重慶市某石灰?guī)r礦高陡邊坡穩(wěn)定性分區(qū)評價研究

摘 要：【目的】通過系統(tǒng)的工程地質(zhì)調(diào)查和工程地質(zhì)特征分析，對重慶市某石灰?guī)r礦高陡邊坡的穩(wěn)定性進行分區(qū)評價和分析，以降低露天礦山的地質(zhì)災(zāi)害風險。【方法】采用邊坡地質(zhì)調(diào)查的方法，查明各個分區(qū)內(nèi)邊坡裂隙的發(fā)育特征，繪制巖質(zhì)邊坡的赤平投影圖，分析邊坡優(yōu)勢巖層層理面傾向和邊坡傾向的組合關(guān)系，對邊坡的穩(wěn)定性做出定性分析和評價。【結(jié)果】結(jié)果表明，A區(qū)巖質(zhì)邊坡處于較穩(wěn)定狀態(tài)，B區(qū)發(fā)生局部滑塌掉塊的可能性大、造成的損失小、危險性中等，C區(qū)巖質(zhì)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，D區(qū)巖質(zhì)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)?！窘Y(jié)論】評價結(jié)果有利于礦山制訂科學(xué)的治理方案和有效的管理方案，降低邊坡的失穩(wěn)風險，對保障礦山安全生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：石灰?guī)r礦；高陡邊坡；穩(wěn)定性評價；赤平投影

中圖分類號：TU452" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2025）03-0040-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.03.008

Stability Zoning Evaluation of High and Steep Slope in a Limestone Mine in Chongqing

ZHAO Jin1，2，3

（1.North China Engineering Investigation Institute Co.， Ltd.， Shijiazhuang 050021， China; 2.Technology Innovation Center for Groundwater Disaster Prevention and Control Engineering for Metal Mines Ministry of Natural Resources， Shijiazhuang 050021， China; 3.Technological Innovation Center for Mine Groundwater Safety of Hebei Province， Shijiazhuang 050021， China）

Abstract： [Purposes] Through systematic engineering geological investigation and analysis of engineering geological characteristics， the stability of a high steep slope in a limestone mine in Chongqing was evaluated and analyzed in different zones to reduce the geological hazard risk of open-pit mines. [Methods] By using the method of slope geological survey， the development characteristics of slope cracks in each zone are identified， and the rock slope projection is drawn in a stereographic projection. The combination relationship between the dominant rock layer bedding plane inclination and the slope inclination is analyzed， and the stability of the slope is qualitatively analyzed and evaluated. [Findings] The analysis results of the stereographic projection show that the rock slope in Zone A is in a relatively stable state; there is a high possibility of local landslides and falling blocks in Zone B， resulting in minimal losses and moderate danger; the rock slope in Zone C is in a stable state; the rock slope in Zone D is in a stable state. [Conclusions] The evaluation results are helpful for the mine to formulate scientific treatment plans and effective management plans， reduce the risk of slope instability， and have important guiding significance for ensuring mine safety production and sustainable development of ecological environment.

Keywords： limestone mine; high and steep slope; stability evaluation; stereographic projection

0 引言

重慶市位于四川盆地東部，地貌類型多樣，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，區(qū)域上經(jīng)歷了多期次的地殼運動和地質(zhì)變遷。這種復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造背景為重慶市形成豐富礦產(chǎn)資源提供了地質(zhì)條件，同時也使該地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害種類和數(shù)量相對較多［1］。重慶市頻發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害主要有崩塌、滑坡、泥石流和地面塌陷等。在重慶市所有的地質(zhì)災(zāi)害中，滑坡發(fā)生的頻率和數(shù)量最多，造成的經(jīng)濟損失和人員傷亡最大［2-3］。截至2023年底，全市已發(fā)現(xiàn)的滑坡地質(zhì)災(zāi)害隱患點約有1.1萬處，主要集中在渝東北三峽庫區(qū)城鎮(zhèn)群和渝東南武陵山區(qū)城鎮(zhèn)群，這是由于渝東北三峽庫區(qū)巖體非常破碎，極易在長江兩岸形成大量順向坡區(qū)域，非常容易發(fā)生巖質(zhì)滑坡［4］。這些地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生不僅給當?shù)厝嗣竦纳敭a(chǎn)安全帶來了威脅，也對生態(tài)環(huán)境造成了嚴重破壞。

重慶市石灰?guī)r礦資源儲量豐富，為地方經(jīng)濟發(fā)展提供了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)，也為建筑、交通、水利等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供了重要的原材料支持［5］。為了促進石灰?guī)r礦的可持續(xù)開發(fā)，重慶市政府及相關(guān)部門制定了一系列科學(xué)規(guī)劃，以合理布局開采區(qū)域［6］。例如，《重慶市礦產(chǎn)資源總體規(guī)劃（2021—2025年）》中明確提出，建筑石料用灰?guī)r礦山應(yīng)向集中開采區(qū)聚集，建成一批大型、超大型礦山，以提升產(chǎn)業(yè)集中度和規(guī)模化水平。然而，隨著石灰?guī)r礦開采活動的不斷深入，原本的山體逐漸被剝離，形成了大量的高陡邊坡［7］。這些邊坡的高度和坡度往往超過了自然穩(wěn)定狀態(tài)，使其穩(wěn)定性受到嚴重威脅。特別是在重慶市這樣地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、巖溶發(fā)育廣泛的地區(qū)，高陡邊坡的形成更加普遍［8-9］。本研究在充分調(diào)查重慶市某石灰?guī)r礦高陡邊坡的基礎(chǔ)上，依據(jù)工程地質(zhì)特征對礦山邊坡進行了分區(qū)，并采用赤平投影法對礦山邊坡各個分區(qū)的穩(wěn)定性進行了評價和分析。

1 工程概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)條件

該礦山在區(qū)域上屬揚子地臺－上揚子陸塊－川東南陷褶束－石柱凹褶束，區(qū)域構(gòu)造均為北東－南西走向。從北西向東南依次發(fā)育有忠縣－豐都向斜、方斗山背斜和石柱向斜構(gòu)造，如圖1所示。該礦山就位于方斗山背斜南段北西翼。方斗山背斜長度超過150 km。軸線以北20°～35°東，局部北45°東方向伸延至萬州長灘井附近，自然彎曲為北20°～40°東，到羊子嵌1 km消失在巴東組紅層中，背斜樞紐傾伏角19°。軸部地層為下二疊統(tǒng)，兩翼為三疊系及侏羅系。本段為方斗山背斜構(gòu)造主體，擠壓強烈，扭轉(zhuǎn)成拉長的反“S”形。埡口以南，北西翼緩，傾角30°～60°；南東翼陡，傾角35°～70°；北西翼陡，傾角20°～88°，甚至倒轉(zhuǎn)。整體來看，靠近背斜核部產(chǎn)狀較陡，鄰近向斜則產(chǎn)狀突然變緩。方斗山背斜軸部壓性斷裂、節(jié)理及次級褶皺發(fā)育。

礦區(qū)地層屬揚子區(qū)（Ⅰ1）－四川盆地分區(qū)（Ⅱ2）－萬州小區(qū)（Ⅲ2），區(qū)域出露最老地層為上古生界二疊系上統(tǒng)吳家坪組（P3w），為灰～深灰色含泥質(zhì)微晶灰?guī)r，古生界地層出露于方斗山背斜核部，兩翼大面積分布中生界地層，第四系殘坡積層（Q）分布于低洼溝谷及斜坡地帶。地層總厚約5 000 m，以陸源碎屑巖為主，其次為淺海碳酸鹽巖。

1.2 邊坡工程地質(zhì)條件

該礦山位于重慶市忠縣境內(nèi)，生產(chǎn)規(guī)模為980×104 t/a，采用的是臺階式分層采礦方法和爆破松動開采工藝，按照自上而下、由近及遠順序進行開采。開采標高+760～+1 030 m，單臺階高度15 m，每個分層安全平臺寬5 m，每隔兩個分層設(shè)置清掃平臺寬8 m。順向坡的最終邊坡角為40°～44°，而反向坡為49°～55°。礦區(qū)內(nèi)殘坡積層零星分布，厚0～1.20 m；巖體地質(zhì)類型屬薄～中厚層狀沉積巖，層面優(yōu)勢產(chǎn)狀312°∠62°，巖體結(jié)構(gòu)類型屬層狀結(jié)構(gòu)。礦區(qū)內(nèi)斷層不發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造簡單。礦山開采形成的主體邊坡坡向約306°，屬于同傾向邊坡，如圖2所示。根據(jù)本次鉆孔揭露巖石的巖性、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、組合特征、工程力學(xué)強度等特征及所收集的地質(zhì)資料，將邊坡巖體劃分為以下6個工程地質(zhì)巖組：①長興組（P3c），主要由泥質(zhì)灰?guī)r和鈣質(zhì)泥巖組成，飽和單軸抗壓強度為12.8 MPa，屬軟巖；②大冶組一段（T1d1），主要由薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r組成，飽和單軸抗壓強度為8.64～9.94 MPa，均值為9.14 MPa，屬軟巖；③大冶組二段（T1d2），主要由薄層狀含泥質(zhì)灰?guī)r和微晶灰?guī)r組成，飽和單軸抗壓強度為12.8～25.5 MPa，均值為20.46 MPa，屬較軟巖；④大冶組第三段（T1d3），主要由中厚層狀微晶灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r組成，飽和單軸抗壓強度為29.3～64.4 MPa，均值為43.45 MPa，屬較硬巖；⑤大冶組第四段（T1d4），主要由泥巖、鈣質(zhì)泥巖組成，飽和單軸抗壓強度為16.2～17.1 MPa，均值為16.67 MPa，屬較軟巖；⑥嘉陵江組（T1j），主要由中厚層狀微晶灰?guī)r組成，飽和單軸抗壓強度為28.7～33.2 MPa，均值為31.4 MPa，標準值為27.82 MPa，介于15～30 MPa之間，屬較軟巖。

1.3 邊坡工程地質(zhì)分區(qū)

根據(jù)不同工程地質(zhì)分區(qū)的巖性、構(gòu)造、巖體物理力學(xué)性質(zhì)、邊坡位置形態(tài)及采礦設(shè)計境界的差異，進行針對性的邊坡穩(wěn)定性分析，確定不同分區(qū)邊坡參數(shù)的合理性。邊坡分區(qū)是依據(jù)邊坡設(shè)計形狀及所處位置、邊坡高度、邊坡巖體優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及與邊坡的組合關(guān)系、工程地質(zhì)巖組的分布特征、不連續(xù)面特征、地下水狀況等要素進行的。分區(qū)的原則是將上述要素基本相同或一致的區(qū)域劃分為同一邊坡分區(qū)。結(jié)合該石灰?guī)r礦邊坡現(xiàn)狀，將邊坡劃分為A、B、C、D等4個分區(qū)，由于開采后高陡邊坡主要集中在A、B、C三區(qū)，D區(qū)最終形成的邊坡高度小于50 m。因此，本研究工作重點主要集中在A、B、C三區(qū)，具體情況如圖3和表1所示。

2 基于赤平投影法穩(wěn)定性評價

巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定問題歷來是邊坡工程和研究的重要課題。巖質(zhì)邊坡的變形和破壞主要受巖體中發(fā)育的各類結(jié)構(gòu)面所控制。利用極射赤平投影方法進行巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析，可直觀地表明各組結(jié)構(gòu)面的組合關(guān)系、組合切割體與邊坡的相對關(guān)系、不穩(wěn)結(jié)構(gòu)體可能變形失穩(wěn)的方向等，由此得到邊坡變形的邊界條件，以對邊坡的穩(wěn)定性作出定性分析和評價。

2.1 A區(qū)邊坡

A區(qū)位于礦區(qū)中北部，未來底部開采標高為+760 m，邊坡相對高差為100～150 m，橫向?qū)挾葹?30 m，主要由大冶組三段灰?guī)r組成?？傮w坡向216°、坡角42°。優(yōu)勢巖層層理面傾向312°、傾角62°，主要不利結(jié)構(gòu)面傾向141°、傾角50°。利用上半球赤平投影分析其穩(wěn)定性，如圖4所示。

由圖4可知，天然坡面P、人工坡面P1與節(jié)理J1、J2形成空間楔形體，結(jié)構(gòu)面J1、J2的交點和邊坡投影弧在同一側(cè)，落于天然邊坡投影弧的外側(cè)。說明結(jié)構(gòu)面組合交線的傾向與邊坡傾向相對一致，傾角小于天然邊坡的坡角，即結(jié)構(gòu)面組合交線在天然邊坡坡面上沒有出露，并不會切穿邊坡巖體，切割體屬于較穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，邊坡處于較穩(wěn)定狀態(tài)。因此，A區(qū)巖質(zhì)邊坡處于較穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 B區(qū)邊坡

B區(qū)位于礦區(qū)東南部，目前邊坡高度為160～240 m，未來底部開采標高+760 m，邊坡相對高差360～420 m。主要由大冶組一段、大冶組二段薄層狀含泥質(zhì)灰?guī)r較軟巖組、大冶組三段中厚層微晶灰?guī)r較硬巖組等組成，整體坡向306°、坡角42°。優(yōu)勢巖層層理面傾向312°、傾角62°，主要不利結(jié)構(gòu)面傾向141°、傾角50°。利用上半球赤平投影分析其穩(wěn)定性，如圖5所示。

由圖5可知，天然坡面P、人工坡面P2與節(jié)理J1、J2形成空間楔形體，結(jié)構(gòu)面J1、J2的交點與邊坡投影弧在同一側(cè)，處于人工邊坡和天然邊坡投影弧之間。說明結(jié)構(gòu)面組合交線的傾向與邊坡傾向相對一致，傾角小于人工邊坡和天然邊坡的坡角，說明結(jié)構(gòu)面組合交線在天然坡面和人工邊坡坡面均有出露組合切割體，屬于不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，受外傾裂隙和邊坡腳凹陷等影響，局部滑塌掉塊的可能性大、造成的損失小、危險性中等。

2.3 C區(qū)邊坡

C區(qū)位于礦區(qū)南西部，未來底部開采標高為+760 m，相對高差為135～160 m，橫向?qū)挾葹?60 m，主要由大冶組三段灰?guī)r組成。整體坡向35°、坡角42°；優(yōu)勢巖層層理面傾向312°、傾角62°。主要不利結(jié)構(gòu)面傾向141°、傾角50°。利用上半球赤平投影分析其穩(wěn)定性，如圖6所示。

由圖6可知，天然坡面P、人工坡面P3與節(jié)理J1、J2形成空間楔形體，結(jié)構(gòu)面J1、J2的交點位于人工邊坡及天然邊坡投影弧的對側(cè)。說明結(jié)構(gòu)面的交線與邊坡傾向相反，結(jié)構(gòu)面組合切割體為傾向坡內(nèi)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，C區(qū)巖質(zhì)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.4 D區(qū)邊坡

D區(qū)位于礦區(qū)西部、西北部和西南部，未來底部開采標高為+760 m，相對高差為0～40 m，主要由嘉陵江組灰?guī)r組成。整體坡向126°、坡角60°，優(yōu)勢巖層層理面傾向312°、傾角62°。利用上半球赤平投影分析其穩(wěn)定性，如圖7所示。

由圖7可知，天然坡面P、人工坡面P2與節(jié)理J1、J2形成空間楔形體，結(jié)構(gòu)面J1、J2的交點與邊坡投影弧處于對側(cè)。說明結(jié)構(gòu)面組合切割體為傾向坡內(nèi)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，D區(qū)巖質(zhì)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結(jié)論和建議

露天開采形成高陡邊坡的穩(wěn)定性直接關(guān)系到礦山生產(chǎn)過程中的安全。不穩(wěn)定邊坡容易發(fā)生滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，嚴重威脅礦山工作人員的生命安全及礦山的正常運營。本研究以重慶市某采石場高陡邊坡為例，根據(jù)礦區(qū)不同工程地質(zhì)分區(qū)的巖性、構(gòu)造、巖體物理力學(xué)性質(zhì)、邊坡位置形態(tài)及采礦設(shè)計境界的差異，將礦區(qū)高陡邊坡劃分為A、B、C、D等4個分區(qū)。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的結(jié)果，采用赤平投影的方法對各個分區(qū)的穩(wěn)定性進行了評價和分析。評價結(jié)果表明，A區(qū)巖質(zhì)邊坡處于較穩(wěn)定狀態(tài)；B區(qū)發(fā)生局部滑塌掉塊的可能性大、造成的損失小、危險性中等；C區(qū)巖質(zhì)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；D區(qū)巖質(zhì)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

隨著開采工作的推進，邊坡穩(wěn)定性隨之發(fā)生變化，邊坡穩(wěn)定性研究工作需要延續(xù)進行，以掌握邊坡穩(wěn)定性變化狀態(tài)，在局部地段還需加強工程勘察及穩(wěn)定性評價，在生產(chǎn)過程中應(yīng)深入開展邊坡的研究工作，以解決生產(chǎn)中出現(xiàn)的具體邊坡問題，以及保證礦山整體邊坡穩(wěn)定和礦山安全生產(chǎn)。建議考慮地震作用、爆破震動等作用下的穩(wěn)定性分析，對邊坡變形進行持續(xù)監(jiān)測，并做好坡面的防排水工作，對被節(jié)理裂隙不利切割的巖體要進行錨固、注漿或采取其他有效支護措施，以保證邊坡體的整體穩(wěn)定。

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