張雄偉，楊 澤*, 周曉超，梁仕義，李克鋼

(1.昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司，云南 昆明 650231;2.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

巖體中結(jié)構(gòu)面是在漫長的地質(zhì)歷史發(fā)展中經(jīng)歷了多次地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動作用下形成的力學(xué)強(qiáng)度低的不連續(xù)面。結(jié)構(gòu)面是巖體中存在的巖層面、節(jié)理裂隙面、軟弱夾層、斷層面等，邊坡巖體中結(jié)構(gòu)面的存在及其組合情況對邊坡的穩(wěn)定性起著控制作用影響，工程地質(zhì)實(shí)踐表明，巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性主要取決于結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)性質(zhì)及其空間分布位置和組合關(guān)系[1-4]。

在露天礦山逐漸下延開挖的過程中，邊坡日漸增高形成高陡邊坡，從而導(dǎo)致巖體的不完整性進(jìn)一步加強(qiáng)，巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)破壞通常會沿巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)生，結(jié)構(gòu)面控制著邊坡的變形、破壞和演化過程，而邊坡工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的規(guī)模及其空間分布特征是開展邊坡穩(wěn)定性分析的前提和基礎(chǔ)，通過對邊坡巖體的結(jié)構(gòu)面調(diào)查來分析尋找出邊坡巖體的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面。正所謂工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)面分析是邊坡穩(wěn)定性評價的靈魂，是一項復(fù)雜、貫穿全過程的工作[5-7]。

青麥地大型石灰?guī)r礦山位于大理祥云縣，采用露天開采方式，該石灰?guī)r露天礦每年生產(chǎn)規(guī)模300萬 t/a，該露天采場為三面圍繞的山坡-凹陷露天礦，終了臺階高度12 m，臺階坡面角60°，安全平臺寬度6 m，清掃平臺寬度為12 m(3個臺階設(shè)一清掃平臺)，最高平臺標(biāo)高892 m，設(shè)計終了露天坑底標(biāo)高724 m，有15個平臺組成，露天邊坡最大高度為187 m(西南幫)。該露天采場邊坡分別由西南幫、東南幫、東北幫邊坡構(gòu)成，其中西南幫邊坡為順層邊坡，東南幫邊坡為切向邊坡，東北幫邊坡為反向(逆層)邊坡。其中，西南幫采場邊坡坡頂最高標(biāo)高911 m，東南拱形幫采場邊坡坡頂最高標(biāo)高901 m，東北幫采場邊坡坡頂最高標(biāo)高841 m。

隨著該露天礦開采逐漸下延，邊坡高度會逐年增高，逐步形成高陡露天邊坡，屆時邊坡巖體受結(jié)構(gòu)面切割影響作用會越來越強(qiáng)烈，進(jìn)而對邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)的安全設(shè)置提出了很高的要求，這樣使得該石灰?guī)r露天礦邊坡穩(wěn)定性的評價日趨重要。本文通過對該石灰?guī)r露天礦現(xiàn)場踏勘調(diào)查，而后進(jìn)行邊坡結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計分析，得出采場邊坡的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，以優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組合為巖體穩(wěn)定性模型，結(jié)合赤平極射投影圖和邊坡穩(wěn)定性FLAC2D軟件，對該高陡采場邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行綜合分析評價，為現(xiàn)場安全開采生產(chǎn)提供技術(shù)支撐和指導(dǎo)依據(jù)。

1 邊坡工程地質(zhì)特征

礦區(qū)地勢相對較陡，地勢北低南高，地形切割劇烈，礦區(qū)屬低山淺切割地貌，由碳酸鹽巖層組成的石灰石地區(qū)，相當(dāng)部分區(qū)域基巖裸露，最高處為礦區(qū)南部山頂，海拔標(biāo)高950 m，最低處為礦區(qū)西北部山凹，海拔標(biāo)高624.5 m，相對高差325.5 m，屬低山構(gòu)造侵蝕山地地貌，呈溶蝕丘嶺峰叢地形。

礦區(qū)的礦體屬淺海至濱海相沉積石灰?guī)r礦床，石灰?guī)r礦賦存于二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)，呈層狀產(chǎn)出。巖性為深灰色中層至厚層狀細(xì)晶灰?guī)r，厚度186～411 m，為主要含礦層位，石灰石呈灰白色，擊打巖塊性質(zhì)較脆，硬度較大，單軸抗壓強(qiáng)度為52.7～120.4 MPa，松散系數(shù)為1.65左右。礦石主要為石灰石礦石，密度為2.67 t/m3，含CaCO3平均值98.63%，最高可達(dá)99.01%。礦體沿走向、傾向厚度變化不大，屬厚度穩(wěn)定的礦層。

露天采場形成后，礦體頂板為第四系蓋層被剝離，開采至最低開采標(biāo)高均為灰?guī)r，故礦區(qū)出露巖性主要為灰?guī)r，構(gòu)成了露天采場的主要邊坡工程巖組。巖石微風(fēng)化，巖石強(qiáng)度較高，也較為堅硬，但層理裂隙分布密集發(fā)育，巖芯巖石質(zhì)量指標(biāo)平均值為36.8%，巖體完整性較差，不利于采場邊坡的穩(wěn)定與安全。邊坡典型工程地質(zhì)剖面圖如圖1所示。

圖1 露天采場邊坡工程地質(zhì)剖面圖

根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件，結(jié)合結(jié)構(gòu)面分布特征和巖體質(zhì)量等級，將巖塊力學(xué)強(qiáng)度折減成巖體力學(xué)參數(shù)， 所采用的巖體力學(xué)參數(shù)詳見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)取值表

2 邊坡穩(wěn)定性的赤平極射投影分析

由于巖體結(jié)構(gòu)面存在于地質(zhì)體或巖體中，往往在三維空間中呈復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征，對巖體結(jié)構(gòu)面的掌握是通過現(xiàn)場踏勘調(diào)查來實(shí)現(xiàn)，通過對采場邊坡巖體結(jié)構(gòu)面現(xiàn)場調(diào)查會呈現(xiàn)出立體直觀的認(rèn)識。現(xiàn)場調(diào)查的實(shí)質(zhì)是運(yùn)用巖土理論知識，對巖體結(jié)構(gòu)面的分布規(guī)律和發(fā)育程度進(jìn)行觀察、認(rèn)識、描述和測量，而后進(jìn)行統(tǒng)計分析以獲取該礦山邊坡巖體的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀(傾向、傾角)，掌握其結(jié)構(gòu)面的分布規(guī)律[8-10]。

礦山自始至終處于一個動態(tài)的開挖過程，巖體結(jié)構(gòu)特性決定巖體的穩(wěn)定性。生產(chǎn)實(shí)踐已充分證明巖體的穩(wěn)定性不僅取決于巖性，更重要的是由結(jié)構(gòu)面對邊坡穩(wěn)定性起控制作用，只有充分掌握具有代表性的優(yōu)勢巖體結(jié)構(gòu)面才能正確評價巖體的穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計分析主要是對結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀(傾向、傾角)的統(tǒng)計分析，其目的是對巖體結(jié)構(gòu)面依據(jù)產(chǎn)狀進(jìn)行分組，并求出每組結(jié)構(gòu)面的優(yōu)勢產(chǎn)狀[11-13]。

2.1 結(jié)構(gòu)面調(diào)查測量方法

采用詳細(xì)線觀測法，在邊坡坡面布置測線如圖2所示，將測線上下1 m的范圍作為測帶，調(diào)查工作采用地質(zhì)羅盤在測帶以內(nèi)進(jìn)行測量編錄。結(jié)構(gòu)面在測量范圍內(nèi)有5種出露方式，1類型結(jié)構(gòu)面、2A或2B類型結(jié)構(gòu)面、3A或3B類型結(jié)構(gòu)面、4A或4B類型結(jié)構(gòu)面、5類型結(jié)構(gòu)面跨過測帶。

圖2 測線布置示意圖

2.2 巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查結(jié)果

該露天礦邊坡巖體目前已有相當(dāng)部分揭露，可清晰完整地看見巖體結(jié)構(gòu)面具體分布情況。調(diào)查工作按上述要求的調(diào)查內(nèi)容進(jìn)行調(diào)查工作，根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果研究其特征和演變過程，分析各組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面對邊坡的相互組合切割關(guān)系?，F(xiàn)場結(jié)構(gòu)面調(diào)查方式及現(xiàn)場巖體結(jié)構(gòu)面分布形態(tài)詳見圖3和圖4。

通過現(xiàn)場調(diào)查，該礦山邊坡主要是由層理結(jié)構(gòu)面控制，巖體被層理結(jié)構(gòu)面所切割，層理分布比較密集發(fā)育，層理之間的層狀塊體較堅硬，塊體強(qiáng)度較高。從整體上看，該石灰?guī)r露天礦邊坡巖體屬于層理裂隙密集較為發(fā)育的巖體。具體表現(xiàn)如下：1)經(jīng)現(xiàn)場實(shí)測統(tǒng)計，得出該石灰?guī)r層理結(jié)構(gòu)面平均間距為26.7 cm，結(jié)構(gòu)面間距小，巖體被結(jié)構(gòu)面切割得較厲害，巖體的完整性較差，該邊坡巖體屬于層理結(jié)構(gòu)面密集較發(fā)育的巖體；2)經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計，現(xiàn)場層理結(jié)構(gòu)面屬于平直型，結(jié)構(gòu)面比較干燥，也比較粗糙，有利于提高巖體的抗剪強(qiáng)度，對邊坡的穩(wěn)定性有一定積極作用；3)現(xiàn)場巖體結(jié)構(gòu)面傾角具體分布形態(tài)詳見圖3和圖4。通過現(xiàn)場實(shí)際調(diào)查，邊坡石灰?guī)r巖體結(jié)構(gòu)面傾角都大于30°，大部分集中在30°～50°之間，屬于傾斜的層理結(jié)構(gòu)面。

圖3 邊坡巖體層理結(jié)構(gòu)面分布形態(tài)(一)

圖4 邊坡巖體層理結(jié)構(gòu)面分布形態(tài)(二)

由于邊坡巖體的層理結(jié)構(gòu)面傾角較陡，層理也比較發(fā)育，所以在開挖剝離邊坡巖體時，一旦臺階下部坡腳被挖空，很容易造成坡面上部巖體沿著層理結(jié)構(gòu)面滑移脫落(垮塌)，若現(xiàn)場管理不到位，易造成安全事故。因此，在平臺和臺階開挖過程中，不得隨意超挖臺階坡腳。

該露天礦坑最終由順向邊坡、切向邊坡和反向邊坡構(gòu)成，詳見圖5。對調(diào)查區(qū)域的邊坡巖體結(jié)構(gòu)面進(jìn)行統(tǒng)計和分析，最終得出邊坡優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀值，其與臺階邊坡面的產(chǎn)狀見表2。

圖5 設(shè)計終了境界平面圖及剖面位置圖(露天坑底724 m)

表2 露天邊坡布置產(chǎn)狀與優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面分布產(chǎn)狀統(tǒng)計結(jié)果

2.3 結(jié)構(gòu)面對邊坡穩(wěn)定性的赤平極射投影分析結(jié)果

赤平極射投影法是巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中常用的圖解法。它能反映邊坡巖體中的結(jié)構(gòu)面(節(jié)理裂隙面)分布規(guī)律和與邊坡面相互組合空間關(guān)系對邊坡的影響[14-15]。

依據(jù)所調(diào)查優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀，繪制赤平極射投影圖，根據(jù)其和邊坡所構(gòu)成的立體交叉關(guān)系，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性判斷。利用全部結(jié)構(gòu)面分析的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面對各幫邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性判斷，西南幫邊坡傾向43.5°，臺階坡面傾角60°；東南幫邊坡傾向327.3°和352.8°，臺階坡面傾角65°；東北幫邊坡傾向227°和251.6°，臺階坡面傾角65°；其與優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組合而成的赤平極射投影圖如圖6—圖9所示。

圖6 西南幫優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面赤平極射投影圖

圖7 東南幫優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面赤平極射投影圖(一)

圖8 東南幫優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面赤平極射投影圖(二)

圖9 東北幫優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面赤平極射投影圖

圖6為西南幫的赤平極射投影圖，從圖6中可以看出，層理結(jié)構(gòu)面L1與開挖邊坡面的傾向近似相同，屬于順層邊坡，并且結(jié)構(gòu)面的傾角β比邊坡面的傾角α緩(β<α)，使部分巖層臨空，會使臨空的巖體有可能沿著層理面滑動，單從巖體結(jié)構(gòu)分析的觀點(diǎn)來推斷，這種情況下臺階邊坡處于不太穩(wěn)定條件，臺階邊坡會發(fā)生局部小滑移，臨空的順層巖體穩(wěn)定基本上依賴于層理結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度。同時在現(xiàn)場調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，順層巖體多數(shù)在實(shí)際中是不規(guī)整的，平臺開挖過程中易造成局部臺階坡腳被超挖，這樣使得上部順層巖體失去了支撐作用，以至于造成上部順層巖體懸空，形成潛在的不穩(wěn)定體，其層理結(jié)構(gòu)面在風(fēng)化和雨水潤滑及沖刷作用下極有可能順著層理面向臨空方向滑塌下來，因此開挖剝離生產(chǎn)過程中要對坡面上松動的臨空巖層體或者不穩(wěn)定的塊體應(yīng)給予重視，做好及時清理，加以防范。

圖7中東南幫方位(即圖中的P)為327.3°，圖8中東南幫方位為352.8°。從圖7和圖8中可以看出，層理結(jié)構(gòu)面L1與開挖邊坡面近乎正交和斜交，東南幫屬于切向邊坡，說明單組結(jié)構(gòu)面未沿走向在邊坡面上臨空出露而是直接插入坡下，這時由于下部巖體能對上部結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生一定的支撐作用，防止了上部順層巖體懸空，這時邊坡處于穩(wěn)定條件。

圖9為東北幫的赤平極射投影圖，從圖9中可以看出，就單組結(jié)構(gòu)面L1而言，其與邊坡面的傾向相反，東北幫屬于反向邊坡，其潛在滑移方向朝向坡內(nèi)，受坡內(nèi)巖體約束，對邊坡穩(wěn)定性不構(gòu)成威脅，這種情況邊坡處于最穩(wěn)定狀態(tài)。

總之，切向邊坡、反向邊坡穩(wěn)定性較好；順向(順層)邊坡穩(wěn)定性較差。

3 基于強(qiáng)度折減法FLAC2D邊坡穩(wěn)定性分析

基于該礦山邊坡主要是由巖層層理結(jié)構(gòu)面控制的分布規(guī)律，同時鑒于順層層理結(jié)構(gòu)面對該露天礦邊坡穩(wěn)定性不利的影響，適當(dāng)加大了安全平臺和清掃平臺的寬度尺寸，確定了該大型石灰?guī)r露天礦邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：反向-切向邊坡臺階坡面角65°，順層邊坡臺階坡面角60°，臺階高度12 m(由現(xiàn)場挖掘設(shè)備確定)，安全平臺寬度6 m，清掃平臺寬度12 m(每隔3個臺階設(shè)置一個清掃平臺)。A-A典型順層邊坡剖面圖位置詳見圖5所示。

采用邊坡穩(wěn)定性分析軟件FLAC2D7.0對該終了邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行定量安全系數(shù)計算，搜索出邊坡的潛在危險滑動面，得出邊坡的安全系數(shù)見表3。

從安全系數(shù)表3和圖10可知，露天開采終了境界邊坡在天然狀態(tài)下安全系數(shù)F大于1.3，安全系數(shù)很高，說明該石灰?guī)r終了采場邊坡整體是安全穩(wěn)定的，消除了邊坡沿著結(jié)構(gòu)面滑移的風(fēng)險。在地震工況下安全系數(shù)F大于1.2，也處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明該采場邊坡具備一定的抗振動能力。

表3 終了境界邊坡安全系數(shù)計算結(jié)果表

圖10 A-A剖面潛在最不利滑動面位置圖

4 結(jié)論與建議

邊坡巖體結(jié)構(gòu)面的分布特征對邊坡的穩(wěn)定性具有控制性影響，是開展巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的前提。通過對現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面調(diào)查統(tǒng)計，采用赤平極射投影法和穩(wěn)定性數(shù)值定量分析法，對該大型石灰?guī)r露天礦采場邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，得出以下結(jié)論：

1)通過現(xiàn)場巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查，該礦山高陡邊坡為一單斜順層巖質(zhì)邊坡，主要是由層理優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面控制，巖體被層理結(jié)構(gòu)面所切割，層理分布比較密集發(fā)育，層理之間的層狀塊體較堅硬，塊體強(qiáng)度較高。結(jié)構(gòu)面大部分屬于平直型，結(jié)構(gòu)面內(nèi)部比較粗糙干燥；邊坡石灰?guī)r巖體層理結(jié)構(gòu)面屬于傾斜的層理結(jié)構(gòu)面。

2)通過優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面赤平極射投影圖可知，西南幫屬于順層邊坡，會使臨空的巖體有可能沿著層理面滑動，這種情況下臺階邊坡穩(wěn)定性較差；東南幫屬于切向邊坡，這種情況下邊坡巖體的穩(wěn)定條件將獲得不同程度的改進(jìn)，邊坡處于穩(wěn)定條件；東北幫屬于反向邊坡，這種情況邊坡處于最穩(wěn)定狀態(tài)?？傊?，切向邊坡、反向邊坡穩(wěn)定性較好；順向(順層)邊坡穩(wěn)定性較差。

3)鑒于順層層理結(jié)構(gòu)面對該露天礦邊坡穩(wěn)定性會產(chǎn)生不利的影響，現(xiàn)場實(shí)際開采當(dāng)中考慮加大安全平臺和清掃平臺的寬度尺寸，通過穩(wěn)定性安全系數(shù)計算結(jié)果可知，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，論證了該露天礦現(xiàn)有的邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)具有合理性，為礦山開采設(shè)置平臺寬度和臺階高度提了施工指導(dǎo)依據(jù)。