露天矿山高陡边坡变形破坏的工程地质模型

D0I:10.13374/i.is8n1001053x.2001.05.003 第26卷第5期 北京科技大学学报 Vol.26 No.5 2004年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2004 露天矿山高陡边坡变形破坏的工程地质模型 乔兰 李远 北京科技大学士木与环境工程学院，北京100083 摘要我国的大多数大中型露天矿山已经或即将进入深部开采.随着边坡的加高加陡，露 天边坡稳定性维护的难度和采场破坏的概率越来越大.由于矿体赋存条件的制约性，矿山边 坡的变形破坏模式与地质构造特征、岩体结构特征的关系极为密切，本文通过系统地现场工 程地质调查和实验研究，基本掌握了水厂铁矿的地质构造特征与工程地质条件，边坡变形破 坏机理和主要破坏模式，建立了水厂铁矿高陡边坡地质模型，为采用极限平衡分析和数值模 拟相结合的方法进行边坡稳定性分析和设计提供依据， 关键词边坡；工程地质模型；岩体结构；地质构造 分类号TD214.1 随着露天矿的开采方式由山坡开采转向凹 挖及开采活动贯穿于矿山服务期限的始终，从开 陷开采，露天矿边坡的垂直高度不断增加，边坡 采初期到开挖最终境界的形成，边坡岩体始终处 的变形破坏模式与地质构造特征、岩体结构特征 于复杂的动态开挖、回采过程中. 的关系极为密切，其稳定性受岩体岩性、节理裂 因此，对于露天矿山边坡变形破坏的工程地 隙、结构构造控制的同时，还取决于构造应力场 质模型研究也有别于其他地质工程.由于矿体赋 以及爆破开采工艺等，其开采特点是： 存条件的制约性，边坡的变形破坏模式与地质构 (1)矿体赋存条件与边坡岩体条件的无法选 造特征、岩体结构特征的关系极为密切，在上述 择性.矿体的空间位置决定了露天矿只能在既定 特点中是最为显著的和重要的.本文以首钢水厂 的工程地质条件及地质环境中进行开挖施工，控 露天铁矿为例对露天矿山高陡边坡变形破坏的 制边坡变形的岩性、构造、地应力、地下水等自然 工程地质模型进行研究. 条件客观存在，无法选择， (2)边坡工程的时效性.露天矿边坡是随着生 1水厂铁矿地质构造特征与工程 产进程在矿坑的开挖范围内不断发展直至闭坑 地质基本条件 形成最终边坡，闭坑时边坡的稳定性问题对于矿 山安全生产已意义不大，因此露天矿山边坡工程 水厂铁矿系首钢迁安矿区露天矿之一，目前 相对于其他边坡工程具有显著的时效性， 生产能力为年产铁矿石1200万t,年采剥总量为 (③)边坡及岩体允许发生一定的变形性.露天 6000万t.采场长3600m,宽为400-1680m,长轴 矿山开采剥岩过程中不但允许边坡岩体产生一 方向NE40°左右，采场境界由南、北两个独立采 定的变形，甚至可以允许产生一定的破坏，只要 场构成，两采场在+34m水平以上连通，+34m以 这种变形及破坏在开采完成前不影响安全生产 下形成两个独立境界的采场，采场边坡最高标 即可不予治理). 高+310m,最低将达-350m标高，最终边坡角将 (4)露天矿边坡地质工程的时空动态性.露天 达到46~51°，形成垂直高度660m的高陡边坡. 矿边坡地质工程是一个动态的地质问题，矿山开 矿区处于迁安矿区北部的复向斜褶皱带的 北东端（参见图1）.复向斜由两个被断层所破坏 收稿日期200407-31乔兰女，41岁，教授，博士 的次一级向斜（北山向斜、南山向斜）与一个背斜 *国家“十五”科技攻关项目(No.2001BA609A-08)及国家自然 科学基金资助项目(No.50074002) (旧水「背斜)所组成，形成“W”型复向斜，铁矿

第 2 6 卷 第 5 期 2 0 0 4 年 1 0 月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u r n a l o f U n i v e r s i yt o f s e ic n e e a n d 介e 卜n o l o yg B e ij i n g V b L 2 6 N O 一 5 O C t 2 0 0 4 露天矿 山高陡边坡变形破坏 的工程地质模型 乔 兰 李 远 北 京科技 大 学土木 与环 境工 程学 院 , 北京 10 0 0 8 3 摘 要 我 国的大 多数 大 中型 露天矿 山 己经 或 即将进 入 深部 开采 . 随着 边坡 的加高 加 陡 , 露 天边 坡稳 定性 维护 的难度 和采 场破 坏 的概 率越 来越 大 . 由于矿 体 赋存 条件 的制 约性 , 矿 山边 坡 的变形 破坏 模式 与地 质 构造 特 征 、 岩 体结 构特 征 的关系 极 为密 切 . 本 文通 过 系统地 现场 工 程地 质调 查和 实验 研 究 , 基 本掌 握 了水 厂铁 矿 的地质 构造 特 征与 工程地 质 条件 . 边坡 变形 破 坏机 理和 主要 破坏 模式 , 建 立 了水厂 铁矿 高 陡边坡 地 质模 型 , 为采用 极 限平衡 分 析和 数值 模 拟相 结合 的方 法进 行边 坡 稳定 性 分析和 设计 提 供依 据 . 关键 词 边坡 ; 工 程地 质模 型 ; 岩体 结 构 ; 地 质 构造 分类 号 T D 2 1+4 . 1 随着 露 天 矿 的开 采 方 式 由 山 坡 开 采 转 向 凹 陷开采 , 露 天矿 边 坡 的 垂直 高度 不 断 增 加 . 边 坡 的变 形破坏 模 式与 地质 构造 特 征 、 岩 体结 构特 征 的关 系极 为 密切 , 其稳 定性 受 岩体 岩 性 、 节 理 裂 隙 、 结构 构 造控 制 的 同 时 , 还 取 决于 构造 应 力 场 以及 爆 破 开采 工 艺 等 , 其 开采 特 点 是 : ( l) 矿 体赋 存 条件 与 边 坡岩 体 条件 的无 法 选 择性 . 矿 体 的空 间位 置 决定 了露天矿 只 能在 既定 的工 程地 质 条件 及地 质环 境 中进 行 开挖 施工 , 控 制边 坡变 形 的岩性 、 构造 、 地 应 力 、 地 下 水等 自然 条件 客观 存 在 , 无 法 选择 . (2 )边 坡 工程 的 时效性 . 露天矿 边 坡 是随着 生 产进 程 在 矿 坑 的 开挖 范 围 内不 断 发展 直至 闭坑 形成最 终边 坡 , 闭坑 时边坡 的稳 定性 问题 对 于矿 山 安全 生产 已 意义 不大 , 因此 露天 矿 山 边 坡工 程 相 对 于其 他 边坡 工 程具 有 显 著 的 时效性 . (3 )边坡 及 岩体 允许 发 生一 定 的变形 性 . 露 天 矿 山开采 剥 岩 过 程 中 不 但 允许 边 坡 岩 体 产 生 一 定 的变 形 , 甚 至 可 以允许 产 生一 定 的破 坏 , 只 要 这 种变 形 及 破 坏 在 开采 完 成 前 不 影 响 安 全 生产 即 可 不 予 治理`卜 3 ] . (4 ) 露天 矿边 坡地 质 工程 的 时空动 态 性 . 露天 矿边 坡地 质工 程 是一 个动 态 的地质 问题 , 矿 山开 收稿 日 期 2 0 0 4刁7 一 3 1 乔 兰 女 , 引 岁 , 教 授 , 博士 * 国家 “ 十五 ” 科技攻 关项 目 ( N o . ZO0l B A 6 09 A 一 0 8) 及 国家 自然 科 学基 金资助 项 目 ( N o . 5 00 74 0 0 2 ) 挖 及 开采 活 动贯 穿于 矿 山服 务期 限的始 终 , 从开 采 初 期 到开挖 最 终境 界 的形成 , 边坡 岩 体始 终处 于 复杂 的 动态 开 挖 、 回采 过程 中 . 因此 , 对 于 露天 矿 山边 坡 变形 破 坏 的工程 地 质 模 型研 究 也有别 于 其他 地质 工 程 . 由于 矿 体赋 存 条件 的制约 性 , 边 坡 的变形 破 坏模 式与 地质 构 造特 征 、 岩 体 结 构特 征 的 关系 极 为密 切 , 在 上 述 特 点 中是 最 为显著 的和重 要 的 . 本文 以首 钢水 厂 露 天 铁 矿 为 例对 露 天 矿 山高 陡 边坡 变 形 破 坏 的 工 程地 质 模 型进 行 研 究 . 1 水厂 铁 矿 地 质 构 造 特 征 与工 程 地 质基 本条件 水 厂 铁矿 系 首钢 迁 安矿 区 露天 矿之 一 , 目前 生 产 能 力 为年 产铁 矿 石 1 2 0 万 t , 年采 剥 总量 为 6 00 0 万 t . 采 场长 36 0 0 m , 宽 为 4 0 0一 1 6 8 0 m , 长 轴 方 向 N E 4 o0 左 右 . 采 场 境界 由南 、 北两 个独 立 采 场 构 成 , 两 采 场在 +3 4 m 水 平 以上连 通 , +3 4 m 以 下 形 成 两 个独 立 境 界 的采 场 . 采 场 边 坡 最 高 标 高十 3 10 m , 最 低 将 达 一 3 50 m 标 高 , 最 终 边坡 角将 达 到 4 6一5 1 “ , 形 成 垂直 高 度 6 6 0 m 的 高 陡边 坡14] . 矿 区 处 于 迁 安 矿 区 北 部 的 复 向斜 褶皱 带 的 北 东端 (参 见 图 1) . 复 向斜 由两个 被 断层 所 破坏 的次 一级 向斜 ( 北 山 向斜 、 南 山 向斜 ) 与 一个 背斜 ( 旧 水 厂 背斜 ) 所 组 成 , 形成 “ W ” 型 复 向斜 , 铁 矿 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2004. 05. 003

·462· 北京科技大学学报 2004年第5期 床即赋存于两个向斜之中，矿区出露的地层有太 测量和统计分析，发现有6组优势节理发育，其 古界桑干群三屯营组二段，元古界常州沟组和震 产状基本与断层发育方向相对应.在块状岩体 旦系长城组及新生界的地层，区内多期构造活动 中，由于这类节理裂隙的大量分布，对采场边坡 与迭加作用明显，片理产状变化较复杂，矿体下 岩体形成了纵横交错切割的态势，破坏了边坡岩 盘片理产状与边坡一致，略陡于边坡，上盘岩矿 体的完整性切 层与边坡一致，亦有斜交. 矿区岩脉较为发育，有基性岩脉（辉长岩脉、 区内断裂构造非常发育，分布广泛而复杂， 橄榄辉长岩脉、辉长辉绿岩脉和辉石岩脉)、石英 仅发现比较重要且有命名的就达40条以上，与 岩脉、伟晶岩脉以及与注入交代型混合岩化有关 边坡有关的断裂构造主要有三组：NE(20-55)断 的长英质脉岩等.岩脉的共同特征是，倾角较陡， 裂，20余条，多分布在向斜两翼，以F,F,F,为代 均在70°以上，较大的脉岩边缘呈片理化，强度 表，与复式向斜轴走向基本一致，处于向斜南东 低，易变形. 翼的多为NW倾，处于北西翼的断层倾向多为SE 矿区为一半封闭的水文地质单元，一般含水 向，倾角较陡，为70~85°：EW向断裂，散布在矿 层厚度为80m,单位涌水量小，具相对隔水作用， 区中、南部位，为陡倾断裂居多，倾角大于75°，规 仅在断裂附近为稍强含水，断层对岩层的含水有 模较大，长度一般都超过300m,以南端的刘官营 一定的控制作用，在上述各断层中仅F,F断层 断裂为代表：NNE向陡倾断裂，断层性质变化明 有一定的导水性.刘官营断裂F刘为一长10km, 显，先期为压性，中期张性，后期为压扭性，以 宽100m以上的大型断层破碎带，倾向北，倾角 F,F,为代表阿见图1. 80-85°，几个钻孔施工均有漏水现象，说明该断 另外，在采場边帮揭露出更多的小断层、大 层是富水和透水的.当存在某种外在影响因素 节理.通过对2349组边坡岩体中的节理面的形 时，其富水的破碎断裂带将成为边坡变形破坏的 态、方位、间距、规模、隙宽、充填物等参数的实地 潜在动力1. 北 滦河 保台子西 35 偏崖子 4 将军墓岭 动子 涝洼北山 2 向斜轴 断层及 编号 21 刘官营 ArS2-4 岩性符号 Ar2-1 图1水厂矿区工程地质构造纲要图 Fig.1 Outline of engineering geological structure of Shuichang mining area

一 4 6 2 . 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 4 年 第 5期 床 即赋 存于 两个 向斜 之 中 . 矿 区 出露 的地层 有太 古 界桑 干群 三屯 营组 二段 , 元 古界 常州沟 组和 震 旦 系长城 组及 新 生界 的地层 . 区 内多期构 造活 动 与 迭加 作用 明显 , 片 理产 状变 化 较复 杂 , 矿 体 下 盘 片理 产状 与边 坡 一致 , 略 陡于 边坡 , 上盘 岩矿 层 与边 坡一 致 , 亦 有斜 交 , , . 区 内断裂 构造 非 常发 育 , 分布 广 泛 而复 杂 , 仅发 现 比较 重要 且有 命 名 的就 达 40 条 以上 , 与 边 坡 有关 的断 裂构造 主要 有 三组 : N E ( 20 一 5 5 。 ) 断 裂 , 20 余 条 , 多分布 在 向斜两翼 , 以F 。 , F : , F , 为代 表 , 与复 式 向斜 轴走 向基本 一致 , 处 于 向斜 南东 翼 的多为 N W 倾 , 处于 北西 翼 的断层 倾 向多 为 S E 向 , 倾 角较 陡 , 为 70 一8 50 : EW 向断裂 , 散 布在 矿 区 中 、 南部 位 , 为 陡倾 断裂 居 多 , 倾 角 大于 7 50 , 规 模较 大 , 长 度一 般都 超过 30 m , 以南端 的刘官 营 断裂 为代 表 ; N N E 向 陡倾 断 裂 , 断 层性 质变 化 明 显 , 先 期 为压 性 , 中 期张 性 , 后 期 为压 扭性 , 以 F 6 , F , 为代表 `习见 图 1 . 另 外 , 在采 锡边 帮揭 露 出更 多 的小 断层 、 大 节理 . 通 过对 2 3 4 9 组 边 坡岩 体 中 的节 理面 的形 态 、 方位 、 间距 、 规 模 、 隙宽 、 充填 物等参 数 的实地 测 量和 统计 分 析 , 发 现有 6 组优 势 节理 发育 , 其 产 状基 本 与 断 层发 育方 向相 对 应 . 在 块 状 岩体 中 , 由于 这类 节理 裂 隙 的大量 分 布 , 对采 场边 坡 岩体 形成 了纵横 交错 切割 的态 势 , 破坏 了边坡 岩 体 的完整 性 vI] . 矿 区 岩 脉较 为发 育 , 有基 性岩 脉 ( 辉长 岩脉 、 橄 榄辉 长岩 脉 、 辉 长辉 绿岩 脉和辉 石 岩脉 ) 、 石 英 岩 脉 、 伟 晶岩脉 以及 与注 入交代 型混 合岩 化有 关 的长英质 脉岩 等 . 岩脉 的共 同特 征是 , 倾角 较 陡 , 均 在 7 0 以上 . 较 大 的脉 岩边 缘呈 片 理化 , 强度 低 , 易变形 . 矿 区 为一 半封 闭的水 文地质 单 元 , 一般 含水 层 厚度 为 80 m , 单 位涌 水量 小 , 具相 对 隔水作 用 , 仅在 断裂 附近 为稍 强含 水 , 断层对 岩层 的含 水有 一 定 的控 制作用 , 在上 述各 断 层 中仅 F l , F 3 断层 有一 定 的导 水性 . 刘 官营 断裂 F 刘 为一 长 10 k l l l , 宽 10 0 m 以上 的大 型 断层破 碎 带 , 倾向北 , 倾 角 8小85 “ , 几个 钻孔 施 工均 有漏 水现 象 , 说明 该断 层 是 富 水 和透 水 的 . 当存 在某 种 外 在 影 响 因素 时 , 其 富 水的破 碎 断裂带 将成 为边坡 变 形破 坏的 潜 在 动力 15 . + 弃 吃Z F伞 , 侯台 子西 人r s Z一 4 曰洲 卜 3 5 奋产产 F了 石 · 声 + / } / 尸 / , / 膝河 ,摹 }备 尹趁工 J 峪 一多墓一岭\ 一尸岁军2 l 匕,\/ | 十将!| 洲子\ l 一崖\ 匕卜`乡一偏\ 群 蒸 彝 涝洼 北山 F l 飞洲角 护 ` F Z药 煮 向斜轴 断层及 编号 岩性符号 图 1 水 厂 矿 区工程地 质构 造纲要 图 o u ht n e o f e n g in e e r i n g g e o l o igc a l s t r u c t u er o f S h u i e h a n g m i n i n g a r e a

Vol.26 No.5 乔兰等：露天矿山高陡边坡变形破坏的工程地质模型 ·463· 2高陡边坡工程地质模型及变形 在采场境界内外边坡上部，以及地表低洼、冲积 等部位，后者为碎石、砂、土等松散颗粒物，来源 破坏 为采场排弃的岩土物料，碎石成分复杂，大小及 采场边坡岩体结构构造现场勘查显示，自投 含量不均，因排放顺序而形成岩土颗粒自然堆积 产以来，边坡断续发生100多处滑塌和边坡失 韵律，土质松散，厚一般为540m,最厚可达100 稳，其中规模较大的滑塌6处，台阶边坡破坏近 以上，呈散体结构，稳定性极差，采场已发生台 百处.近年来已发生有代表性的较大滑坡有两 阶边坡局部坍塌、小型冲沟石流痕迹及土体滑 处，主要发生于紧邻矿体上、下两盘的边坡上，沿 动，其滑坡形式属于弧形破坏 单个节理面（俗称大光面）破坏，或沿多组节理面 由此可见，矿区边坡破坏模式与结构面发育 组合形成三维楔体破坏.平面（大光面）和楔体破 状况有关： 坏特征明显.如： (1)平面破坏.当边坡岩体中发育着一组走向 (1)9244m标高边坡滑坡.边坡影响长度约 与边坡平行、倾向与边坡倾向一致、倾角与边坡 6070m,滑体最大垂高72m,滑面为与坡面平行 相近的不连续结构面，且边坡受到外力作用时将 的同一组节理面，滑面倾向南东，产状为 会形成平面破坏，边坡岩体会沿上述不连续面产 136~161°∠63-85°，滑体发生在第三系砾岩夹泥 生变形破坏.本发生平面破坏的滑面，一般均 岩（火山角砾岩）中.此岩层构成的边坡，由于砾 为平整光滑的大节理面（俗称大光面）， 岩与泥岩形成夹层，砾岩结构松散，基质易风化， (2)弧形破坏.当边坡岩体呈散体结构或岩体 泥岩遇水崩解，强度低，支持不住上部厚层状砾 破碎、岩块间有较多泥质及其他碎屑物质充填、 岩的重量，而此边坡沿走向方向又发育有大型节 块间并无紧密结合时，边坡沿弧形破坏面发生滑 理面，形成潜在断裂面（滑面），故极易发生平面 动，形成圆弧型破坏. 滑坡， (3)楔形破坏.由4组甚至4组以上结构面和 (2)80-~34m平台变形破坏.此滑坡在边帮部 临空面构成，其中必有2个滑动面倾向不同，且 位形成一弧形沉降区，在68m平台发生整体破 其交线的倾伏方向与边坡倾向一致，倾角小于台 坏，56m平台形成龟裂区并有局部岩体滑落.该 阶坡面角，即可引起三维楔形破坏.采场此类破 处滑坡连续长度近200m,垂高36m,滑面为弧形 坏发生普遍，一般为台阶边坡破坏，规模不大，超 弯曲的光滑节理面，滑面产状为320°∠55°，与该 过1个台阶高度的楔体破坏并不多见 段边坡走向大体平行.现场地质调查显示，该处 (4)倾倒破坏.在块状结构的岩体中，发育着 有一组节理面与大光面平行发育，长度连续延伸 陡倾角节理面或片理面，且存在着与此结构面平 几十米，深可达3~5个台阶.分析此滑坡机理，该 行的边坡临空面，使边坡岩体沿不连续面逐步变 区地质构造复杂，断层发育，特别在34~22m台阶 形倾倒，一般规模不大，多为台阶边坡破坏 有F,断层切割，断层带内被强烈蚀变的基性岩脉 (5)崩塌破坏，发生在下部的软弱垫层与上部 充填，岩性易风化，强度低，形成了此段边坡的软 的坚硬盖层构成的层状或似层状边坡岩体中，层 弱基底，构成边坡的岩体主要为紫苏黑云斜长片 状结构的岩体，其下部强度低的软岩发生变形崩 麻岩，岩体蚀变强烈，节理裂隙极为发育，特别是 解，引起坡顶盖层岩体产生张裂、悬空和块体崩 与边坡平行的这组节理面，表面光滑平整，平行 落，采场北帮第三系地层构成的露天边坡可见此 发育，构成不稳定体的自然滑面，更受隧道掘进 类破坏， 爆破和下部采场生产爆破震动的影响，致使该段 3结论 边坡失稳，形成规模较大的单一平面滑坡.同时， 错综发育的侧向节理则成为滑体的侧向断开面， 矿区复杂的构造条件是采场边坡变形破坏 形成滑体的侧向边界，与该组顺层节理组合形成 的主要控制因素.边坡变形破坏的工程地质模型 三维楔体破坏. 与地质构造特征、边坡岩体结构面发育及其组合 (3)分布在将军墓岭及采场北部的松散岩组， 特征关系非常密切.采场边坡受北山复向斜构造 主要为第四系残、坡、洪积物以及松散碎石土堆 控制，向斜轴面走向NE45°，与采场长轴方向一 积物.前者成分为砂砾石、亚砂土、亚粘土，分布 致，上、下两盘边坡处于向斜两翼，均呈顺坡向分

V b】 . 2 6 N o . 5 乔兰 等 : 露天 矿 山高 陡边 坡 变形破 坏 的工 程地 质模 型 2 高陡 边 坡 工 程 地 质模 型 及 变 形 破坏 采场 边 坡 岩体 结 构构 造 现场 勘 查显 示 , 自投 产 以来 , 边 坡 断 续 发 生 10 多 处 滑塌 和边 坡 失 稳 , 其 中规 模较 大 的滑 塌 6 处 , 台 阶边 坡破 坏 近 百处 . 近 年来 已 发 生 有 代 表 性 的较 大 滑 坡 有 两 处 , 主 要发 生于 紧邻 矿 体上 、 下 两盘 的边 坡 上 , 沿 单 个节 理面 ( 俗 称大 光面 ) 破 坏 , 或 沿 多组 节理 面 组 合形成 三 维楔 体破 坏 . 平 面 ( 大光 面 ) 和 楔体 破 坏特 征 明显 . 如 : ( 1) 9 2一4 4 m 标 高 边坡 滑 坡 . 边 坡 影 响长 度 约 6 0一 7 0 m , 滑 体 最大 垂 高 72 m , 滑 面 为 与坡 面 平 行 的 同 一 组 节 理 面 , 滑 面 倾 向 南 东 , 产 状 为 13 6一 16 1 “ 乙 6 3一 8 5 “ , 滑 体 发 生在 第 三 系砾 岩 夹泥 岩 ( 火 山 角砾 岩 ) 中 . 此 岩层 构 成 的边 坡 , 由于砾 岩与 泥岩 形成 夹层 , 砾 岩 结构 松散 , 基 质 易风 化 , 泥岩 遇 水崩 解 , 强度 低 , 支 持不 住 上部 厚 层 状砾 岩 的重量 , 而 此边 坡 沿走 向方 向又发 育 有大 型节 理面 , 形 成潜 在 断 裂面 ( 滑 面 ) , 故 极 易发 生平 面 滑 坡 . (2 ) 8 0一3 4 m 平 台变 形破 坏 . 此滑 坡 在 边 帮部 位 形 成一 弧 形沉 降区 , 在 68 m 平 台发 生 整体 破 坏 , 56 m 平 台形 成 龟 裂 区 并 有局 部 岩 体滑 落 . 该 处 滑坡 连 续长 度近 2 0 m , 垂 高 36 m , 滑 面 为弧 形 弯 曲的光 滑 节理 面 , 滑 面产 状 为 3 2 0 艺 5 50 , 与 该 段 边坡 走 向大体 平 行 . 现 场 地质 调 查 显 示 , 该 处 有 一组节 理 面 与大光 面 平行 发育 , 长度 连 续延 伸 几 十米 , 深 可 达 3一 5 个 台阶 . 分 析此 滑 坡机 理 , 该 区 地 质构 造 复杂 , 断层 发育 , 特 别在 34 一 2 m 台阶 有 F , 断 层切 割 , 断层 带 内被 强烈 蚀变 的基性 岩脉 充填 , 岩 性 易风化 , 强度 低 , 形成 了此段 边坡 的软 弱基 底 . 构 成边 坡 的岩 体主 要 为紫 苏黑 云斜 长 片 麻岩 , 岩 体蚀 变 强烈 , 节 理裂 隙极 为 发育 , 特 别是 与边 坡平 行 的这组 节 理 面 , 表 面 光滑 平 整 , 平 行 发育 , 构成 不 稳 定体 的 自然 滑 面 , 更受 隧 道 掘进 爆 破和 下 部采 场生 产爆 破 震动 的影 响 , 致 使 该段 边 坡 失稳 , 形成 规模 较 大 的单一 平 面滑 坡 . 同时 , 错 综发 育的侧 向节 理则 成 为滑 体 的侧 向 断开面 , 形 成滑 体 的侧 向边 界 , 与 该组 顺层 节理 组 合形 成 三 维楔 体 破 坏 . (3 )分 布在 将军 墓岭 及采 场 北部 的松 散 岩组 , 主 要 为第 四 系残 、 坡 、 洪 积 物 以及 松 散碎 石 土 堆 积 物 . 前者 成 分 为砂 砾石 、 亚 砂 土 、 亚粘 土 , 分 布 在采 场 境 界 内外 边坡 上 部 , 以及 地表 低 洼 、 冲 积 等部 位 . 后 者 为碎 石 、 砂 、 土等 松 散颗 粒物 , 来 源 为采 场 排 弃 的岩 土物 料 , 碎 石成 分 复杂 , 大 小及 含 量 不均 , 因排 放顺 序 而形 成岩 土颗 粒 自然堆 积 韵律 , 土 质松 散 , 厚一 般 为 5一 40 m , 最 厚可 达 10 0 m 以上 , 呈散 体 结构 , 稳 定性 极 差 , 采场 已 发 生台 阶边 坡 局 部 坍 塌 、 小 型冲 沟 石 流 痕迹 及 土 体 滑 动 , 其 滑坡 形 式 属于 弧 形破 坏 . 由此 可见 , 矿 区边 坡破 坏模 式 与结 构面 发 育 状 况 有 关 : ( l) 平 面破 坏 . 当边坡 岩体 中发育着 一组 走 向 与 边 坡平 行 、 倾 向与 边坡 倾 向一致 、 倾 角与 边坡 相 近 的不 连续 结构 面 , 且 边坡 受 到外力 作用 时将 会 形成 平 面破 坏 , 边坡 岩 体会沿 上 述不 连续 面产 生 变 形破 坏 . 本矿 发 生平 面 破坏 的滑 面 , 一般 均 为 平 整光 滑 的大 节 理 面 ( 俗 称大 光 面 ) . (2 )弧 形破 坏 . 当边 坡岩 体呈 散 体结 构或 岩体 破 碎 、 岩 块 间 有较 多 泥质 及 其他 碎 屑物 质 充填 、 块 间并 无紧 密 结合 时 , 边坡 沿弧 形破 坏 面发 生滑 动 , 形 成 圆 弧型 破坏 . (3 ) 楔 形破 坏 . 由 4 组甚 至 4 组 以上 结 构面 和 临 空面 构 成 . 其 中必 有 2 个滑 动 面倾 向不 同 , 且 其 交 线 的倾伏 方 向与边坡 倾 向一 致 , 倾 角小于 台 阶坡 面 角 , 即可 引起 三 维 楔形 破坏 . 采 场此 类破 坏 发 生普 遍 , 一般 为 台阶边 坡 破坏 , 规模 不 大 , 超 过 1 个 台阶 高度 的楔 体 破 坏 并不 多见 . (4 )倾 倒 破坏 . 在块 状 结 构 的岩体 中 , 发 育着 陡倾 角节 理面 或 片理面 , 且存 在着 与此 结 构面平 行 的边 坡 临空 面 , 使边 坡 岩体 沿不 连续 面逐 步变 形 倾 倒 , 一 般 规模 不 大 , 多 为 台阶 边坡 破 坏 . ( 5) 崩 塌破 坏 . 发 生在 下部 的软 弱垫 层与 上部 的 坚硬 盖层 构 成 的层状 或似 层状 边坡 岩 体 中 . 层 状 结构 的岩 体 , 其 下部 强度 低 的软岩 发 生变 形崩 解 , 引起 坡 顶盖 层 岩 体产 生 张裂 、 悬 空和 块体 崩 落 . 采 场北 帮第 三 系地 层构 成 的露天 边坡 可 见此 类破 坏 . 3 结论 矿 区 复杂 的构 造 条 件 是 采 场 边 坡 变 形 破坏 的主 要控 制 因素 . 边 坡变 形破 坏 的工程 地质 模 型 与地质 构 造特 征 、 边 坡岩 体 结构面 发育 及其 组合 特 征 关系 非常 密切 . 采 场 边坡 受北 山 复 向斜 构造 控 制 , 向斜 轴 面走 向 N E 4 5o , 与采 场 长轴 方 向一 致 , 上 、 下两盘 边 坡处 于 向斜两 翼 , 均呈 顺坡 向分

·464· 北京科技大学学报 2004年第5期 布.矿区断裂构造极其发育，规模较大的断层（三 参考文献 级结构面以上)达40多条，依其分布方位不同， 】谷德振.岩体工程地质力学基础).北京：科学出 大体可分为6个断层组，其中以NE35~55°断层组 版社，1979.271 最为发育，该断层组基本上与采场长轴方向一 2 Hoek E,Barry J W,岩石边坡坡工程M.北京：冶金 致，遍布上、下两盘边坡体，对边坡稳定性影响也 科学出版社1983.157 最大.边坡岩体节理、裂隙的广泛发育，破坏了坡 3孙玉科，杨志法，丁恩保，等.中国露天矿边坡稳定 体的完整性，使边坡岩体松散、破碎，大大降低了 性研究M.北京：中国科学技术出版社，199942 4秦皇岛怡金设计研究院等.首钢矿业公司水厂铁矿 边坡岩体的力学强度，其中，发育于变质岩中的 扩建工程采矿修改设计（调整规模）第一卷R].1999. 以平行边坡走向、倾向与边坡相同的一组节面 12 (现场体现为大光面)，对台阶边坡稳定性影响最 5首钢地质勘探大队.首钢水厂铁矿二期勘探报告R] 大，它们可直接构成边坡破坏面，形成平面滑坡. 1978 研究表明，控制高陡边坡失稳的主要因素是矿区 6北京科技大学，首钢矿业公司.大型深凹露天矿高 复杂的地质构造条件、断层、节理的极端发育状 效运输系统及强化开采技术研究[R].2003 况.当这些断层、节理与边坡产状接近时，将会出 7乔兰，谭文辉.水厂铁矿边坡岩体节理概率分析及 现由一组或几组断层、节理组合形成的单面或双 参数估计[J】中国矿业，2001,106)：57 面的顺层光面滑移或楔形体滑移，在破碎岩体或 松散堆积体中形成弧形滑坡体 Engineering Geologcal Model of High-steep Slope Damagein Opencut Mines OIAO Lan,LI Yuan Civil and Environmental Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT Most of large and middle scale open-pit mines in China have reached deep mining.Along with the deeping and steepening of the slope,the difficulty to maintain stability of the slope and the probability of failure of the mining area are getting large and large.Due to complicated burring conditions of the ore-bodies in the open-pit mines,the failure modes of the slope are closely related to geological structures and rock mass characteristics Through systematical field investigations,tests and studies,the tectonic features and general conditions of engineer- ing geology,the mechanisms and modes of failure of the slope in Shuichang mine are basically understood.A ge- ological model of the high and steep slopes in Shuichang open-pit mine is established,which provides a strong basis for stability analysis and optimum design of the slopes using numerical modeling and limiting equilibrium analysis methods. KEY WORDS slope;engineering geological model;rock mass structure;geological structure

. 4 6 4 · 北 京 科 技 大 学 学 报 20 0 4年 第 s 期 布 . 矿区 断裂 构造极 其发 育 , 规模 较大 的 断层 ( 三 级结 构 面 以上 ) 达 4 0 多条 , 依 其 分布 方位 不 同 , 大体 可分 为 6 个 断层组 , 其 中以 N E 35 一 5 “ 断层 组 最 为 发 育 , 该 断 层 组基 本 上 与采 场 长 轴 方 向一 致 , 遍 布上 、 下 两盘 边坡 体 , 对 边坡 稳 定性影 响也 最 大 . 边 坡岩 体 节理 、 裂 隙的广 泛发 育 , 破坏 了坡 体 的完整性 , 使边 坡岩 体松 散 、 破碎 , 大 大 降低 了 边 坡 岩体 的 力学 强度 , 其 中 , 发育 于变 质 岩 中 的 以平 行边 坡 走 向 、 倾 向与边 坡 相 同的 一组 节 面 (现 场体 现 为大光 面 ) , 对 台阶边 坡稳 定性 影 响最 大 , 它们 可直接 构成 边坡 破坏 面 , 形成 平面滑坡 . 研究 表 明 , 控 制 高陡边坡 失 稳 的主要 因素 是矿 区 复杂 的地质 构造 条 件 、 断 层 、 节 理 的极 端发 育状 况 . 当这些 断层 、 节 理与边 坡 产状接 近 时 , 将 会 出 现 由一组或 几组 断层 、 节 理 组合 形成 的单面 或双 面的顺 层光 面滑 移或楔 形 体滑 移 , 在破 碎岩 体或 松 散堆 积 体 中形 成弧 形滑 坡 体 . 参 考 文 献 1 谷德 振 . 岩体 工程地 质力 学基 础 [M ] . 北京 : 科 学 出 版社 , 1 9 7 9 . 2 7 1 2 H o e k E , B a n , J .W 岩石 边坡 坡工程 [M ] . 北京 : 冶金 科 学 出版社 19 8 3 . 1 5 7 3 孙玉 科 , 杨 志法 , 丁恩保 , 等 . 中 国露天 矿边坡 稳定 性研 究 「M ] . 北 京: 中国科 学技术 出版 社 , 19 9 .4 2 4 秦 皇 岛冶金 设计研 究 院等 . 首钢 矿业 公 司水厂 铁矿 扩建 工程采 矿修 改设计 (调整规 模)第 一卷 [lR . 1 9 9 . l 2 5 首钢地质 勘探 大队 . 首钢 水厂铁矿 二期勘 探报 告 [R] . 1 9 7 8 6 北京科 技 大学 , 首钢 矿 业公 司 . 大型深 凹 露 天矿 高 效运 输系 统及 强化 开采技 术研 究 [R] . 2 0 03 7 乔 兰 , 谭文辉 . 水 厂铁矿 边坡 岩体 节理 概率 分析及 参数估 计 [J ] . 中国矿业 , 2 0 0 1 , 1 0 ( 6 ) : 5 7 E n g i n e e r i n g G e o l o g c a l M o d e l o f H i g h 一 s t e e P S l o P e D am ag e i n O P e n e ut M i n e s C例 O L an , IL uY an C i v i l an d E 幻v ior mn e n at l E n g ien e ir n g S c h o l , nU i v e rs ity o f s e i e cn e an d eT e h n o l o gy B e ij ign , B e ij in g 10 0 0 8 3 , C h i n a A B S T R A C T M o st o f l agr e a n d m i d d l e s e al e oP e n 一 Pit m in e s i n C h i n a h va e r e ac h e d d e e P m i n ign . A l o n g w iht ht e d e e Pin g an d s t e e P e n ign o f ht e s l o P e , het d iif c u lyt t o m a l n t a i n s abt iliyt o f ht e s l o P e an d het P r o b ab ili yt o f ifa l uer o f ht e m in ign aer a aer g e it gn l agr e a n d l agr e . D ue t o c o m Pli c at e d b ur r ign e o dn it i o n s o f het o er 一 b o d i e s i n ht e o P e n 一 P it m ien s , ht e iaf lur e m o d e s o f het s l o P e aer e l o s e ly er laet d t o g e o l o g i e a l s t ur e tUr e s an d or e k m as s c h ar ac et ir st i e s . T h r o u g l l s y s t e m at i c al if e l d i n ve s ti gat ion s , et s t s an d s udt i e s , ht e ot e ton i e fe a ut er s 阴d g即ear l e on d it i o n s o f e n g i n e e r - 访 9 g e o l o gy, het m e e h a n l s m s a n d m o d e s o f iaf lur e o f ht e s l o P e i n Sh u i e h an g m i n e aer b a s i e a lly un d e r s t o o d . A g e - o l o g i e a l m o d e l o f ht e h ihg an d st e eP s loP e s in Sh u i c h an g o P e n 一 Pi t m in e 1 5 e s abt li s he d , hw i e h rP vo id e s a s otr gn b a s i s fo r st ab i liyt an aly s i s a n d o tP umn de s ign o f ht e s l oP e s us in g umn e ir e a l m o d e lign an d lim iit n g e iqu lib ir um an a l y s i s m e ht o d s . K E Y W O R D S s loP e : e gn in e e ir gn g e o l og i c al m o de l; r o e k m as s s t ur c 奴犷e ; g e o log i e a l s trU e trU e