斷裂構造和結構面對露天高陡邊坡破壞模式影響研究

摘要：為研究斷裂構造和結構面對露天高陡邊坡破壞模式的影響，以湖南某鋰多金屬礦為工程背景，采用現場調查和理論分析等手段進行調查與分析。礦區斷裂構造以近SN向斷裂為主干構造，其間發育NE向斷裂、近EW向斷裂、NW向斷裂、弧形斷裂及不同的節理裂隙，構成礦區的基本構造格架；通過現場調查測得巖體結構面產狀，統計分析得到不同巖體的優勢結構面：粗中粒斑狀黑云母花崗巖3組、中細粒斑狀黑云母花崗巖2組和云英巖2組；采用赤平投影法分析斷裂構造和結構面對露天高陡邊坡破壞模式影響。結果表明：F?斷裂構造在IV區可能發生平面破壞；粗中粒斑狀黑云母花崗巖第三組優勢結構面在Ⅲ區可能發生平面破壞；Ⅲ、IV區粗中粒斑狀黑云母花崗巖第二組、第三組優勢結構面組合，與坡面相切后可能發生楔體破壞。

關鍵詞：斷裂構造；結構面；露天礦；高陡邊坡；破壞模式；巖芯編錄

中圖分類號：TD854*.6文章編號：1001-1277（2025）01-0082-07

文獻標志碼：A doi：10.11792/hj20250113

引言

在礦山、交通、水利水電和建筑等各種工程建設和開發活動中，會形成大量邊坡，一旦發生邊坡失穩，往往會造成重大人員傷亡和財產損失3。邊坡穩定性研究是保障邊坡安全、穩定運行的關鍵，而邊坡破壞模式分析是穩定性研究的基礎4—

目前，針對邊坡破壞模式方面的研究，杜時貴等12系統全面地找出控制邊坡穩定的關鍵性結構面及其組合，實現露天礦山邊坡巖體穩定性的精細分析；宋騰蛟等3研究表明，不同的優勢分組方案，可能得到不同的邊坡破壞模式；ZHOU等研究了邊坡可能的破壞模式，結合運動學分析，確定潛在不穩定塊體的破壞角；李紅毅等3結合邊坡雷達監測，研究了凸形邊坡滑坡破壞模式；聶興信等6提出了一種針對露天礦含軟弱巖層組高陡復雜邊坡的綜合分析方法；劉楊等針對露天礦山面臨的邊坡安全與經濟效益平衡問題，提出了一種以赤平投影分析為基礎的臺階坡面角優化方法；彭宗桓等提出一種結合t分布—隨機鄰近嵌入、主動學習多元自適應回歸樣條法和物質點法的新方法，識別出邊坡失穩具有4種不同的破壞模式；孫書偉等運用底摩擦試驗及數值模擬手段，對不同巖層傾角條件下順層巖質邊坡的破壞機制進行對比分析；CHEN等2針對土石混合體邊坡穩定性和破壞模式進行分析，提出了一種基于微極Mohr—Coulomb（MC）模型的二階錐規劃微極連續體有限元法（mpcFEM—SOCP）；張國勝等21基于各向異性的有限元法對邊坡潛在失穩破壞模式及穩定性進行了研究。

邊坡破壞模式的研究思路是采集結構面產狀數據后，聚類分析得到優勢結構面，運用赤平投影法進行破壞模式分析。目前，同時考慮斷裂構造和結構面2種因素作用下邊坡破壞模式的研究較少，基于定向鉆孔巖芯結構面產狀測量轉換獲取方法仍不太完善。基于此，本文以湖南某鋰多金屬礦為工程背景，采用現場調查和理論分析的手段開展了斷裂構造和結構面對露天高陡邊坡破壞模式影響研究，以期為邊坡穩定性研究工作提供基礎理論支撐。

1工程概況

某鋰多金屬礦地處湖南省南部，礦區屬中低山區，谷深坡陡，海拔890～1241.34m，相對高差351.34m，山脈總體走向北東，V形溝谷縱橫，沖溝或小溪型水系發育。礦區巖性相對單一，出露地層主要為第四系、變質巖及巖漿巖。變質巖巖性主要為云英巖，巖漿巖包括中細粒斑狀黑云母花崗巖、粗中粒斑狀黑云母花崗巖和少量的二長巖脈、細晶花崗巖脈。

礦山擬采用露天開采，生產能力500萬t/a，露天開采生產服務期為15 a，露天境界最大采深432 m，最終邊坡角≤47.2°，臺階坡面角65°。

2斷裂構造與巖體結構面特征

2.1斷裂構造

礦區內斷裂構造以近SN向斷裂為主干構造，其間發育NE向斷裂、近EW向斷裂、NW向斷裂、弧形斷裂及不同方向和性質的節理裂隙，構成了礦區基本構造格架。NE向及SN向斷裂是主要斷裂，而NW向斷裂是次要斷裂，僅發育于礦區中部。礦區斷裂構造分布如圖1所示。

1）近SN向斷裂。近SN向斷裂是礦區內顯著的一組斷裂構造，是區域性主斷裂的分支斷裂或次級斷裂，發育于成礦前，是區內主要控巖和導礦構造。該組斷裂主要有F?、F?、F?、F?斷裂，其次為F?、F?、F?等次級斷裂。與成礦關系較密切的主要為F?、F?斷裂，區內云英巖型礦體主體分布于二者的夾持部位，隱伏成礦巖體受南北向控巖斷裂控制。各斷裂特征基本一致，斷裂寬度較小，其內發育鉀化花崗巖、硅化花崗巖、中低溫白色塊狀石英脈、紅色瓷狀石英脈、碎裂巖、構造角礫巖、斷層泥，局部可見糜棱巖。

2）NE向斷裂。礦區內不發育，多表現為沿NNE向—近SN向斷裂旁側的次級斷裂構造，如F??斷裂為F?斷裂的次級構造。

3）近EW向斷裂。礦區內不發育，主要為F?斷裂，其次為諸多規模較小的斷裂，分布于NNE向—近SN向斷裂旁側。

4）弧形斷裂。由一組產狀平緩、近平行產出的弧形裂隙構成的構造形式，各裂隙在剖面上自上而下似等間距分布。在早期斑狀花崗巖中產生了一組剖面上的共軛剪節理，因斑狀花崗巖為各向均質體，共軛剪節理相互遷就利用，形成一組近平行產出呈弧形的裂隙帶。

2.2巖體結構面

為查明礦區巖體結構面特征，開展巖體結構面調查測繪和定向鉆孔巖芯編錄。

2.2.1巖體結構面調查測繪

本次調查在露天境界范圍內開展，結合露天邊坡3種主要巖體，在地下開采巷道兩幫和礦區道路邊布置了5條測線，調查測繪過程及調查區域見圖2，調查測線布置見表1。

2.2.2定向鉆孔巖芯編錄

定向鉆孔巖芯編錄目的是劃分工程地質巖組和了解巖體結構面。本次共計完成鉆孔巖芯編錄1680.60m（定向鉆孔巖芯編錄1480.60m），巖芯結構面892條。現場編錄測量了巖芯結構面產狀，對其進行空間坐標系轉換后得到巖體結構面的實際產狀。

1）定向鉆孔巖芯結構面測量。首先，定向鉆孔過程通過在每一次鉆進完成后，采用鋼錐在巖芯底部打點標記（定向標記點），取出巖芯后將其按照結構面完整拼合放置在鉗形槽上；其次，找出巖芯底部圓心點，并與底部定向標記點連接，在底部得到經過定向標記點的直徑；之后，在拼合好的巖芯上基于直徑與巖芯側表面得到2個交點（與定向標記點同側或異側），以其中的一個交點繪制定向母線，母線與巖芯軸心線平行；在完成定向鉆孔母線繪制后，即可將巖芯擺放進巖芯箱運至巖芯庫進行編錄；最后，編錄過程采用紅藍記號筆對結構面進行判斷（節理、裂隙用藍色畫“—”表示，鉆進機械破碎用紅色畫“×”表示），編錄人員將巖芯以鉆進方向遠離自己的方式拿住，使用柔性塑料板制作的傾角測量工具，以母線為起點，順時針方向至結構面最低點的夾角為β，再使用量角器測得結構面與巖芯軸心線的夾角為α。定向鉆孔巖芯結構面產狀（αβ）測量過程見圖3。

2）結構面產狀轉換過程。巖芯編錄測量的結構面產狀αβ需要經過一定的空間坐標轉換（見圖4）才能得到真實的巖體結構面產狀。

（1）利用鉆孔測斜儀在定向鉆孔鉆進過程中，隔一定間距測量一次鉆孔傾角θ和鉆孔方位角γ。

（2）假定待測結構面在空間上建立起2個空間直角坐標系，且2個坐標系的原點重合于結構面與巖芯軸心線相交點，即第一坐標系OXYZ和第二坐標系OX'Y'Z';第一坐標系Z軸正方向為豎向向上方向，XOY平面與水平面重合，Y軸正方向為地球的正北方向，X軸正方向為地球的正東方向；第二坐標系Z'軸與巖芯軸心線重合且正方向為定向鉆孔鉆進反方向，X'OY'平面與巖芯徑向平面重合，Y軸過定向母線且正方向指向母線，X'軸為Y'軸繞Z'軸以左手法即順時針旋轉90°得到。

（3）以待測結構面作過原點0，終點為n點的單位法向量on，則n點在坐標系0XYZ和OX'Y'Z'中的坐標（x，y，z）和（x'，y'，z'）可表示為：

式中：ε為待測結構面的真傾角（°）;w為待測結構面的真傾向（°）;lon|為法向量on的模，為1。

（4）將第二坐標系OX'Y'Z'的Y'OZ'平面繞X'軸順時針或逆時針轉動（90°-θ）后形成新的坐標系OX\"Y\"Z\"（稱為第三坐標系），此時第三坐標系Z\"軸與第一坐標系Z軸重合；再將第三坐標系OX\"Y\"Z\"的X\"OY\"平面繞Z\"軸或Z軸順時針或逆時針旋轉γ，使得Y\"軸正方向為地球的正北方向，X\"軸正方向為地球的正東方向，即第三坐標系進一步轉換后與第一坐標系完全重合。

（5）根據第二坐標系兩次旋轉變換到第一坐標系的變換關系，n點在第二坐標系坐標（x'，y'，z'）通過實測的α、β、0、γ表示在第一坐標系的坐標（x，y，z），表達式為：

（6）結合式（1）和式（3），通過編錄實測的aB、θ、y換算，即可得到待測結構面的真傾角ε和真傾向。

2.2.3結構面發育特征與優勢產狀分析

根據現場巖體結構面調查測繪及定向鉆孔巖芯編錄成果，露天采場巖體結構面發育特征、優勢結構面產狀統計分析結果如下：

1）結構面發育特征。

（1）粗中粒斑狀黑云母花崗巖。節理、裂隙閉合，壓性為主，極少數壓扭性。裂寬最大為80mm（石英脈），一般lt;1mm。充填物主要為圍巖碎屑、綠泥石，少數為高嶺土、黑云母和石英，極少數為黃鐵礦、褐鐵礦。膠結較好—好，調查區域滴水。結構面絕大多數為平直粗糙，少數為平直光滑，極少數為不規則粗糙、彎曲粗糙、彎曲光滑和不規則光滑。

（2）中細粒斑狀黑云母花崗巖。節理、裂隙閉合，壓性為主，極少數壓扭性。裂寬最大為20cm（糜棱巖），一般lt;1mm。充填物絕大多數為圍巖碎屑、綠泥石和高嶺土，少數為黃鐵礦、黑云母和石英。膠結較好—好，調查區域較濕潤。結構面絕大多數為平直粗糙，少數為平直光滑，極少數為不規則粗糙、彎曲粗糙、彎曲光滑和不規則光滑。

（3）云英巖。節理、裂隙閉合，壓性為主，極少數壓扭性。裂寬最大為50mm（石英脈），一般lt;1mm。充填物絕大多數為鐵氧化物、圍巖碎屑和高嶺土，極少數為石英。膠結較好—好，調查區域滴水—淋水。結構面大多數為平直粗糙，少數為彎曲粗糙和平直光滑。

2）結構面優勢產狀統計分析。采用Dips軟件進行統計分析，得到邊坡巖體優勢結構面有2～3組，以及一些紊亂的結構面（見表2）。以粗中粒斑狀黑云母花崗巖優勢結構面統計分析為例，結果見圖5。

3破壞模式影響分析

3.1邊坡分區

根據GB 51016—2014《非煤露天礦邊坡工程技術規范》，結合邊坡幾何要素，將露天邊坡劃分為4個區：I區、Ⅱ區、Ⅲ區和IV區，邊坡分區示意圖見圖6。

3.2斷裂構造對邊坡破壞模式影響

根據礦區斷裂構造情況：I區發育的斷裂構造主要有F?、F?，Ⅱ區發育的斷裂構造主要有F?、F?和F??，Ⅲ區發育的斷裂構造主要有F?、F?和F?，IV區發育的斷裂構造主要有F?。各邊坡分區與區內主要斷裂構造產狀見表3。

將露天邊坡各分區邊坡主要邊坡坡面的產狀分別與不同斷裂構造產狀作赤平投影圖（見圖7，ID=1，2，3為斷裂構造產狀，ID=4為邊坡面產狀），得到不同分區邊坡坡面與斷裂構造的組合關系。

由圖7可知：①I區，F?、F?斷裂與坡面走向夾角為30°～60°，屬基本穩定邊坡；②Ⅱ區，F?斷裂與坡面走向夾角為30°～60°，屬基本穩定邊坡；F?、F16斷裂與坡面走向夾角為60°～90°，屬穩定邊坡；③Ⅲ區，F?、F?、F?斷裂與坡面走向夾角為60°～90°，屬穩定邊坡；④IV區，F?斷裂與坡面走向夾角為0°～30°，存在潛在平面破壞的可能。

3.3巖體結構面對邊坡破壞模式影響

采場邊坡主要巖體為粗中粒、中細粒斑狀黑云母花崗巖，云英巖主要分布在露天采場Ⅲ區。根據巖體優勢結構面統計分析結果，中細粒斑狀黑云母花崗巖和云英巖2組優勢結構面傾角均大于設計坡面角65°，粗中粒斑狀黑云母花崗巖第三組優勢結構面傾角（48°）小于設計坡面角。根據平面破壞與楔體破壞判別標準，僅粗中粒斑狀黑云母花崗巖優勢結構面與邊坡面組合后，可能產生平面破壞與楔體破壞。因此，此次僅定性分析粗中粒斑狀黑云母花崗巖產生平面破壞與楔體破壞的可能性。

將露天邊坡各分區邊坡坡面產狀分別與不同巖性結構面的優勢產狀作赤平投影圖（見圖8，以粗中粒斑狀黑云母花崗巖為例，ID=1，2，3為巖體優勢結構面產狀，ID=4為邊坡面產狀），得到不同分區邊坡面與巖體結構面的組合關系。

由圖8可知：

1）平面破壞分析。①粗中粒斑狀黑云母花崗巖第一組優勢結構面與I、Ⅲ區，第二組優勢結構面與Ⅱ、IV區，第三組優勢結構面與I、Ⅱ、IV區坡面走向夾角均為60°～90°，屬穩定邊坡；②粗中粒斑狀黑云母花崗巖第一組優勢結構面與Ⅱ區、第二組優勢結構面與Ⅲ區坡面走向夾角為30°～60°，屬基本穩定邊坡；③粗中粒斑狀黑云母花崗巖第一組優勢結構面與IV區、第二組優勢結構面與I區坡面走向夾角為60°～90°，屬穩定邊坡；④粗中粒斑狀黑云母花崗巖第三組優勢結構面與Ⅲ區坡面走向夾角為0°～30°，存在潛在平面破壞的可能。

2）楔體破壞分析。①粗中粒斑狀黑云母花崗巖第一組和第二組、第一組和第三組、第二組和第三組優勢結構面交線走向與I、Ⅱ區坡面斜交，走向夾角為30°～75°，但傾向相反，屬穩定邊坡；②粗中粒斑狀黑云母花崗巖第一組、第二組優勢結構面交線走向與Ⅲ區，第一組和第三組優勢結構面交線走向與IV區坡面斜交，走向夾角為30°～75°，但傾向相反，屬穩定邊坡。③粗中粒斑狀黑云母花崗巖第一組、第三組優勢結構面交線走向與Ⅲ區坡面斜交，走向夾角lt;30°，屬穩定邊坡；④粗中粒斑狀黑云母花崗巖第二組、第三組優勢結構面交線走向與Ⅲ、IV區坡面斜交，走向夾角為30°～75°，存在潛在楔體破壞的可能。

4結論

1）礦區內斷裂構造以近SN向斷裂為主干構造，其間發育NE向斷裂、近EW向斷裂、NW向斷裂、弧形斷裂及不同方向和性質的節理裂隙，構成了礦區基本構造格架。

2）通過巖體結構面調查測繪和定向鉆孔結構面測量轉換，采用Dips軟件統計得到邊坡巖體優勢結構面：粗中粒斑狀黑云母花崗巖3組（33°∠88°、131°∠85°和314°∠48°）、中細粒斑狀黑云母花崗巖2組（145°∠75°和63°∠85°）和云英巖2組（27°∠86°和132°∠88°）。

3）赤平投影法邊坡破壞模式分析結果表明：F?斷裂構造在IV區可能發生平面破壞；粗中粒斑狀黑云母花崗巖第一組、第三組優勢結構面在Ⅲ區可能發生平面破壞；Ⅲ、IV區粗中粒斑狀黑云母花崗巖第二組、第三組優勢結構面組合，與坡面相切后可能發生楔體破壞。

4）分析了斷裂構造和結構面對露天邊坡潛在破壞模式的影響，對大型露天礦山邊坡穩定性評估提供客觀真實的分析模型，對礦山安全生產管理具有現實意義。

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Study on the influence of fault structures and structural planes on failure modes of high and steep open-pit slopes

Wang Fagang1.2.3，Lin Hongbin2·4，Liu Zhengyu1，Yu Shenghong'，Xiao Zurong1.2，3，Zou Ping?，2.3

（1.Zijin（Changsha）Engineering Technology Co.，Lid.;2.Zijin Mining Group Co.，Ltd.;3.State Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Low-grade Refractory Gold Ores;4.Hunan Zijin Lithium Co.，Ltd.）

Abstract：To investigate the influence of fault structures and structural planes on the failure modes of high and steep open-pit slopes，with a lithium polymetallic mine in Hunan Province as an engineering background，the study conducted field surveys and theoretical analyses.The mine area is characterized by a near-SN main fault structure，along with NE fault zones，near-EW fault，NW faults，arc-shaped faults，and various joint fissures forming the basic structural framework of the mining site.Field investigations revealed the occurrences of rock structural planes，and statistical analyses identified dominant structural planes：3 sets in coarse to medium-grained porphyritic biotite granite，2 sets in medium to fine-grained porphyritic biotite granite，and 2 sets in greisen.Stereographic projection analysis was employed to assess the impact of fault structures and structural planes on high and steep open-pit slope failure modes.Results indicate that the F?fault structure may cause planar failure in Zone IV;only the third set of dominant structural planes in coarse to medium-grained porphyritic biotite granite may result in planar failure in ZoneⅢ;and wedge failure may occur in ZonesⅢand IV due to combinations of the second and third sets of dominant structural planes intersecting the slope face.

Keywords：fault structure;structural plane;open-pit mine;high and steep slope;failure mode;core logging