某煤矿岩质台阶开挖边坡破坏类型分析

何 怡 陈学军 王新刚

(1.中国地质大学工程学院，湖北 武汉 430068；2.洛阳理工学院土木工程系，河南 洛阳 471023；3.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004)

某煤矿岩质台阶开挖边坡破坏类型分析

何 怡1，2陈学军1,3王新刚1

(1.中国地质大学工程学院，湖北 武汉 430068；2.洛阳理工学院土木工程系，河南 洛阳 471023；3.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004)

岩体优势结构面控制岩质边坡变形的边界，优势面的组合决定了岩质边坡变形破坏的类型。针对某煤矿采矿工程岩质开挖边坡，开展岩体结构调查和研究，进行优势结构面分组，将开采边帮按照几何形态和地层岩性情况分区分段，通过优势结构面与台阶开挖边坡的倾向和倾角关系，采用Dips软件所得的直观分析图，可以分析采矿台阶开挖边坡的破坏类型及其破坏发生的条件。最后指出采矿台阶边坡开挖后，应采取针对性的工程治理措施，并结合结构面赤平投影的可能性区域以及位置的分析，分区分段治理危险区域的台阶边坡，以达到矿区安全生产的基础上节约成本的目的。

结构面 岩质边坡 破坏类型 采矿工程 分区分段

岩质边坡发生破坏的主要影响因素是边坡内不同规模的结构面[1]，而岩体优势结构面分析理论[2]认为：岩体优势结构面控制岩质边坡变形的边界，优势面的组合决定了岩质边坡变形破坏的类型[3-6]。

采矿工程台阶边坡的开挖，台阶边坡参数与优势结构面组合后，可能构成不稳定性块体的边界，影响台阶开挖边坡的稳定和矿区安全[7]，因此，对采矿工程岩质台阶开挖边坡破坏类型分析是非常必要的。

本研究以山西忻州神达梁家碛露天煤矿岩质开挖边坡为例，开展岩体结构调查和研究，进行优势结构面分组，通过优势结构面与台阶开挖边坡的倾向和倾角关系；详细介绍采用Dips软件，分析不同开挖的境界分区中台阶的破坏类型及其破坏发生的条件，为类似矿区岩质台阶开挖边坡稳定性治理以及安全生产提供依据。

1 台阶开挖边坡及采场边帮分区

以山西忻州神达梁家碛露天煤矿台阶开挖边坡为例进行岩质台阶开挖边坡破坏类型分析，该矿区位于河曲县城东北15 km处，采场开挖工作边帮最终边坡角度为37°，台阶开挖边坡每级高度为10 m，台阶坡面角为土层60°，煤和岩石65°。

影响采场岩质边坡稳定性的因素有岩体结构面的发育情况和规模。结构面及其组合特性对于岩质坡的稳定性起到控制性作用，结构面及其组合特性是采场边坡地质条件的重要内容。

考虑到采场边帮几何形态和地层岩性，有必要将整个边帮分区分段，进行分类讨论，将坡面倾向基本一致的区域划分为同一边坡分区，以保证各分区边坡能采用相同结构面参数结果来进行破坏类型分析。将整个采矿边帮分成6个区段，区段从西北顶点开始到东北顶点，依次为AB，BC，CD，DE，EF，FA,见图1所示，其中西帮区段BC、南帮区段CD主要为岩质边坡，岩性主要为厚层砂岩和泥岩。

图1 采场边帮分区图

2 结构面测量与统计

对采区内出露的典型中厚层砂岩和泥岩进行了结构面量测见图2、图3所示，调查采用测线法。

图2 砂岩结构面的量测

统计分析结果如下：调查了采场边坡砂岩内裂隙的分布规律，用赤平投影分析软件——Dips软件，对砂岩内结构面作了统计分析(见图4)。由图4可以看出，平均优势产状4组分别为125°<81°(1 m)、215°<76°(2 m)、27°<43°(3 m)、182°<3°(4 m)。调查了采场边坡泥岩内裂隙的分布规律，用Dips软件对泥岩内裂隙作了统计分析(见图5)。由图5可以看出，优势产状5组分别为23°<80°(1 m)、114°<86°(2 m)、203°<86°(3 m)、305°<84°(4 m)、13°<8°(5 m)。

图3 泥岩结构面的量测

图4 砂岩赤平投影图

图5 泥岩赤平投影图

3 台阶开挖边坡破坏类型分析

根据现场观测，山西忻州神达梁家碛露天煤矿矿区台阶边坡主要存在有倾倒破坏(见图6)、平面滑移破坏(见图7)、楔形体破坏(见图8)3种破坏类型。

以矿区南帮CD分区段岩质边坡岩性为砂岩的区域为例，进行台阶开挖边坡破坏类型分析。CD分区段台阶开挖边坡的倾向为20°，倾角为65°。通过对现场采集的结构面试样进行室内实验得到了矿区的结构面抗剪强度参数的平均值内聚力为0.083 MPa，内摩擦角为25°。

图6 倾倒破坏现场照片

图7 平面滑移破坏现场照片

图8 楔形体破坏现场照片

3.1 CD分区段砂岩区域倾倒破坏分析

结合砂岩赤平投影图，将CD分区段台阶开挖边坡的倾向和倾角叠加在同一图中进行倾倒破坏分析，见图9所示。

图9 倾倒破坏分析图

赤平投影分析软件Dips中规定：

(1)

(2)

式中,θ1为台阶边坡倾倒界限倾角；θ2台阶边坡倾角；φ为岩石结构面内摩擦角；φ1为倾伏向；φ2为台阶边坡倾向。

图9中，发生倾倒破坏的结构面区域为：倾角大于倾倒界限，且在倾倒圆锥界限内的的交集区域，在此区域内的结构面散点将可能发生倾倒破坏。图9中大约有22%的结构面点落入倾倒破坏区域，倾倒破坏发生的可能性较大，倾倒破坏发生在倾向171°～231°、倾角40°～89°的节理组上。

3.2CD分区段砂岩区域平面滑移破坏分析

CD分区段砂岩区域平面滑移破坏分析，见图10所示。

图10 平面滑移破坏分析图

岩质边坡平面滑移破坏的基本条件是潜在滑移结构面的倾角小于坡角但大于岩体结构面的内摩擦角。因此，赤平投影分析软件Dips，采用摩擦角圆锥表示大于或小于摩擦角的界限，图10中边坡开隙包络圈表示潜在滑移结构面的倾角小于坡角，且走向与边坡走向大角度相交的结构面。落在摩擦角圆锥和边坡开隙包络圈交集部分星月状的图形范围内的结构面赤平投影点，即为潜在滑移破坏结构面[1]。

图10中大约有8%的结构面点落入平面滑移破坏区域，平面滑移破坏发生在倾向0°～53°、倾角25°～65°的节理组上。

3.3 CD分区段砂岩区域楔形体破坏分析

结合砂岩赤平投影图，将CD分区段台阶开挖边坡的倾向和倾角以及砂岩的4组优势结构面叠加在同一图中进行楔形体破坏分析，见图11所示。

岩体发育的优势结构面如果能组合构成楔形体，若结构面延伸有一定的距离和深度，则极易发生沿组合结构面的楔形体破坏[1,8]。

图11 楔形体破坏分析图

赤平投影分析软件Dips中规定：

(3)

式中,θ3为平面摩擦圆锥的角度亦即摩擦角的余角；θ4为倾伏角，取90°；φ为岩石结构面的内摩擦角。

平面摩擦圆锥和台阶开挖边坡赤平投影线所封闭区域即为楔形体破坏区域。此区域内的任意2组优势结构面的交点，即为楔形体滑动点。

图11中，优势结构面1(产状125°<81°)、优势结构面3(产状27°<43°)所交切组合形成的滑移结构面产状47°<223°将发生楔形体破坏。其破坏示意图如图12所示。采矿台阶边坡开挖后，对于楔形体破坏，应采取针对性的工程治理措施并结合赤平投影的可能性区域以及位置的分析，分区分段治理危险区域的台阶边坡。

图12 楔形体破坏示意

4 结 论

(1)对岩质开挖边坡，开展岩体结构调查和研究，进行优势结构面分组，通过优势结构面与台阶开挖边坡的倾向和倾角关系，采用Dips软件所得的直观分析图，可以分析台阶开挖边坡的破坏类型及其破坏发生的条件。

(2)考虑到采场边帮几何形态和地层岩性，将开采边帮坡面倾向基本一致的区域划分为同一边坡分区进行分区分段的分类讨论，可以保证各分区边坡能采用相同结构面参数结果来进行破坏类型分析。

(3)采矿台阶边坡开挖后，应采取针对性的工程治理措施，并结合赤平投影的可能性区域以及位置的分析，分区分段治理危险区域的台阶边坡，以达到在矿区安全生产的基础上节约成本的目的。

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(责任编辑 石海林)

Analysis of Slope Failure Type at Excavation of Rocky Step：a Case of Rocky Excavated Slope in a Coal Mine

He Yi1Chen Xunjun1,3Wang Xin′gang1

(1.SchoolofEngineering，ChinaUniversityofGeosciences，Wuhan430074，China；2.DepartmentofCivilEngineering，LuoyangInstituteofScienceandTechnolegy，Luoyang471003，China；3.CollegeofCivilEngineeringandArchiteclure,GuilinUniversityofTechnology，Guilin541004，China)

The predominant rock-mass structural planes control the boundaries of rocky slope deformation，and their combination decides the type of deformation and failure.For a coal mine，the rock-mass structures of rocky excavated slopes in mining engineering were investigated and studied.The predominant structural planes were grouped，and the mining slopes were divided geometrically and lithologically into several sections.The associations of predominant structural planes with the inclining direction/angle of step excavation slopes were intuitively analyzed on Dips.Based on this，the occurring conditions for the failure type due to mining step excavated slope are discussed.The targeted engineering treatment measures should be applied after excavation of mining step slopes.The step slopes in danger areas can be sectionally treated by analyzing the possible areas and positions of structural planes′ stereographic projection.Thereby，safety production and cost saving in mines can be both guaranteed.

Structural surface，Rock slope，Failure type，Mining engineering，Sectional

2014-09-28

国家自然科学基金项目(编号：41262011)，桂科能项目(编号：11-KF-02)。

何 怡(1983—)，女，博士研究生。

TD854.6，O319.56

A

1001-1250(2015)-02-151-04