断裂构造和结构面对露天高陡边坡破坏模式影响研究

摘要：为研究断裂构造和结构面对露天高陡边坡破坏模式的影响，以湖南某锂多金属矿为工程背景，采用现场调查和理论分析等手段进行调查与分析。矿区断裂构造以近SN向断裂为主干构造，其间发育NE向断裂、近EW向断裂、NW向断裂、弧形断裂及不同的节理裂隙，构成矿区的基本构造格架；通过现场调查测得岩体结构面产状，统计分析得到不同岩体的优势结构面：粗中粒斑状黑云母花岗岩3组、中细粒斑状黑云母花岗岩2组和云英岩2组；采用赤平投影法分析断裂构造和结构面对露天高陡边坡破坏模式影响。结果表明：F₂断裂构造在IV区可能发生平面破坏；粗中粒斑状黑云母花岗岩第三组优势结构面在Ⅲ区可能发生平面破坏；Ⅲ、IV区粗中粒斑状黑云母花岗岩第二组、第三组优势结构面组合，与坡面相切后可能发生楔体破坏。

关键词：断裂构造；结构面；露天矿；高陡边坡；破坏模式；岩芯编录

中图分类号：TD854*.6文章编号：1001-1277（2025）01-0082-07

文献标志码：A doi：10.11792/hj20250113

引言

在矿山、交通、水利水电和建筑等各种工程建设和开发活动中，会形成大量边坡，一旦发生边坡失稳，往往会造成重大人员伤亡和财产损失3。边坡稳定性研究是保障边坡安全、稳定运行的关键，而边坡破坏模式分析是稳定性研究的基础4—

目前，针对边坡破坏模式方面的研究，杜时贵等12系统全面地找出控制边坡稳定的关键性结构面及其组合，实现露天矿山边坡岩体稳定性的精细分析；宋腾蛟等3研究表明，不同的优势分组方案，可能得到不同的边坡破坏模式；ZHOU等研究了边坡可能的破坏模式，结合运动学分析，确定潜在不稳定块体的破坏角；李红毅等3结合边坡雷达监测，研究了凸形边坡滑坡破坏模式；聂兴信等6提出了一种针对露天矿含软弱岩层组高陡复杂边坡的综合分析方法；刘杨等针对露天矿山面临的边坡安全与经济效益平衡问题，提出了一种以赤平投影分析为基础的台阶坡面角优化方法；彭宗桓等提出一种结合t分布—随机邻近嵌入、主动学习多元自适应回归样条法和物质点法的新方法，识别出边坡失稳具有4种不同的破坏模式；孙书伟等运用底摩擦试验及数值模拟手段，对不同岩层倾角条件下顺层岩质边坡的破坏机制进行对比分析；CHEN等2针对土石混合体边坡稳定性和破坏模式进行分析，提出了一种基于微极Mohr—Coulomb（MC）模型的二阶锥规划微极连续体有限元法（mpcFEM—SOCP）；张国胜等21基于各向异性的有限元法对边坡潜在失稳破坏模式及稳定性进行了研究。

边坡破坏模式的研究思路是采集结构面产状数据后，聚类分析得到优势结构面，运用赤平投影法进行破坏模式分析。目前，同时考虑断裂构造和结构面2种因素作用下边坡破坏模式的研究较少，基于定向钻孔岩芯结构面产状测量转换获取方法仍不太完善。基于此，本文以湖南某锂多金属矿为工程背景，采用现场调查和理论分析的手段开展了断裂构造和结构面对露天高陡边坡破坏模式影响研究，以期为边坡稳定性研究工作提供基础理论支撑。

1工程概况

某锂多金属矿地处湖南省南部，矿区属中低山区，谷深坡陡，海拔890～1241.34m，相对高差351.34m，山脉总体走向北东，V形沟谷纵横，冲沟或小溪型水系发育。矿区岩性相对单一，出露地层主要为第四系、变质岩及岩浆岩。变质岩岩性主要为云英岩，岩浆岩包括中细粒斑状黑云母花岗岩、粗中粒斑状黑云母花岗岩和少量的二长岩脉、细晶花岗岩脉。

矿山拟采用露天开采，生产能力500万t/a，露天开采生产服务期为15 a，露天境界最大采深432 m，最终边坡角≤47.2°，台阶坡面角65°。

2断裂构造与岩体结构面特征

2.1断裂构造

矿区内断裂构造以近SN向断裂为主干构造，其间发育NE向断裂、近EW向断裂、NW向断裂、弧形断裂及不同方向和性质的节理裂隙，构成了矿区基本构造格架。NE向及SN向断裂是主要断裂，而NW向断裂是次要断裂，仅发育于矿区中部。矿区断裂构造分布如图1所示。

1）近SN向断裂。近SN向断裂是矿区内显著的一组断裂构造，是区域性主断裂的分支断裂或次级断裂，发育于成矿前，是区内主要控岩和导矿构造。该组断裂主要有F₁、F₂、F₃、F₄断裂，其次为F₅、F₇、F₁等次级断裂。与成矿关系较密切的主要为F₂、F₃断裂，区内云英岩型矿体主体分布于二者的夹持部位，隐伏成矿岩体受南北向控岩断裂控制。各断裂特征基本一致，断裂宽度较小，其内发育钾化花岗岩、硅化花岗岩、中低温白色块状石英脉、红色瓷状石英脉、碎裂岩、构造角砾岩、断层泥，局部可见糜棱岩。

2）NE向断裂。矿区内不发育，多表现为沿NNE向—近SN向断裂旁侧的次级断裂构造，如F₁₇断裂为F₂断裂的次级构造。

3）近EW向断裂。矿区内不发育，主要为F₇断裂，其次为诸多规模较小的断裂，分布于NNE向—近SN向断裂旁侧。

4）弧形断裂。由一组产状平缓、近平行产出的弧形裂隙构成的构造形式，各裂隙在剖面上自上而下似等间距分布。在早期斑状花岗岩中产生了一组剖面上的共轭剪节理，因斑状花岗岩为各向均质体，共轭剪节理相互迁就利用，形成一组近平行产出呈弧形的裂隙带。

2.2岩体结构面

为查明矿区岩体结构面特征，开展岩体结构面调查测绘和定向钻孔岩芯编录。

2.2.1岩体结构面调查测绘

本次调查在露天境界范围内开展，结合露天边坡3种主要岩体，在地下开采巷道两帮和矿区道路边布置了5条测线，调查测绘过程及调查区域见图2，调查测线布置见表1。

2.2.2定向钻孔岩芯编录

定向钻孔岩芯编录目的是划分工程地质岩组和了解岩体结构面。本次共计完成钻孔岩芯编录1680.60m（定向钻孔岩芯编录1480.60m），岩芯结构面892条。现场编录测量了岩芯结构面产状，对其进行空间坐标系转换后得到岩体结构面的实际产状。

1）定向钻孔岩芯结构面测量。首先，定向钻孔过程通过在每一次钻进完成后，采用钢锥在岩芯底部打点标记（定向标记点），取出岩芯后将其按照结构面完整拼合放置在钳形槽上；其次，找出岩芯底部圆心点，并与底部定向标记点连接，在底部得到经过定向标记点的直径；之后，在拼合好的岩芯上基于直径与岩芯侧表面得到2个交点（与定向标记点同侧或异侧），以其中的一个交点绘制定向母线，母线与岩芯轴心线平行；在完成定向钻孔母线绘制后，即可将岩芯摆放进岩芯箱运至岩芯库进行编录；最后，编录过程采用红蓝记号笔对结构面进行判断（节理、裂隙用蓝色画“—”表示，钻进机械破碎用红色画“×”表示），编录人员将岩芯以钻进方向远离自己的方式拿住，使用柔性塑料板制作的倾角测量工具，以母线为起点，顺时针方向至结构面最低点的夹角为β，再使用量角器测得结构面与岩芯轴心线的夹角为α。定向钻孔岩芯结构面产状（αβ）测量过程见图3。

2）结构面产状转换过程。岩芯编录测量的结构面产状αβ需要经过一定的空间坐标转换（见图4）才能得到真实的岩体结构面产状。

（1）利用钻孔测斜仪在定向钻孔钻进过程中，隔一定间距测量一次钻孔倾角θ和钻孔方位角γ。

（2）假定待测结构面在空间上建立起2个空间直角坐标系，且2个坐标系的原点重合于结构面与岩芯轴心线相交点，即第一坐标系OXYZ和第二坐标系OX'Y'Z';第一坐标系Z轴正方向为竖向向上方向，XOY平面与水平面重合，Y轴正方向为地球的正北方向，X轴正方向为地球的正东方向；第二坐标系Z'轴与岩芯轴心线重合且正方向为定向钻孔钻进反方向，X'OY'平面与岩芯径向平面重合，Y轴过定向母线且正方向指向母线，X'轴为Y'轴绕Z'轴以左手法即顺时针旋转90°得到。

（3）以待测结构面作过原点0，终点为n点的单位法向量on，则n点在坐标系0XYZ和OX'Y'Z'中的坐标（x，y，z）和（x'，y'，z'）可表示为：

式中：ε为待测结构面的真倾角（°）;w为待测结构面的真倾向（°）;lon|为法向量on的模，为1。

（4）将第二坐标系OX'Y'Z'的Y'OZ'平面绕X'轴顺时针或逆时针转动（90°-θ）后形成新的坐标系OX\"Y\"Z\"（称为第三坐标系），此时第三坐标系Z\"轴与第一坐标系Z轴重合；再将第三坐标系OX\"Y\"Z\"的X\"OY\"平面绕Z\"轴或Z轴顺时针或逆时针旋转γ，使得Y\"轴正方向为地球的正北方向，X\"轴正方向为地球的正东方向，即第三坐标系进一步转换后与第一坐标系完全重合。

（5）根据第二坐标系两次旋转变换到第一坐标系的变换关系，n点在第二坐标系坐标（x'，y'，z'）通过实测的α、β、0、γ表示在第一坐标系的坐标（x，y，z），表达式为：

（6）结合式（1）和式（3），通过编录实测的aB、θ、y换算，即可得到待测结构面的真倾角ε和真倾向。

2.2.3结构面发育特征与优势产状分析

根据现场岩体结构面调查测绘及定向钻孔岩芯编录成果，露天采场岩体结构面发育特征、优势结构面产状统计分析结果如下：

1）结构面发育特征。

（1）粗中粒斑状黑云母花岗岩。节理、裂隙闭合，压性为主，极少数压扭性。裂宽最大为80mm（石英脉），一般lt;1mm。充填物主要为围岩碎屑、绿泥石，少数为高岭土、黑云母和石英，极少数为黄铁矿、褐铁矿。胶结较好—好，调查区域滴水。结构面绝大多数为平直粗糙，少数为平直光滑，极少数为不规则粗糙、弯曲粗糙、弯曲光滑和不规则光滑。

（2）中细粒斑状黑云母花岗岩。节理、裂隙闭合，压性为主，极少数压扭性。裂宽最大为20cm（糜棱岩），一般lt;1mm。充填物绝大多数为围岩碎屑、绿泥石和高岭土，少数为黄铁矿、黑云母和石英。胶结较好—好，调查区域较湿润。结构面绝大多数为平直粗糙，少数为平直光滑，极少数为不规则粗糙、弯曲粗糙、弯曲光滑和不规则光滑。

（3）云英岩。节理、裂隙闭合，压性为主，极少数压扭性。裂宽最大为50mm（石英脉），一般lt;1mm。充填物绝大多数为铁氧化物、围岩碎屑和高岭土，极少数为石英。胶结较好—好，调查区域滴水—淋水。结构面大多数为平直粗糙，少数为弯曲粗糙和平直光滑。

2）结构面优势产状统计分析。采用Dips软件进行统计分析，得到边坡岩体优势结构面有2～3组，以及一些紊乱的结构面（见表2）。以粗中粒斑状黑云母花岗岩优势结构面统计分析为例，结果见图5。

3破坏模式影响分析

3.1边坡分区

根据GB 51016—2014《非煤露天矿边坡工程技术规范》，结合边坡几何要素，将露天边坡划分为4个区：I区、Ⅱ区、Ⅲ区和IV区，边坡分区示意图见图6。

3.2断裂构造对边坡破坏模式影响

根据矿区断裂构造情况：I区发育的断裂构造主要有F₅、F₆，Ⅱ区发育的断裂构造主要有F₃、F₄和F₁₆，Ⅲ区发育的断裂构造主要有F₃、F₇和F₉，IV区发育的断裂构造主要有F₂。各边坡分区与区内主要断裂构造产状见表3。

将露天边坡各分区边坡主要边坡坡面的产状分别与不同断裂构造产状作赤平投影图（见图7，ID=1，2，3为断裂构造产状，ID=4为边坡面产状），得到不同分区边坡坡面与断裂构造的组合关系。

由图7可知：①I区，F₅、F₆断裂与坡面走向夹角为30°～60°，属基本稳定边坡；②Ⅱ区，F₃断裂与坡面走向夹角为30°～60°，属基本稳定边坡；F₄、F¹6断裂与坡面走向夹角为60°～90°，属稳定边坡；③Ⅲ区，F₃、F₇、F₉断裂与坡面走向夹角为60°～90°，属稳定边坡；④IV区，F₂断裂与坡面走向夹角为0°～30°，存在潜在平面破坏的可能。

3.3岩体结构面对边坡破坏模式影响

采场边坡主要岩体为粗中粒、中细粒斑状黑云母花岗岩，云英岩主要分布在露天采场Ⅲ区。根据岩体优势结构面统计分析结果，中细粒斑状黑云母花岗岩和云英岩2组优势结构面倾角均大于设计坡面角65°，粗中粒斑状黑云母花岗岩第三组优势结构面倾角（48°）小于设计坡面角。根据平面破坏与楔体破坏判别标准，仅粗中粒斑状黑云母花岗岩优势结构面与边坡面组合后，可能产生平面破坏与楔体破坏。因此，此次仅定性分析粗中粒斑状黑云母花岗岩产生平面破坏与楔体破坏的可能性。

将露天边坡各分区边坡坡面产状分别与不同岩性结构面的优势产状作赤平投影图（见图8，以粗中粒斑状黑云母花岗岩为例，ID=1，2，3为岩体优势结构面产状，ID=4为边坡面产状），得到不同分区边坡面与岩体结构面的组合关系。

由图8可知：

1）平面破坏分析。①粗中粒斑状黑云母花岗岩第一组优势结构面与I、Ⅲ区，第二组优势结构面与Ⅱ、IV区，第三组优势结构面与I、Ⅱ、IV区坡面走向夹角均为60°～90°，属稳定边坡；②粗中粒斑状黑云母花岗岩第一组优势结构面与Ⅱ区、第二组优势结构面与Ⅲ区坡面走向夹角为30°～60°，属基本稳定边坡；③粗中粒斑状黑云母花岗岩第一组优势结构面与IV区、第二组优势结构面与I区坡面走向夹角为60°～90°，属稳定边坡；④粗中粒斑状黑云母花岗岩第三组优势结构面与Ⅲ区坡面走向夹角为0°～30°，存在潜在平面破坏的可能。

2）楔体破坏分析。①粗中粒斑状黑云母花岗岩第一组和第二组、第一组和第三组、第二组和第三组优势结构面交线走向与I、Ⅱ区坡面斜交，走向夹角为30°～75°，但倾向相反，属稳定边坡；②粗中粒斑状黑云母花岗岩第一组、第二组优势结构面交线走向与Ⅲ区，第一组和第三组优势结构面交线走向与IV区坡面斜交，走向夹角为30°～75°，但倾向相反，属稳定边坡。③粗中粒斑状黑云母花岗岩第一组、第三组优势结构面交线走向与Ⅲ区坡面斜交，走向夹角lt;30°，属稳定边坡；④粗中粒斑状黑云母花岗岩第二组、第三组优势结构面交线走向与Ⅲ、IV区坡面斜交，走向夹角为30°～75°，存在潜在楔体破坏的可能。

4结论

1）矿区内断裂构造以近SN向断裂为主干构造，其间发育NE向断裂、近EW向断裂、NW向断裂、弧形断裂及不同方向和性质的节理裂隙，构成了矿区基本构造格架。

2）通过岩体结构面调查测绘和定向钻孔结构面测量转换，采用Dips软件统计得到边坡岩体优势结构面：粗中粒斑状黑云母花岗岩3组（33°∠88°、131°∠85°和314°∠48°）、中细粒斑状黑云母花岗岩2组（145°∠75°和63°∠85°）和云英岩2组（27°∠86°和132°∠88°）。

3）赤平投影法边坡破坏模式分析结果表明：F₂断裂构造在IV区可能发生平面破坏；粗中粒斑状黑云母花岗岩第一组、第三组优势结构面在Ⅲ区可能发生平面破坏；Ⅲ、IV区粗中粒斑状黑云母花岗岩第二组、第三组优势结构面组合，与坡面相切后可能发生楔体破坏。

4）分析了断裂构造和结构面对露天边坡潜在破坏模式的影响，对大型露天矿山边坡稳定性评估提供客观真实的分析模型，对矿山安全生产管理具有现实意义。

[参考文献]

[1]李广贺，呼子桓，王东，等.露天矿端帮开采支撑煤柱失稳判据研究[J].中国安全科学学报，2023，33（9）：122-128

[2]张凯，张科.基于LightGBM算法的边坡稳定性预测研究[J].中国安全科学学报，2022，32（7）：113-120.

[3]冯巩，夏元友，王智德，等.基于位移信息融合的露天矿边坡动态预警方法[J].中国安全科学学报，2022，32（3）：116-122.

[4]谢仁青，刘明淳，姜海涛，等.地震作用下露天矿节理岩质边坡稳定性数值模拟研究[J].黄金，2024，45（7）：6-10.

[5]李福艳.内蒙古八岔沟矿露天采场边坡滑坡灾害治理[J].黄金，2023，44（7）：121-124，128.

[6]陈文胜，胡林韬.边坡倾倒破坏模式的多米诺骨牌模型研究[J].交通科学与工程，2024，40（4）：109-115.

[7]毛强，肖广宁，锅锴，等.降雨强度对干湿循环作用下花岗岩残积土边坡破坏模式的影响[J/OL].水文地质工程地质，1-11[2024-08-26].htps：//doi.org/10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202405003.

[8]吴顺川，贺鹏彬，程海勇，等.非煤露天矿山岩质边坡稳定性评价标准探讨[J].工程科学学报，2022，44（5）：876-885.

[9]柴利蒙，孙东东，杨天鸿，等.金宝铁矿南帮顺倾边坡滑坡机理研究及治理工程实践[J].黄金，2022，43（12）：33-38.

[10]霍逸康，石振明，郑鸿超，等.软硬互层反倾岩质边坡稳定性影响因素分析及破坏模式研究[J].工程地质学报，2023，31（5）：1680-1688.

[11]李其在，董志富，周癸武.大型露天矿岩体工程地质分区及边坡岩土强度参数取值[J].黄金，2023，44（8）：35-43.

[12]杜时贵，雍睿，陈咕扦，等.大型露天矿山边坡岩体稳定性分级分析方法[J].岩石力学与工程学报，2017，36（11）：2601-2611.

[13]宋腾蛟，茅献彪，陈剑平，等.复杂结构岩质边坡破坏模式分析中结构面优势分组的影响研究[J/OL].工程地质学报，1-10[2024-08-29].https：//doi.org/10.13544/j.cnki.jeg.2022-0592.

[14]ZHOU X，CHEN JP，CHEN Y，et al.Bayesian-based probabilistic kinematic analysis of discontinuity-controlled rock slope instabili-ties[J].Bulletin of Engineering Geology and the Environment，2016，76（4）：1249-1262.

[15]李红毅，李永华，高会有.白云鄂博矿区凸形边坡多因素影响下滑坡破坏模式研究[J].中国安全生产科学技术，2023，19（增刊1）：98-103.

[16]聂兴信，吴功勇，张鑫，等.露天矿高陡复杂边坡软弱岩层组“坐落-滑移式”破坏模式研究[J].工业安全与环保，2024，50（5）：40-44.

[17]刘杨，王海军，张长锁，等.基于赤平投影分析的露天矿高边坡台阶坡面角优化研究[J].矿业研究与开发，2024，44（8）：83-90.

[18]彭宗桓，盛建龙，叶祖洋，等.基于t-SNE-AMARS-MPM的空间变异性边坡可靠度分析及大变形破坏模式研究[J/OL].力学学报，1-17[2024-08-26].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2062.03.20240807.1242.002.html.

[19]孙书伟，李圆，杨晓锐，等.不同岩层倾角顺倾层状岩质边坡破坏机制研究[J].岩石力学与工程学报，2024，43（7）：1607-1620.

[20]CHENX，TANGJB，CUI LS，et al.Stability and failure pattern analysis of bimslope with Mohr-Coulomb matrix soil：From a per-spective of micropolar continuum theory[J].Journal of Central South University，2023，30（10）：3450-3466.

[21]张国胜，董鑫，陈彦亭，等.深凹露天矿顺层边坡稳定性及灾变防控技术研究[J].金属矿山，2023（11）：253-260.

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 Ping₁，2.3

（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 F₂fault 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