鹿鳴鉬礦北區(qū)節(jié)理裂隙對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響研究

宮明山，葉周景，趙博川，黃志安，張雁峰

（1.伊春鹿鳴礦業(yè)有限公司，黑龍江 鐵力 152500；2.北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

在水利水電、道路交通、礦山開采等工程活動(dòng) 中，涉及到大量的邊坡問(wèn)題。裂隙等結(jié)構(gòu)面是巖體的重要組成單元，對(duì)巖體性質(zhì)有重大影響。在外力作用影響下，邊坡容易沿軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生潛在的滑動(dòng)面滑動(dòng)，進(jìn)而造成邊坡失穩(wěn)。如何根據(jù)具體的邊坡工程地質(zhì)條件，合理有效地選用與之相適應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性分析方法，評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性，直接關(guān)系到邊坡工程的穩(wěn)定、建設(shè)資金的投入和人民生命財(cái)產(chǎn)的安全［1－2］。在國(guó)內(nèi)外，有不少學(xué)者建立數(shù)學(xué)模型，采用數(shù)值分析法致力于求取最可能滑動(dòng)面，但是普遍存在的一個(gè)缺陷是數(shù)學(xué)上不夠嚴(yán)密，即給出的只是極值的必要條件，未能給出充分條件。而影響計(jì)算結(jié)果的主要因素是參數(shù)取值，不如將研究的重點(diǎn)集中到計(jì)算參數(shù)的合理優(yōu)化上，此外，最可能滑面理論僅適用于土質(zhì)邊坡，不適用于研究節(jié)理裂隙發(fā)育的巖質(zhì)邊坡。由于節(jié)理裂隙是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素之一，且節(jié)理裂隙巖體在物理力學(xué)特征上具有更顯著的各向異性、非線性及非連續(xù)性，其變形與破壞性質(zhì)復(fù)雜，具有隱蔽性［3－4］。因此，調(diào)查分析礦巖節(jié)理裂隙發(fā)育情況，探究節(jié)理裂隙對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響對(duì)礦區(qū)安全生產(chǎn)具有重要意義。

本文利用玫瑰花圖對(duì)鹿鳴礦已揭露的節(jié)理裂隙進(jìn)行調(diào)查，并結(jié)合赤平投影圖，分析主要結(jié)構(gòu)面、斷層與邊坡的組合關(guān)系，分析不同位置的邊坡存在的不穩(wěn)定性因素與可能發(fā)生的邊坡失穩(wěn)情況，為邊坡安全措施的制定提供技術(shù)支持。

1 節(jié)理裂隙現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

巖體內(nèi)存在著大量的結(jié)構(gòu)面，如節(jié)理、裂隙等，這是巖體區(qū)別于巖石的顯著特征。盡管這些裂隙延長(zhǎng)不遠(yuǎn)，縱深發(fā)展不大，但數(shù)目眾多，對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)有較大的影響。巖體內(nèi)節(jié)理裂隙縱橫交錯(cuò)，形態(tài)各異，非常復(fù)雜，幾何分布狀況具有隨機(jī)性、不規(guī)則性。節(jié)理裂隙的延展長(zhǎng)度和深度、張開程度、填充情況以及裂隙的密集程度等控制了礦體及圍巖的穩(wěn)定性、破壞模式和破壞程度。同時(shí)，節(jié)理裂隙作為一種構(gòu)造行跡，可以反映出本區(qū)主要構(gòu)造的輪廓與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。因此，很有必要對(duì)節(jié)理裂隙進(jìn)行調(diào)查、統(tǒng)計(jì)和分析［5－6］。

本次測(cè)量選擇的觀察點(diǎn)為鹿鳴鉬礦北區(qū)已經(jīng)出露的510和525工作面，現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理裂隙調(diào)查的工具主要有羅盤、量尺、塞尺、放大鏡、相機(jī)等。觀測(cè)內(nèi)容包括節(jié)理的巖性、所處的構(gòu)造部位、節(jié)理組的走向、傾向、傾角及密度等［7－8］。調(diào)查主要項(xiàng)目為產(chǎn)狀，即節(jié)理面在空間上的分布狀態(tài)（傾向、傾角及走向）?？赏ㄟ^(guò)地質(zhì)羅盤進(jìn)行測(cè)量，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果用玫瑰花圖和極點(diǎn)等密度圖表示。此外觀測(cè)了區(qū)域性節(jié)理在區(qū)域范圍內(nèi)的變化趨勢(shì)、節(jié)理間距以及在空間上的延伸，并做相關(guān)記錄。

2 節(jié)理裂隙調(diào)查結(jié)果分析

目前國(guó)際上對(duì)節(jié)理裂隙結(jié)構(gòu)面的圖示方法主要為玫瑰花圖［9］。對(duì)鹿鳴鉬礦已揭露的510、525等工作面現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理裂隙的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行整理，用計(jì)算機(jī)繪出系列玫瑰花圖件并進(jìn)行了詳細(xì)分析研究［10－11］。

2.1 節(jié)理裂隙玫瑰花圖分析

玫瑰花圖形象醒目，能比較清楚地反映出所研究區(qū)域的節(jié)理分布和發(fā)育情況，有助于分析區(qū)域構(gòu)造。圖1、3、5為節(jié)理走向玫瑰花圖；圖2、4、6為節(jié)理傾向傾角玫瑰花圖。

圖1 525階段走向玫瑰花圖Fig.1 Rose diagram of strike in 525stage

圖2 525階段傾向傾角玫瑰花圖Fig.2 Rose diagram of dip in 525stage

分析以上節(jié)理玫瑰花圖可得到以下節(jié)理賦存地質(zhì)信息：

階段出露的節(jié)理裂隙總體上比較發(fā)育，主要走向?yàn)?0°～29°，傾角較大，接近直角，節(jié)理面幾乎垂直，這些節(jié)理裂隙處應(yīng)力較集中，很容易產(chǎn)生變形破壞。

圖3 510階段走向玫瑰花圖Fig.3 Rose diagram of strike in 510stage

圖4 510階段傾向傾角玫瑰花圖Fig.4 Rose diagram of dip in 510stage

圖5 所有階段綜合走向玫瑰花圖Fig.5 Rose diagram of synthetical strike in all stages

525階段節(jié)理裂隙發(fā)育程度較大，裂隙條數(shù)最多，主要節(jié)理面走向受2個(gè)方向的主導(dǎo)，分別為33°和210°，傾向傾角接近垂直方向，易發(fā)生變形破壞；510階段比較發(fā)育，條數(shù)較多的節(jié)理裂隙的走向主要為20°，傾角較大，接近直角，節(jié)理面非常陡峭，節(jié)理裂隙處應(yīng)力集中，易產(chǎn)生變形破壞。這兩個(gè)階段節(jié)理裂隙面的傾向和傾角相對(duì)于階段總體分布密集程度要低，但節(jié)理裂隙分布規(guī)律與所有階段總體基本一致。具體而言，525階段傾向西北方向的節(jié)理裂隙面稀少，510階段傾向東南和西北方向的節(jié)理裂隙面數(shù)量偏少且沒有傾向西南方向的節(jié)理裂隙面，節(jié)理裂隙主要傾向東南和西北方向，東南方向280°∠83°和295°∠81°節(jié)理面較密集，發(fā)育程度較高；西北方向的節(jié)理裂隙面均為110°∠77°且數(shù)量較多，發(fā)育程度較高。

圖6 所有階段綜合傾向傾角玫瑰花圖Fig.6 Rose diagram of synthetical dip in all stages

因此，東南和西北方向巖層在開挖擾動(dòng)過(guò)程中易貫通，造成邊坡巖體破壞的可能性比較大，特別是沿280°∠83°、295°∠81°和110°∠77°三類節(jié)理面。傾向北東方向的節(jié)理裂隙面也具一定數(shù)量，但傾角傾向值分布范圍較廣，單種節(jié)理面密集程度不高，所以沿其走向發(fā)生變形破壞的可能性較?。粌A向西南方向的節(jié)理裂隙面極為稀少，所以沿其走向發(fā)生變形破壞的可能性極小。

3 弱結(jié)構(gòu)面的影響分析

西側(cè)邊坡主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀見表1所示。并繪制510邊坡與主要弱結(jié)構(gòu)面的赤平投影圖，分析了主要結(jié)構(gòu)面與邊坡的組合關(guān)系［12－13］，組合交棱線見表2所示，赤平投影圖見圖7所示。同時(shí)對(duì)F3與北區(qū)主要邊坡組合關(guān)系進(jìn)行了赤平投影分析。

表1 北區(qū)主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀Table 1 Occurrence of main structural plane in north area

表2 北區(qū)主要結(jié)構(gòu)面與邊坡組合關(guān)系Table 2 Syntagmatic relation of main structural plane and slope in north area

表3 F3與北區(qū)主要邊坡組合關(guān)系Table 3 Syntagmatic relation of main structural plane and F3in north area

圖7 北區(qū)邊坡結(jié)構(gòu)面赤平極射投影圖Fig.7 Stereographic projection figure of the slope structural plane in north area

從表2和圖7（a）分析可知：共軛節(jié)理1結(jié)構(gòu)面與坡面傾向基本趨于一致，在傾角小于坡面的區(qū)域容易發(fā)生平面滑移破壞。F4斷層、共軛節(jié)理2、優(yōu)勢(shì)節(jié)理面1、優(yōu)勢(shì)節(jié)理面2和優(yōu)勢(shì)節(jié)理面3與坡面成斜交狀態(tài)，不容易發(fā)生移動(dòng)破壞。優(yōu)勢(shì)節(jié)理面1、優(yōu)勢(shì)節(jié)理面2的組合交線的傾角比邊坡面的傾角陡，此時(shí)邊坡較穩(wěn)定；優(yōu)勢(shì)節(jié)理面2、優(yōu)勢(shì)節(jié)理面3的組合交線傾向坡內(nèi)，邊坡處于很穩(wěn)定的狀態(tài)；優(yōu)勢(shì)節(jié)理面1和優(yōu)勢(shì)節(jié)理面3的組合交線的傾角26°，小于邊坡面傾角，容易發(fā)生楔體破壞。節(jié)理面與邊坡之間的多組合結(jié)構(gòu)面，特別是F3和F4斷層之間的碎裂結(jié)構(gòu)，容易產(chǎn)生楔形滑移、傾倒等破壞現(xiàn)象，造成臺(tái)階邊坡失穩(wěn)破壞。共軛節(jié)理1與共軛節(jié)理2的組合交線的傾角為25°，小于邊坡面傾角，容易發(fā)生滑移破壞。

從表3和圖7（b）分析可知，F(xiàn)3與西北邊坡W1的夾角為35°，小于40°，不是很穩(wěn)定，可能產(chǎn)生局部滑動(dòng)。F3與西南邊坡 W3的夾角為31°，小于40°，不是很穩(wěn)定，可能產(chǎn)生局部滑動(dòng)。但F3與正西邊坡W2屬于外傾關(guān)系，且斷層傾角小于坡面角，不穩(wěn)定，容易滑動(dòng)。

從圖7（c）X1和X2共軛節(jié)理赤平投影分析圖可知，最大主應(yīng)力σ1方向?yàn)?28°∠52°，最小主應(yīng)力σ3方向?yàn)?8°∠58°。最大主應(yīng)力方向128°∠52°與510邊坡面的夾角相差11°，說(shuō)明此處的主應(yīng)力對(duì)邊坡的影響不大。

4 結(jié)論

1）對(duì)鹿鳴鉬礦北區(qū)已出露的510和525工作面節(jié)理裂隙進(jìn)行調(diào)查，利用地質(zhì)羅盤、量尺、塞尺、放大鏡、相機(jī)等工具進(jìn)行測(cè)量，掌握礦區(qū)巖體節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀，并觀測(cè)了區(qū)域性節(jié)理在區(qū)域范圍內(nèi)的變化趨勢(shì)、節(jié)理間距以及在空間上的延伸，為正確評(píng)價(jià)巖體穩(wěn)定性提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2）繪制了一系列節(jié)理玫瑰花圖，研究了鹿鳴鉬礦北區(qū)各階段的節(jié)理分布與發(fā)育情況。走向沿東北—西南方向的節(jié)理構(gòu)造發(fā)育程度和密集程度高，產(chǎn)生變形破壞的可能性比較大；東南和西北方向巖層受開挖擾動(dòng)容易貫通，造成邊坡巖體破壞的可能性較大，尤其沿280°∠83°、295°∠81°和110°∠77°這三類節(jié)理面更是如此。

3）對(duì)主要弱結(jié)構(gòu)面與邊坡的組合關(guān)系進(jìn)行赤平投影分析，得出不同位置的邊坡存在的不穩(wěn)定性因素與可能發(fā)生的邊坡失穩(wěn)情況。優(yōu)勢(shì)節(jié)理面1和優(yōu)勢(shì)節(jié)理面3易發(fā)生楔體破壞；共軛節(jié)理1與共軛節(jié)理2易發(fā)生滑移破壞；F3和F4斷層之間的碎裂結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生楔形滑移、傾倒等破壞現(xiàn)象；F3與西北邊坡W1、西南邊坡W3可能產(chǎn)生局部滑動(dòng)；F3與正西邊坡W2不穩(wěn)定，易滑動(dòng)。

［1］ 韓小良 .巖體裂隙分組的拓?fù)鋵W(xué)及數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析［D］.深圳：哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究院，2010.

［2］ 張國(guó)春 .河電廠巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2004.

［3］ 董金奎，申 延，邱俊剛 .焦家金礦寺莊礦區(qū)巖體節(jié)理裂隙調(diào)查與礦巖穩(wěn)定性分析［J］.黃金科學(xué)技術(shù)，2012，20（2）：58－61.

［4］ 徐 筠，趙明階 .節(jié)理裂隙巖體漸進(jìn)破壞機(jī)理研究綜述［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2008，4（3）：554－558.

［5］ 喬 蘭，蔡美峰 .新城金礦深部節(jié)理裂隙調(diào)查及巖體質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)研究［J］.中國(guó)礦業(yè)，2000，9（4）：70－74.

［6］ Majia V B，Sitharamb T G.Testing and evaluation of strength and deformation behavior of jointed rocks［J］.Geomechanics and Geoengineering，2012，7（2）：149－158.

［7］ 陳征宙，胡伏生，方 磊 .巖體節(jié)理網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1998，20（1）：22－25.

［8］ 周創(chuàng)兵，葉自桐，何炬林，等 .巖石節(jié)理張開度的概率模型與隨機(jī)模擬［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1998，17（3）：267－272.

［9］ 陳慶發(fā)，馬付超，張世雄 .金堆城露天礦節(jié)理裂隙調(diào)查及邊坡潛在破壞模式研究［J］.中國(guó)鉬業(yè)，2010，34（1）：35－39.

［10］ 《巖土工程手冊(cè)》編寫委員會(huì) .巖土工程手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1995.

［11］ 《工程地質(zhì)手冊(cè)》編寫委員會(huì) .工程地質(zhì)手冊(cè)［M］.3版 .北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1995.

［12］ 吳豪偉，蔡美峰 .塊體理論赤平解析法的節(jié)理裂隙巖體破壞預(yù)測(cè)分析［J］.中國(guó)礦業(yè)，2011，20（3）：58－60.

［13］ 陳炳貴，方宏偉 .論赤平極射投影在山口巖水利工程中的應(yīng)用［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2008，23（2）：631－635.