黑岱溝露天礦邊坡穩(wěn)定性分析

路慶魁　崔小晉　孟海東

摘 要：塊體理論是由石根華博士與R.E.Goodman教授合作完成的具有重要意義的研究成果。它是石根華博士借助于自己出色的數(shù)學(xué)知識，結(jié)合巖體穩(wěn)定性發(fā)展出的一種新方法，并且有了廣泛的應(yīng)用，為業(yè)內(nèi)人士所認(rèn)可，而且處于不斷的完善中。巖體結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀是決定邊坡失穩(wěn)模式的重要因素，本文對現(xiàn)場測量的結(jié)構(gòu)面資料用赤平投影原理和玫瑰花圖原理進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定優(yōu)勢產(chǎn)狀，進(jìn)而為之后的邊坡穩(wěn)定性分析提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：巖體結(jié)構(gòu)面；赤平投影原理；玫瑰花圖；邊坡穩(wěn)定性

1 概述

巖體作為一種地質(zhì)體成分是非常復(fù)雜的，為了研究的需要將其理想化為巖塊和結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面其實(shí)也就是形成裂隙的兩面，巖塊就是一塊塊的巖石，是巖體被裂隙切開的，與裂隙的空心相對，巖塊可以認(rèn)為是實(shí)心的。在自然界中，巖體事故的發(fā)生往往是由于結(jié)構(gòu)面在各種內(nèi)力和外力的作用下發(fā)生各種變形所引起的，而巖塊相對致密，抵抗各種力的能力較強(qiáng)，穩(wěn)定性比較強(qiáng)。因此，巖體穩(wěn)定性主要取決于結(jié)構(gòu)面，我們應(yīng)該對結(jié)構(gòu)面做重點(diǎn)研究。

本文通過測量收集黑岱溝露天礦邊坡的地質(zhì)資料，對西幫的裂隙進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用關(guān)鍵塊體理論對邊坡穩(wěn)定性做出評價。

2 礦山概況

黑岱溝露天礦降雨量：1971年以來年最高降水量518.5mm（1973年），年最低降水量273.7mm（1980年），年平均降水量396.1mm。蒸發(fā)量：年最高蒸發(fā)量2436.2mm（1972年），年最低蒸發(fā)量1949.7mm（1964年），年平均蒸發(fā)量2082.12mm。

巖石工程地質(zhì)特征按照沉積規(guī)律，結(jié)合巖石物理力學(xué)性質(zhì)，自上而下劃分為如下工程地質(zhì)巖組：①泥巖、泥質(zhì)粉砂巖（P1s）位于山西組頂部，灰色、深灰色，水平層理發(fā)育，節(jié)理裂隙發(fā)育。②粗粒砂巖（P1s）位于山西組上部，灰、褐灰、灰黃色，泥質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理發(fā)育。③泥巖、砂質(zhì)泥巖夾粘土巖（P1s）位于山西組中部，灰、深灰色，中層構(gòu)造，高角度節(jié)理發(fā)育。④粗粒砂巖（P1s）位于山西組中部，褐黃色，含鐵質(zhì)結(jié)核，泥質(zhì)膠結(jié)，厚層構(gòu)造，節(jié)理較發(fā)育。⑤泥巖、泥質(zhì)粉、細(xì)砂巖（P1s）位于山西組下部，淺灰、褐灰色，鱗片狀構(gòu)造，節(jié)理發(fā)育。⑥含礫粗砂巖（P1s）位于山西組底部，淺灰、褐黃色，厚層構(gòu)造，節(jié)理發(fā)育。煤層（C3t）。⑦太原組6#復(fù)煤層，暗煤為主，局部亮煤，夾灰黑色炭質(zhì)泥巖，厚層、塊狀構(gòu)造，性脆，柱狀節(jié)理發(fā)育。泥巖、泥質(zhì)粉砂巖（C3t）。⑧6號煤底板，夾8、9、10薄煤，水平層理發(fā)育。

礦區(qū)地層黑岱溝露天礦采區(qū)地層由老到新敘述如下：奧陶系下統(tǒng)亮甲山組，中石炭統(tǒng)本溪組，上石炭統(tǒng)太原組，下二迭統(tǒng)山西組，下二迭統(tǒng)上部下石盒子組，三迭系上統(tǒng)上石盒子組，第三系上新統(tǒng)，第四系上更新統(tǒng)馬蘭組。

黑岱溝露天煤礦西幫地下水埋深較深，端幫基巖段未發(fā)現(xiàn)明顯出水點(diǎn)，露天剝離出露的巖層含水率普遍較低，研究區(qū)域內(nèi)邊坡處于無水狀態(tài)。本次邊坡角核實(shí)重點(diǎn)區(qū)域，針對底部巖石層三個平盤共進(jìn)行了20余組邊坡角和地層產(chǎn)狀的測量。測量結(jié)果表明，局部砂巖層坡面角較陡，達(dá)到 71°。

3 塊體分類

關(guān)鍵塊體理論中，塊體可以分為無限塊體和有限塊體兩種。塊體一開始結(jié)構(gòu)面彼此間的距離較小，越向巖體內(nèi)部距離越大，結(jié)構(gòu)面無法在巖體內(nèi)部閉合形成真正的塊體，關(guān)鍵塊體理論將這種類型的塊體稱為無限塊體。有限塊體被進(jìn)一步劃分為（幾何）不可移動塊體和（幾何）可移動塊體。

關(guān)鍵塊體說的就是塊體中穩(wěn)定性最差的那一類塊體，在工程中如果沒有人工支護(hù)，這種塊體便會失穩(wěn)。但關(guān)鍵塊體也不能全按字面意思理解，它并不是在巖體穩(wěn)定性中起到關(guān)鍵作用的塊體，它們的垮落不一定會引起周圍塊體的連鎖反應(yīng)。某個塊體的失穩(wěn)會使周圍塊體的穩(wěn)定性變差，本質(zhì)上是因?yàn)閴K體失穩(wěn)后給周圍塊體提供了新的自由面，從而導(dǎo)致穩(wěn)定性變差。

4 塊體錐

如果一個塊體有n個面（包括裂隙面和自由面），這個塊體由n個平面圈閉而成，也就是由n個半空間相交切而成。把這n個面進(jìn)行平行移動使他們通過一個共同點(diǎn)如坐標(biāo)原點(diǎn)，這n個半空間形成一個錐體，稱為塊體錐[1]。相對于同時考慮裂隙與開挖面半空間平面的塊體錐，如果只考慮開挖面，將其半空間平面平移至原點(diǎn)形成的錐稱之為開挖面錐，只考慮裂隙時形成的錐為節(jié)理面錐。如果塊體錐、節(jié)理面錐、開挖面錐分別用BP，JP，EP表示，三者之間有

BP=JP∩EP

塊體錐在數(shù)學(xué)上很容易理解，只是把形成塊體的各半空間平面平行移動至原點(diǎn)，假設(shè)平面的方程為：ax+by+cz+d=0，（a，b，c）是平面的法線矢量，解析式如下：

a1x + b1y + c1z ≥ 0

a2x + b2y + c2z ≤ 0

a3x + b3y + c3z ≤ 0

a4x + b4y + c4z ≥ 0

a5x + b5y + c5z ≤ 0

5 邊坡穩(wěn)定性分析

本次調(diào)查主要針對西幫南部巖石裂隙進(jìn)行調(diào)查。由于受到開挖面以及爆破等多重因素影響，巖體中等破碎，巖體裂隙主要為剪節(jié)理，少量張節(jié)理；對典型地區(qū)的裂隙進(jìn)行測量，結(jié)果如圖1：

根據(jù)圖可知，有一組結(jié)構(gòu)面組傾向與邊坡傾向一致，但結(jié)構(gòu)面傾角平緩，對邊坡穩(wěn)定性影響較小。

6 結(jié)論及問題

通過對黑岱溝露天礦西幫裂隙的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，利用塊體理論分析裂隙對邊坡穩(wěn)定性的影響，從而使生產(chǎn)更加安全地進(jìn)行。

為了研究的方便，使用塊體理論是做了一些假設(shè)，比如假定巖石塊體是剛體等，還有一些測量誤差等，使計(jì)算結(jié)果和實(shí)際有一定的偏差，在往后的研究中還需要繼續(xù)改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]于青春，薛果夫.裂隙巖體一般塊體理論[M].北京：中國水利水電出版社，2006：6.