作龍寺礦山巖質邊坡崩塌形成機理研究

詹亞輝，楊國華，錢建立,黃學謙

（1.河南省地礦局第二地質礦產調查院，河南 鄭州 450012；2.河南地礦職業學院，河南 鄭州 450007；3.河南省洛陽市國土資源局，河南 洛陽 470001）

滑坡、泥石流、崩塌為地質災害的三大主要災害類型。其中崩塌具有發生急劇、突然，運動快速、猛烈的特點[1]。以龍寺礦山為例，礦區內均為露天開采、倚坡開挖，未按照臺階式開采，造成了地表坑洼的開采礦坑和隨意堆放的礦渣。在暴雨條件下，隨意堆放的松散礦渣可能會形成泥石流災害，露天開采形成的高陡巖質邊坡上隨處可見危巖體和礦渣隨時可能導致滑坡、崩塌等災害。

1 崩塌區地質條件概述

龍寺廢棄礦山位于焦作市旅游干線影視大道北側，面積101613 m2。礦區邊坡巖性為奧陶系石灰巖，巖層產狀為200°～230°∠4°～10°，巖層厚 0.1～5 m，地形坡度在 20°～30°之間，經過開采后，形成了較高陡的巖質邊坡，坡度多在65°～85°之間，坡高為40 m～70 m，部分邊坡最大坡高甚至達到了100 m以上。礦區內這樣的采石邊坡共有7個。分布相對集中，但采石邊坡的平面形態具有很大的差異性，如圖1所示。

圖1 礦山采石平面分布圖

2 崩塌破壞特征和影響因素

2.1 破壞特征

龍寺廢棄礦山邊坡上部巖體由于常年受風化作用的影響，呈土黃色或灰白色，形成了較為破碎的坡體結構，當卸荷裂隙與傾向臨空方向的軟弱結構面貫通時，巖體在自重應力或外動力的作用下，可沿著貫通面產生近似圓弧狀的剪切滑移破壞。對于受風化作用較小的礦山內部巖體而言，由于開挖卸荷的作用，在完整巖體內形成了很多卸荷裂隙，這些裂隙與巖體內部的結構面相互組合，使得原本穩定的巖體就被分成了很多危巖塊體，這些危巖體在外動力作用下，可發生錯斷式或傾覆式的崩塌破壞。由于無序的開挖，部分邊坡存在下伏基巖被掏空的凹巖現象。在卸荷作用下，坡體內產生了與坡面傾向近乎一直的卸荷裂隙，使得凹巖上部楔形體的結構面為主控結構面，近與水平，在重力和其他動力的影響下，其逐漸擴展貫通誘發危巖體變形，發生墜落式的崩塌。

2.2 影響因素

礦山內巖質邊坡危巖崩塌影響因素為地質環境條件及外部作用。地質環境條件包括邊坡高度、邊坡坡度、巖體結構、結構面狀態和巖土體性質等。外部作用包括降雨、地震和人類工程活動等。

2.2.1 內在因素

邊坡高度：邊坡高度對龍寺礦山危巖崩塌災害發育規模存在影響。較大規模的危巖崩塌現象往往出現在坡高較大的礦山邊坡上，崩塌源總是出現在風化較嚴重的邊坡上部。

邊坡坡度：龍寺礦山采用圈椅式的開挖方式，導致了邊坡具有高陡特性，為危巖崩塌提供了有利條件；邊坡形成的凹巖為危巖的形成創造了臨空面條件，有利于崩塌災害的發生。

巖體結構：碎裂結構和散體結構的巖體完整性不足，易形成不穩定塊體，引起危巖崩塌災害的發生[2]。龍寺礦山邊坡巖體節理裂隙發育，完整性較差，上部巖體常常被風化呈松散破碎狀,在自然風化條件下或極端工況下，易脫離母巖形成危巖崩塌現象。

結構面狀態：龍寺礦山邊坡地層為傾向臨空面的平緩巖層，且坡體內發育著很多平直的結構面，局部充填粘土，強度較低，為崩塌災害的發生提供了便利。

巖土體性質：龍寺礦山石灰巖為硬質碳酸鹽，易形成較陡的斜坡，節理裂隙發育，灰巖溶蝕作用強烈，破壞巖體的完整性，為危巖崩塌提供了有利條件。

2.2.2 誘發因素

降雨：地質災害的發生往往與強降雨的出現具有一致性，降雨集中時段也是崩塌災害出現最多的時段[3]。開采后的龍寺礦山邊坡，卸荷裂隙和節理裂隙發育，降雨時這些裂隙成了雨水入滲的通道，可能誘發礦山危巖崩塌災害的發生。

地震：地震是誘發崩塌災害的重要因素之一。地震力作用會導致巖體結構狀態出現變化，在地震施加的水平應力作用下，易形成危巖崩塌。

人類工程活動：人類活動往往會打破了原有的應力平衡狀態，不利于邊坡穩定。龍寺礦區無序的開采正是打破了這種平衡，造成了礦區內多個陡立邊坡極易發生崩塌災害。

3 節理巖質高邊坡坡體結構特征分析

3.1 邊坡臨空面的特征

未按照臺階式的開挖方式進行開采，造成了開采邊坡的平面形態整體呈圓弧狀（圖2(a)），。邊坡臨空面最高處達105 m，坡度75°～85°，根據坡面的走向將其分為三個坡段（圖2(b)）。邊坡臨空面各坡段產狀如表1所示。

表1 CIV-1采場邊坡各坡段坡面統計表

圖2 CIV-1采場邊坡形態分布圖

3.2 邊坡結構面特征分析

結構面調查：對于CIV-1采石場主要對邊坡穩定性起著控制性作用的大型結構面進行了調查統計分析，其現場測量統計的結果如表2所示。

表2 測量結構面情況表

結構面統計分析：根據結構面傾向、傾角的數據，采用Dips和origin軟件進行統計分析，其結果如下：

等密度圖：從結構面等密度圖（圖3(a)）可以看到，結構面主要分布在投影面的圓周附近，少部分聚集在圓心，表明大部分結構面的傾角較陡，結構面傾角大多在70°～90°之間。與結構面傾角大多在70°～90°之間的統計規律相吻合；由于本區的巖層產狀大概近似水平，故圖6(a)中心處的巖層產狀主要表現為本區的巖層產狀。

結構面走向玫瑰花圖：結構面走向玫瑰花圖如圖3(b)所示，結合結構面產狀，從中可以初步判斷有三組主要節理互相切割。第一組節理的走向0°～10°之間，傾向近似為東西向，在平面上與地層的走向基本垂直；第二組節理走向為290°左右，平面上與地層走向小角度相交；第三組節理走向近似為300°，與巖層走向一致。

圖3 結構面等密度圖和走向玫瑰花圖

結構面發育的基本特征：IV結構面、V結構面基本特征如下：

IV結構面：在CIV-1采場邊坡內IV結構面較為發育，其類型主要為卸荷裂隙、層面、構造結構面，在邊坡上延伸幾米到幾十米，部分節理裂隙面受巖溶作用強烈，多數是鈣質填充，局部泥質填充。

V結構面：CIV-1邊坡上部的巖體中V級結構面發育，結構面多平直光滑，張開度大小不一，局部有泥質填充。在淺表生改造作用下，隨著邊坡卸荷(“離面卸荷”)使其中與坡面近于平行的中緩節理顯現、拉裂擴展，巖體表現出破碎狀。

3.3 坡體結構特征分區

節理控制型坡體結構中，層面與構造節理的組合方式控制著邊坡的破壞模式，常組合形成滑塊。現場調查發現，由于發育著兩組近乎正交的陡傾優勢節理，邊坡中的巖體大部分都是被結構面切割形成塊狀或板狀，并有發生滑移破壞和傾倒破壞的可能，而且局部塊體由于開挖導致底部臨空而有墜落破壞的可能。共分10個區（圖4）。各區特征：III區巖體較完整，被長大的控制性結構面切割成塊狀和長板狀，與邊坡走向垂直的陡傾節理構成了塊體的側緣邊界面，塊體的穩定性由層面以及與邊坡走向相近的陡傾節理控制；I區和IX區受斷層影響，節理裂隙發育，巖體呈碎裂狀，坡段邊坡高度較低，整體穩定性較好，可能出現局部的掉塊；IV區為坡頂的強-中風化層，巖體風化破碎，局部已出現塊體崩落；II區、VI區、VIII區、X區為結構面發育的區域，受多組陡傾節理切割，巖體呈層狀碎裂結構，巖體被切割成大小不等的塊體，塊體的穩定性受結構面與坡面組合方式的控制。

圖4 CIV-1采場邊坡坡體結構特征分區圖

4 崩塌類型與形成機理

4.1 崩塌類型

根據上述危巖崩塌成因的分析，龍寺礦山危巖崩塌模式主要為：卸荷-拉裂(剪切)-滑移式崩塌、卸荷-拉裂-傾倒式崩塌/錯斷式崩塌和卸荷-拉裂-墜落式崩塌。

4.2 崩塌形成機理

4.2.1 卸荷-拉裂(剪切)-滑移式崩塌

CII-1采場邊坡由于開挖卸荷和風化作用的雙重影響，邊坡上部較破碎，隨著開挖深度的增加，坡體結構的完整性逐漸變好，而且坡體由于開挖卸荷后的應力重分布，導致邊坡上部形成張力帶，產生卸荷拉裂縫，上部巖體被切割成危巖體。當危巖體一面臨空且下部有與臨空面傾向一致的軟弱結構面時，危巖體在重力作用下具有沿軟弱結構面向臨空面滑移破壞的趨勢，邊坡上部巖體風化破碎，危巖體在發生崩塌破壞時沿卸荷裂隙產生了近似圓弧狀的剪切滑移破壞。危巖體還可能沿著卸荷裂隙追蹤節理形成階梯狀剪切滑移面。

邊坡失穩后的破壞面呈圓弧狀，且上部破壞面有黃色泥土覆蓋。隨著雨水的不斷入滲，降低了軟弱面上的巖體強度，崩滑體的抗滑力不足以抵抗下滑力，巖體出現向臨空面的變形破壞，加之坡體結構破碎，形成了卸荷-拉裂-滑移式的崩塌。降雨在坡體內產生的動、靜水壓力以及水對結構面的軟化作用是此類邊坡失穩的主要誘因。

4.2.2 卸荷-拉裂-傾倒式崩塌/錯斷式崩塌

CIV-1采場邊坡經開采后坡體發生了由坡腳向坡頂的壓應力漸變為拉應力和巖體徑向力由坡內向坡面的應力改變，使得坡頂出現了與臨空面近平行的上寬下窄的張拉裂隙，開采面積的擴大，張拉裂隙沿在坡體內原生結構面繼續擴展，加之坡內發育著近垂直的構造裂隙和近水平的原生層面，它們相互組合后，將穩定完整的巖體切割成許多危巖體，這些危巖體在斷面圖上呈長柱形，橫向穩定性差。巖體內產生的張拉裂隙破壞了坡體的完整性，降低了巖體強度，同時為降雨提供了滲透通道，在滲透的過程中巖體發生以下形式的破壞：

（1）當組成危巖體的結構面未貫通時，危巖體根部內側的最大拉應力超過了巖體強度而發生拉裂折斷，卸荷裂隙就會沿原生結構面繼續向下擴展，與巖體中近水平的層面貫通，此時當危巖體所受到抗傾覆力矩小于外力提供的傾覆力矩時，危巖體就會向臨空面發生傾倒轉動而產生的破壞模式為卸荷-拉裂-傾倒。危巖體沿底部發生傾倒轉動而產生崩塌的破壞模式為卸荷-拉裂-傾倒。

（2）邊坡板狀危巖體下部不存在軟弱層和凹腔，危巖體在自重作用下處于無側限單軸壓縮狀態，當底部巖體受自然風化作用強度降低時，發生剪切破壞，出現錯斷式崩塌。在有較大水平力作用下，危巖體根部巖體也被拉裂折斷，從而危巖體發生傾倒轉動產生崩塌。

4.2.3 卸荷-拉裂-墜落式崩塌

CII-2采場邊坡由于開挖卸荷和風化作用的雙重影響，邊坡上部較破碎，隨著開挖深度的增加，坡體結構的完整性逐漸變好。由于人工無序開采，在邊坡上部形成了突懸出來的危巖體。開挖卸荷后，邊坡上部形成張力帶，卸荷裂隙沿構造裂隙逐漸發展，當后緣構造結構面張開擴展到與上部結構面貫通時，在危巖體自重和其他外力作用下，主控結構面逐漸擴展，最終導致危巖體失穩墜落形成崩塌。

5 結論

焦作龍寺礦區崩塌控制因素為邊坡高度、邊坡坡度、巖體結構、結構面狀態和巖土體性質。誘發因素為降雨、地震和人類工程活動。

崩塌破壞模式主要為卸荷-拉裂(剪切)-滑移式崩塌、卸荷-拉裂-傾倒式崩塌/錯斷式崩塌、卸荷-拉裂-墜落式崩塌。

卸荷-拉裂 (剪切)-滑移式崩塌形成機理為：由于人工開挖，導致應力場變化。邊坡上部形成張力帶，產生卸荷拉裂縫，上部巖體被切割成危巖體。當危巖體一面臨空且下部有與臨空面傾向一致的軟弱結構面時，危巖體在重力作用下具有沿軟弱結構面向臨空面滑移破壞的趨勢；降雨在坡體內產生的動、靜水壓力以及水對結構面的軟化作用是此類邊坡失穩的主要誘因。

卸荷-拉裂-傾倒式崩塌/錯斷式崩塌形成機理主要為：龍寺礦區由于其特殊的坡體結構，導致采礦邊坡存在許多長柱狀的危巖體，這些危巖體在靜水壓力、重力、地震力等外力作用下容易發生卸荷-拉裂-傾倒或卸荷-剪切-滑移模式的崩塌災害。

卸荷-拉裂-墜落式崩塌形成機理主要為：由于人工無序開采，在邊坡上部形成了突懸出來的危巖體。邊坡上部形成張力帶，卸荷裂隙沿構造裂隙逐漸發展，后緣構造結構面張開擴展與上部結構面貫通時，在危巖體自重和其他外力作用下，主控結構面逐漸擴展，最終導致危巖體失穩墜落形成崩塌。