巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查及對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性的影響分析

王萬(wàn)祿 王黎蝶 侯克鵬 夏鋼源

（1.云南磷化集團(tuán)有限公司；2.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院）

巖體的完整性隨著巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度的增大而減小，巖體的穩(wěn)定性也隨之降低，進(jìn)而對(duì)邊坡、采空區(qū)等的穩(wěn)定性造成很大的影響［1-2］，因此，對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面進(jìn)行調(diào)查和分析顯得尤為重要。在對(duì)巖體結(jié)構(gòu)地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面收集和統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，將這些結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)系統(tǒng)而清晰地展現(xiàn)出來(lái)，對(duì)巖體穩(wěn)定性進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，是巖體結(jié)構(gòu)分析中的核心問(wèn)題［3］。

多年來(lái)，為幫助工程人員弄清巖體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)面分布特征，許多學(xué)者提出了分析方法，如對(duì)不連續(xù)面產(chǎn)狀分組的研究常常采用人們熟知的赤平投影、施密特投影等方法；對(duì)不連續(xù)面跡長(zhǎng)的研究常常采用測(cè)線法和半跡長(zhǎng)法；對(duì)不連續(xù)面產(chǎn)狀優(yōu)勢(shì)分組常常采用聚類分析法等［4］。赤平極射投影圖能通過(guò)極點(diǎn)投影把巖體結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀表現(xiàn)出來(lái)，可為后續(xù)巖體的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)奠定良好的基礎(chǔ)；張世雄等［5］綜合吳氏投影網(wǎng)和赤平投影的原理，提出極點(diǎn)密度圖來(lái)表達(dá)巖體結(jié)構(gòu)面分布。尚曉光等［6］詳細(xì)闡述了赤平投影的原理，并通過(guò)赤平投影和實(shí)體比例投影實(shí)現(xiàn)了對(duì)工程實(shí)際邊坡的穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；楊衛(wèi)等［7］使用詳細(xì)線觀測(cè)法對(duì)自走鐵礦的結(jié)構(gòu)面做了調(diào)查，為后續(xù)的分析工作提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。以上都說(shuō)明了赤平投影法、極點(diǎn)密度圖法、測(cè)線法等在巖體結(jié)構(gòu)分析方面具有很強(qiáng)的工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

本研究綜合利用詳細(xì)線觀測(cè)法、極點(diǎn)密度圖法、赤平極射投影圖法等對(duì)昆陽(yáng)磷礦二礦露天采場(chǎng)邊坡巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查和分析，論證礦山重點(diǎn)巖體結(jié)構(gòu)的安全性。

1 巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查及分析

1.1 巖體結(jié)構(gòu)面分級(jí)

巖體由于受到多種結(jié)構(gòu)面的切割作用，常常表現(xiàn)出沿著結(jié)構(gòu)面的損壞現(xiàn)象，且損壞程度受結(jié)構(gòu)面大小和種類的影響，進(jìn)而導(dǎo)致巖體自身的力學(xué)特性和穩(wěn)定性大大減弱。因此，弄清巖體內(nèi)部的構(gòu)造特征是判斷巖體穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，這就要求必須對(duì)巖體的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行分級(jí)。一般從結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度、切割深度、分布規(guī)律、結(jié)合模式、走向延伸等方面把巖體結(jié)構(gòu)面分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ共5個(gè)等級(jí)［8］。

1.2 結(jié)構(gòu)面調(diào)查及其結(jié)果分析

1.2.1 調(diào)查方法

對(duì)于構(gòu)造復(fù)雜的巖體，通常需要沿著暴露面連續(xù)調(diào)查，對(duì)于構(gòu)造簡(jiǎn)單的巖體，只需要調(diào)查典型區(qū)段。針對(duì)后者，首先需要經(jīng)驗(yàn)豐富的人員進(jìn)行實(shí)地探勘地形和地質(zhì)情況，并按構(gòu)造類型對(duì)調(diào)查區(qū)域進(jìn)行分區(qū)，盡量保證每個(gè)構(gòu)造區(qū)的邊界和該區(qū)域內(nèi)主要的地質(zhì)特征（如節(jié)理、斷層、層面及片理面等）相一致，且需滿足巖體構(gòu)造的主要特征（如巖體構(gòu)造類型、結(jié)構(gòu)面的規(guī)模、切割程度的大小、水文條件等）盡可能多的相同。調(diào)查時(shí)，先初步分為幾個(gè)構(gòu)造區(qū)，劃分好構(gòu)造區(qū)后，再選擇每個(gè)區(qū)內(nèi)最具有代表性的區(qū)段進(jìn)行觀測(cè)。

在對(duì)昆陽(yáng)磷礦二礦采場(chǎng)邊坡巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查時(shí)，首先使用詳細(xì)線觀測(cè)法對(duì)巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查，接著采用極點(diǎn)密度圖法來(lái)統(tǒng)計(jì)、分析并確定出優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，進(jìn)而依據(jù)所確定出的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面方向，并利用相關(guān)軟件，繪制出赤平極射投影圖，最后參照優(yōu)勢(shì)節(jié)理方向和采場(chǎng)所構(gòu)成的立體交叉關(guān)系，分析巖體結(jié)構(gòu)面對(duì)采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的影響。

在采用詳細(xì)線觀測(cè)法進(jìn)行調(diào)查時(shí)，為了確定每個(gè)結(jié)構(gòu)特征的位置，首先需在邊坡坡面布置測(cè)線，測(cè)線布置在沿邊坡坡面或底板1 m 高度處，測(cè)尺沿水平方向放置，且需拉緊。并在開(kāi)始調(diào)查位置設(shè)置基點(diǎn)，然后從此處沿著測(cè)線開(kāi)始測(cè)定和統(tǒng)計(jì)每個(gè)構(gòu)造特征［9］。具體的測(cè)線布置如圖1所示。

1.2.2 調(diào)查內(nèi)容

注：H 表示結(jié)構(gòu)面邊界處距測(cè)線的最小距離；1、2A、2B 等表示結(jié)構(gòu)面的不同出露形式。

結(jié)構(gòu)面調(diào)查內(nèi)容主要包括結(jié)構(gòu)面的編號(hào)、類型、基距、間距、傾向和傾角、連貫性、粗糙度、充填情況、滲水情況、張開(kāi)度等，其中結(jié)構(gòu)面類型包括正斷層（Tf）、逆斷層（Cf）、層面（L）、節(jié)理（J）、片理面（S）、軟弱夾層（P）6種類型［10］。結(jié)構(gòu)面的連貫性通常在量測(cè)范圍內(nèi)表現(xiàn)出5 種出露形式（圖1），每種出露形式的特征如下。第一種：結(jié)構(gòu)面沒(méi)接觸到上、下界線，但跨過(guò)測(cè)線（1 型）；第二種：2A 或2B 型，此種結(jié)構(gòu)面垮度較小，沒(méi)跨過(guò)測(cè)線和上下界線，處于測(cè)線和界線之間，其中處于測(cè)線和上界線之間的是2A，處于測(cè)線和下界線之間的是2B；第三種：3A 或3B，結(jié)構(gòu)面只與上下界線相交，但沒(méi)跨過(guò)測(cè)線，其中結(jié)構(gòu)面與上界線相交的是3A，與下界線相交的3B；第四種：4A 或4B，結(jié)構(gòu)面跨過(guò)測(cè)線并且和測(cè)帶上界線或下界線相交，其中和上界線相交的是4A，和下界限相交的是4B；第五種：結(jié)構(gòu)面跨過(guò)測(cè)線并且同時(shí)跨過(guò)測(cè)帶的上下界線［11］（5型）。

1.2.3 調(diào)查地點(diǎn)的確定

在對(duì)昆陽(yáng)磷礦二礦露天采場(chǎng)邊坡實(shí)地勘察的基礎(chǔ)上，采用詳細(xì)測(cè)線法來(lái)調(diào)查影響邊坡穩(wěn)定性的巖體。依據(jù)相關(guān)調(diào)查規(guī)范要求，并充分考慮調(diào)查地點(diǎn)的條件限制和礦區(qū)巖性的分布特點(diǎn)及規(guī)律，從而確定了4個(gè)調(diào)查點(diǎn)。具體調(diào)查點(diǎn)見(jiàn)圖2。調(diào)查工作按上述要求的調(diào)查內(nèi)容進(jìn)行，實(shí)際調(diào)查總長(zhǎng)度為40.5 m，節(jié)理裂隙數(shù)量為154條，具體調(diào)查結(jié)果見(jiàn)表1。

1.2.4 調(diào)查結(jié)果分析

（1）結(jié)構(gòu)面間距。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，做出了4 個(gè)調(diào)查點(diǎn)的巖體結(jié)構(gòu)面間距分布圖（圖3），可以看出，調(diào)查點(diǎn)的結(jié)構(gòu)面間距有70%～80%處于0～30 cm，而很少一部分間距處于30 cm 以上。綜合來(lái)說(shuō)，該礦山露天采場(chǎng)邊坡巖體內(nèi)的結(jié)構(gòu)面比較發(fā)育。

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（2）結(jié)構(gòu)面粗糙度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，昆陽(yáng)磷礦二礦采場(chǎng)邊坡巖體的結(jié)構(gòu)面粗糙度主要為平直型，只有很少一部分是波浪型和臺(tái)階型，不利于邊坡的穩(wěn)定。該礦山采場(chǎng)邊坡巖體結(jié)構(gòu)面的張開(kāi)度主要以閉合為主。

（3）結(jié)構(gòu)面傾角。對(duì)所調(diào)查點(diǎn)邊坡巖體的結(jié)構(gòu)面傾角進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并繪制了4個(gè)調(diào)查點(diǎn)的巖體結(jié)構(gòu)面傾角分布范圍圖（圖4），可以看出，該礦山露天采場(chǎng)邊坡巖體結(jié)構(gòu)面傾角集中分布在61°～90°，屬于陡傾類型。因此，當(dāng)該邊坡巖體被切割成孤立塊體后，極易滑落，從而對(duì)礦山的安全生產(chǎn)造成很大的影響。該礦山在今后的生產(chǎn)和施工中，應(yīng)提前對(duì)采場(chǎng)邊坡的不穩(wěn)定塊體進(jìn)行處理，以免發(fā)生安全事故。

（4）結(jié)構(gòu)面類型。對(duì)調(diào)查點(diǎn)結(jié)構(gòu)面類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并繪制出結(jié)構(gòu)面類型分布圖（圖5），可以看出，1#調(diào)查地點(diǎn)白云巖結(jié)構(gòu)面類型以2B、3A、5為主，2#調(diào)查地點(diǎn)坑底結(jié)構(gòu)面類型以3B、5 為主；3#調(diào)查地點(diǎn)直接頂板結(jié)構(gòu)面類型以3B、5 為主；4#調(diào)查地點(diǎn)上層礦礦石結(jié)構(gòu)面類型以5 為主?？傮w上，結(jié)構(gòu)面類型以3A、3B、5 為主，說(shuō)明該礦山露天采場(chǎng)邊坡巖體結(jié)構(gòu)面面跡比較長(zhǎng)、延展性較好，連續(xù)性較強(qiáng)。因此，該礦山露天采場(chǎng)邊坡巖體的結(jié)構(gòu)面類型對(duì)巖體的穩(wěn)定性有較強(qiáng)的影響。

（5）地下水條件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，昆陽(yáng)磷礦二礦露天采場(chǎng)邊坡巖體結(jié)構(gòu)面均為干燥結(jié)構(gòu)面，但由于該邊坡結(jié)構(gòu)面比較發(fā)育，當(dāng)雨季來(lái)臨時(shí)，發(fā)育的結(jié)構(gòu)面易導(dǎo)致邊坡發(fā)生局部垮塌，甚至發(fā)生大面積滑坡。因此，需提前對(duì)地表做好雨季的防排水工作，減小水對(duì)邊坡的侵蝕作用，避免發(fā)生大面積的滑坡。

1.3 優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面確定

在長(zhǎng)期的地質(zhì)構(gòu)造作用下，巖體可以形成各種各樣的結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面常常因?yàn)樯申P(guān)系，呈現(xiàn)出相應(yīng)的組合和復(fù)雜的分布，它們既有成組發(fā)育，也有分散性發(fā)育。為了弄清調(diào)查點(diǎn)巖體結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度、分布規(guī)律，并統(tǒng)計(jì)出巖體中結(jié)構(gòu)面的組數(shù)，首先利用極點(diǎn)等密度圖法對(duì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而由統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)判斷那些對(duì)巖體穩(wěn)定性起控制性作用的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面。根據(jù)4 個(gè)調(diào)查點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，利用理正巖土系列軟件生成極點(diǎn)等密度圖（圖6），并由統(tǒng)計(jì)和分析結(jié)果，得出2 組巖體的所有優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的平均值，如表2所示，各巖性第I組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面與礦體產(chǎn)狀一致。

2 結(jié)構(gòu)面對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性的影響分析

2.1 赤平極射投影圖繪制

昆陽(yáng)磷礦二礦露天采場(chǎng)根據(jù)條帶布置的方位角大致可以劃分為5個(gè)區(qū)域，根據(jù)所調(diào)查的各區(qū)域優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的方向，繪制赤平極射投影圖，見(jiàn)圖7。定性影響的判斷。

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2.2 巖體結(jié)構(gòu)面對(duì)采場(chǎng)的穩(wěn)定性影響判斷

根據(jù)赤平極射投影圖中優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面方向和條帶采場(chǎng)所構(gòu)成的立體交叉關(guān)系，進(jìn)行結(jié)構(gòu)面對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)

（1）一區(qū)采場(chǎng)軸向與這兩組結(jié)構(gòu)面的走向斜交，且L1 結(jié)構(gòu)面傾角比較緩，結(jié)構(gòu)面分布對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性有較大影響，采場(chǎng)的主要破壞方式是片幫、冒頂（圖7（a））。

（2）二區(qū)采場(chǎng)軸向與L2 幾乎正交，L2 結(jié)構(gòu)面對(duì)采場(chǎng)條帶穩(wěn)定性影響較?。?區(qū)采場(chǎng)軸向與L1幾乎平行，且L1結(jié)構(gòu)面傾角比較緩，結(jié)構(gòu)面分布對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性存在較大影響，容易發(fā)生冒頂（圖7（b））。

（3）三區(qū)、四區(qū)、五區(qū)采場(chǎng)軸向與2組結(jié)構(gòu)面的走向斜交或有1 組近似平行，且1 組結(jié)構(gòu)面傾角較緩，另1 組結(jié)構(gòu)面傾角較陡，易形成不穩(wěn)定體，易發(fā)生冒頂片幫，對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性影響較大（圖7（c）、（d）、（e））。

3 結(jié)論和建議

（1）昆陽(yáng)磷礦二礦露天采場(chǎng)邊坡巖體的結(jié)構(gòu)面特點(diǎn)如下：節(jié)理較發(fā)育，且以閉合節(jié)理為主；傾角比較大，屬于陡傾結(jié)構(gòu)面；面跡比較長(zhǎng)，延展性及連續(xù)性較好，類型以3A、3B、5為主；均為干燥結(jié)構(gòu)面。

（2）該礦山邊坡結(jié)構(gòu)面可以在較大程度上影響巖體的穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)面分布對(duì)采場(chǎng)的破壞方式主要可能是片幫、冒頂。在雨季期間，發(fā)育的結(jié)構(gòu)面受到水的作用，易導(dǎo)致邊坡發(fā)生局部垮塌，甚至發(fā)生大面積滑坡。

（3）定期處理幫坡上的不穩(wěn)定塊體，做好雨季間的防排水工作，減少水的侵蝕作用，避免邊坡由于水的作用而發(fā)生大面積的滑坡。

（4）下部采礦作業(yè)中，注意對(duì)采場(chǎng)條帶巖體或巷道壁面潛在的不穩(wěn)定塊體進(jìn)行處理，如清理浮石或加固處理等，從而防止不穩(wěn)定塊體的坍塌冒落。