某煤礦巖質(zhì)臺(tái)階開挖邊坡破壞類型分析

何 怡 陳學(xué)軍 王新剛

(1.中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢 430068；2.洛陽理工學(xué)院土木工程系，河南 洛陽 471023；3.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

某煤礦巖質(zhì)臺(tái)階開挖邊坡破壞類型分析

何 怡1，2陳學(xué)軍1,3王新剛1

(1.中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢 430068；2.洛陽理工學(xué)院土木工程系，河南 洛陽 471023；3.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

巖體優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面控制巖質(zhì)邊坡變形的邊界，優(yōu)勢(shì)面的組合決定了巖質(zhì)邊坡變形破壞的類型。針對(duì)某煤礦采礦工程巖質(zhì)開挖邊坡，開展巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查和研究，進(jìn)行優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面分組，將開采邊幫按照幾何形態(tài)和地層巖性情況分區(qū)分段，通過優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面與臺(tái)階開挖邊坡的傾向和傾角關(guān)系，采用Dips軟件所得的直觀分析圖，可以分析采礦臺(tái)階開挖邊坡的破壞類型及其破壞發(fā)生的條件。最后指出采礦臺(tái)階邊坡開挖后，應(yīng)采取針對(duì)性的工程治理措施，并結(jié)合結(jié)構(gòu)面赤平投影的可能性區(qū)域以及位置的分析，分區(qū)分段治理危險(xiǎn)區(qū)域的臺(tái)階邊坡，以達(dá)到礦區(qū)安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上節(jié)約成本的目的。

結(jié)構(gòu)面 巖質(zhì)邊坡 破壞類型 采礦工程 分區(qū)分段

巖質(zhì)邊坡發(fā)生破壞的主要影響因素是邊坡內(nèi)不同規(guī)模的結(jié)構(gòu)面[1]，而巖體優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面分析理論[2]認(rèn)為：巖體優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面控制巖質(zhì)邊坡變形的邊界，優(yōu)勢(shì)面的組合決定了巖質(zhì)邊坡變形破壞的類型[3-6]。

采礦工程臺(tái)階邊坡的開挖，臺(tái)階邊坡參數(shù)與優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面組合后，可能構(gòu)成不穩(wěn)定性塊體的邊界，影響臺(tái)階開挖邊坡的穩(wěn)定和礦區(qū)安全[7]，因此，對(duì)采礦工程巖質(zhì)臺(tái)階開挖邊坡破壞類型分析是非常必要的。

本研究以山西忻州神達(dá)梁家磧露天煤礦巖質(zhì)開挖邊坡為例，開展巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查和研究，進(jìn)行優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面分組，通過優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面與臺(tái)階開挖邊坡的傾向和傾角關(guān)系；詳細(xì)介紹采用Dips軟件，分析不同開挖的境界分區(qū)中臺(tái)階的破壞類型及其破壞發(fā)生的條件，為類似礦區(qū)巖質(zhì)臺(tái)階開挖邊坡穩(wěn)定性治理以及安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 臺(tái)階開挖邊坡及采場邊幫分區(qū)

以山西忻州神達(dá)梁家磧露天煤礦臺(tái)階開挖邊坡為例進(jìn)行巖質(zhì)臺(tái)階開挖邊坡破壞類型分析，該礦區(qū)位于河曲縣城東北15 km處，采場開挖工作邊幫最終邊坡角度為37°，臺(tái)階開挖邊坡每級(jí)高度為10 m，臺(tái)階坡面角為土層60°，煤和巖石65°。

影響采場巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的因素有巖體結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況和規(guī)模。結(jié)構(gòu)面及其組合特性對(duì)于巖質(zhì)坡的穩(wěn)定性起到控制性作用，結(jié)構(gòu)面及其組合特性是采場邊坡地質(zhì)條件的重要內(nèi)容。

考慮到采場邊幫幾何形態(tài)和地層巖性，有必要將整個(gè)邊幫分區(qū)分段，進(jìn)行分類討論，將坡面傾向基本一致的區(qū)域劃分為同一邊坡分區(qū)，以保證各分區(qū)邊坡能采用相同結(jié)構(gòu)面參數(shù)結(jié)果來進(jìn)行破壞類型分析。將整個(gè)采礦邊幫分成6個(gè)區(qū)段，區(qū)段從西北頂點(diǎn)開始到東北頂點(diǎn)，依次為AB，BC，CD，DE，EF，F(xiàn)A,見圖1所示，其中西幫區(qū)段BC、南幫區(qū)段CD主要為巖質(zhì)邊坡，巖性主要為厚層砂巖和泥巖。

圖1 采場邊幫分區(qū)圖

2 結(jié)構(gòu)面測量與統(tǒng)計(jì)

對(duì)采區(qū)內(nèi)出露的典型中厚層砂巖和泥巖進(jìn)行了結(jié)構(gòu)面量測見圖2、圖3所示，調(diào)查采用測線法。

圖2 砂巖結(jié)構(gòu)面的量測

統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如下：調(diào)查了采場邊坡砂巖內(nèi)裂隙的分布規(guī)律，用赤平投影分析軟件——Dips軟件，對(duì)砂巖內(nèi)結(jié)構(gòu)面作了統(tǒng)計(jì)分析(見圖4)。由圖4可以看出，平均優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀4組分別為125°<81°(1 m)、215°<76°(2 m)、27°<43°(3 m)、182°<3°(4 m)。調(diào)查了采場邊坡泥巖內(nèi)裂隙的分布規(guī)律，用Dips軟件對(duì)泥巖內(nèi)裂隙作了統(tǒng)計(jì)分析(見圖5)。由圖5可以看出，優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀5組分別為23°<80°(1 m)、114°<86°(2 m)、203°<86°(3 m)、305°<84°(4 m)、13°<8°(5 m)。

圖3 泥巖結(jié)構(gòu)面的量測

圖4 砂巖赤平投影圖

圖5 泥巖赤平投影圖

3 臺(tái)階開挖邊坡破壞類型分析

根據(jù)現(xiàn)場觀測，山西忻州神達(dá)梁家磧露天煤礦礦區(qū)臺(tái)階邊坡主要存在有傾倒破壞(見圖6)、平面滑移破壞(見圖7)、楔形體破壞(見圖8)3種破壞類型。

以礦區(qū)南幫CD分區(qū)段巖質(zhì)邊坡巖性為砂巖的區(qū)域?yàn)槔M(jìn)行臺(tái)階開挖邊坡破壞類型分析。CD分區(qū)段臺(tái)階開挖邊坡的傾向?yàn)?0°，傾角為65°。通過對(duì)現(xiàn)場采集的結(jié)構(gòu)面試樣進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得到了礦區(qū)的結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)的平均值內(nèi)聚力為0.083 MPa，內(nèi)摩擦角為25°。

圖6 傾倒破壞現(xiàn)場照片

圖7 平面滑移破壞現(xiàn)場照片

圖8 楔形體破壞現(xiàn)場照片

3.1 CD分區(qū)段砂巖區(qū)域傾倒破壞分析

結(jié)合砂巖赤平投影圖，將CD分區(qū)段臺(tái)階開挖邊坡的傾向和傾角疊加在同一圖中進(jìn)行傾倒破壞分析，見圖9所示。

圖9 傾倒破壞分析圖

赤平投影分析軟件Dips中規(guī)定：

(1)

(2)

式中,θ1為臺(tái)階邊坡傾倒界限傾角；θ2臺(tái)階邊坡傾角；φ為巖石結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角；φ1為傾伏向；φ2為臺(tái)階邊坡傾向。

圖9中，發(fā)生傾倒破壞的結(jié)構(gòu)面區(qū)域?yàn)椋簝A角大于傾倒界限，且在傾倒圓錐界限內(nèi)的的交集區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)面散點(diǎn)將可能發(fā)生傾倒破壞。圖9中大約有22%的結(jié)構(gòu)面點(diǎn)落入傾倒破壞區(qū)域，傾倒破壞發(fā)生的可能性較大，傾倒破壞發(fā)生在傾向171°～231°、傾角40°～89°的節(jié)理組上。

3.2CD分區(qū)段砂巖區(qū)域平面滑移破壞分析

CD分區(qū)段砂巖區(qū)域平面滑移破壞分析，見圖10所示。

圖10 平面滑移破壞分析圖

巖質(zhì)邊坡平面滑移破壞的基本條件是潛在滑移結(jié)構(gòu)面的傾角小于坡角但大于巖體結(jié)構(gòu)面的內(nèi)摩擦角。因此，赤平投影分析軟件Dips，采用摩擦角圓錐表示大于或小于摩擦角的界限，圖10中邊坡開隙包絡(luò)圈表示潛在滑移結(jié)構(gòu)面的傾角小于坡角，且走向與邊坡走向大角度相交的結(jié)構(gòu)面。落在摩擦角圓錐和邊坡開隙包絡(luò)圈交集部分星月狀的圖形范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)面赤平投影點(diǎn)，即為潛在滑移破壞結(jié)構(gòu)面[1]。

圖10中大約有8%的結(jié)構(gòu)面點(diǎn)落入平面滑移破壞區(qū)域，平面滑移破壞發(fā)生在傾向0°～53°、傾角25°～65°的節(jié)理組上。

3.3 CD分區(qū)段砂巖區(qū)域楔形體破壞分析

結(jié)合砂巖赤平投影圖，將CD分區(qū)段臺(tái)階開挖邊坡的傾向和傾角以及砂巖的4組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面疊加在同一圖中進(jìn)行楔形體破壞分析，見圖11所示。

巖體發(fā)育的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面如果能組合構(gòu)成楔形體，若結(jié)構(gòu)面延伸有一定的距離和深度，則極易發(fā)生沿組合結(jié)構(gòu)面的楔形體破壞[1,8]。

圖11 楔形體破壞分析圖

赤平投影分析軟件Dips中規(guī)定：

(3)

式中,θ3為平面摩擦圓錐的角度亦即摩擦角的余角；θ4為傾伏角，取90°；φ為巖石結(jié)構(gòu)面的內(nèi)摩擦角。

平面摩擦圓錐和臺(tái)階開挖邊坡赤平投影線所封閉區(qū)域即為楔形體破壞區(qū)域。此區(qū)域內(nèi)的任意2組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的交點(diǎn)，即為楔形體滑動(dòng)點(diǎn)。

圖11中，優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面1(產(chǎn)狀125°<81°)、優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面3(產(chǎn)狀27°<43°)所交切組合形成的滑移結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀47°<223°將發(fā)生楔形體破壞。其破壞示意圖如圖12所示。采礦臺(tái)階邊坡開挖后，對(duì)于楔形體破壞，應(yīng)采取針對(duì)性的工程治理措施并結(jié)合赤平投影的可能性區(qū)域以及位置的分析，分區(qū)分段治理危險(xiǎn)區(qū)域的臺(tái)階邊坡。

圖12 楔形體破壞示意

4 結(jié) 論

(1)對(duì)巖質(zhì)開挖邊坡，開展巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查和研究，進(jìn)行優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面分組，通過優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面與臺(tái)階開挖邊坡的傾向和傾角關(guān)系，采用Dips軟件所得的直觀分析圖，可以分析臺(tái)階開挖邊坡的破壞類型及其破壞發(fā)生的條件。

(2)考慮到采場邊幫幾何形態(tài)和地層巖性，將開采邊幫坡面傾向基本一致的區(qū)域劃分為同一邊坡分區(qū)進(jìn)行分區(qū)分段的分類討論，可以保證各分區(qū)邊坡能采用相同結(jié)構(gòu)面參數(shù)結(jié)果來進(jìn)行破壞類型分析。

(3)采礦臺(tái)階邊坡開挖后，應(yīng)采取針對(duì)性的工程治理措施，并結(jié)合赤平投影的可能性區(qū)域以及位置的分析，分區(qū)分段治理危險(xiǎn)區(qū)域的臺(tái)階邊坡，以達(dá)到在礦區(qū)安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上節(jié)約成本的目的。

[1] 王新剛，胡 斌，劉 強(qiáng)，等.松樹南溝礦區(qū)節(jié)理巖質(zhì)邊坡開挖穩(wěn)定性分析[J].金屬礦山，2013(8):127-130. Wang Xingang，Hu Bin，Liu Qiang，et al.Stability analysis of jointed rock slope after excavation in Songshunan′s Mining Area[J].Metal Mine，2013(8)：127-130．

[2] 蔣建平，章楊松，羅國煜，等.優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面理論在巖土工程中的應(yīng)用[J]．水利學(xué)報(bào)，2008,16(8)：90-96． Jiang Jianping，Zhang Yangsong，Luo Guoyu，et al.The application of preferred plane theory to geotechnical engineering practice[J].Journal of Hydraulic Engineering，2001,16(8)：90-96.

[3] 鐘 文，金解放，曾芳金，等．基于優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的礦山邊坡穩(wěn)定性分析[J]．中國鎢業(yè)，2008，23(2)：18-21． Zhong Wen，Jin Jiefang，Zeng Fangjin，et al.Analysis of slope stability for open-pit mines based on preferred structural plane[J].China Tungsten Industry，2008，23(2)：18-21．

[4] 朱 婷，黃宜勝,郭 建．基于優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面理論的高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析[J]．水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2010，37(2)：83-86． Zhu Ting，Huang Yisheng，Guo Jian.Stability analysis of a high and steep rocky slope based on preferred plane theory[J].Hydrogeology & Engineering Geology，2010，37(2)：83-86.

[5] 王樂華，鄭 濤．工程優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面在巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用[J]．人民長江，2010，41(12):38-41． Wang Lehua，Zheng Tao.Application of engineering preferred structure plane in rock slope stability analysis[J]．Yangtze River，2010，41(12):38-41．

[6] 魯功達(dá)，晏鄂川，趙建軍，等.優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面控制的巖質(zhì)邊坡強(qiáng)震破壞機(jī)制研究[J]．工程地質(zhì)學(xué)報(bào)， 2012，20(3):305-310． Lu Gongda，Yan Echuan，Zhao Jianjun，et al.Failure mechanism of preferred structure plane controlled lithologic slope during intensive earthquake[J].Journal of Engineering Geology， 2012，20(3):305-310.

[7] 胡 斌，王新剛，劉智權(quán)，等．西藏邦甫露天礦巖體優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面與邊坡穩(wěn)定性分析[J]．金屬礦山,2011(4):12-15． Hu Bin，Wang Xingang， Liu Zhiquan，et al.Analysis on the preferred structure plane of rockmass and slope stability in infrastructure construction in Tibet Bangfu Open-pit Mine[J].Metal Mine，2011(4)：12-15.

[8] 成永剛.廣東清(遠(yuǎn)) 連(州) 公路邊坡變形破壞類型分析[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2006，17(4):46-51． Cheng Yonggang.Types of cut slope failure along Qingyuan-Lian zhou Highway，Guangdong Province[J]．The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2006，17(4):46-51.

(責(zé)任編輯 石海林)

Analysis of Slope Failure Type at Excavation of Rocky Step：a Case of Rocky Excavated Slope in a Coal Mine

He Yi1Chen Xunjun1,3Wang Xin′gang1

(1.SchoolofEngineering，ChinaUniversityofGeosciences，Wuhan430074，China；2.DepartmentofCivilEngineering，LuoyangInstituteofScienceandTechnolegy，Luoyang471003，China；3.CollegeofCivilEngineeringandArchiteclure,GuilinUniversityofTechnology，Guilin541004，China)

The predominant rock-mass structural planes control the boundaries of rocky slope deformation，and their combination decides the type of deformation and failure.For a coal mine，the rock-mass structures of rocky excavated slopes in mining engineering were investigated and studied.The predominant structural planes were grouped，and the mining slopes were divided geometrically and lithologically into several sections.The associations of predominant structural planes with the inclining direction/angle of step excavation slopes were intuitively analyzed on Dips.Based on this，the occurring conditions for the failure type due to mining step excavated slope are discussed.The targeted engineering treatment measures should be applied after excavation of mining step slopes.The step slopes in danger areas can be sectionally treated by analyzing the possible areas and positions of structural planes′ stereographic projection.Thereby，safety production and cost saving in mines can be both guaranteed.

Structural surface，Rock slope，F(xiàn)ailure type，Mining engineering，Sectional

2014-09-28

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：41262011)，桂科能項(xiàng)目(編號(hào)：11-KF-02)。

何 怡(1983—)，女，博士研究生。

TD854.6，O319.56

A

1001-1250(2015)-02-151-04