青麦地大型石灰岩露天矿高陡边坡结构面特征及其对边坡稳定性的影响

张雄伟，杨 泽*, 周晓超，梁仕义，李克钢

(1.昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南 昆明 650231;2.昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093)

岩体中结构面是在漫长的地质历史发展中经历了多次地质构造运动作用下形成的力学强度低的不连续面。结构面是岩体中存在的岩层面、节理裂隙面、软弱夹层、断层面等，边坡岩体中结构面的存在及其组合情况对边坡的稳定性起着控制作用影响，工程地质实践表明，岩质边坡的稳定性主要取决于结构面的物理力学性质及其空间分布位置和组合关系[1-4]。

在露天矿山逐渐下延开挖的过程中，边坡日渐增高形成高陡边坡，从而导致岩体的不完整性进一步加强，岩质边坡的失稳破坏通常会沿岩体结构面发生，结构面控制着边坡的变形、破坏和演化过程，而边坡工程地质结构面的规模及其空间分布特征是开展边坡稳定性分析的前提和基础，通过对边坡岩体的结构面调查来分析寻找出边坡岩体的优势结构面。正所谓工程地质结构面分析是边坡稳定性评价的灵魂，是一项复杂、贯穿全过程的工作[5-7]。

青麦地大型石灰岩矿山位于大理祥云县，采用露天开采方式，该石灰岩露天矿每年生产规模300万 t/a，该露天采场为三面围绕的山坡-凹陷露天矿，终了台阶高度12 m，台阶坡面角60°，安全平台宽度6 m，清扫平台宽度为12 m(3个台阶设一清扫平台)，最高平台标高892 m，设计终了露天坑底标高724 m，有15个平台组成，露天边坡最大高度为187 m(西南帮)。该露天采场边坡分别由西南帮、东南帮、东北帮边坡构成，其中西南帮边坡为顺层边坡，东南帮边坡为切向边坡，东北帮边坡为反向(逆层)边坡。其中，西南帮采场边坡坡顶最高标高911 m，东南拱形帮采场边坡坡顶最高标高901 m，东北帮采场边坡坡顶最高标高841 m。

随着该露天矿开采逐渐下延，边坡高度会逐年增高，逐步形成高陡露天边坡，届时边坡岩体受结构面切割影响作用会越来越强烈，进而对边坡结构参数的安全设置提出了很高的要求，这样使得该石灰岩露天矿边坡稳定性的评价日趋重要。本文通过对该石灰岩露天矿现场踏勘调查，而后进行边坡结构面统计分析，得出采场边坡的优势结构面，以优势结构面组合为岩体稳定性模型，结合赤平极射投影图和边坡稳定性FLAC2D软件，对该高陡采场边坡稳定性进行综合分析评价，为现场安全开采生产提供技术支撑和指导依据。

1 边坡工程地质特征

矿区地势相对较陡，地势北低南高，地形切割剧烈，矿区属低山浅切割地貌，由碳酸盐岩层组成的石灰石地区，相当部分区域基岩裸露，最高处为矿区南部山顶，海拔标高950 m，最低处为矿区西北部山凹，海拔标高624.5 m，相对高差325.5 m，属低山构造侵蚀山地地貌，呈溶蚀丘岭峰丛地形。

矿区的矿体属浅海至滨海相沉积石灰岩矿床，石灰岩矿赋存于二叠系下统茅口组(P1m)，呈层状产出。岩性为深灰色中层至厚层状细晶灰岩，厚度186～411 m，为主要含矿层位，石灰石呈灰白色，击打岩块性质较脆，硬度较大，单轴抗压强度为52.7～120.4 MPa，松散系数为1.65左右。矿石主要为石灰石矿石，密度为2.67 t/m3，含CaCO3平均值98.63%，最高可达99.01%。矿体沿走向、倾向厚度变化不大，属厚度稳定的矿层。

露天采场形成后，矿体顶板为第四系盖层被剥离，开采至最低开采标高均为灰岩，故矿区出露岩性主要为灰岩，构成了露天采场的主要边坡工程岩组。岩石微风化，岩石强度较高，也较为坚硬，但层理裂隙分布密集发育，岩芯岩石质量指标平均值为36.8%，岩体完整性较差，不利于采场边坡的稳定与安全。边坡典型工程地质剖面图如图1所示。

图1 露天采场边坡工程地质剖面图

根据现场工程地质条件，结合结构面分布特征和岩体质量等级，将岩块力学强度折减成岩体力学参数， 所采用的岩体力学参数详见表1。

表1 岩体物理力学参数取值表

2 边坡稳定性的赤平极射投影分析

由于岩体结构面存在于地质体或岩体中，往往在三维空间中呈复杂的网络结构特征，对岩体结构面的掌握是通过现场踏勘调查来实现，通过对采场边坡岩体结构面现场调查会呈现出立体直观的认识。现场调查的实质是运用岩土理论知识，对岩体结构面的分布规律和发育程度进行观察、认识、描述和测量，而后进行统计分析以获取该矿山边坡岩体的优势结构面产状(倾向、倾角)，掌握其结构面的分布规律[8-10]。

矿山自始至终处于一个动态的开挖过程，岩体结构特性决定岩体的稳定性。生产实践已充分证明岩体的稳定性不仅取决于岩性，更重要的是由结构面对边坡稳定性起控制作用，只有充分掌握具有代表性的优势岩体结构面才能正确评价岩体的稳定性。结构面统计分析主要是对结构面产状(倾向、倾角)的统计分析，其目的是对岩体结构面依据产状进行分组，并求出每组结构面的优势产状[11-13]。

2.1 结构面调查测量方法

采用详细线观测法，在边坡坡面布置测线如图2所示，将测线上下1 m的范围作为测带，调查工作采用地质罗盘在测带以内进行测量编录。结构面在测量范围内有5种出露方式，1类型结构面、2A或2B类型结构面、3A或3B类型结构面、4A或4B类型结构面、5类型结构面跨过测带。

图2 测线布置示意图

2.2 岩体结构调查结果

该露天矿边坡岩体目前已有相当部分揭露，可清晰完整地看见岩体结构面具体分布情况。调查工作按上述要求的调查内容进行调查工作，根据调查统计结果研究其特征和演变过程，分析各组优势结构面对边坡的相互组合切割关系。现场结构面调查方式及现场岩体结构面分布形态详见图3和图4。

通过现场调查，该矿山边坡主要是由层理结构面控制，岩体被层理结构面所切割，层理分布比较密集发育，层理之间的层状块体较坚硬，块体强度较高。从整体上看，该石灰岩露天矿边坡岩体属于层理裂隙密集较为发育的岩体。具体表现如下：1)经现场实测统计，得出该石灰岩层理结构面平均间距为26.7 cm，结构面间距小，岩体被结构面切割得较厉害，岩体的完整性较差，该边坡岩体属于层理结构面密集较发育的岩体；2)经现场调查统计，现场层理结构面属于平直型，结构面比较干燥，也比较粗糙，有利于提高岩体的抗剪强度，对边坡的稳定性有一定积极作用；3)现场岩体结构面倾角具体分布形态详见图3和图4。通过现场实际调查，边坡石灰岩岩体结构面倾角都大于30°，大部分集中在30°～50°之间，属于倾斜的层理结构面。

图3 边坡岩体层理结构面分布形态(一)

图4 边坡岩体层理结构面分布形态(二)

由于边坡岩体的层理结构面倾角较陡，层理也比较发育，所以在开挖剥离边坡岩体时，一旦台阶下部坡脚被挖空，很容易造成坡面上部岩体沿着层理结构面滑移脱落(垮塌)，若现场管理不到位，易造成安全事故。因此，在平台和台阶开挖过程中，不得随意超挖台阶坡脚。

该露天矿坑最终由顺向边坡、切向边坡和反向边坡构成，详见图5。对调查区域的边坡岩体结构面进行统计和分析，最终得出边坡优势结构面产状值，其与台阶边坡面的产状见表2。

图5 设计终了境界平面图及剖面位置图(露天坑底724 m)

表2 露天边坡布置产状与优势结构面分布产状统计结果

2.3 结构面对边坡稳定性的赤平极射投影分析结果

赤平极射投影法是岩质边坡稳定性分析中常用的图解法。它能反映边坡岩体中的结构面(节理裂隙面)分布规律和与边坡面相互组合空间关系对边坡的影响[14-15]。

依据所调查优势结构面的产状，绘制赤平极射投影图，根据其和边坡所构成的立体交叉关系，进行边坡稳定性判断。利用全部结构面分析的优势结构面对各帮边坡进行稳定性判断，西南帮边坡倾向43.5°，台阶坡面倾角60°；东南帮边坡倾向327.3°和352.8°，台阶坡面倾角65°；东北帮边坡倾向227°和251.6°，台阶坡面倾角65°；其与优势结构面组合而成的赤平极射投影图如图6—图9所示。

图6 西南帮优势结构面赤平极射投影图

图7 东南帮优势结构面赤平极射投影图(一)

图8 东南帮优势结构面赤平极射投影图(二)

图9 东北帮优势结构面赤平极射投影图

图6为西南帮的赤平极射投影图，从图6中可以看出，层理结构面L1与开挖边坡面的倾向近似相同，属于顺层边坡，并且结构面的倾角β比边坡面的倾角α缓(β<α)，使部分岩层临空，会使临空的岩体有可能沿着层理面滑动，单从岩体结构分析的观点来推断，这种情况下台阶边坡处于不太稳定条件，台阶边坡会发生局部小滑移，临空的顺层岩体稳定基本上依赖于层理结构面的强度。同时在现场调查中发现，顺层岩体多数在实际中是不规整的，平台开挖过程中易造成局部台阶坡脚被超挖，这样使得上部顺层岩体失去了支撑作用，以至于造成上部顺层岩体悬空，形成潜在的不稳定体，其层理结构面在风化和雨水润滑及冲刷作用下极有可能顺着层理面向临空方向滑塌下来，因此开挖剥离生产过程中要对坡面上松动的临空岩层体或者不稳定的块体应给予重视，做好及时清理，加以防范。

图7中东南帮方位(即图中的P)为327.3°，图8中东南帮方位为352.8°。从图7和图8中可以看出，层理结构面L1与开挖边坡面近乎正交和斜交，东南帮属于切向边坡，说明单组结构面未沿走向在边坡面上临空出露而是直接插入坡下，这时由于下部岩体能对上部结构体产生一定的支撑作用，防止了上部顺层岩体悬空，这时边坡处于稳定条件。

图9为东北帮的赤平极射投影图，从图9中可以看出，就单组结构面L1而言，其与边坡面的倾向相反，东北帮属于反向边坡，其潜在滑移方向朝向坡内，受坡内岩体约束，对边坡稳定性不构成威胁，这种情况边坡处于最稳定状态。

总之，切向边坡、反向边坡稳定性较好；顺向(顺层)边坡稳定性较差。

3 基于强度折减法FLAC2D边坡稳定性分析

基于该矿山边坡主要是由岩层层理结构面控制的分布规律，同时鉴于顺层层理结构面对该露天矿边坡稳定性不利的影响，适当加大了安全平台和清扫平台的宽度尺寸，确定了该大型石灰岩露天矿边坡结构参数如下：反向-切向边坡台阶坡面角65°，顺层边坡台阶坡面角60°，台阶高度12 m(由现场挖掘设备确定)，安全平台宽度6 m，清扫平台宽度12 m(每隔3个台阶设置一个清扫平台)。A-A典型顺层边坡剖面图位置详见图5所示。

采用边坡稳定性分析软件FLAC2D7.0对该终了边坡的稳定性进行定量安全系数计算，搜索出边坡的潜在危险滑动面，得出边坡的安全系数见表3。

从安全系数表3和图10可知，露天开采终了境界边坡在天然状态下安全系数F大于1.3，安全系数很高，说明该石灰岩终了采场边坡整体是安全稳定的，消除了边坡沿着结构面滑移的风险。在地震工况下安全系数F大于1.2，也处于稳定状态，说明该采场边坡具备一定的抗振动能力。

表3 终了境界边坡安全系数计算结果表

图10 A-A剖面潜在最不利滑动面位置图

4 结论与建议

边坡岩体结构面的分布特征对边坡的稳定性具有控制性影响，是开展岩质边坡稳定性分析的前提。通过对现场结构面调查统计，采用赤平极射投影法和稳定性数值定量分析法，对该大型石灰岩露天矿采场边坡进行了稳定性分析，得出以下结论：

1)通过现场岩体结构调查，该矿山高陡边坡为一单斜顺层岩质边坡，主要是由层理优势结构面控制，岩体被层理结构面所切割，层理分布比较密集发育，层理之间的层状块体较坚硬，块体强度较高。结构面大部分属于平直型，结构面内部比较粗糙干燥；边坡石灰岩岩体层理结构面属于倾斜的层理结构面。

2)通过优势结构面赤平极射投影图可知，西南帮属于顺层边坡，会使临空的岩体有可能沿着层理面滑动，这种情况下台阶边坡稳定性较差；东南帮属于切向边坡，这种情况下边坡岩体的稳定条件将获得不同程度的改进，边坡处于稳定条件；东北帮属于反向边坡，这种情况边坡处于最稳定状态。总之，切向边坡、反向边坡稳定性较好；顺向(顺层)边坡稳定性较差。

3)鉴于顺层层理结构面对该露天矿边坡稳定性会产生不利的影响，现场实际开采当中考虑加大安全平台和清扫平台的宽度尺寸，通过稳定性安全系数计算结果可知，边坡处于稳定状态，论证了该露天矿现有的边坡结构参数具有合理性，为矿山开采设置平台宽度和台阶高度提了施工指导依据。