作龍寺礦山巖質(zhì)邊坡崩塌形成機理研究

詹亞輝，楊國華，錢建立,黃學謙

（1.河南省地礦局第二地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 鄭州 450012；2.河南地礦職業(yè)學院，河南 鄭州 450007；3.河南省洛陽市國土資源局，河南 洛陽 470001）

滑坡、泥石流、崩塌為地質(zhì)災害的三大主要災害類型。其中崩塌具有發(fā)生急劇、突然，運動快速、猛烈的特點[1]。以龍寺礦山為例，礦區(qū)內(nèi)均為露天開采、倚坡開挖，未按照臺階式開采，造成了地表坑洼的開采礦坑和隨意堆放的礦渣。在暴雨條件下，隨意堆放的松散礦渣可能會形成泥石流災害，露天開采形成的高陡巖質(zhì)邊坡上隨處可見危巖體和礦渣隨時可能導致滑坡、崩塌等災害。

1 崩塌區(qū)地質(zhì)條件概述

龍寺廢棄礦山位于焦作市旅游干線影視大道北側(cè)，面積101613 m2。礦區(qū)邊坡巖性為奧陶系石灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀為200°～230°∠4°～10°，巖層厚 0.1～5 m，地形坡度在 20°～30°之間，經(jīng)過開采后，形成了較高陡的巖質(zhì)邊坡，坡度多在65°～85°之間，坡高為40 m～70 m，部分邊坡最大坡高甚至達到了100 m以上。礦區(qū)內(nèi)這樣的采石邊坡共有7個。分布相對集中，但采石邊坡的平面形態(tài)具有很大的差異性，如圖1所示。

圖1 礦山采石平面分布圖

2 崩塌破壞特征和影響因素

2.1 破壞特征

龍寺廢棄礦山邊坡上部巖體由于常年受風化作用的影響，呈土黃色或灰白色，形成了較為破碎的坡體結(jié)構(gòu)，當卸荷裂隙與傾向臨空方向的軟弱結(jié)構(gòu)面貫通時，巖體在自重應力或外動力的作用下，可沿著貫通面產(chǎn)生近似圓弧狀的剪切滑移破壞。對于受風化作用較小的礦山內(nèi)部巖體而言，由于開挖卸荷的作用，在完整巖體內(nèi)形成了很多卸荷裂隙，這些裂隙與巖體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)面相互組合，使得原本穩(wěn)定的巖體就被分成了很多危巖塊體，這些危巖體在外動力作用下，可發(fā)生錯斷式或傾覆式的崩塌破壞。由于無序的開挖，部分邊坡存在下伏基巖被掏空的凹巖現(xiàn)象。在卸荷作用下，坡體內(nèi)產(chǎn)生了與坡面傾向近乎一直的卸荷裂隙，使得凹巖上部楔形體的結(jié)構(gòu)面為主控結(jié)構(gòu)面，近與水平，在重力和其他動力的影響下，其逐漸擴展貫通誘發(fā)危巖體變形，發(fā)生墜落式的崩塌。

2.2 影響因素

礦山內(nèi)巖質(zhì)邊坡危巖崩塌影響因素為地質(zhì)環(huán)境條件及外部作用。地質(zhì)環(huán)境條件包括邊坡高度、邊坡坡度、巖體結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)和巖土體性質(zhì)等。外部作用包括降雨、地震和人類工程活動等。

2.2.1 內(nèi)在因素

邊坡高度：邊坡高度對龍寺礦山危巖崩塌災害發(fā)育規(guī)模存在影響。較大規(guī)模的危巖崩塌現(xiàn)象往往出現(xiàn)在坡高較大的礦山邊坡上，崩塌源總是出現(xiàn)在風化較嚴重的邊坡上部。

邊坡坡度：龍寺礦山采用圈椅式的開挖方式，導致了邊坡具有高陡特性，為危巖崩塌提供了有利條件；邊坡形成的凹巖為危巖的形成創(chuàng)造了臨空面條件，有利于崩塌災害的發(fā)生。

巖體結(jié)構(gòu)：碎裂結(jié)構(gòu)和散體結(jié)構(gòu)的巖體完整性不足，易形成不穩(wěn)定塊體，引起危巖崩塌災害的發(fā)生[2]。龍寺礦山邊坡巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，完整性較差，上部巖體常常被風化呈松散破碎狀,在自然風化條件下或極端工況下，易脫離母巖形成危巖崩塌現(xiàn)象。

結(jié)構(gòu)面狀態(tài)：龍寺礦山邊坡地層為傾向臨空面的平緩巖層，且坡體內(nèi)發(fā)育著很多平直的結(jié)構(gòu)面，局部充填粘土，強度較低，為崩塌災害的發(fā)生提供了便利。

巖土體性質(zhì)：龍寺礦山石灰?guī)r為硬質(zhì)碳酸鹽，易形成較陡的斜坡，節(jié)理裂隙發(fā)育，灰?guī)r溶蝕作用強烈，破壞巖體的完整性，為危巖崩塌提供了有利條件。

2.2.2 誘發(fā)因素

降雨：地質(zhì)災害的發(fā)生往往與強降雨的出現(xiàn)具有一致性，降雨集中時段也是崩塌災害出現(xiàn)最多的時段[3]。開采后的龍寺礦山邊坡，卸荷裂隙和節(jié)理裂隙發(fā)育，降雨時這些裂隙成了雨水入滲的通道，可能誘發(fā)礦山危巖崩塌災害的發(fā)生。

地震：地震是誘發(fā)崩塌災害的重要因素之一。地震力作用會導致巖體結(jié)構(gòu)狀態(tài)出現(xiàn)變化，在地震施加的水平應力作用下，易形成危巖崩塌。

人類工程活動：人類活動往往會打破了原有的應力平衡狀態(tài)，不利于邊坡穩(wěn)定。龍寺礦區(qū)無序的開采正是打破了這種平衡，造成了礦區(qū)內(nèi)多個陡立邊坡極易發(fā)生崩塌災害。

3 節(jié)理巖質(zhì)高邊坡坡體結(jié)構(gòu)特征分析

3.1 邊坡臨空面的特征

未按照臺階式的開挖方式進行開采，造成了開采邊坡的平面形態(tài)整體呈圓弧狀（圖2(a)），。邊坡臨空面最高處達105 m，坡度75°～85°，根據(jù)坡面的走向?qū)⑵浞譃槿齻€坡段（圖2(b)）。邊坡臨空面各坡段產(chǎn)狀如表1所示。

表1 CIV-1采場邊坡各坡段坡面統(tǒng)計表

圖2 CIV-1采場邊坡形態(tài)分布圖

3.2 邊坡結(jié)構(gòu)面特征分析

結(jié)構(gòu)面調(diào)查：對于CIV-1采石場主要對邊坡穩(wěn)定性起著控制性作用的大型結(jié)構(gòu)面進行了調(diào)查統(tǒng)計分析，其現(xiàn)場測量統(tǒng)計的結(jié)果如表2所示。

表2 測量結(jié)構(gòu)面情況表

結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計分析：根據(jù)結(jié)構(gòu)面傾向、傾角的數(shù)據(jù)，采用Dips和origin軟件進行統(tǒng)計分析，其結(jié)果如下：

等密度圖：從結(jié)構(gòu)面等密度圖（圖3(a)）可以看到，結(jié)構(gòu)面主要分布在投影面的圓周附近，少部分聚集在圓心，表明大部分結(jié)構(gòu)面的傾角較陡，結(jié)構(gòu)面傾角大多在70°～90°之間。與結(jié)構(gòu)面傾角大多在70°～90°之間的統(tǒng)計規(guī)律相吻合；由于本區(qū)的巖層產(chǎn)狀大概近似水平，故圖6(a)中心處的巖層產(chǎn)狀主要表現(xiàn)為本區(qū)的巖層產(chǎn)狀。

結(jié)構(gòu)面走向玫瑰花圖：結(jié)構(gòu)面走向玫瑰花圖如圖3(b)所示，結(jié)合結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，從中可以初步判斷有三組主要節(jié)理互相切割。第一組節(jié)理的走向0°～10°之間，傾向近似為東西向，在平面上與地層的走向基本垂直；第二組節(jié)理走向為290°左右，平面上與地層走向小角度相交；第三組節(jié)理走向近似為300°，與巖層走向一致。

圖3 結(jié)構(gòu)面等密度圖和走向玫瑰花圖

結(jié)構(gòu)面發(fā)育的基本特征：IV結(jié)構(gòu)面、V結(jié)構(gòu)面基本特征如下：

IV結(jié)構(gòu)面：在CIV-1采場邊坡內(nèi)IV結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育，其類型主要為卸荷裂隙、層面、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面，在邊坡上延伸幾米到幾十米，部分節(jié)理裂隙面受巖溶作用強烈，多數(shù)是鈣質(zhì)填充，局部泥質(zhì)填充。

V結(jié)構(gòu)面：CIV-1邊坡上部的巖體中V級結(jié)構(gòu)面發(fā)育，結(jié)構(gòu)面多平直光滑，張開度大小不一，局部有泥質(zhì)填充。在淺表生改造作用下，隨著邊坡卸荷(“離面卸荷”)使其中與坡面近于平行的中緩節(jié)理顯現(xiàn)、拉裂擴展，巖體表現(xiàn)出破碎狀。

3.3 坡體結(jié)構(gòu)特征分區(qū)

節(jié)理控制型坡體結(jié)構(gòu)中，層面與構(gòu)造節(jié)理的組合方式控制著邊坡的破壞模式，常組合形成滑塊?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于發(fā)育著兩組近乎正交的陡傾優(yōu)勢節(jié)理，邊坡中的巖體大部分都是被結(jié)構(gòu)面切割形成塊狀或板狀，并有發(fā)生滑移破壞和傾倒破壞的可能，而且局部塊體由于開挖導致底部臨空而有墜落破壞的可能。共分10個區(qū)（圖4）。各區(qū)特征：III區(qū)巖體較完整，被長大的控制性結(jié)構(gòu)面切割成塊狀和長板狀，與邊坡走向垂直的陡傾節(jié)理構(gòu)成了塊體的側(cè)緣邊界面，塊體的穩(wěn)定性由層面以及與邊坡走向相近的陡傾節(jié)理控制；I區(qū)和IX區(qū)受斷層影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體呈碎裂狀，坡段邊坡高度較低，整體穩(wěn)定性較好，可能出現(xiàn)局部的掉塊；IV區(qū)為坡頂?shù)膹?中風化層，巖體風化破碎，局部已出現(xiàn)塊體崩落；II區(qū)、VI區(qū)、VIII區(qū)、X區(qū)為結(jié)構(gòu)面發(fā)育的區(qū)域，受多組陡傾節(jié)理切割，巖體呈層狀碎裂結(jié)構(gòu)，巖體被切割成大小不等的塊體，塊體的穩(wěn)定性受結(jié)構(gòu)面與坡面組合方式的控制。

圖4 CIV-1采場邊坡坡體結(jié)構(gòu)特征分區(qū)圖

4 崩塌類型與形成機理

4.1 崩塌類型

根據(jù)上述危巖崩塌成因的分析，龍寺礦山危巖崩塌模式主要為：卸荷-拉裂(剪切)-滑移式崩塌、卸荷-拉裂-傾倒式崩塌/錯斷式崩塌和卸荷-拉裂-墜落式崩塌。

4.2 崩塌形成機理

4.2.1 卸荷-拉裂(剪切)-滑移式崩塌

CII-1采場邊坡由于開挖卸荷和風化作用的雙重影響，邊坡上部較破碎，隨著開挖深度的增加，坡體結(jié)構(gòu)的完整性逐漸變好，而且坡體由于開挖卸荷后的應力重分布，導致邊坡上部形成張力帶，產(chǎn)生卸荷拉裂縫，上部巖體被切割成危巖體。當危巖體一面臨空且下部有與臨空面傾向一致的軟弱結(jié)構(gòu)面時，危巖體在重力作用下具有沿軟弱結(jié)構(gòu)面向臨空面滑移破壞的趨勢，邊坡上部巖體風化破碎，危巖體在發(fā)生崩塌破壞時沿卸荷裂隙產(chǎn)生了近似圓弧狀的剪切滑移破壞。危巖體還可能沿著卸荷裂隙追蹤節(jié)理形成階梯狀剪切滑移面。

邊坡失穩(wěn)后的破壞面呈圓弧狀，且上部破壞面有黃色泥土覆蓋。隨著雨水的不斷入滲，降低了軟弱面上的巖體強度，崩滑體的抗滑力不足以抵抗下滑力，巖體出現(xiàn)向臨空面的變形破壞，加之坡體結(jié)構(gòu)破碎，形成了卸荷-拉裂-滑移式的崩塌。降雨在坡體內(nèi)產(chǎn)生的動、靜水壓力以及水對結(jié)構(gòu)面的軟化作用是此類邊坡失穩(wěn)的主要誘因。

4.2.2 卸荷-拉裂-傾倒式崩塌/錯斷式崩塌

CIV-1采場邊坡經(jīng)開采后坡體發(fā)生了由坡腳向坡頂?shù)膲簯u變?yōu)槔瓚蛶r體徑向力由坡內(nèi)向坡面的應力改變，使得坡頂出現(xiàn)了與臨空面近平行的上寬下窄的張拉裂隙，開采面積的擴大，張拉裂隙沿在坡體內(nèi)原生結(jié)構(gòu)面繼續(xù)擴展，加之坡內(nèi)發(fā)育著近垂直的構(gòu)造裂隙和近水平的原生層面，它們相互組合后，將穩(wěn)定完整的巖體切割成許多危巖體，這些危巖體在斷面圖上呈長柱形，橫向穩(wěn)定性差。巖體內(nèi)產(chǎn)生的張拉裂隙破壞了坡體的完整性，降低了巖體強度，同時為降雨提供了滲透通道，在滲透的過程中巖體發(fā)生以下形式的破壞：

（1）當組成危巖體的結(jié)構(gòu)面未貫通時，危巖體根部內(nèi)側(cè)的最大拉應力超過了巖體強度而發(fā)生拉裂折斷，卸荷裂隙就會沿原生結(jié)構(gòu)面繼續(xù)向下擴展，與巖體中近水平的層面貫通，此時當危巖體所受到抗傾覆力矩小于外力提供的傾覆力矩時，危巖體就會向臨空面發(fā)生傾倒轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的破壞模式為卸荷-拉裂-傾倒。危巖體沿底部發(fā)生傾倒轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生崩塌的破壞模式為卸荷-拉裂-傾倒。

（2）邊坡板狀危巖體下部不存在軟弱層和凹腔，危巖體在自重作用下處于無側(cè)限單軸壓縮狀態(tài)，當?shù)撞繋r體受自然風化作用強度降低時，發(fā)生剪切破壞，出現(xiàn)錯斷式崩塌。在有較大水平力作用下，危巖體根部巖體也被拉裂折斷，從而危巖體發(fā)生傾倒轉(zhuǎn)動產(chǎn)生崩塌。

4.2.3 卸荷-拉裂-墜落式崩塌

CII-2采場邊坡由于開挖卸荷和風化作用的雙重影響，邊坡上部較破碎，隨著開挖深度的增加，坡體結(jié)構(gòu)的完整性逐漸變好。由于人工無序開采，在邊坡上部形成了突懸出來的危巖體。開挖卸荷后，邊坡上部形成張力帶，卸荷裂隙沿構(gòu)造裂隙逐漸發(fā)展，當后緣構(gòu)造結(jié)構(gòu)面張開擴展到與上部結(jié)構(gòu)面貫通時，在危巖體自重和其他外力作用下，主控結(jié)構(gòu)面逐漸擴展，最終導致危巖體失穩(wěn)墜落形成崩塌。

5 結(jié)論

焦作龍寺礦區(qū)崩塌控制因素為邊坡高度、邊坡坡度、巖體結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)和巖土體性質(zhì)。誘發(fā)因素為降雨、地震和人類工程活動。

崩塌破壞模式主要為卸荷-拉裂(剪切)-滑移式崩塌、卸荷-拉裂-傾倒式崩塌/錯斷式崩塌、卸荷-拉裂-墜落式崩塌。

卸荷-拉裂 (剪切)-滑移式崩塌形成機理為：由于人工開挖，導致應力場變化。邊坡上部形成張力帶，產(chǎn)生卸荷拉裂縫，上部巖體被切割成危巖體。當危巖體一面臨空且下部有與臨空面傾向一致的軟弱結(jié)構(gòu)面時，危巖體在重力作用下具有沿軟弱結(jié)構(gòu)面向臨空面滑移破壞的趨勢；降雨在坡體內(nèi)產(chǎn)生的動、靜水壓力以及水對結(jié)構(gòu)面的軟化作用是此類邊坡失穩(wěn)的主要誘因。

卸荷-拉裂-傾倒式崩塌/錯斷式崩塌形成機理主要為：龍寺礦區(qū)由于其特殊的坡體結(jié)構(gòu)，導致采礦邊坡存在許多長柱狀的危巖體，這些危巖體在靜水壓力、重力、地震力等外力作用下容易發(fā)生卸荷-拉裂-傾倒或卸荷-剪切-滑移模式的崩塌災害。

卸荷-拉裂-墜落式崩塌形成機理主要為：由于人工無序開采，在邊坡上部形成了突懸出來的危巖體。邊坡上部形成張力帶，卸荷裂隙沿構(gòu)造裂隙逐漸發(fā)展，后緣構(gòu)造結(jié)構(gòu)面張開擴展與上部結(jié)構(gòu)面貫通時，在危巖體自重和其他外力作用下，主控結(jié)構(gòu)面逐漸擴展，最終導致危巖體失穩(wěn)墜落形成崩塌。