基于赤平投影的豫西某鋁土礦巖質邊坡穩定性分析

張鵬飛 王云亮

摘要：在露天開采剝離巖石過程中，由于受到結構、爆破、動力等作用的耦合因素影響容易形成含多種結構面的巖質邊坡。巖質邊坡穩定問題便隨之出現。巖質邊坡穩定性受結構面控制，破壞形式多為結構面切割形成的失穩。本文以豫西某鋁土礦露天采場巖質邊坡為例，基于投影圖解法分析原理，判定該巖質邊坡欠穩定，預測了該邊坡發展趨勢為不穩定。用于指導礦山安全，具有較強的實踐意義。

關鍵詞：巖質邊坡；結構面；赤平投影；圖解法

1.引言

鋁土礦是我國重要的工業資源。豫西地區賦存鋁土礦主要以古風化殼型鋁土礦為主，露天開采過程中首先須剝離上部巖層，從而引發巖質邊坡穩定性問題也隨之而來，因此，研究邊坡露天采場邊坡穩定與安全是企業安全生產的一項重要課題。

露天邊坡無論是總體設計還是局部穩定性處理，都必須在安全的前提下尋求經濟利益的最大化，筆者根據現場調查與分析研究，總結了目前巖質邊坡穩定性的影響因素及評價方法在露天開采中的應用，并用工程實例加以分析印證。

2.邊坡變形原因與影響因素

露天采場巖質邊坡變形與破壞過程，是巖體內部應力相互影響的結果，邊坡開挖前巖體內部處于天然平衡狀態，隨著開采境界的延伸及剝離工程的推進，巖體在采場一側將出現臨空面，失去原有支撐力，引起巖體內部應力不斷變化，在邊坡的兩端出現應力集中區和張拉應力區，這些應力的變化將導致巖體發生新的變形，開采的結果必將導致向臨空面發生變形破壞趨勢。

邊坡穩定性除受工程地質條件、水文地質條件、地層巖性、地形地貌和新構造運動的影響外，還受人類工程活動如開挖、爆破等因素影響。其中最主要為結構面的影響。薄弱結構面的形狀和空間關系對巖體強度有明顯的結構效應，容易降低巖體的強度。邊坡的變形模式和破壞機理主要由薄弱結構面控制。

3.邊坡赤平投影分析原理

赤平投影基本原理就是把面和線放在一個投影球的中心，通過球心的面和線延伸后與球面相交，分別形成弧線和點。把球面上弧線和點與投影球的頂點相連，投影到赤道平面上，即為極射赤平投影。

赤平投影在邊坡工程中常用來分析巖石內摩擦角、體結構面與臨空面之間的相互關系，從而定性判別巖質邊坡的穩定性，綜合分析巖體可能出現的破壞模式。目前赤平投影理論用來判別的邊坡破壞形式主要有平面滑動型和楔形體破壞型。平面型破壞指層狀破壞，從結構面與邊坡空間關系上分為外傾和斜交破壞，一般僅一組結構面或多組平行的結構面；楔形體破壞主要為兩組或多組結構面之間組成的塊狀失穩，包括兩組外傾和一組外傾一組內傾。

4.工程實例

4.1工程地質概況

該邊坡位于河南省西部一處露天采場內，地層為一單斜構造，地質構造簡單。上部覆蓋層為第四系中更新統（Q₂）黃土，局部出露基巖為石炭系中統砂巖（C₂），下部為石炭系本溪組（C₂b）鋁土礦。由于受開挖、振動等因素影響該邊坡所在區域砂巖較為破碎。覆蓋層厚度約2.0m，局部砂巖直接出露，砂巖厚一中厚層狀構造，巖層總體厚度約14m，礦石厚度約3m。邊坡坡高約16m，巖層總體產狀為15°<6°，邊坡產狀8°<65°～<75°，平均坡度約70°，目前處于基本穩定狀態。

4.2結構面調查

通過現場調查及測繪，發現典型的結構面有兩組，均為中硬性結構面。結構面中層面結合一般。結構面交線傾向與坡面傾向基本一致，傾角小于坡角。通過對臨近邊坡的反演及部分土工試驗發現，砂巖重度約26kN/m³，黏聚力200kPa，內摩擦角36°。坡體與結構面產狀如下：邊坡（J0）產狀8°<70°，結構面J1產狀146°<40°，結構面J2產狀218°<50°，巖層產狀23°<6°。

4.3邊坡穩定分析

建立赤平投影網，將各組結構面信息繪入赤平投影圖進行分析。分別從邊坡與結構面的平面位置關系、剖面組合關系及赤平投影圖解的角度分析和評價。結果如圖1、圖2及圖3所示。

通過以結構面與邊坡關系分析及圖解可知，以邊坡傾向為參考，J1結構面為內傾結構面，J2結構面為外傾結構面，當J2結構面為控制性結構面時，外傾結構面對于砂巖邊坡，一般不容易發生失穩，僅可能出現折斷式崩塌，從該礦區以往出現的小型邊坡失穩來看，單純存在外傾結構面時邊坡可以保持穩定；J1為內傾結構面，當J1結構面為控制性結構面時，從圖2可知，結構面傾角均大于巖層傾角且小于邊坡角，單存在J1結構面的情況下，根據該礦區砂巖巖體結構面的黏聚力綜合考慮，有發生順層滑坡的可能；J1和J2均為控制性結構面時（如圖3），在赤平投影圖的同一側，結構面的交割可以產生“楔形體”，且巖層傾向為順層，當這些交割面再爆破振動、開采振動、連續降雨等不良因素下，“楔形體”沿著邊坡巖層傾向向臨空面發生滑動的可能性大，威脅施工人員及設備安全，發生滑坡、崩塌的危險性大。

5.結論及建議

（1）現場調查發現，存在兩處結構面，邊坡在天然工況下基本穩定，但局部已發現掉塊和小型垮塌。

（2）在J1和J2結構面同時控制下，該邊坡結構面交割形成的楔形體巖土參數在隨著振動和降雨影響逐漸減小，預測發生滑坡或崩塌的可能性大，危險性大。

（3）建議在雨季到來之前，對該邊坡進行削坡減載，重點對結構面交割形成的塊體進行清理。

（4）礦山生產中，在爆破作業時應控制炮眼和裝藥量，在爆破作業完成后應勘查邊坡坡面變化，如遇貫通的剪切、拉張裂縫，應及時停工，并對邊坡采取治理措施。

（5）建議在后緣修建臨時截排水溝，以防止雨季大量雨水長期入滲。