优优坪玄武岩露天矿柱状节理边坡稳定性分析及治理

孟国良 张 雷 张福炀 杨晓曦 付亚男

（浙江安盛爆破工程有限公司）

形成柱状节理的火山岩时代多在侏罗纪及以后，柱状节理是火山熔岩中呈规则柱状形态的原生破裂构造，其内部节理、裂隙异常发育，自稳能力差，力学特性表现为各向异性，具有强烈的松弛效应，对矿山边坡安全及长期稳定性存在危害［1］。我国的柱状节理构造主要分布于东北三省、内蒙古、浙江、福建、广东等地区，四川峨眉山地区也较多分布［2-3］，国内学者通过力学实验对柱状节理的力学特性及破坏形态开展了相关研究，黄巍等［4］采用3D 打印技术制作了不规则柱状节理网络模型，通过单轴压缩实验研究了破坏模式及强度特性，表现为典型的各向异性规律。阙相成等［5］研究了柱体截面形状、走向角及倾角对柱状节理岩体各向异性特性的影响，得出柱体截面形状主要影响试样的变形及强度，对试样的各向异性影响较小，四棱柱、五棱柱及六棱柱柱状节理岩体分别表现出正交各向异性、正交各向异性及准横观各向同性的特征。裴书锋等［6］针对水民站柱状节理玄武岩坝基开挖时的松弛效应开展研究，探讨了松弛机理。前人的研究成果表明，柱状节理玄武岩的强度、变形具有明显的横观各向异性特性，在载荷条件下存在应力松弛现象，这些特性不利于边坡稳定性计算及支护。

本矿区为浙江地区柱状节理玄武岩矿，边坡为典型的六棱形柱状岩体边坡，研究此类边坡稳定性特征对柱状节理露天矿山安全开采有重要的工程应用价值。

1 工程概况

1.1 开采技术条件

矿区大地构造位于华南褶皱系（Ⅰ2）浙东南隆起区（Ⅱ4）丽水—余姚隆起带（Ⅲ8）新昌—镇海隆断束（Ⅳ7）西段，北北东向丽水—余姚深断裂北段，嵊州白垩纪盆地北侧，新近纪簸箕湾盾火山东部基性熔岩段分布区内。

调查及钻探工程表明，矿体的覆盖层为玄武岩风化层，厚度一般为3.60～10.77 m，由含碎石粉质黏土、粉质黏土、碎块石等组成，属现代风化壳。矿体由新鲜的玄武岩层组成，结构致密，属坚硬岩类，矿区厚度5～50 m，发育柱状节理；底部宕碴体由气孔状玄武岩层组成，多孔质轻，厚度4.2～17.6 m，抗压强度明显降低。矿区深部为晶玻屑熔结凝灰岩层风化层，为气孔状玄武岩层之底板，厚度0～9 m，由含碎石粉质黏土、碎块石、高岭土等组成，可塑—硬塑，属古风化壳。

矿区内构造单一，未见断层，发育玄武岩柱状节理。玄武岩柱直径约1 m，六边形单边长近0.5 m，垂直高度大于10 m，倾角近90°。发育的柱状节理面平直、闭合，节理面上部被铁锰浸染，无其他充填物。

上述柱状节理的边坡结构不利于边坡稳定，易发生岩土体崩滑。通过工程地质条件分析，认为该矿区工程地质条件属中等类型。

1.2 开采现状

目前，露天采场坑底宽约250 m，东西长约650 m，采坑的最低开采平台为2 250 m 水平，最高台阶标高为2 388 m，台阶高度为15 m，清扫平台宽度为6 m，安全平台为4m，台阶高度为10 m，台阶坡面角为70°～75°，最终边坡角小于51°。采场顶、底标高分别为+131.4 m和+60 m，坡面总高达到71.4 m。

开采方法为自上而下分台阶，潜孔钻穿孔，多排中深孔非电网络延时爆破，挖掘机、铲装机装车，汽车运输的采矿方法。

2 柱状节理岩体力学特性

2.1 柱状节理的破环模式

张建聪等［7］针对我国在建最大的白鹤滩水电站柱状节理玄武岩多处塌方工程难题开展研究，观察发现塌方处柱状节理较发育，呈典型六棱形，柱体长1 m 左右，边长15 cm 左右，在塌方前节理闭合，开挖后岩体解体并塌方，分析认为开挖后岩体应力重分布、柱状节理玄武岩强烈松弛使柱间节理面张开和结构劣化是塌方的主要因素。

柯志强等［8］通过单轴压缩实验，研究了柱体倾角对柱状节理岩体变形及破坏的影响。研究表明，柱体倾角对岩体弹性模量和峰值强度影响较大（图1），表现为明显的各向异性。

2.2 柱状节理边坡稳定性特点

本露天矿矿体为玄武岩，呈正六棱柱形柱状节理结构，多项研究表明柱状节理岩体存在典型的横观各向异性，表现为横观松弛大、节理张开明显、强度各向异性、弹性模量各向异性等，对常规的工程安全评价提出了挑战，边坡等工程的设计亦区别于常规岩体。

根据岩质边坡稳定性计算规范，顺层边坡采用岩体结构面的强度参数进行平面滑动或楔形体滑动分析，计算其下滑力；非顺层时，一般按照结构面的发育情况对岩块强度进行折减。计算时采用的岩体参数均视为各向同性，计算模型中的节理数量也只有2 组或有限的几组，对计算模型的计算量影响不大，而柱状节理岩体边坡节理密度大，柱体直径变化范围大，代入模型后网格划分困难，特别是大规模边坡中，计算范围远大于岩柱尺寸，将给网格划分和计算效率带来巨大难题。

3 边坡稳定性计算

3.1 柱状节理岩体各向异性的数学表达

肖维民等［9］依托白鹤滩水电站工程，以下六棱柱形柱状节理为研究对象，给出并验证了归一化的弹性模量Ecr及单轴抗压强度σcr：

式中，θ为倾角，（°）；θm为单轴抗压强度值最小时所对应的倾角，（°）；Ad、Bd、As、Bs为经验公式中的常数系数，可根据0°、θm和90°对应的单轴抗压强度确定。

上述系数的取值见表1。

3.2 模型设置

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本矿区露天矿采场南北宽约250 m，东西长约650 m，台阶高度为15 m，设计台阶坡面角75°，设计安全平台宽度为4 m，清扫平台为6 m，最终边坡角为51°，总高度为75 m。勘探报告提供的岩体力学参数见表2，模型采用由上及下逐步开挖方式，计算柱状节理边坡开挖过程中的变形破坏特性。

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3.3 计算结果

边坡分步开挖时，柱状节理各向异性与各向同性岩体水平位移如图2、图3所示。

图2显示，柱状节理岩体边坡分步开挖时，最大水平位移分别为3.64，4.89，6.1，7.2 cm，对比图3 各向同性岩体边坡分步开挖时水平位移，发现其位移远小于柱状节理岩体。分析认为，边坡开挖后坡面水平压力卸载，引起地应力重新分布，岩体有向外扩张的趋势，而柱状节理具有明显的各向异性，且本矿区岩柱呈竖直分布，倾角近90°，在水平推力的作用下，节理张开、挫动，岩柱发生旋转失稳等运动，使水平方向承载力减弱，表现为水平弹性模量降低，使岩体呈现为各向异性。采用折减法计算边坡塑性区，结果如图4所示。

不同开挖步下，边坡稳定性系数见表3。

边坡稳定性结果表明，设计的露天边坡在无柱状节理条件下，稳定性系数均大于1.2，无稳定性风险，符合边坡规范要求。而柱状结理边坡在第1 次、第2次开挖时边坡稳定性系数均大于1.2，而第3次开挖后，稳定性系数降至1.12，第4 次开挖后降至1.05，边坡失稳风险急剧上升。从图4 边坡塑性区也可以看出，边坡滑坡面也区别于圆弧状，岩体深部塑性区边缘近竖直状，与竖直的柱状节理方向一致。因此，柱状节理边坡的稳定性远小于常规岩质边坡，在边坡设计及开挖时应采取边坡加固措施。

4 柱状节理边坡稳定性控制措施

4.1 卸荷防松弛加固

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根据前述分析，本露天矿区柱状节理边坡有第一台阶和第二台阶开挖时，边坡处于稳定状态，第三台阶及第四台阶稳定性系数下降，考虑到柱状节理岩体具有松弛及水平位移大的力学特性，在开采过程中应采取以下管理及支护措施。

（1）开挖过程中，当开采范围临近边坡坡面时，应提前2个爆破周期采用精细爆破，并在边坡面外侧预留2 m 厚的保护层，该保护层将吸收因地应力卸载及爆破扰动造成的大部分岩体松弛效应。

（2）在2 m 厚的保护层的重力覆盖作用下，从上部台阶向下钻进灌浆孔，并及时灌注水泥砂浆，使岩体固结，加强坡体岩体质量，降低坡面揭露后的时效松弛发展程度。

（3）灌浆完成后，采用小梯度爆破、精细爆破开挖保护层揭露坡面，并从坡面水平施工锚索钻孔，及时施工水平加长预应力锚索，重点加固结构面，防止柱状岩体错动开裂，控制水平位移。锚固深度应大于20 m，边坡表面应挂网喷浆，维持岩体完整性。

4.2 长期管控措施

（1）因柱状节理岩体裂隙丰富，矿山孔隙水、裂隙水对边坡稳定性影响较大，矿山勘探未探测到地下水，但浙江地区台风灾害频发，降雨多，在边坡各平台处应设置排水孔及排水沟，防止降雨导致的裂缝水影响边坡稳定性。

（2）在矿山开采服务年限内，应常态化开展边坡位移监测，动态监测边坡稳定性状态，做到隐患及时发现、及时治理。

5 结 语

（1）柱状节理岩体力学性能为横观各向异性，岩柱径向性能远小于轴向，表现为横向强烈的松弛效应，节理张开岩柱失稳使岩体崩解。

（2）柱状节理边坡水平位移远大于常规岩质边坡，滑坡面处于台阶深处呈近竖直状，稳定性系数也远小于同参数下的常规岩质边坡，此类地质条件的边坡参数应采用保守设计。

（3）采取预留保护层防松弛后加固再开挖的治理措施，对边坡进行灌浆和预应力锚固加固，结合有效的地表水管理措施，采取常态化监测，为矿山安全开采提供安全技术支撑。