岩体结构面调查及对采场稳定性的影响分析

王万禄 王黎蝶 侯克鹏 夏钢源

（1.云南磷化集团有限公司；2.昆明理工大学国土资源工程学院）

岩体的完整性随着岩体内结构面发育程度的增大而减小，岩体的稳定性也随之降低，进而对边坡、采空区等的稳定性造成很大的影响［1-2］，因此，对岩体结构面进行调查和分析显得尤为重要。在对岩体结构地质数据进行全面收集和统计的基础上，将这些结构面数据系统而清晰地展现出来，对岩体稳定性进行分析和评价，是岩体结构分析中的核心问题［3］。

多年来，为帮助工程人员弄清岩体内部的结构面分布特征，许多学者提出了分析方法，如对不连续面产状分组的研究常常采用人们熟知的赤平投影、施密特投影等方法；对不连续面迹长的研究常常采用测线法和半迹长法；对不连续面产状优势分组常常采用聚类分析法等［4］。赤平极射投影图能通过极点投影把岩体结构面的产状表现出来，可为后续岩体的稳定性评价奠定良好的基础；张世雄等［5］综合吴氏投影网和赤平投影的原理，提出极点密度图来表达岩体结构面分布。尚晓光等［6］详细阐述了赤平投影的原理，并通过赤平投影和实体比例投影实现了对工程实际边坡的稳定性和运动学分析；杨卫等［7］使用详细线观测法对自走铁矿的结构面做了调查，为后续的分析工作提供了可靠的数据支撑。以上都说明了赤平投影法、极点密度图法、测线法等在岩体结构分析方面具有很强的工程实际应用价值。

本研究综合利用详细线观测法、极点密度图法、赤平极射投影图法等对昆阳磷矿二矿露天采场边坡岩体结构进行调查和分析，论证矿山重点岩体结构的安全性。

1 岩体结构调查及分析

1.1 岩体结构面分级

岩体由于受到多种结构面的切割作用，常常表现出沿着结构面的损坏现象，且损坏程度受结构面大小和种类的影响，进而导致岩体自身的力学特性和稳定性大大减弱。因此，弄清岩体内部的构造特征是判断岩体稳定性的基础，这就要求必须对岩体的结构面进行分级。一般从结构面的发育程度、切割深度、分布规律、结合模式、走向延伸等方面把岩体结构面分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ共5个等级［8］。

1.2 结构面调查及其结果分析

1.2.1 调查方法

对于构造复杂的岩体，通常需要沿着暴露面连续调查，对于构造简单的岩体，只需要调查典型区段。针对后者，首先需要经验丰富的人员进行实地探勘地形和地质情况，并按构造类型对调查区域进行分区，尽量保证每个构造区的边界和该区域内主要的地质特征（如节理、断层、层面及片理面等）相一致，且需满足岩体构造的主要特征（如岩体构造类型、结构面的规模、切割程度的大小、水文条件等）尽可能多的相同。调查时，先初步分为几个构造区，划分好构造区后，再选择每个区内最具有代表性的区段进行观测。

在对昆阳磷矿二矿采场边坡岩体结构进行调查时，首先使用详细线观测法对岩体结构进行调查，接着采用极点密度图法来统计、分析并确定出优势结构面，进而依据所确定出的优势结构面方向，并利用相关软件，绘制出赤平极射投影图，最后参照优势节理方向和采场所构成的立体交叉关系，分析岩体结构面对采场边坡稳定性的影响。

在采用详细线观测法进行调查时，为了确定每个结构特征的位置，首先需在边坡坡面布置测线，测线布置在沿边坡坡面或底板1 m 高度处，测尺沿水平方向放置，且需拉紧。并在开始调查位置设置基点，然后从此处沿着测线开始测定和统计每个构造特征［9］。具体的测线布置如图1所示。

1.2.2 调查内容

注：H 表示结构面边界处距测线的最小距离；1、2A、2B 等表示结构面的不同出露形式。

结构面调查内容主要包括结构面的编号、类型、基距、间距、倾向和倾角、连贯性、粗糙度、充填情况、渗水情况、张开度等，其中结构面类型包括正断层（Tf）、逆断层（Cf）、层面（L）、节理（J）、片理面（S）、软弱夹层（P）6种类型［10］。结构面的连贯性通常在量测范围内表现出5 种出露形式（图1），每种出露形式的特征如下。第一种：结构面没接触到上、下界线，但跨过测线（1 型）；第二种：2A 或2B 型，此种结构面垮度较小，没跨过测线和上下界线，处于测线和界线之间，其中处于测线和上界线之间的是2A，处于测线和下界线之间的是2B；第三种：3A 或3B，结构面只与上下界线相交，但没跨过测线，其中结构面与上界线相交的是3A，与下界线相交的3B；第四种：4A 或4B，结构面跨过测线并且和测带上界线或下界线相交，其中和上界线相交的是4A，和下界限相交的是4B；第五种：结构面跨过测线并且同时跨过测带的上下界线［11］（5型）。

1.2.3 调查地点的确定

在对昆阳磷矿二矿露天采场边坡实地勘察的基础上，采用详细测线法来调查影响边坡稳定性的岩体。依据相关调查规范要求，并充分考虑调查地点的条件限制和矿区岩性的分布特点及规律，从而确定了4个调查点。具体调查点见图2。调查工作按上述要求的调查内容进行，实际调查总长度为40.5 m，节理裂隙数量为154条，具体调查结果见表1。

1.2.4 调查结果分析

（1）结构面间距。根据调查结果，做出了4 个调查点的岩体结构面间距分布图（图3），可以看出，调查点的结构面间距有70%～80%处于0～30 cm，而很少一部分间距处于30 cm 以上。综合来说，该矿山露天采场边坡岩体内的结构面比较发育。

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（2）结构面粗糙度。据统计，昆阳磷矿二矿采场边坡岩体的结构面粗糙度主要为平直型，只有很少一部分是波浪型和台阶型，不利于边坡的稳定。该矿山采场边坡岩体结构面的张开度主要以闭合为主。

（3）结构面倾角。对所调查点边坡岩体的结构面倾角进行了统计，并绘制了4个调查点的岩体结构面倾角分布范围图（图4），可以看出，该矿山露天采场边坡岩体结构面倾角集中分布在61°～90°，属于陡倾类型。因此，当该边坡岩体被切割成孤立块体后，极易滑落，从而对矿山的安全生产造成很大的影响。该矿山在今后的生产和施工中，应提前对采场边坡的不稳定块体进行处理，以免发生安全事故。

（4）结构面类型。对调查点结构面类型进行统计，并绘制出结构面类型分布图（图5），可以看出，1#调查地点白云岩结构面类型以2B、3A、5为主，2#调查地点坑底结构面类型以3B、5 为主；3#调查地点直接顶板结构面类型以3B、5 为主；4#调查地点上层矿矿石结构面类型以5 为主。总体上，结构面类型以3A、3B、5 为主，说明该矿山露天采场边坡岩体结构面面迹比较长、延展性较好，连续性较强。因此，该矿山露天采场边坡岩体的结构面类型对岩体的稳定性有较强的影响。

（5）地下水条件。据统计，昆阳磷矿二矿露天采场边坡岩体结构面均为干燥结构面，但由于该边坡结构面比较发育，当雨季来临时，发育的结构面易导致边坡发生局部垮塌，甚至发生大面积滑坡。因此，需提前对地表做好雨季的防排水工作，减小水对边坡的侵蚀作用，避免发生大面积的滑坡。

1.3 优势结构面确定

在长期的地质构造作用下，岩体可以形成各种各样的结构面，结构面常常因为生成关系，呈现出相应的组合和复杂的分布，它们既有成组发育，也有分散性发育。为了弄清调查点岩体结构面的发育程度、分布规律，并统计出岩体中结构面的组数，首先利用极点等密度图法对结构面进行统计，进而由统计结果来判断那些对岩体稳定性起控制性作用的优势结构面。根据4 个调查点现场实测的岩体结构面产状，利用理正岩土系列软件生成极点等密度图（图6），并由统计和分析结果，得出2 组岩体的所有优势结构面产状的平均值，如表2所示，各岩性第I组优势结构面与矿体产状一致。

2 结构面对采场稳定性的影响分析

2.1 赤平极射投影图绘制

昆阳磷矿二矿露天采场根据条带布置的方位角大致可以划分为5个区域，根据所调查的各区域优势结构面的方向，绘制赤平极射投影图，见图7。定性影响的判断。

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2.2 岩体结构面对采场的稳定性影响判断

根据赤平极射投影图中优势结构面方向和条带采场所构成的立体交叉关系，进行结构面对采场稳

（1）一区采场轴向与这两组结构面的走向斜交，且L1 结构面倾角比较缓，结构面分布对采场稳定性有较大影响，采场的主要破坏方式是片帮、冒顶（图7（a））。

（2）二区采场轴向与L2 几乎正交，L2 结构面对采场条带稳定性影响较小；2区采场轴向与L1几乎平行，且L1结构面倾角比较缓，结构面分布对采场稳定性存在较大影响，容易发生冒顶（图7（b））。

（3）三区、四区、五区采场轴向与2组结构面的走向斜交或有1 组近似平行，且1 组结构面倾角较缓，另1 组结构面倾角较陡，易形成不稳定体，易发生冒顶片帮，对采场稳定性影响较大（图7（c）、（d）、（e））。

3 结论和建议

（1）昆阳磷矿二矿露天采场边坡岩体的结构面特点如下：节理较发育，且以闭合节理为主；倾角比较大，属于陡倾结构面；面迹比较长，延展性及连续性较好，类型以3A、3B、5为主；均为干燥结构面。

（2）该矿山边坡结构面可以在较大程度上影响岩体的稳定性，结构面分布对采场的破坏方式主要可能是片帮、冒顶。在雨季期间，发育的结构面受到水的作用，易导致边坡发生局部垮塌，甚至发生大面积滑坡。

（3）定期处理帮坡上的不稳定块体，做好雨季间的防排水工作，减少水的侵蚀作用，避免边坡由于水的作用而发生大面积的滑坡。

（4）下部采矿作业中，注意对采场条带岩体或巷道壁面潜在的不稳定块体进行处理，如清理浮石或加固处理等，从而防止不稳定块体的坍塌冒落。