青麥地大型石灰?guī)r露天礦高陡邊坡結構面特征及其對邊坡穩(wěn)定性的影響

張雄偉 楊澤 周曉超 梁仕義 李克鋼

摘 要：針對青麥地大型石灰?guī)r露天礦高陡邊坡的穩(wěn)定性問題，通過現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計分析，主要是由層理優(yōu)勢結構面所控制。利用赤平極射投影圖分析層理優(yōu)勢結構面對邊坡穩(wěn)定性的影響程度，依據(jù)分析結果，適當加大了該露天礦安全平臺和清掃平臺的寬度尺寸，并將該層理結構面考慮到巖體穩(wěn)定性計算分析模型中。根據(jù)赤平極射投影和穩(wěn)定性計算結果表明：通過合理布置采場邊坡結構參數(shù)，層理結構面對邊坡的穩(wěn)定性影響很小，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，為現(xiàn)場開采設置邊坡結構參數(shù)提了施工指導依據(jù)。

關鍵詞：高陡邊坡;優(yōu)勢結構面;赤平極射投影;安全系數(shù);強度折減法

中圖分類號：P64

文獻標志碼：A

巖體中結構面是在漫長的地質(zhì)歷史發(fā)展中經(jīng)歷了多次地質(zhì)構造運動作用下形成的力學強度低的不連續(xù)面。結構面是巖體中存在的巖層面、節(jié)理裂隙面、軟弱夾層、斷層面等，邊坡巖體中結構面的存在及其組合情況對邊坡的穩(wěn)定性起著控制作用影響，工程地質(zhì)實踐表明，巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性主要取決于結構面的物理力學性質(zhì)及其空間分布位置和組合關系[1-4]。

在露天礦山逐漸下延開挖的過程中，邊坡日漸增高形成高陡邊坡，從而導致巖體的不完整性進一步加強，巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)破壞通常會沿巖體結構面發(fā)生，結構面控制著邊坡的變形、破壞和演化過程，而邊坡工程地質(zhì)結構面的規(guī)模及其空間分布特征是開展邊坡穩(wěn)定性分析的前提和基礎，通過對邊坡巖體的結構面調(diào)查來分析尋找出邊坡巖體的優(yōu)勢結構面。正所謂工程地質(zhì)結構面分析是邊坡穩(wěn)定性評價的靈魂，是一項復雜、貫穿全過程的工作[5-7]。

青麥地大型石灰?guī)r礦山位于大理祥云縣，采用露天開采方式，該石灰?guī)r露天礦每年生產(chǎn)規(guī)模300萬 t/a，該露天采場為三面圍繞的山坡-凹陷露天礦，終了臺階高度12 m，臺階坡面角60°，安全平臺寬度6 m，清掃平臺寬度為12 m（3個臺階設一清掃平臺），最高平臺標高892 m，設計終了露天坑底標高724 m，有15個平臺組成，露天邊坡最大高度為187 m（西南幫）。該露天采場邊坡分別由西南幫、東南幫、東北幫邊坡構成，其中西南幫邊坡為順層邊坡，東南幫邊坡為切向邊坡，東北幫邊坡為反向（逆層）邊坡。其中，西南幫采場邊坡坡頂最高標高911 m，東南拱形幫采場邊坡坡頂最高標高901 m，東北幫采場邊坡坡頂最高標高841 m。

隨著該露天礦開采逐漸下延，邊坡高度會逐年增高，逐步形成高陡露天邊坡，屆時邊坡巖體受結構面切割影響作用會越來越強烈，進而對邊坡結構參數(shù)的安全設置提出了很高的要求，這樣使得該石灰?guī)r露天礦邊坡穩(wěn)定性的評價日趨重要。本文通過對該石灰?guī)r露天礦現(xiàn)場踏勘調(diào)查，而后進行邊坡結構面統(tǒng)計分析，得出采場邊坡的優(yōu)勢結構面，以優(yōu)勢結構面組合為巖體穩(wěn)定性模型，結合赤平極射投影圖和邊坡穩(wěn)定性FLAC2D軟件，對該高陡采場邊坡穩(wěn)定性進行綜合分析評價，為現(xiàn)場安全開采生產(chǎn)提供技術支撐和指導依據(jù)。

1 邊坡工程地質(zhì)特征

礦區(qū)地勢相對較陡，地勢北低南高，地形切割劇烈，礦區(qū)屬低山淺切割地貌，由碳酸鹽巖層組成的石灰石地區(qū)，相當部分區(qū)域基巖裸露，最高處為礦區(qū)南部山頂，海拔標高950 m，最低處為礦區(qū)西北部山凹，海拔標高624.5 m，相對高差325.5 m，屬低山構造侵蝕山地地貌，呈溶蝕丘嶺峰叢地形。

礦區(qū)的礦體屬淺海至濱海相沉積石灰?guī)r礦床，石灰?guī)r礦賦存于二疊系下統(tǒng)茅口組（P1m），呈層狀產(chǎn)出。巖性為深灰色中層至厚層狀細晶灰?guī)r，厚度186～411 m，為主要含礦層位，石灰石呈灰白色，擊打巖塊性質(zhì)較脆，硬度較大，單軸抗壓強度為52.7～120.4 MPa，松散系數(shù)為1.65左右。礦石主要為石灰石礦石，密度為2.67 t/m3，含CaCO3平均值98.63%，最高可達99.01%。礦體沿走向、傾向厚度變化不大，屬厚度穩(wěn)定的礦層。

露天采場形成后，礦體頂板為第四系蓋層被剝離，開采至最低開采標高均為灰?guī)r，故礦區(qū)出露巖性主要為灰?guī)r，構成了露天采場的主要邊坡工程巖組。巖石微風化，巖石強度較高，也較為堅硬，但層理裂隙分布密集發(fā)育，巖芯巖石質(zhì)量指標平均值為36.8%，巖體完整性較差，不利于采場邊坡的穩(wěn)定與安全。邊坡典型工程地質(zhì)剖面圖如圖1所示。

根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件，結合結構面分布特征和巖體質(zhì)量等級，將巖塊力學強度折減成巖體力學參數(shù)， 所采用的巖體力學參數(shù)詳見表1。

2 邊坡穩(wěn)定性的赤平極射投影分析

由于巖體結構面存在于地質(zhì)體或巖體中，往往在三維空間中呈復雜的網(wǎng)絡結構特征，對巖體結構面的掌握是通過現(xiàn)場踏勘調(diào)查來實現(xiàn)，通過對采場邊坡巖體結構面現(xiàn)場調(diào)查會呈現(xiàn)出立體直觀的認識?，F(xiàn)場調(diào)查的實質(zhì)是運用巖土理論知識，對巖體結構面的分布規(guī)律和發(fā)育程度進行觀察、認識、描述和測量，而后進行統(tǒng)計分析以獲取該礦山邊坡巖體的優(yōu)勢結構面產(chǎn)狀（傾向、傾角），掌握其結構面的分布規(guī)律[8-10]。

礦山自始至終處于一個動態(tài)的開挖過程，巖體結構特性決定巖體的穩(wěn)定性。生產(chǎn)實踐已充分證明巖體的穩(wěn)定性不僅取決于巖性，更重要的是由結構面對邊坡穩(wěn)定性起控制作用，只有充分掌握具有代表性的優(yōu)勢巖體結構面才能正確評價巖體的穩(wěn)定性。結構面統(tǒng)計分析主要是對結構面產(chǎn)狀（傾向、傾角）的統(tǒng)計分析，其目的是對巖體結構面依據(jù)產(chǎn)狀進行分組，并求出每組結構面的優(yōu)勢產(chǎn)狀[11-13]。

2.1 結構面調(diào)查測量方法

采用詳細線觀測法，在邊坡坡面布置測線如圖2所示，將測線上下1 m的范圍作為測帶，調(diào)查工作采用地質(zhì)羅盤在測帶以內(nèi)進行測量編錄。結構面在測量范圍內(nèi)有5種出露方式，1類型結構面、2A或2B類型結構面、3A或3B類型結構面、4A或4B類型結構面、5類型結構面跨過測帶。

2.2 巖體結構調(diào)查結果

該露天礦邊坡巖體目前已有相當部分揭露，可清晰完整地看見巖體結構面具體分布情況。調(diào)查工作按上述要求的調(diào)查內(nèi)容進行調(diào)查工作，根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計結果研究其特征和演變過程，分析各組優(yōu)勢結構面對邊坡的相互組合切割關系?，F(xiàn)場結構面調(diào)查方式及現(xiàn)場巖體結構面分布形態(tài)詳見圖3和圖4。

通過現(xiàn)場調(diào)查，該礦山邊坡主要是由層理結構面控制，巖體被層理結構面所切割，層理分布比較密集發(fā)育，層理之間的層狀塊體較堅硬，塊體強度較高。從整體上看，該石灰?guī)r露天礦邊坡巖體屬于層理裂隙密集較為發(fā)育的巖體。具體表現(xiàn)如下：1）經(jīng)現(xiàn)場實測統(tǒng)計，得出該石灰?guī)r層理結構面平均間距為26.7 cm，結構面間距小，巖體被結構面切割得較厲害，巖體的完整性較差，該邊坡巖體屬于層理結構面密集較發(fā)育的巖體;2）經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計，現(xiàn)場層理結構面屬于平直型，結構面比較干燥，也比較粗糙，有利于提高巖體的抗剪強度，對邊坡的穩(wěn)定性有一定積極作用;3）現(xiàn)場巖體結構面傾角具體分布形態(tài)詳見圖3和圖4。通過現(xiàn)場實際調(diào)查，邊坡石灰?guī)r巖體結構面傾角都大于30°，大部分集中在30°～50°之間，屬于傾斜的層理結構面。

由于邊坡巖體的層理結構面傾角較陡，層理也比較發(fā)育，所以在開挖剝離邊坡巖體時，一旦臺階下部坡腳被挖空，很容易造成坡面上部巖體沿著層理結構面滑移脫落（垮塌），若現(xiàn)場管理不到位，易造成安全事故。因此，在平臺和臺階開挖過程中，不得隨意超挖臺階坡腳。

該露天礦坑最終由順向邊坡、切向邊坡和反向邊坡構成，詳見圖5。對調(diào)查區(qū)域的邊坡巖體結構面進行統(tǒng)計和分析，最終得出邊坡優(yōu)勢結構面產(chǎn)狀值，其與臺階邊坡面的產(chǎn)狀見表2。

2.3 結構面對邊坡穩(wěn)定性的赤平極射投影分析結果

赤平極射投影法是巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中常用的圖解法。它能反映邊坡巖體中的結構面（節(jié)理裂隙面）分布規(guī)律和與邊坡面相互組合空間關系對邊坡的影響[14-15]。

依據(jù)所調(diào)查優(yōu)勢結構面的產(chǎn)狀，繪制赤平極射投影圖，根據(jù)其和邊坡所構成的立體交叉關系，進行邊坡穩(wěn)定性判斷。利用全部結構面分析的優(yōu)勢結構面對各幫邊坡進行穩(wěn)定性判斷，西南幫邊坡傾向43.5°，臺階坡面傾角60°;東南幫邊坡傾向327.3°和352.8°，臺階坡面傾角65°;東北幫邊坡傾向227°和251.6°，臺階坡面傾角65°;其與優(yōu)勢結構面組合而成的赤平極射投影圖如圖6—圖9所示。

圖6為西南幫的赤平極射投影圖，從圖6中可以看出，層理結構面L1與開挖邊坡面的傾向近似相同，屬于順層邊坡，并且結構面的傾角β比邊坡面的傾角α緩（β<α），使部分巖層臨空，會使臨空的巖體有可能沿著層理面滑動，單從巖體結構分析的觀點來推斷，這種情況下臺階邊坡處于不太穩(wěn)定條件，臺階邊坡會發(fā)生局部小滑移，臨空的順層巖體穩(wěn)定基本上依賴于層理結構面的強度。同時在現(xiàn)場調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，順層巖體多數(shù)在實際中是不規(guī)整的，平臺開挖過程中易造成局部臺階坡腳被超挖，這樣使得上部順層巖體失去了支撐作用，以至于造成上部順層巖體懸空，形成潛在的不穩(wěn)定體，其層理結構面在風化和雨水潤滑及沖刷作用下極有可能順著層理面向臨空方向滑塌下來，因此開挖剝離生產(chǎn)過程中要對坡面上松動的臨空巖層體或者不穩(wěn)定的塊體應給予重視，做好及時清理，加以防范。

圖7中東南幫方位（即圖中的P）為327.3°，圖8中東南幫方位為352.8°。從圖7和圖8中可以看出，層理結構面L1與開挖邊坡面近乎正交和斜交，東南幫屬于切向邊坡，說明單組結構面未沿走向在邊坡面上臨空出露而是直接插入坡下，這時由于下部巖體能對上部結構體產(chǎn)生一定的支撐作用，防止了上部順層巖體懸空，這時邊坡處于穩(wěn)定條件。

圖9為東北幫的赤平極射投影圖，從圖9中可以看出，就單組結構面L1而言，其與邊坡面的傾向相反，東北幫屬于反向邊坡，其潛在滑移方向朝向坡內(nèi)，受坡內(nèi)巖體約束，對邊坡穩(wěn)定性不構成威脅，這種情況邊坡處于最穩(wěn)定狀態(tài)。

總之，切向邊坡、反向邊坡穩(wěn)定性較好;順向（順層）邊坡穩(wěn)定性較差。

3 基于強度折減法FLAC2D邊坡穩(wěn)定性分析

基于該礦山邊坡主要是由巖層層理結構面控制的分布規(guī)律，同時鑒于順層層理結構面對該露天礦邊坡穩(wěn)定性不利的影響，適當加大了安全平臺和清掃平臺的寬度尺寸，確定了該大型石灰?guī)r露天礦邊坡結構參數(shù)如下：反向-切向邊坡臺階坡面角65°，順層邊坡臺階坡面角60°，臺階高度12 m（由現(xiàn)場挖掘設備確定），安全平臺寬度6 m，清掃平臺寬度12 m（每隔3個臺階設置一個清掃平臺）。A-A典型順層邊坡剖面圖位置詳見圖5所示。

采用邊坡穩(wěn)定性分析軟件FLAC2D7.0對該終了邊坡的穩(wěn)定性進行定量安全系數(shù)計算，搜索出邊坡的潛在危險滑動面，得出邊坡的安全系數(shù)見表3。

從安全系數(shù)表3和圖10可知，露天開采終了境界邊坡在天然狀態(tài)下安全系數(shù)F大于1.3，安全系數(shù)很高，說明該石灰?guī)r終了采場邊坡整體是安全穩(wěn)定的，消除了邊坡沿著結構面滑移的風險。在地震工況下安全系數(shù)F大于1.2，也處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明該采場邊坡具備一定的抗振動能力。

4 結論與建議

邊坡巖體結構面的分布特征對邊坡的穩(wěn)定性具有控制性影響，是開展巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的前提。通過對現(xiàn)場結構面調(diào)查統(tǒng)計，采用赤平極射投影法和穩(wěn)定性數(shù)值定量分析法，對該大型石灰?guī)r露天礦采場邊坡進行了穩(wěn)定性分析，得出以下結論：

1）通過現(xiàn)場巖體結構調(diào)查，該礦山高陡邊坡為一單斜順層巖質(zhì)邊坡，主要是由層理優(yōu)勢結構面控制，巖體被層理結構面所切割，層理分布比較密集發(fā)育，層理之間的層狀塊體較堅硬，塊體強度較高。結構面大部分屬于平直型，結構面內(nèi)部比較粗糙干燥;邊坡石灰?guī)r巖體層理結構面屬于傾斜的層理結構面。

2）通過優(yōu)勢結構面赤平極射投影圖可知，西南幫屬于順層邊坡，會使臨空的巖體有可能沿著層理面滑動，這種情況下臺階邊坡穩(wěn)定性較差;東南幫屬于切向邊坡，這種情況下邊坡巖體的穩(wěn)定條件將獲得不同程度的改進，邊坡處于穩(wěn)定條件;東北幫屬于反向邊坡，這種情況邊坡處于最穩(wěn)定狀態(tài)?？傊?，切向邊坡、反向邊坡穩(wěn)定性較好;順向（順層）邊坡穩(wěn)定性較差。

3）鑒于順層層理結構面對該露天礦邊坡穩(wěn)定性會產(chǎn)生不利的影響，現(xiàn)場實際開采當中考慮加大安全平臺和清掃平臺的寬度尺寸，通過穩(wěn)定性安全系數(shù)計算結果可知，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，論證了該露天礦現(xiàn)有的邊坡結構參數(shù)具有合理性，為礦山開采設置平臺寬度和臺階高度提了施工指導依據(jù)。

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（責任編輯：于慧梅）

Structural Plane Characteristics of High-steep Slope and its Influence

on Slope Stability in Qingmaidi Large Limestone Open-pit Mine

ZHANG Xiongwei1， YANG Ze*1， ZHOU Xiaochao1， LIANG Shiyi1， LI Kegang2

（1.Kunming Nonferrous Metallurgy Design and Research Institute Co.， Ltd.， Kunming 650231， China， 2.Faculty of Land Resources Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650093， China）

Abstract：

Aiming at the stability problem of high slope in Qingmaidi large Limestone Open-pit Mine， through field survey and statistical analysis， it is mainly controlled by the bedding dominant structural plane. Then， the stereographic projection is used to analyze the influence of bedding dominant structure on slope stability. According to the results of impact analysis， the width of the safety platform and cleaning platform of the open-pit mine are appropriately increased， and the bedding structural plane is taken into account in the calculation and analysis model of rockmass stability. According to stereographic projection and stability calculation， the results show that through the reasonable arrangement of stope slope structural parameters， the bedding structure has little impact on the stability of the slope， and the slope is in a stable state， which provides a construction guidance basis for setting slope structural parameters for on-site mining.

Key words：

high and steep slope; dominant structural plane; stereographic projection; safety factor; strength reduction method

2963500520282