黑云母二长花岗岩和未风化的黑云母二长花岗岩进行了测试分析，其结果见表1。由表1可知：风化黑云母二长花岗岩的压缩强度和弯曲强度均较低，不宜作为开采过程中的持力层；未风化黑云母二长花岗岩的压缩强度和弯曲强度均较大，满足坚硬岩组的基本要求，可以将其作为平硐以及采空区的持力层。

2 矿山土工试验主要用途

为充分说明矿山土工试验的适用用途等，本文结合某矿山工程地质调查进行论述。

2.1 工程岩组划分

工程岩组划分是土工试验的主要目的，是对不同岩土体样品进行测试后，根据各项物理力学指标进行工程岩组的划分，如根据表1测试结果，可将该矿山内的各个岩土体划分为如下几个工程岩组。

表1 某矿山不同岩土体物理力学参数一览表

2.1.1 松散堆积岩组

该组主要为第四系残坡积层，整体较软，可塑状态，土体结构松散，由它构成的土质边坡稳定性较差，但其厚度较薄，分布范围较少，因此不会引发成规模的滑坡、崩塌等灾害。此外，该岩组主要分布于矿区周边冲沟及两侧20m范围内，推测厚度2m～3m，对矿产资源的开发利用影响不大。

2.1.2 较坚硬岩组

主要为风化的黑云母二长花岗岩。风化的黑云母二长花岗岩呈灰白色、白色，花岗结构，块状构造，风化程度较弱，岩石硬度较大，质脆。岩石的出露面积较大，抗风化能力较强，完整性较好，沿沟谷呈高耸山包状，局部呈陡坎状，岩石裂隙发育较弱。该岩组是矿体的顶板，属于较稳定岩组，根据少量的物理力学参数可知（表1），其压缩强度和弯曲强度均不能满足持力层的需求。

2.1.3 坚硬岩组

主要为未风化的黑云母二长花岗岩。黑云母二长花岗岩总体呈灰白色，花岗结构，块状构造，未风化，岩石硬度较大，坚硬。该组可作为资源开采的主要持力层，其压缩强度一般大于100MPa。

2.2 工程地质条件现状评价

根据土工试验结果，结合矿区的地质构造特征等，对矿区的工程地质条件现状进行评价，如矿区地质构造较弱，岩石较为完整，山体稳定，自然斜坡现状稳定，区内未发现滑坡、崩塌等灾害，工程地质条件较好。但在暴雨、地震、采场边坡在不利组合条件下，可能引起采场边坡的局部崩塌、掉块现象。

2.3 工程地质条件预测评价

由于矿区的岩石较硬，力学强度高，属较坚硬岩石，矿山开采而引发山体崩塌、滑坡、泥石流的可能性小，导致环境恶化可能性小。但受到节理面和风化作用的切割影响，采场边坡在不利的组合条件下，易引起采场边坡局部崩塌、掉块现象；采场内形成的危岩若未能及时清除，在降雨季和爆破力震动影响下，该区域存在崩塌的可能性，将危及施工人员及设备的安全，可能性中等，危险性中等。

对于采矿活动可能引发的边坡崩塌、掉石等隐患，建议采场开采顺序应自上而下的分台阶开采，阶段高度10m，阶段边坡角60°，安全平台宽度6m，最终边坡角采用55°。对不稳定边坡应长期进行监测，并采取支挡、加固等措施。对危岩、坡面浮石及时清除，防止其坠落，危及施工人员及设备的安全。

2.4 工程地质类型

根据土工测试结果，结合矿区地质特征等，对矿区的工程地质类型进行评价，为进一步编制开采方案提供依据[6]。如矿区地质构造简单，岩石力学强度高，几乎无软弱夹层，解理裂隙发育较弱，其完整性和稳定性均相对较好，露天开采时需将采场边坡角控制在合理范围之内，并及时清除坡面浮石、危岩，防止其坠落。因此，矿区的工程地质类型为层状结构的中等类型。

3 土工试验要点分析

3.1 样品的采集

样品的采集质量对土工试验结果影响较大，主要体现在以下几个方面：①应按照不同的岩土体类型进行分别采集样品，如黑云母二长花岗岩可根据风化程度等分为全风化黑云母二长花岗岩、半风化黑云母二长花岗岩、弱风化黑云母二长花岗岩和未风化黑云母二长花岗岩等类型，若在测试过程中未按照不同类型采集样品，则所获得的测试结果是不可靠的；②样品的采集应避免原始状态的扰动，即样品采集不宜使用大锤等击打取样，这是因为这种方式会导致所采集的样品因击打而产生大量的微裂隙，虽然在肉眼现状下无法识别出，但是显著降低了各类岩土体的压缩强度和弯曲强度，同时降低了岩土体的耐磨性，提高了样品的吸水率，所获取的测试结果也是无法满足实际需求的。因此，为了确保样品采集合格，可采用小型切割机对所需样品进行切割，再经过钢钎等工具在切割裂缝部位轻轻敲打即可完成样品的采集工作（图1）。

图1 未风化黑云母二长花岗岩样品照片

3.2 样品的加工

对于矿山土工试验来说，样品的加工质量对测试结果的影响极为明显，主要体现在以下几个方面：①样品测试大小的确定，对于细粒花岗岩来说，如切割成3cm×3cm×3cm的标准样品可进行试验，所获测试结果基本一致；但是对于巨斑状黑云母花岗岩等样品来说，岩石中的斜长石、钾长石等斑晶的长度可大于3cm，此时若继续切割成3cm×3cm×3cm的标准样品，则在测试过程中因样品尺度范围内矿物差异而导致压缩强度、弯曲强度等显著降低，此时需要根据岩石的均一程度适当调整样品的大小（图2），才能获得更加可靠的测试结果；②岩土体样品的压缩强度和弯曲强度等分为干燥和饱和两种状态，即在标准样品制备完成后，饱和样品需要在水中浸泡，此时需要根据测试样品的基本岩性进行判断，确定样品的浸泡时间，这是由于不同岩性的岩石具有不一致的吸水性和保水性，只有在充分饱水的条件下，所获的饱水压缩强度和饱水弯曲强度等才更加可靠。

图2 巨斑状黑云母二长花岗岩标准样品

3.3 样品的测试过程

样品的测试过程对土工试验结果影响也较为明显，尤其是压缩强度和弯曲强度，这是由于压缩强度和弯曲强度是在压力机的作用下进行试验的，此时对压力的施加至关重要，主要表现在以下几个方面：①在压缩强度和弯曲强度测试过程中，压力的施加不宜过慢，若缓慢增加静载压力，则所获取的岩石强度是不真实的，一般所获取的压缩强度和弯曲强度略大；②若在静载压力过快时，则容易对标准样品施加巨大的压力，此时导致岩石内部的矿物颗粒之间还未适应压力的变化时就已经使得部分矿物破碎，进而导致所获取的压缩强度和弯曲强度值是远小于实际值的。

3.4 试验设备的选择

在土工试验过程中试验设备的选择较为重要，这是由于不同厂家生产的仪器设备的稳定性是不一致的[7，8]。因此，为了确保土工试验结果的可靠性和稳定性，一般宜选择国家规定的相关仪器设备进行相应的试验，对于不符合标准的仪器设备不宜作为矿山土工试验使用。

此外，仪器设备在使用过程中受多种因素的影响，导致出现各类隐患，故做好仪器设备的定期检修、维护与保养是提高设备性能的基础。如刮土刀在使用时间较长的情况下容易因缺口而导致刀刃不平整，容易造成试验结果出现不必要的误差。

4 结语

综上所述，土工试验在矿山岩土工程勘察中的应用极为广泛，与矿产资源的开发与利用息息相关，与矿山的安全生产紧密的联系在一起，因此如何提高矿山岩土工程勘察过程中的土工试验结果的可靠性和稳定性，是当前一直探索的热点问题之一。本文通过实例的方式讲述了矿山土工试验的主要用途，同时根据土工试验流程对各个环节容易出现失误的操作进行了简要的总结，为同类型矿山土工试验质量的提高提供参考。