基于赤平投影的豫西某铝土矿岩质边坡稳定性分析

张鹏飞 王云亮

摘要：在露天开采剥离岩石过程中，由于受到结构、爆破、动力等作用的耦合因素影响容易形成含多种结构面的岩质边坡。岩质边坡稳定问题便随之出现。岩质边坡稳定性受结构面控制，破坏形式多为结构面切割形成的失稳。本文以豫西某铝土矿露天采场岩质边坡为例，基于投影图解法分析原理，判定该岩质边坡欠稳定，预测了该边坡发展趋势为不稳定。用于指导矿山安全，具有较强的实践意义。

关键词：岩质边坡；结构面；赤平投影；图解法

1.引言

铝土矿是我国重要的工业资源。豫西地区赋存铝土矿主要以古风化壳型铝土矿为主，露天开采过程中首先须剥离上部岩层，从而引发岩质边坡稳定性问题也随之而来，因此，研究边坡露天采场边坡稳定与安全是企业安全生产的一项重要课题。

露天边坡无论是总体设计还是局部稳定性处理，都必须在安全的前提下寻求经济利益的最大化，笔者根据现场调查与分析研究，总结了目前岩质边坡稳定性的影响因素及评价方法在露天开采中的应用，并用工程实例加以分析印证。

2.边坡变形原因与影响因素

露天采场岩质边坡变形与破坏过程，是岩体内部应力相互影响的结果，边坡开挖前岩体内部处于天然平衡状态，随着开采境界的延伸及剥离工程的推进，岩体在采场一侧将出现临空面，失去原有支撑力，引起岩体内部应力不断变化，在边坡的两端出现应力集中区和张拉应力区，这些应力的变化将导致岩体发生新的变形，开采的结果必将导致向临空面发生变形破坏趋势。

边坡稳定性除受工程地质条件、水文地质条件、地层岩性、地形地貌和新构造运动的影响外，还受人类工程活动如开挖、爆破等因素影响。其中最主要为结构面的影响。薄弱结构面的形状和空间关系对岩体强度有明显的结构效应，容易降低岩体的强度。边坡的变形模式和破坏机理主要由薄弱结构面控制。

3.边坡赤平投影分析原理

赤平投影基本原理就是把面和线放在一个投影球的中心，通过球心的面和线延伸后与球面相交，分别形成弧线和点。把球面上弧线和点与投影球的顶点相连，投影到赤道平面上，即為极射赤平投影。

赤平投影在边坡工程中常用来分析岩石内摩擦角、体结构面与临空面之间的相互关系，从而定性判别岩质边坡的稳定性，综合分析岩体可能出现的破坏模式。目前赤平投影理论用来判别的边坡破坏形式主要有平面滑动型和楔形体破坏型。平面型破坏指层状破坏，从结构面与边坡空间关系上分为外倾和斜交破坏，一般仅一组结构面或多组平行的结构面；楔形体破坏主要为两组或多组结构面之间组成的块状失稳，包括两组外倾和一组外倾一组内倾。

4.工程实例

4.1工程地质概况

该边坡位于河南省西部一处露天采场内，地层为一单斜构造，地质构造简单。上部覆盖层为第四系中更新统（Q₂）黄土，局部出露基岩为石炭系中统砂岩（C₂），下部为石炭系本溪组（C₂b）铝土矿。由于受开挖、振动等因素影响该边坡所在区域砂岩较为破碎。覆盖层厚度约2.0m，局部砂岩直接出露，砂岩厚一中厚层状构造，岩层总体厚度约14m，矿石厚度约3m。边坡坡高约16m，岩层总体产状为15°<6°，边坡产状8°<65°～<75°，平均坡度约70°，目前处于基本稳定状态。

4.2结构面调查

通过现场调查及测绘，发现典型的结构面有两组，均为中硬性结构面。结构面中层面结合一般。结构面交线倾向与坡面倾向基本一致，倾角小于坡角。通过对临近边坡的反演及部分土工试验发现，砂岩重度约26kN/m³，黏聚力200kPa，内摩擦角36°。坡体与结构面产状如下：边坡（J0）产状8°<70°，结构面J1产状146°<40°，结构面J2产状218°<50°，岩层产状23°<6°。

4.3边坡稳定分析

建立赤平投影网，将各组结构面信息绘入赤平投影图进行分析。分别从边坡与结构面的平面位置关系、剖面组合关系及赤平投影图解的角度分析和评价。结果如图1、图2及图3所示。

通过以结构面与边坡关系分析及图解可知，以边坡倾向为参考，J1结构面为内倾结构面，J2结构面为外倾结构面，当J2结构面为控制性结构面时，外倾结构面对于砂岩边坡，一般不容易发生失稳，仅可能出现折断式崩塌，从该矿区以往出现的小型边坡失稳来看，单纯存在外倾结构面时边坡可以保持稳定；J1为内倾结构面，当J1结构面为控制性结构面时，从图2可知，结构面倾角均大于岩层倾角且小于边坡角，单存在J1结构面的情况下，根据该矿区砂岩岩体结构面的黏聚力综合考虑，有发生顺层滑坡的可能；J1和J2均为控制性结构面时（如图3），在赤平投影图的同一侧，结构面的交割可以产生“楔形体”，且岩层倾向为顺层，当这些交割面再爆破振动、开采振动、连续降雨等不良因素下，“楔形体”沿着边坡岩层倾向向临空面发生滑动的可能性大，威胁施工人员及设备安全，发生滑坡、崩塌的危险性大。

5.结论及建议

（1）现场调查发现，存在两处结构面，边坡在天然工况下基本稳定，但局部已发现掉块和小型垮塌。

（2）在J1和J2结构面同时控制下，该边坡结构面交割形成的楔形体岩土参数在随着振动和降雨影响逐渐减小，预测发生滑坡或崩塌的可能性大，危险性大。

（3）建议在雨季到来之前，对该边坡进行削坡减载，重点对结构面交割形成的块体进行清理。

（4）矿山生产中，在爆破作业时应控制炮眼和装药量，在爆破作业完成后应勘查边坡坡面变化，如遇贯通的剪切、拉张裂缝，应及时停工，并对边坡采取治理措施。

（5）建议在后缘修建临时截排水沟，以防止雨季大量雨水长期入渗。