某煤礦巖質臺階開挖邊坡破壞類型分析

何 怡 陳學軍 王新剛

(1.中國地質大學工程學院，湖北 武漢 430068；2.洛陽理工學院土木工程系，河南 洛陽 471023；3.桂林理工大學土木與建筑工程學院，廣西 桂林 541004)

某煤礦巖質臺階開挖邊坡破壞類型分析

何 怡1，2陳學軍1,3王新剛1

(1.中國地質大學工程學院，湖北 武漢 430068；2.洛陽理工學院土木工程系，河南 洛陽 471023；3.桂林理工大學土木與建筑工程學院，廣西 桂林 541004)

巖體優勢結構面控制巖質邊坡變形的邊界，優勢面的組合決定了巖質邊坡變形破壞的類型。針對某煤礦采礦工程巖質開挖邊坡，開展巖體結構調查和研究，進行優勢結構面分組，將開采邊幫按照幾何形態和地層巖性情況分區分段，通過優勢結構面與臺階開挖邊坡的傾向和傾角關系，采用Dips軟件所得的直觀分析圖，可以分析采礦臺階開挖邊坡的破壞類型及其破壞發生的條件。最后指出采礦臺階邊坡開挖后，應采取針對性的工程治理措施，并結合結構面赤平投影的可能性區域以及位置的分析，分區分段治理危險區域的臺階邊坡，以達到礦區安全生產的基礎上節約成本的目的。

結構面 巖質邊坡 破壞類型 采礦工程 分區分段

巖質邊坡發生破壞的主要影響因素是邊坡內不同規模的結構面[1]，而巖體優勢結構面分析理論[2]認為：巖體優勢結構面控制巖質邊坡變形的邊界，優勢面的組合決定了巖質邊坡變形破壞的類型[3-6]。

采礦工程臺階邊坡的開挖，臺階邊坡參數與優勢結構面組合后，可能構成不穩定性塊體的邊界，影響臺階開挖邊坡的穩定和礦區安全[7]，因此，對采礦工程巖質臺階開挖邊坡破壞類型分析是非常必要的。

本研究以山西忻州神達梁家磧露天煤礦巖質開挖邊坡為例，開展巖體結構調查和研究，進行優勢結構面分組，通過優勢結構面與臺階開挖邊坡的傾向和傾角關系；詳細介紹采用Dips軟件，分析不同開挖的境界分區中臺階的破壞類型及其破壞發生的條件，為類似礦區巖質臺階開挖邊坡穩定性治理以及安全生產提供依據。

1 臺階開挖邊坡及采場邊幫分區

以山西忻州神達梁家磧露天煤礦臺階開挖邊坡為例進行巖質臺階開挖邊坡破壞類型分析，該礦區位于河曲縣城東北15 km處，采場開挖工作邊幫最終邊坡角度為37°，臺階開挖邊坡每級高度為10 m，臺階坡面角為土層60°，煤和巖石65°。

影響采場巖質邊坡穩定性的因素有巖體結構面的發育情況和規模。結構面及其組合特性對于巖質坡的穩定性起到控制性作用，結構面及其組合特性是采場邊坡地質條件的重要內容。

考慮到采場邊幫幾何形態和地層巖性，有必要將整個邊幫分區分段，進行分類討論，將坡面傾向基本一致的區域劃分為同一邊坡分區，以保證各分區邊坡能采用相同結構面參數結果來進行破壞類型分析。將整個采礦邊幫分成6個區段，區段從西北頂點開始到東北頂點，依次為AB，BC，CD，DE，EF，FA,見圖1所示，其中西幫區段BC、南幫區段CD主要為巖質邊坡，巖性主要為厚層砂巖和泥巖。

圖1 采場邊幫分區圖

2 結構面測量與統計

對采區內出露的典型中厚層砂巖和泥巖進行了結構面量測見圖2、圖3所示，調查采用測線法。

圖2 砂巖結構面的量測

統計分析結果如下：調查了采場邊坡砂巖內裂隙的分布規律，用赤平投影分析軟件——Dips軟件，對砂巖內結構面作了統計分析(見圖4)。由圖4可以看出，平均優勢產狀4組分別為125°<81°(1 m)、215°<76°(2 m)、27°<43°(3 m)、182°<3°(4 m)。調查了采場邊坡泥巖內裂隙的分布規律，用Dips軟件對泥巖內裂隙作了統計分析(見圖5)。由圖5可以看出，優勢產狀5組分別為23°<80°(1 m)、114°<86°(2 m)、203°<86°(3 m)、305°<84°(4 m)、13°<8°(5 m)。

圖3 泥巖結構面的量測

圖4 砂巖赤平投影圖

圖5 泥巖赤平投影圖

3 臺階開挖邊坡破壞類型分析

根據現場觀測，山西忻州神達梁家磧露天煤礦礦區臺階邊坡主要存在有傾倒破壞(見圖6)、平面滑移破壞(見圖7)、楔形體破壞(見圖8)3種破壞類型。

以礦區南幫CD分區段巖質邊坡巖性為砂巖的區域為例，進行臺階開挖邊坡破壞類型分析。CD分區段臺階開挖邊坡的傾向為20°，傾角為65°。通過對現場采集的結構面試樣進行室內實驗得到了礦區的結構面抗剪強度參數的平均值內聚力為0.083 MPa，內摩擦角為25°。

圖6 傾倒破壞現場照片

圖7 平面滑移破壞現場照片

圖8 楔形體破壞現場照片

3.1 CD分區段砂巖區域傾倒破壞分析

結合砂巖赤平投影圖，將CD分區段臺階開挖邊坡的傾向和傾角疊加在同一圖中進行傾倒破壞分析，見圖9所示。

圖9 傾倒破壞分析圖

赤平投影分析軟件Dips中規定：

(1)

(2)

式中,θ1為臺階邊坡傾倒界限傾角；θ2臺階邊坡傾角；φ為巖石結構面內摩擦角；φ1為傾伏向；φ2為臺階邊坡傾向。

圖9中，發生傾倒破壞的結構面區域為：傾角大于傾倒界限，且在傾倒圓錐界限內的的交集區域，在此區域內的結構面散點將可能發生傾倒破壞。圖9中大約有22%的結構面點落入傾倒破壞區域，傾倒破壞發生的可能性較大，傾倒破壞發生在傾向171°～231°、傾角40°～89°的節理組上。

3.2CD分區段砂巖區域平面滑移破壞分析

CD分區段砂巖區域平面滑移破壞分析，見圖10所示。

圖10 平面滑移破壞分析圖

巖質邊坡平面滑移破壞的基本條件是潛在滑移結構面的傾角小于坡角但大于巖體結構面的內摩擦角。因此，赤平投影分析軟件Dips，采用摩擦角圓錐表示大于或小于摩擦角的界限，圖10中邊坡開隙包絡圈表示潛在滑移結構面的傾角小于坡角，且走向與邊坡走向大角度相交的結構面。落在摩擦角圓錐和邊坡開隙包絡圈交集部分星月狀的圖形范圍內的結構面赤平投影點，即為潛在滑移破壞結構面[1]。

圖10中大約有8%的結構面點落入平面滑移破壞區域，平面滑移破壞發生在傾向0°～53°、傾角25°～65°的節理組上。

3.3 CD分區段砂巖區域楔形體破壞分析

結合砂巖赤平投影圖，將CD分區段臺階開挖邊坡的傾向和傾角以及砂巖的4組優勢結構面疊加在同一圖中進行楔形體破壞分析，見圖11所示。

巖體發育的優勢結構面如果能組合構成楔形體，若結構面延伸有一定的距離和深度，則極易發生沿組合結構面的楔形體破壞[1,8]。

圖11 楔形體破壞分析圖

赤平投影分析軟件Dips中規定：

(3)

式中,θ3為平面摩擦圓錐的角度亦即摩擦角的余角；θ4為傾伏角，取90°；φ為巖石結構面的內摩擦角。

平面摩擦圓錐和臺階開挖邊坡赤平投影線所封閉區域即為楔形體破壞區域。此區域內的任意2組優勢結構面的交點，即為楔形體滑動點。

圖11中，優勢結構面1(產狀125°<81°)、優勢結構面3(產狀27°<43°)所交切組合形成的滑移結構面產狀47°<223°將發生楔形體破壞。其破壞示意圖如圖12所示。采礦臺階邊坡開挖后，對于楔形體破壞，應采取針對性的工程治理措施并結合赤平投影的可能性區域以及位置的分析，分區分段治理危險區域的臺階邊坡。

圖12 楔形體破壞示意

4 結 論

(1)對巖質開挖邊坡，開展巖體結構調查和研究，進行優勢結構面分組，通過優勢結構面與臺階開挖邊坡的傾向和傾角關系，采用Dips軟件所得的直觀分析圖，可以分析臺階開挖邊坡的破壞類型及其破壞發生的條件。

(2)考慮到采場邊幫幾何形態和地層巖性，將開采邊幫坡面傾向基本一致的區域劃分為同一邊坡分區進行分區分段的分類討論，可以保證各分區邊坡能采用相同結構面參數結果來進行破壞類型分析。

(3)采礦臺階邊坡開挖后，應采取針對性的工程治理措施，并結合赤平投影的可能性區域以及位置的分析，分區分段治理危險區域的臺階邊坡，以達到在礦區安全生產的基礎上節約成本的目的。

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(責任編輯 石海林)

Analysis of Slope Failure Type at Excavation of Rocky Step：a Case of Rocky Excavated Slope in a Coal Mine

He Yi1Chen Xunjun1,3Wang Xin′gang1

(1.SchoolofEngineering，ChinaUniversityofGeosciences，Wuhan430074，China；2.DepartmentofCivilEngineering，LuoyangInstituteofScienceandTechnolegy，Luoyang471003，China；3.CollegeofCivilEngineeringandArchiteclure,GuilinUniversityofTechnology，Guilin541004，China)

The predominant rock-mass structural planes control the boundaries of rocky slope deformation，and their combination decides the type of deformation and failure.For a coal mine，the rock-mass structures of rocky excavated slopes in mining engineering were investigated and studied.The predominant structural planes were grouped，and the mining slopes were divided geometrically and lithologically into several sections.The associations of predominant structural planes with the inclining direction/angle of step excavation slopes were intuitively analyzed on Dips.Based on this，the occurring conditions for the failure type due to mining step excavated slope are discussed.The targeted engineering treatment measures should be applied after excavation of mining step slopes.The step slopes in danger areas can be sectionally treated by analyzing the possible areas and positions of structural planes′ stereographic projection.Thereby，safety production and cost saving in mines can be both guaranteed.

Structural surface，Rock slope，Failure type，Mining engineering，Sectional

2014-09-28

國家自然科學基金項目(編號：41262011)，桂科能項目(編號：11-KF-02)。

何 怡(1983—)，女，博士研究生。

TD854.6，O319.56

A

1001-1250(2015)-02-151-04