基于赤平极射投影法的优势结构面分析

陈丽芹++陈承++高兆全++张亮

摘 要：采用测线法对白音诺尔铅锌矿南区950 m中段结构面进行了详细调查，认为结构面主要类型为构造结构面、节理裂隙多处于闭合或微张状态，介绍如何用Dips软件处理构造地质测量数据作出图件，并结合铅锌矿调查所测数据，利用该软件对结构面调查结果进行赤平极射投影分析，最终得到该中段的优势结构面。

关键词：赤平极射投影 优势结构面 Dips软件 节理裂隙

中图分类号：U417 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（a）-0108-04

Study on the Preferred Plane Via Hemispherical Projection

CHEN Liqin1 CHEN Cheng2 GAO Zhaoquan1 ZHANG Liang2

（1.Chifeng NFC Baiyinnuoer Mining Co.， Ltd.， Chifeng 024000 ，China；2. School of Resource and Environment Engineering，Jiangxi University of Science and Technology， Ganzhou 341000， China）

Abstract：Scanline method is used respectively to conduct a detailed investigation around south of 950m section in Baiyinnuoer zinc-lead deposit.Concluding that structural surface is mainly tectonic structural surface. Joint fissure are mostly closed or a little opened. Meantimes introducing how to deal with the measurement data of structural geology and constructe the maps. Based on investigative data in Baiyinnuoer zinc-lead deposit， Analysis of structural plane survey results by using hemispherical projection method in order to get the final preferred plane.

Key words：Hemispherical projection Preferred plane Soft ware Dips Joint fissure

在工程地质中，一般以岩体作为研究对象，岩块和结构面构成岩体两个重要部分，岩体中的结构面对岩体整体性质产生重要影响，这也是岩体区别于岩块最本质的特征，岩体中的结构面通常指各种厚度相对较小、具有一定方向的不连续地质界面。结构面的规模、性质、分布以及产状的不同决定了整个岩体的工程地质特性。同时由于其强度较岩块明显减弱。岩体破坏总是沿相对较小阻力面发生，且结构面间物质软弱松散、抗剪强度低，因此结构面往往成为岩体破坏的主控因素。

结构面性质很大程度上影响了岩体稳定性，如何评价结构面对岩体的影响程度，可以通过引进优势结构面的概念试图解决这一问题，通过优势指标法可以找到真正的优势结构面，优势指标一般包括时间、产状、数量、性质四个因素，通常从地质优势和统计优势两个基本角度出发寻找真正的优势结构面，本文仅从统计学的角度试图找到最终的优势结构面，即同一区间数量上占优的平均产状即优势结构面产状。

内蒙古白音诺尔铅锌矿经过30多年的开采，井下遗留下大量采空区，导致空区周边巷道围岩内出现较多的节理裂隙等不连续面。且大小不一，形态各异。

研究如何对所测节理裂隙进行分组并有效反映结构面赋存对整体稳定性影响程度具有重大意义。

该文以内蒙古白音诺尔铅锌矿南区950 m中段为研究对象，对铅锌矿节理裂隙构造特征进行测量并统计，简述如何用Dips软件处理所得构造地质学数据并绘制倾角、倾向符号极点图，玫瑰花图以及等值线图，通过比较分析上述图件并结合现场实际勘察情况最终得到该中段的优势结构面。

1 应用Dips软件处理构造地质测量数据

Dips软件可以用来分析处理地质定位数据，进行赤平投影分析，在构造地质测量使用较多。通过绘制极点图、玫瑰花图、等值线图等统计图件来分析测量数据，使用非常方便，但由于目前一般大都使用该软件的汉化版本，而该版本汉化程度较低，因此应用相对较少。关于Dips软件相关基本功能主要包括以下几个方面。

1.1 数据导入

从文件中选择“新建”完成表格基本设置，基本设置显示默认的两列数据，类型分别为倾角、倾向，根据需要可以更改数据类型比如走向/倾角、倾向/倾伏角等组合，同时可以任意增加行或列，通过从原始数据excle文件中复制所需数据，粘贴到Dips表格中，即可以完成导入工作。

1.2 视图

根据导入数据，文件可以自动形成各种图件，包括下面几种。

1.2.1 极点图

在定位数据中，极点图是最基本的表示方法，一条线或面（如线理或节理法线）投影到极点图中，在图中表现为统一的一个极点形式。另外，符号极点图可以通过颜色、符号显示数据属性特征，另外，极点图可以用来分析各种面理的空间组合关系。

1.2.2 散点图

数据分布在直角坐标系平面上，允许通过将挖一致的极点数绘制成符号，从而可视化分析极点分布（密度）特征。如果需要可以添加“视图”-“叠覆等值线”，从而更清楚地显示数据点分布特征。endprint

1.2.3 玫瑰图

通过“视图”-“玫瑰图”或工具栏“玫瑰图”实现。将三维构造简化为二维展示，默认的玫瑰图每10 °一个统计单元，也可以点击右键，“玫瑰图选项”进行必要改动。绘制玫瑰花图过程简单，能直观清楚反映主要节理特征，在分析区域构造是效果显著。

1.2.4 等值线图

通过“视图”-“等值线图”或“工具栏”-“等值线图”来实现，等值线图是Dips用于平均分析或者极密分析的主要工具。表示极点统计密度，并不与极点图或者散点图的分布完全对应。

该文主要结合调查测得数据，绘制符号极点图、玫瑰花图和等值线图，通过导出图像，可以得到所需完整图件。除此之外，Dips软件还有添加面、添加系列、输入文本等基本功能，在此不赘述。

1.3 主要结构面分析功能

（1）绘制极点投影图。极点代表空间平面的法线投影，可以使三维变为二维，利于直观分析，这点在优势结构面组分析中作用极大。

（2）以彩色填充和线状的方式作极点密度等值线图（Schmidt分布和Fisher分布）。

（3）选择节理极密中心位置，绘出对应的优势赤平投影大圆，并计算出极密部位（相当于优势结构面）的平均产状，以文件形式存放。

（4）可选择产状定量数据和描述结构面特征的定性数据，分别绘制出频率密度直方图。图件均可以形成DXF格式，并能方便地由AutoCAD绘图软件包调用。

（5）其他分析功能。该软件包还有数据筛选和对符合条件的数据进行优势方位分析的功能。

2 工程实例

2.1 工程概况

白音诺尔铅锌目前采用浅孔留矿法和分段空场法，经过30多年的开采，井下遗留大量采空区，矿山现阶段未经处理的大采空区有南区1#矿体、2#矿体、3#矿体群等，其中直通地表的较小采空区面积在2000～3000 m2之间，另外一个空区面积在6000 m2左右，大型隐伏空区体积大约有60多万 m3。遗留的大量采空区引起地压产生，致使岩体受力平衡遭到破坏，由此产生的大大小小的裂隙对岩体稳定性构成严重威胁。为矿山现阶段的生产以及后续的各项工作安全进行，有必要对矿区内有可能影响矿山安全的结构面进行统计分析，得出优势结构面，为后续工程安全评价提供验证依据。

2.2 结构面统计分析

本次结构面调查采用测线法对现场进行调查如图1，测线法的基本做法是在岩石露头或平硐内布置一条皮尺，长度为15～20 m，首先量测皮尺的走向和倾角，然后对与此皮尺相交的节理，逐条记录其桩号、倾向、倾角、半迹长与隙宽。这里，半迹长是指节理在皮尺一侧的那段长度[2]。有些节理延伸较长，无法量测其半迹长度，在此取删节长度c为1 m。研究区南区950 m中段数据输入情况见图2。

结构面统计分析主要对象为结构面的产状，根据产状对岩体结构面进行分组求出每组结构面的优势产状。通过分析结构面玫瑰花图和Schmidt投影网可以粗略找出相对优势的结构面产状，进而结合绘制的极点等值线图可以精确的读出准确的每组优势结构面产状数据。

相较而言，从极射赤平投影所做的等值线图可直观清晰找出优势结构面产状，该方法目前是工程地质界常用的表示方法。结构面方位的离散程度可根据等值线图的形状和大小来反映，等值线图的中心点即代表一组结构面的优势结构面产状，等面积投影网上点的分布可构成各种优选产状图解，产状图解格式有4种类型。

（1）极密型：表明在局部的相对集中现象，表现为单一、高度集中特征，突出结构面的优选产状。

（2）环带型：通常包含一个甚至多个明确的极密区，环带大圆极点代表环带轴，投影点沿网的径线大圆成环带分布，常可见两个环带交叉现象，表明结构面是共面的。

（3）小圆环带型：投影点环状分布于小圆上，内无极密区，表示优选产状为环带轴与结构面所成的固定交角。

（4）均匀型或随机定向型：投影点分布均匀，没有典型的局部集中形态，在自然界中非常少见，但方便进行结构面分组。

实际工程中常常运用一定的软件来分析结构面的优势产状或组系特征。Dips软件是应用较为广泛的一种，其雏形是由加拿大多伦多大学岩石力学研究室MS.Diedrichs和E.Hoek于1989年开发的“赤平投影结构数据分析软件包”。经过多次改进，它已经发展成一个功能极强的地质结构分析软件

通过前期现场测得的数据，并运用Dips软件，绘出南区950 m中段结构面符号极点分布图、倾向玫瑰花图和极点等值线图，见图3～图6。

从图3可知，倾角可以简单划分成7组，每组都有统一区间，第七组区间为78.57 °至90.00 °，数量占据主要优势为14个。从图4可知，倾向可以简单划分成7组，每组都有统一区间，第七组区间为307.29 °至358.00 °，数量占据主要优势为20个。从图6作图可知，图中代表优势产状的曲线，产状为309 °∠84 °。

3 结语

对矿山南区950 m中段利用测线法分别做了结构面调查，并用赤平投影法进行了分析，分析得到岩体结构面主要特征如下：

（1）通过利用Dips软件可以处理构造测量数据并得到玫瑰花图、极点图、等值线图等统计图件。

（2）950 m中段结构面大多为闭合的构造结构面。

（3）从倾向玫瑰图和极点等值线图可以得出，南区950 m中段优势结构面为309°∠84°。

参考文献

[1] 韩业鸣，刘正桃，方同辉.红石铜矿裂隙构造分布特征研究[J].科学技术与工程，2011，11（20）：1671-1815.

[2] 张浩然.岩体结构面地质特征与几何要素研究[D].南京：河海大学，2008.

[3] 杨时业，侯克鹏，杨会明.基于结构面的岩质边坡稳定性分析[J].有色金属，2011，63（4）.

[4] 钟文，金解放，曾芳金.基于优势结构面的矿山边坡稳定性分析[J].中国钨业，2008，23（2）.

[5] 朱婷，黄宜胜，郭建.基于优势结构面理论的高陡岩质边坡稳定性分析[J].水文地质工程地质，2010，37（2）.

[6] 刘强，胡斌，王新刚.青海松树南沟矿区台阶边坡破坏类型分析[J].中国矿业，2013，22（8）.

[7] 李亮辉.裂隙岩体隧道渗流场分析与防排水技术研究[D].长沙：长沙理工大学， 2007.

[8] 解世俊.金属矿床地下开采[M].北京：冶金工业出版社，2008.endprint

1.2.3 玫瑰图

通过“视图”-“玫瑰图”或工具栏“玫瑰图”实现。将三维构造简化为二维展示，默认的玫瑰图每10 °一个统计单元，也可以点击右键，“玫瑰图选项”进行必要改动。绘制玫瑰花图过程简单，能直观清楚反映主要节理特征，在分析区域构造是效果显著。

1.2.4 等值线图

通过“视图”-“等值线图”或“工具栏”-“等值线图”来实现，等值线图是Dips用于平均分析或者极密分析的主要工具。表示极点统计密度，并不与极点图或者散点图的分布完全对应。

该文主要结合调查测得数据，绘制符号极点图、玫瑰花图和等值线图，通过导出图像，可以得到所需完整图件。除此之外，Dips软件还有添加面、添加系列、输入文本等基本功能，在此不赘述。

1.3 主要结构面分析功能

（1）绘制极点投影图。极点代表空间平面的法线投影，可以使三维变为二维，利于直观分析，这点在优势结构面组分析中作用极大。

（2）以彩色填充和线状的方式作极点密度等值线图（Schmidt分布和Fisher分布）。

（3）选择节理极密中心位置，绘出对应的优势赤平投影大圆，并计算出极密部位（相当于优势结构面）的平均产状，以文件形式存放。

（4）可选择产状定量数据和描述结构面特征的定性数据，分别绘制出频率密度直方图。图件均可以形成DXF格式，并能方便地由AutoCAD绘图软件包调用。

（5）其他分析功能。该软件包还有数据筛选和对符合条件的数据进行优势方位分析的功能。

2 工程实例

2.1 工程概况

白音诺尔铅锌目前采用浅孔留矿法和分段空场法，经过30多年的开采，井下遗留大量采空区，矿山现阶段未经处理的大采空区有南区1#矿体、2#矿体、3#矿体群等，其中直通地表的较小采空区面积在2000～3000 m2之间，另外一个空区面积在6000 m2左右，大型隐伏空区体积大约有60多万 m3。遗留的大量采空区引起地压产生，致使岩体受力平衡遭到破坏，由此产生的大大小小的裂隙对岩体稳定性构成严重威胁。为矿山现阶段的生产以及后续的各项工作安全进行，有必要对矿区内有可能影响矿山安全的结构面进行统计分析，得出优势结构面，为后续工程安全评价提供验证依据。

2.2 结构面统计分析

本次结构面调查采用测线法对现场进行调查如图1，测线法的基本做法是在岩石露头或平硐内布置一条皮尺，长度为15～20 m，首先量测皮尺的走向和倾角，然后对与此皮尺相交的节理，逐条记录其桩号、倾向、倾角、半迹长与隙宽。这里，半迹长是指节理在皮尺一侧的那段长度[2]。有些节理延伸较长，无法量测其半迹长度，在此取删节长度c为1 m。研究区南区950 m中段数据输入情况见图2。

结构面统计分析主要对象为结构面的产状，根据产状对岩体结构面进行分组求出每组结构面的优势产状。通过分析结构面玫瑰花图和Schmidt投影网可以粗略找出相对优势的结构面产状，进而结合绘制的极点等值线图可以精确的读出准确的每组优势结构面产状数据。

相较而言，从极射赤平投影所做的等值线图可直观清晰找出优势结构面产状，该方法目前是工程地质界常用的表示方法。结构面方位的离散程度可根据等值线图的形状和大小来反映，等值线图的中心点即代表一组结构面的优势结构面产状，等面积投影网上点的分布可构成各种优选产状图解，产状图解格式有4种类型。

（1）极密型：表明在局部的相对集中现象，表现为单一、高度集中特征，突出结构面的优选产状。

（2）环带型：通常包含一个甚至多个明确的极密区，环带大圆极点代表环带轴，投影点沿网的径线大圆成环带分布，常可见两个环带交叉现象，表明结构面是共面的。

（3）小圆环带型：投影点环状分布于小圆上，内无极密区，表示优选产状为环带轴与结构面所成的固定交角。

（4）均匀型或随机定向型：投影点分布均匀，没有典型的局部集中形态，在自然界中非常少见，但方便进行结构面分组。

实际工程中常常运用一定的软件来分析结构面的优势产状或组系特征。Dips软件是应用较为广泛的一种，其雏形是由加拿大多伦多大学岩石力学研究室MS.Diedrichs和E.Hoek于1989年开发的“赤平投影结构数据分析软件包”。经过多次改进，它已经发展成一个功能极强的地质结构分析软件

通过前期现场测得的数据，并运用Dips软件，绘出南区950 m中段结构面符号极点分布图、倾向玫瑰花图和极点等值线图，见图3～图6。

从图3可知，倾角可以简单划分成7组，每组都有统一区间，第七组区间为78.57 °至90.00 °，数量占据主要优势为14个。从图4可知，倾向可以简单划分成7组，每组都有统一区间，第七组区间为307.29 °至358.00 °，数量占据主要优势为20个。从图6作图可知，图中代表优势产状的曲线，产状为309 °∠84 °。

3 结语

对矿山南区950 m中段利用测线法分别做了结构面调查，并用赤平投影法进行了分析，分析得到岩体结构面主要特征如下：

（1）通过利用Dips软件可以处理构造测量数据并得到玫瑰花图、极点图、等值线图等统计图件。

（2）950 m中段结构面大多为闭合的构造结构面。

（3）从倾向玫瑰图和极点等值线图可以得出，南区950 m中段优势结构面为309°∠84°。

参考文献

[1] 韩业鸣，刘正桃，方同辉.红石铜矿裂隙构造分布特征研究[J].科学技术与工程，2011，11（20）：1671-1815.

[2] 张浩然.岩体结构面地质特征与几何要素研究[D].南京：河海大学，2008.

[3] 杨时业，侯克鹏，杨会明.基于结构面的岩质边坡稳定性分析[J].有色金属，2011，63（4）.

[4] 钟文，金解放，曾芳金.基于优势结构面的矿山边坡稳定性分析[J].中国钨业，2008，23（2）.

[5] 朱婷，黄宜胜，郭建.基于优势结构面理论的高陡岩质边坡稳定性分析[J].水文地质工程地质，2010，37（2）.

[6] 刘强，胡斌，王新刚.青海松树南沟矿区台阶边坡破坏类型分析[J].中国矿业，2013，22（8）.

[7] 李亮辉.裂隙岩体隧道渗流场分析与防排水技术研究[D].长沙：长沙理工大学， 2007.

[8] 解世俊.金属矿床地下开采[M].北京：冶金工业出版社，2008.endprint

1.2.3 玫瑰图

通过“视图”-“玫瑰图”或工具栏“玫瑰图”实现。将三维构造简化为二维展示，默认的玫瑰图每10 °一个统计单元，也可以点击右键，“玫瑰图选项”进行必要改动。绘制玫瑰花图过程简单，能直观清楚反映主要节理特征，在分析区域构造是效果显著。

1.2.4 等值线图

通过“视图”-“等值线图”或“工具栏”-“等值线图”来实现，等值线图是Dips用于平均分析或者极密分析的主要工具。表示极点统计密度，并不与极点图或者散点图的分布完全对应。

该文主要结合调查测得数据，绘制符号极点图、玫瑰花图和等值线图，通过导出图像，可以得到所需完整图件。除此之外，Dips软件还有添加面、添加系列、输入文本等基本功能，在此不赘述。

1.3 主要结构面分析功能

（1）绘制极点投影图。极点代表空间平面的法线投影，可以使三维变为二维，利于直观分析，这点在优势结构面组分析中作用极大。

（2）以彩色填充和线状的方式作极点密度等值线图（Schmidt分布和Fisher分布）。

（3）选择节理极密中心位置，绘出对应的优势赤平投影大圆，并计算出极密部位（相当于优势结构面）的平均产状，以文件形式存放。

（4）可选择产状定量数据和描述结构面特征的定性数据，分别绘制出频率密度直方图。图件均可以形成DXF格式，并能方便地由AutoCAD绘图软件包调用。

（5）其他分析功能。该软件包还有数据筛选和对符合条件的数据进行优势方位分析的功能。

2 工程实例

2.1 工程概况

白音诺尔铅锌目前采用浅孔留矿法和分段空场法，经过30多年的开采，井下遗留大量采空区，矿山现阶段未经处理的大采空区有南区1#矿体、2#矿体、3#矿体群等，其中直通地表的较小采空区面积在2000～3000 m2之间，另外一个空区面积在6000 m2左右，大型隐伏空区体积大约有60多万 m3。遗留的大量采空区引起地压产生，致使岩体受力平衡遭到破坏，由此产生的大大小小的裂隙对岩体稳定性构成严重威胁。为矿山现阶段的生产以及后续的各项工作安全进行，有必要对矿区内有可能影响矿山安全的结构面进行统计分析，得出优势结构面，为后续工程安全评价提供验证依据。

2.2 结构面统计分析

本次结构面调查采用测线法对现场进行调查如图1，测线法的基本做法是在岩石露头或平硐内布置一条皮尺，长度为15～20 m，首先量测皮尺的走向和倾角，然后对与此皮尺相交的节理，逐条记录其桩号、倾向、倾角、半迹长与隙宽。这里，半迹长是指节理在皮尺一侧的那段长度[2]。有些节理延伸较长，无法量测其半迹长度，在此取删节长度c为1 m。研究区南区950 m中段数据输入情况见图2。

结构面统计分析主要对象为结构面的产状，根据产状对岩体结构面进行分组求出每组结构面的优势产状。通过分析结构面玫瑰花图和Schmidt投影网可以粗略找出相对优势的结构面产状，进而结合绘制的极点等值线图可以精确的读出准确的每组优势结构面产状数据。

相较而言，从极射赤平投影所做的等值线图可直观清晰找出优势结构面产状，该方法目前是工程地质界常用的表示方法。结构面方位的离散程度可根据等值线图的形状和大小来反映，等值线图的中心点即代表一组结构面的优势结构面产状，等面积投影网上点的分布可构成各种优选产状图解，产状图解格式有4种类型。

（1）极密型：表明在局部的相对集中现象，表现为单一、高度集中特征，突出结构面的优选产状。

（2）环带型：通常包含一个甚至多个明确的极密区，环带大圆极点代表环带轴，投影点沿网的径线大圆成环带分布，常可见两个环带交叉现象，表明结构面是共面的。

（3）小圆环带型：投影点环状分布于小圆上，内无极密区，表示优选产状为环带轴与结构面所成的固定交角。

（4）均匀型或随机定向型：投影点分布均匀，没有典型的局部集中形态，在自然界中非常少见，但方便进行结构面分组。

实际工程中常常运用一定的软件来分析结构面的优势产状或组系特征。Dips软件是应用较为广泛的一种，其雏形是由加拿大多伦多大学岩石力学研究室MS.Diedrichs和E.Hoek于1989年开发的“赤平投影结构数据分析软件包”。经过多次改进，它已经发展成一个功能极强的地质结构分析软件

通过前期现场测得的数据，并运用Dips软件，绘出南区950 m中段结构面符号极点分布图、倾向玫瑰花图和极点等值线图，见图3～图6。

从图3可知，倾角可以简单划分成7组，每组都有统一区间，第七组区间为78.57 °至90.00 °，数量占据主要优势为14个。从图4可知，倾向可以简单划分成7组，每组都有统一区间，第七组区间为307.29 °至358.00 °，数量占据主要优势为20个。从图6作图可知，图中代表优势产状的曲线，产状为309 °∠84 °。

3 结语

对矿山南区950 m中段利用测线法分别做了结构面调查，并用赤平投影法进行了分析，分析得到岩体结构面主要特征如下：

（1）通过利用Dips软件可以处理构造测量数据并得到玫瑰花图、极点图、等值线图等统计图件。

（2）950 m中段结构面大多为闭合的构造结构面。

（3）从倾向玫瑰图和极点等值线图可以得出，南区950 m中段优势结构面为309°∠84°。

参考文献

[1] 韩业鸣，刘正桃，方同辉.红石铜矿裂隙构造分布特征研究[J].科学技术与工程，2011，11（20）：1671-1815.

[2] 张浩然.岩体结构面地质特征与几何要素研究[D].南京：河海大学，2008.

[3] 杨时业，侯克鹏，杨会明.基于结构面的岩质边坡稳定性分析[J].有色金属，2011，63（4）.

[4] 钟文，金解放，曾芳金.基于优势结构面的矿山边坡稳定性分析[J].中国钨业，2008，23（2）.

[5] 朱婷，黄宜胜，郭建.基于优势结构面理论的高陡岩质边坡稳定性分析[J].水文地质工程地质，2010，37（2）.

[6] 刘强，胡斌，王新刚.青海松树南沟矿区台阶边坡破坏类型分析[J].中国矿业，2013，22（8）.

[7] 李亮辉.裂隙岩体隧道渗流场分析与防排水技术研究[D].长沙：长沙理工大学， 2007.

[8] 解世俊.金属矿床地下开采[M].北京：冶金工业出版社，2008.endprint