黑岱溝露天礦邊坡穩定性分析

路慶魁　崔小晉　孟海東

摘 要：塊體理論是由石根華博士與R.E.Goodman教授合作完成的具有重要意義的研究成果。它是石根華博士借助于自己出色的數學知識，結合巖體穩定性發展出的一種新方法，并且有了廣泛的應用，為業內人士所認可，而且處于不斷的完善中。巖體結構面的產狀是決定邊坡失穩模式的重要因素，本文對現場測量的結構面資料用赤平投影原理和玫瑰花圖原理進行統計分析，確定優勢產狀，進而為之后的邊坡穩定性分析提供依據。

關鍵詞：巖體結構面；赤平投影原理；玫瑰花圖；邊坡穩定性

1 概述

巖體作為一種地質體成分是非常復雜的，為了研究的需要將其理想化為巖塊和結構面，結構面其實也就是形成裂隙的兩面，巖塊就是一塊塊的巖石，是巖體被裂隙切開的，與裂隙的空心相對，巖塊可以認為是實心的。在自然界中，巖體事故的發生往往是由于結構面在各種內力和外力的作用下發生各種變形所引起的，而巖塊相對致密，抵抗各種力的能力較強，穩定性比較強。因此，巖體穩定性主要取決于結構面，我們應該對結構面做重點研究。

本文通過測量收集黑岱溝露天礦邊坡的地質資料，對西幫的裂隙進行統計分析，利用關鍵塊體理論對邊坡穩定性做出評價。

2 礦山概況

黑岱溝露天礦降雨量：1971年以來年最高降水量518.5mm（1973年），年最低降水量273.7mm（1980年），年平均降水量396.1mm。蒸發量：年最高蒸發量2436.2mm（1972年），年最低蒸發量1949.7mm（1964年），年平均蒸發量2082.12mm。

巖石工程地質特征按照沉積規律，結合巖石物理力學性質，自上而下劃分為如下工程地質巖組：①泥巖、泥質粉砂巖（P1s）位于山西組頂部，灰色、深灰色，水平層理發育，節理裂隙發育。②粗粒砂巖（P1s）位于山西組上部，灰、褐灰、灰黃色，泥質膠結，節理發育。③泥巖、砂質泥巖夾粘土巖（P1s）位于山西組中部，灰、深灰色，中層構造，高角度節理發育。④粗粒砂巖（P1s）位于山西組中部，褐黃色，含鐵質結核，泥質膠結，厚層構造，節理較發育。⑤泥巖、泥質粉、細砂巖（P1s）位于山西組下部，淺灰、褐灰色，鱗片狀構造，節理發育。⑥含礫粗砂巖（P1s）位于山西組底部，淺灰、褐黃色，厚層構造，節理發育。煤層（C3t）。⑦太原組6#復煤層，暗煤為主，局部亮煤，夾灰黑色炭質泥巖，厚層、塊狀構造，性脆，柱狀節理發育。泥巖、泥質粉砂巖（C3t）。⑧6號煤底板，夾8、9、10薄煤，水平層理發育。

礦區地層黑岱溝露天礦采區地層由老到新敘述如下：奧陶系下統亮甲山組，中石炭統本溪組，上石炭統太原組，下二迭統山西組，下二迭統上部下石盒子組，三迭系上統上石盒子組，第三系上新統，第四系上更新統馬蘭組。

黑岱溝露天煤礦西幫地下水埋深較深，端幫基巖段未發現明顯出水點，露天剝離出露的巖層含水率普遍較低，研究區域內邊坡處于無水狀態。本次邊坡角核實重點區域，針對底部巖石層三個平盤共進行了20余組邊坡角和地層產狀的測量。測量結果表明，局部砂巖層坡面角較陡，達到 71°。

3 塊體分類

關鍵塊體理論中，塊體可以分為無限塊體和有限塊體兩種。塊體一開始結構面彼此間的距離較小，越向巖體內部距離越大，結構面無法在巖體內部閉合形成真正的塊體，關鍵塊體理論將這種類型的塊體稱為無限塊體。有限塊體被進一步劃分為（幾何）不可移動塊體和（幾何）可移動塊體。

關鍵塊體說的就是塊體中穩定性最差的那一類塊體，在工程中如果沒有人工支護，這種塊體便會失穩。但關鍵塊體也不能全按字面意思理解，它并不是在巖體穩定性中起到關鍵作用的塊體，它們的垮落不一定會引起周圍塊體的連鎖反應。某個塊體的失穩會使周圍塊體的穩定性變差，本質上是因為塊體失穩后給周圍塊體提供了新的自由面，從而導致穩定性變差。

4 塊體錐

如果一個塊體有n個面（包括裂隙面和自由面），這個塊體由n個平面圈閉而成，也就是由n個半空間相交切而成。把這n個面進行平行移動使他們通過一個共同點如坐標原點，這n個半空間形成一個錐體，稱為塊體錐[1]。相對于同時考慮裂隙與開挖面半空間平面的塊體錐，如果只考慮開挖面，將其半空間平面平移至原點形成的錐稱之為開挖面錐，只考慮裂隙時形成的錐為節理面錐。如果塊體錐、節理面錐、開挖面錐分別用BP，JP，EP表示，三者之間有

BP=JP∩EP

塊體錐在數學上很容易理解，只是把形成塊體的各半空間平面平行移動至原點，假設平面的方程為：ax+by+cz+d=0，（a，b，c）是平面的法線矢量，解析式如下：

a1x + b1y + c1z ≥ 0

a2x + b2y + c2z ≤ 0

a3x + b3y + c3z ≤ 0

a4x + b4y + c4z ≥ 0

a5x + b5y + c5z ≤ 0

5 邊坡穩定性分析

本次調查主要針對西幫南部巖石裂隙進行調查。由于受到開挖面以及爆破等多重因素影響，巖體中等破碎，巖體裂隙主要為剪節理，少量張節理；對典型地區的裂隙進行測量，結果如圖1：

根據圖可知，有一組結構面組傾向與邊坡傾向一致，但結構面傾角平緩，對邊坡穩定性影響較小。

6 結論及問題

通過對黑岱溝露天礦西幫裂隙的調查統計，利用塊體理論分析裂隙對邊坡穩定性的影響，從而使生產更加安全地進行。

為了研究的方便，使用塊體理論是做了一些假設，比如假定巖石塊體是剛體等，還有一些測量誤差等，使計算結果和實際有一定的偏差，在往后的研究中還需要繼續改進。

參考文獻：

[1]于青春，薛果夫.裂隙巖體一般塊體理論[M].北京：中國水利水電出版社，2006：6.