海州露天矿F东1断层工程地质特征分析

孙兆涛

（辽宁有色勘察研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110013）

海州露天矿太平东部一号断层（F东1）包括断层底鼓区和坑木场裂缝所影响的范围，具体范围在E20～E25.5，N500～N1300，区域面积可达0.44km²。该断层是露天矿区内最大断层，露头位于东北端帮，走向N0°～20°E，倾向SE，倾角70°～80°，属张扭性正断层，最大落差可达110m，在露天矿境内斜切各矿层[1]。由于边坡岩体在该断层带的影响下，岩体较为破碎，岩体强度相对较低，且其陡倾坡外，控制着北帮边坡滑动的剪出口位置。因此，对该断层区开展工程地质勘查，了解其工程地质特征，对海州露天矿北帮边坡滑动模式的研究和边坡稳定性分析具有重要的意义。

1 断层区工程地质条件

1.1 地形地貌

海州露天矿太平东部一号断层（F东1）区范围东西从E20～E25.5，南北从N500～N1300。断层区东西长550m，南北长800m，垂高230m。由于人工开采剥离，形成了一个坡角在18°～20°露天边坡，由多个8m左右高的台阶组成。

1.2 断层区地层及岩组特征

1.2.1 地层

本区裸露矿层为晚侏罗世阜新组太平组和高德组。它是大陆沉积的矿产地层。具体可见断层区工程地质平面图（图1）和综合柱状图（图2）。

区内太平层群地层在F东1上盘出露，主要由砾岩、粗砂岩和矿层组成，其中砾岩与粗砂岩呈互层状分布。该层厚度在40m～100m之间。该层群矿层可分为太上矿层和太下矿层。西侧为太上矿层，东侧为太下矿层。

图1 断层区工程地质剖面图

高德层群在F东1下盘出露，主要由岩性较细的粉砂岩和砂质页岩等组成，其间夹有薄弱层，即岩体页岩和矿层，该层群厚度在50m～60m之间。

在该区的北部，基岩之上，覆盖有第四系沉积地层，层厚在10m～20m之间，主要由砂砾石和黄土等地层组成。

图2 断层区综合柱状图

1.2.2 岩组

依据F东1断层区出露地层情况以及岩石组合特征，可以将该区分为砂质页岩—砂岩—夹薄矿层（或炭质页岩）岩组、矿层—粗砂岩—砾岩互层岩组和断层破碎带岩组三个工程地质岩组。

（1）砂质页岩—砂岩—夹薄矿层岩组

该工程地质岩组在F东1下盘出露，主要由粉砂岩、砂质页岩和中粒砂岩等组成，其间夹有薄弱层，即炭质页岩层或矿层，薄层间距为5～15m。岩层产状较为稳定，倾向为S5°～22°E，倾角为18°～20°。岩石完整性较好，根据相关试验资料，该岩组切层内聚力c=35MPa，内摩擦角φ=36°。

①砂质页岩：灰色～深灰色，呈中厚层状构造，其成分主要为泥质，并含少量的粉砂质，易受风化，风化后岩石强度急剧降低，成为控制边坡滑动的主要弱层面。②粉砂岩～中粉砂岩：浅黄色～黄灰色或灰色，呈中～厚层状构造，层理较为发育，质较硬。碎屑矿物成分主要有石英和长石，并有少量的白云母，胶结物为泥质，极易风化。

（2）矿层—粗砂岩—砾岩互层岩组

该工程地质岩组在F东1断层上盘出露，主要由矿层、粗砂岩和砾岩层组成，其中粗砂岩与砾岩层呈互层出现，其产状为：倾向为S60°E，倾角为16°。

①矿层：属半光亮～光亮型矿体，以亮矿体和镜矿体为其主要组成成分，其单层厚度在2m～10m之间。在矿层中，常夹有较坚硬的砂岩层。根据相关试验资料，矿的内聚力c=15MPa，内摩擦角φ=30°。②粗砂岩：岩石为灰白色，碎屑矿物组成以石英为主，含少量长石。③砾岩：该岩层砾石含量在50%～80%之间，其颗粒直径在2cm～20cm之间，岩石成分主要有花岗岩和砂岩，砾粒间充填粗砂。

根据相关试验资料，太下矿层与粗砂岩或砾岩接触面内聚力c=2MPa，内摩擦角φ=21°。

（3）断层破碎带岩组

该岩组主要由断层泥和断层角砾岩组成。破碎带出露宽度在0.5m～5m之间，由于断层作用，岩体破碎，强度整体较低，且容易风化。

1.3 构造

（1）岩层产状

该地区地层倾向于SE，与边坡倾角基本一致，属于顺层边坡。F东1下盘岩层与边坡夹角为0°～19°。地层倾角与坡倾角大致相同，为18°～20°。f1盘，东岩以走向的坡角为20°，地层倾角为16°～18°。

（2）断裂特征

F东1断层规模大，呈NNE走向斜穿该区，切断了该断层下盘的8#～9#弱层，属张扭性正断层。太平层群和高德层群是上板块的出露层。断层倾向于看，倾角约70°，分界约50m。

相对于北方，上面的板块有扭转的倾向。裂缝宽度0.5m～5m，断层发育断层泥和断层角砾岩。断层泥为深灰色，含水量大，可塑性强，可见两层。每层厚度0.1m～0.3m，延伸不稳定，断续出现。角砾岩不具有明显的压缩特征，其组分主要为上盘矿体、砂岩、砾岩和砂质页岩。详见FE1断面图。

图3 F东1断面图

1.4 岩体结构特征

依据断层区的岩体结构特征，将该区岩体结构分成层状结构、层状碎裂结构和散体结构三种结构类型。

（1）层状结构

该结构类型岩体在F东1下盘出露，由砂岩和砂质页岩组成，其中砂岩内夹薄弱层，即岩体或矿层。产状相对稳定，岩体为中厚层状结构，相对完整。

（2）层状碎裂结构

该构造类型的岩体主要由砾岩、粗砂岩和矿层组成，出现在f1东部上壁。厚层状构造，产状稳定。由于下采空区的影响，岩石节理裂隙发育，局部破碎严重。大多数矿层是自燃的。岩体的完整性在很大程度上受到破坏，整体强度降低，不利于边坡的稳定。

（3）散体结构

该结构类型主要出现在F东1破碎带中，开挖暴露宽度在0.5～5m之间。断层角砾岩由断层角砾岩和断层泥组成，其中断层角砾岩大小变化较大，且不均匀，呈角状。沟槽是深灰色的，可塑状态，手搓可成条。该结构类型岩体断续出现，延伸不稳定。

1.5 弱层特征[2]

在F东1下盘的岩层中，软弱岩层时有出现，出现间隔5m～15m。有时出现软弱层和地层赋存，接触关系一致，倾向于S5°～22°E,18°～20°角。倾角在feast 1附近变得更陡。

由于它们的走向与断裂带的边坡走向相交，软弱层的露头从西向东呈斜向排列。4～7号软弱层暴露在该地区表面，并逐渐过渡到东环。然而，8～9号软弱地层在开挖工程中并没有暴露出来。弱层力学强度低，控制着该区的边坡滑动。

（1）4#、4#下弱层

4#和4#位于E22节的西面。东部已被清除，西部的埋藏逐渐加深。4号软弱层位于f1东部上盘，也分布在太下矿层下部。4#软弱矿层由厚度为0.5m～1.5m的矿层组成。矿质较好，但相对破碎。

据相关试验资料，该弱层内聚力c=1MPa，内摩擦角=16°。4号软弱层下部，在4号软弱层下方，距4号软弱层1m～4m处。厚度为0.1m～0.5m。这层岩石相对较软，据对该矿层的直剪试验资料，其内聚力c=2.4MPa，内摩擦角φ=21.35°。

（2）5#弱层

暴露在E23剖面附近，东部已被移除，西部的埋藏加深。由2～3层薄矿层组成，每层厚0.2m～0.5m，薄矿层间距1m～3m。根据相关实验数据，5号软弱层c的粘结力=2MPa，内摩擦角φ=19°。

（3）6#弱层

由2～3个薄矿层组成，上层厚度为0.2m～0.5m，下层厚度为0.4m～0.6m，深部排水坑所见厚度可达2.2m。

（4）7#弱层

由炭质页岩和薄矿层所构成，露天矿全区发育，层厚可达0.30m～0.35m，矿层底板下泥质页岩较为发育，中区受断层影响，岩层较为破碎，层面间含水率高，手感软，可塑性强，为典型的塑性软岩。根据在滑体上取样测得其自然含水率为20%～25%，顺层面摩擦角φ为13°～15°。该层预计在E9～E11断面间边坡潜伏滑动隐患。

据中部一号断层区取样进行的室内直剪试验资料，该层力学指标为：内聚力c=2.4MPa，内摩擦角φ=13.81°。

（5）8#弱层

该弱层在F东1下盘均有分布，但一直未被揭露而出露。以往对该层的研究程度不足，通过平硐揭露，该层是由光亮～半光亮的矿体组成，厚度在1.0m～1.5m，结构较为破碎，露头有渗水现象。在该层中夹一层炭质页岩，已遭泥化，厚度在0.1m～0.2m之间，含水量大，塑料。软弱层8是影响边坡稳定的主要软弱层。

8#软弱层为发生层:SE，角度为20°，延伸相对稳定，在E22.5、电子学、E23.5、E24、E24.5剖面的埋藏深度分别为50m、28m、19m、15m和11m。在延伸到F东1处被切断。据室内直剪试验相关资料，该弱层抗剪强度指标：内聚力c=1.6MPa，内摩擦角φ=20.09°。

（6）9#上弱层

该弱层分布在8#弱层之下，9#弱层之上，距离8#弱层11m，距离9#弱层1m。其岩性为泥化页岩，颜色呈灰色，厚度在0.1m～0.3m，含水量大，呈塑性。这一层的分布相对稳定，基本平行于#8和#9的弱层。在这一层的顶部和底部的岩石是砂质页岩或粉砂岩。E23、E23.5、E24、E24.5段埋深分别为40m、30m、25m、22m。因其抗剪强度很低，且具有显著的流变性能，使其成为影响该区域边坡稳定性的主要软弱地层。

（7）9#弱层

该弱层分布在9#上弱层以下约1m处，由半亮型矿层组成，总厚度5m，其间由砂质页岩分隔成三层，其中第一层矿层厚度为0.3m；第二和三层矿层厚度均为1.0m。由于构造和风化作用，矿层结构破碎，强度很低。此外，开挖后发生渗水，矿层与上下岩层接触良好。推测其顺层抗剪强度应大于8#和9#上。

2 结论

通过对太平东部一号断层区工程地质特征分析，得出结论如下：①8号弱层的泥质碳质夹层和上部软弱层含水量大，为塑性软弱层，是影响该地区边坡稳定的主要软弱层；②由于该区断层的存在，造成该区岩体结构破碎，岩石强度变弱，且该断层产状陡倾坡外，控制着边坡滑动面剪出口位置，因此，该断层对边坡的滑动模式及稳定性起到控制作用；③地下水对边坡稳定性起着重要作用，由于该断层区是矿区边坡重要的地下水含水层单元，因此，为保证矿山边坡的长期稳定，应对该断层区提出行之有效的降水疏干减压措施。