基于赤平投影的豫西某鋁土礦巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析

張鵬飛 王云亮

摘要：在露天開(kāi)采剝離巖石過(guò)程中，由于受到結(jié)構(gòu)、爆破、動(dòng)力等作用的耦合因素影響容易形成含多種結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)邊坡。巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定問(wèn)題便隨之出現(xiàn)。巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性受結(jié)構(gòu)面控制，破壞形式多為結(jié)構(gòu)面切割形成的失穩(wěn)。本文以豫西某鋁土礦露天采場(chǎng)巖質(zhì)邊坡為例，基于投影圖解法分析原理，判定該巖質(zhì)邊坡欠穩(wěn)定，預(yù)測(cè)了該邊坡發(fā)展趨勢(shì)為不穩(wěn)定。用于指導(dǎo)礦山安全，具有較強(qiáng)的實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞：巖質(zhì)邊坡；結(jié)構(gòu)面；赤平投影；圖解法

1.引言

鋁土礦是我國(guó)重要的工業(yè)資源。豫西地區(qū)賦存鋁土礦主要以古風(fēng)化殼型鋁土礦為主，露天開(kāi)采過(guò)程中首先須剝離上部巖層，從而引發(fā)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題也隨之而來(lái)，因此，研究邊坡露天采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定與安全是企業(yè)安全生產(chǎn)的一項(xiàng)重要課題。

露天邊坡無(wú)論是總體設(shè)計(jì)還是局部穩(wěn)定性處理，都必須在安全的前提下尋求經(jīng)濟(jì)利益的最大化，筆者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與分析研究，總結(jié)了目前巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響因素及評(píng)價(jià)方法在露天開(kāi)采中的應(yīng)用，并用工程實(shí)例加以分析印證。

2.邊坡變形原因與影響因素

露天采場(chǎng)巖質(zhì)邊坡變形與破壞過(guò)程，是巖體內(nèi)部應(yīng)力相互影響的結(jié)果，邊坡開(kāi)挖前巖體內(nèi)部處于天然平衡狀態(tài)，隨著開(kāi)采境界的延伸及剝離工程的推進(jìn)，巖體在采場(chǎng)一側(cè)將出現(xiàn)臨空面，失去原有支撐力，引起巖體內(nèi)部應(yīng)力不斷變化，在邊坡的兩端出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)和張拉應(yīng)力區(qū)，這些應(yīng)力的變化將導(dǎo)致巖體發(fā)生新的變形，開(kāi)采的結(jié)果必將導(dǎo)致向臨空面發(fā)生變形破壞趨勢(shì)。

邊坡穩(wěn)定性除受工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、地層巖性、地形地貌和新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響外，還受人類工程活動(dòng)如開(kāi)挖、爆破等因素影響。其中最主要為結(jié)構(gòu)面的影響。薄弱結(jié)構(gòu)面的形狀和空間關(guān)系對(duì)巖體強(qiáng)度有明顯的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，容易降低巖體的強(qiáng)度。邊坡的變形模式和破壞機(jī)理主要由薄弱結(jié)構(gòu)面控制。

3.邊坡赤平投影分析原理

赤平投影基本原理就是把面和線放在一個(gè)投影球的中心，通過(guò)球心的面和線延伸后與球面相交，分別形成弧線和點(diǎn)。把球面上弧線和點(diǎn)與投影球的頂點(diǎn)相連，投影到赤道平面上，即為極射赤平投影。

赤平投影在邊坡工程中常用來(lái)分析巖石內(nèi)摩擦角、體結(jié)構(gòu)面與臨空面之間的相互關(guān)系，從而定性判別巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，綜合分析巖體可能出現(xiàn)的破壞模式。目前赤平投影理論用來(lái)判別的邊坡破壞形式主要有平面滑動(dòng)型和楔形體破壞型。平面型破壞指層狀破壞，從結(jié)構(gòu)面與邊坡空間關(guān)系上分為外傾和斜交破壞，一般僅一組結(jié)構(gòu)面或多組平行的結(jié)構(gòu)面；楔形體破壞主要為兩組或多組結(jié)構(gòu)面之間組成的塊狀失穩(wěn)，包括兩組外傾和一組外傾一組內(nèi)傾。

4.工程實(shí)例

4.1工程地質(zhì)概況

該邊坡位于河南省西部一處露天采場(chǎng)內(nèi)，地層為一單斜構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。上部覆蓋層為第四系中更新統(tǒng)（Q₂）黃土，局部出露基巖為石炭系中統(tǒng)砂巖（C₂），下部為石炭系本溪組（C₂b）鋁土礦。由于受開(kāi)挖、振動(dòng)等因素影響該邊坡所在區(qū)域砂巖較為破碎。覆蓋層厚度約2.0m，局部砂巖直接出露，砂巖厚一中厚層狀構(gòu)造，巖層總體厚度約14m，礦石厚度約3m。邊坡坡高約16m，巖層總體產(chǎn)狀為15°<6°，邊坡產(chǎn)狀8°<65°～<75°，平均坡度約70°，目前處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2結(jié)構(gòu)面調(diào)查

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及測(cè)繪，發(fā)現(xiàn)典型的結(jié)構(gòu)面有兩組，均為中硬性結(jié)構(gòu)面。結(jié)構(gòu)面中層面結(jié)合一般。結(jié)構(gòu)面交線傾向與坡面傾向基本一致，傾角小于坡角。通過(guò)對(duì)臨近邊坡的反演及部分土工試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，砂巖重度約26kN/m³，黏聚力200kPa，內(nèi)摩擦角36°。坡體與結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀如下：邊坡（J0）產(chǎn)狀8°<70°，結(jié)構(gòu)面J1產(chǎn)狀146°<40°，結(jié)構(gòu)面J2產(chǎn)狀218°<50°，巖層產(chǎn)狀23°<6°。

4.3邊坡穩(wěn)定分析

建立赤平投影網(wǎng)，將各組結(jié)構(gòu)面信息繪入赤平投影圖進(jìn)行分析。分別從邊坡與結(jié)構(gòu)面的平面位置關(guān)系、剖面組合關(guān)系及赤平投影圖解的角度分析和評(píng)價(jià)。結(jié)果如圖1、圖2及圖3所示。

通過(guò)以結(jié)構(gòu)面與邊坡關(guān)系分析及圖解可知，以邊坡傾向?yàn)閰⒖?，J1結(jié)構(gòu)面為內(nèi)傾結(jié)構(gòu)面，J2結(jié)構(gòu)面為外傾結(jié)構(gòu)面，當(dāng)J2結(jié)構(gòu)面為控制性結(jié)構(gòu)面時(shí)，外傾結(jié)構(gòu)面對(duì)于砂巖邊坡，一般不容易發(fā)生失穩(wěn)，僅可能出現(xiàn)折斷式崩塌，從該礦區(qū)以往出現(xiàn)的小型邊坡失穩(wěn)來(lái)看，單純存在外傾結(jié)構(gòu)面時(shí)邊坡可以保持穩(wěn)定；J1為內(nèi)傾結(jié)構(gòu)面，當(dāng)J1結(jié)構(gòu)面為控制性結(jié)構(gòu)面時(shí)，從圖2可知，結(jié)構(gòu)面傾角均大于巖層傾角且小于邊坡角，單存在J1結(jié)構(gòu)面的情況下，根據(jù)該礦區(qū)砂巖巖體結(jié)構(gòu)面的黏聚力綜合考慮，有發(fā)生順層滑坡的可能；J1和J2均為控制性結(jié)構(gòu)面時(shí)（如圖3），在赤平投影圖的同一側(cè)，結(jié)構(gòu)面的交割可以產(chǎn)生“楔形體”，且?guī)r層傾向?yàn)轫槍?，?dāng)這些交割面再爆破振動(dòng)、開(kāi)采振動(dòng)、連續(xù)降雨等不良因素下，“楔形體”沿著邊坡巖層傾向向臨空面發(fā)生滑動(dòng)的可能性大，威脅施工人員及設(shè)備安全，發(fā)生滑坡、崩塌的危險(xiǎn)性大。

5.結(jié)論及建議

（1）現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，存在兩處結(jié)構(gòu)面，邊坡在天然工況下基本穩(wěn)定，但局部已發(fā)現(xiàn)掉塊和小型垮塌。

（2）在J1和J2結(jié)構(gòu)面同時(shí)控制下，該邊坡結(jié)構(gòu)面交割形成的楔形體巖土參數(shù)在隨著振動(dòng)和降雨影響逐漸減小，預(yù)測(cè)發(fā)生滑坡或崩塌的可能性大，危險(xiǎn)性大。

（3）建議在雨季到來(lái)之前，對(duì)該邊坡進(jìn)行削坡減載，重點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)面交割形成的塊體進(jìn)行清理。

（4）礦山生產(chǎn)中，在爆破作業(yè)時(shí)應(yīng)控制炮眼和裝藥量，在爆破作業(yè)完成后應(yīng)勘查邊坡坡面變化，如遇貫通的剪切、拉張裂縫，應(yīng)及時(shí)停工，并對(duì)邊坡采取治理措施。

（5）建議在后緣修建臨時(shí)截排水溝，以防止雨季大量雨水長(zhǎng)期入滲。