D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1986.01.016 北京铁钢学院学报 1986年3月 Journal of Beijing University No.1 第1期 of Iron and Steel Technology March 1986 大治露天矿岩体结构面分布 及端帮稳定性分析 杜竞中 〔采矿教研空) 摘要 通过边坡工程地质测绘及节理调在分析，认为该矿扩帮区岩体结构面分布有明显规律，它服从本矿区 域地质构造，用区域应力场可以得到明确的解释。 对该矿的端帮，即平面凹形边坡的稳定性用滑坡模型试验及有限元法进行了分析。同时，还初步探时了 一种新的计算方法一三维条柱法，用它可以计算复杂形态的边坡或滑体的稳定性，分折了滑体侧阻力效应及 平面曲事对边坡稳定性彩响。分析结果表明，平面曲率半径与边坡稳定系数的关系为F=©+b/(R,/H,), 当R。/H。<2,而且滑面一般不通过坡脚，而是在其上部。 关键词：岩体结构面、裂隙的极点、平面山形边玻、边坡曲率半径、边坡稳定系数 Cistribution of Discontinuities on Daye Iron Pit and Stability Analysis to Its End Slopes Du Jing=gong Abstract Based on the field investigations and analysis of data obtained,it is evident that the distribution of discontinuities on this pit is considerably identified with the rigional geostructure distribution and may be explai- ned clearly with the geostructural pressure field on this rigion, The stability of the end Slopes,i.e.concave slopes has been analysed with modelling and by means of the finite element method in axial sym- metry system.A new method,called 3-D.column method,is proposed with which the stability of the potential failure body in arbitrary configr- ations may be analysed.With this 3-DC the end effect on the failure bod- has been analysed and the slope stability with a range of horizontal 1985一09一12收到
年 月 第 期 北 京 铁 钢 学 院 学 报 大冶露天矿岩体结构面分布 及端帮稳定性分析 杜 竞 中 采 矿教 研室 摘 要 通过 边坡 工程地质测绘及 节理调查 分 析 ， 认 为该 矿扩 帮区 岩休结构 面分布有明显 规律 ， 它服从 本 矿 区 域地质构造 ， 用区 域应力场可 以得到 明 确的解 释 。 对 该矿的端 帮 ， 即平面凹 形边 坡 的稳定性 用滑坡模型 试验及 有限元 法进行 了 分析 。 同时 ， 还 初步探讨 了 一种新的 计算方法一三 维条柱 法 ， 用它可 以 计算 复 杂形 态 的边 坡或 滑体 的稳 定性 ， 分 析了 滑 休侧 阻力效应及 平面曲率对边 坡稳 定性影响 。 分析 结果表明 ， 平面曲 率半径 与边 坡 稳 定 系数 的关 索为 二 。 柳 。 。 ， 当 。 。 ， 而且滑面一般 不 通过坡脚 ， 而是 在其上 部 。 关镶词 岩 体结 构 面 、 裂隙 的 极点 、 平 面 凹 形 边坡 、 边 坡 曲 率 半径 、 边 烫 稳 定 索 数 ， 一 犷 ， 。 一 ， 一 ， 了 一 、 一 “ 一 了 了 牙 一 一 友至 ， 冬 ’ DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1986．01．016
curvature radiuses have been calculated,Results obtained show the relation- ship between the slope safety and curvature radiuses is given by F=a+b/(R。/H。)asR/H<2. Key words:rock discontinuities,poles of joints,horizontal concave slope, curvature radius,slope safe factor. 前 言 武钢大冶铁矿东露天采场始建于五十年代初，至今已卅余年。为了满足武钢扩大可量的 要求，1980年决定扩采延深70m,边带最高达400余米，今后采深尚有150m。原设计边帮的 为42°一43°，扩采后，由于边帮高度加大，边帮角度需否减缓？众所周知，边帮角一度之 差，对现代规模的露天矿，将引起上千万m岩石剥离投资。中科院地质所、大冶矿及我院 采矿系边坡课题组参加了该项研究工作。研究结果表明，该矿延深扩采后，边帮角不但无需 减缓，尚可提高3·。 在研究工作中，涉及露天矿高陡岩石边帮普遍存在的难题，其中两个问题：高陡边帮岩 体构面的分布规律问题，以及露天端帮，即平面凹形边坡的稳定性问题，我们取得了一些 新认识，扼要介绍如下。 1两个问题的研究 1,1采场高陡边帮岩体结构面的分布规律 露天采场裸露的岩体中，大小断裂盘根错节，纵横交错，看上去杂乱无章。这些地质断 裂，或称岩体结构面，其分布规律性如何？这些结构面的测绘和统计分析是研究岩体稳定性 的基础工作。根据它们的分布，来判断岩体的可能滑动模式，设计岩体力学试验方案。然而 此项工作颇费体力和工时，往往因限于岩体暴露面积小，或困于时间和人力，或缺乏地质 工作经验，难以充分获取这些资料。即使得到了现时采场的一些资料，更重要的是需要论证 这些结构面的分布规律，用以外延推测至最终采场，因为研究最终边帮的稳定性和经济性是 我们的主要目的。 该矿边帮暴露面积，按高度已达2/3。我们在扩帮区边帮1.3平方公里面积上作了384个 地质点实测，布置了31条测线，测得大中型断裂面200余个，裂隙2600条。经电子计算机进 行数理统计，它们的产状分布如图1，a~d所示。 由图看出，统观扩采全区，有两组优势裂隙，即图中之①及②两组，是属区域性，它们 的生成产状与岩性（大理岩、闪长岩）边帮方位（顶、底、端帮）及测线布置方位无关，应 属原生构造裂隙。 为了了解这些结构面分布规律的稳定性，进行了两项对比分析：按其出露长度分级对比 及与前人工作结果对比。 1.1.1按结构面出露长度分级对比将全部结构面按可见长度进行筛选分级，再观察 其分布，分为三级：I级一>0.3m(100%)、Ⅱ级一>1.0m（占65%)、Ⅲ级一>6.0m ”2·
。 。 ， ， ， ， 。 前 目 一 吕 武钢 大冶铁矿 东露天采 场始建 于五十年代初 ， 至今 已册余年 。 为 了满 足武 钢 扩大矿量 的 要求 ， 年决定扩采延 深 ， 边帮最 高达 余米 ， 今后采 深 尚有 。 原设计边 帮的 为 。 一 。 ， 扩采 后 ， 由于 边 帮高度加大 ， 边 帮角度 需 否减缓 众 所周知 ， 边帮 角 一 度 之 差 ， 对现代规模 的露天矿 ， 将 引起上 千万 “ 岩石 剥离投资 。 中科 院地质所 、 大 冶矿 及 我 院 采 矿系 边 坡课题 组参 加 了该 项 研 究 工作 。 研究 结果表 明 ， 该 矿延 深 扩采后 ， 边帮 角不但 无需 减 缓 ， 尚可提高 ” 。 在研究工作 中 ， 涉及露天矿高陡岩石 边帮普遍存在的难题 ， 其 中两个 问题 高陡边帮岩 体构面 的分布规律 问题 ， 以及 露天矿 端帮 ， 即平 面 凹形 边坡 的稳定性 问题 ， 我们取得 了一 些 新 认 识 ， 扼要介绍 如下 。 两个问题的研究 采 场 高陡 边帮岩体 结 构面 的分布 规律 露天采场裸露的岩 体 中 ， 大小断裂盘根错节 ， 纵横交错 ， 看上去 杂乱无章 。 这 些地质断 裂 ， 或称岩体结构 面 ， 其分布规律性如何 这 些结构 面 的测绘和 统计分析是研究岩体稳定性 的基础 工作 。 根据它 们 的分 布 ， 来判断岩 体的可能 滑动模式 ， 设 计岩体力学试验方案 。 然而 此 项工作 颇费体力 和工 时 ， 往往 因限 于岩体暴露面积小 ， 或 困于时 间和 人力 ， 或 缺 乏 地 质 工作 经验 ， 难 以充 分获取这 些资料 。 即使 得到 了现时采 场 的一 些资料 ， 更 重要 的是需要论证 这 些结构面的分 布规律 ， 用 以外延推 侧至最终采场 ， 因为 研究最 终边帮 的稳定性 和经济性是 我 们的主要 目的 。 该矿边帮暴露面 积 ， 按高度 已达 。 我 们在扩帮 区边帮 平方公里 面积 上作了 个 地质点实测 ， 布置了 条测线 ， 测得大 中型断裂面 余个 ， 裂 隙 条 。 经 电子计算机进 行数理统计 ， 它 们的产状分 布如 图 ， 所 示 。 由图看 出 ， 统观扩采全 区 ， 有两组优势裂 隙 ， 即图 中之①及②两组 ， 是属 区域性 ， 它们 的生成产状 与岩 性 大理岩 、 闪 长岩 边帮方 位 顶 、 底 、 端帮 及 测线布置方位无关 ， 应 属 原生构造裂 隙 。 为了 了解这 些结构面分 布规律的稳定性 ， 进行 了两项对 比分析 按其出露长度分 级对 比 及与前人工作 结果对 比 。 按结构面 出皿 长度分级对 比 将全部 结构面 按可 见长度进行筛选 分 级 ， 再 观 察 其分 布 ， 分为 三 级 级一 ， 、 亚 级一 占 、 班 级一
B区 A区 391点 N 235点 N U 回 R ② 2 ⑤ 3 ③ ① ⑥ b XV区 XW区 N ② ④ ③ ① ① ·3·
区 劳 点 区 区
C区 381点 EF区 561点 ② ② ① ⑥ XM区 N 4 ② 0 ⑧ ① ⑦ h 4
区 匆有 区 喂点 ⑥ 欠 区 五 寻
(B) iK'XW 26:68 图】大价东露天梁场扩帮区边坡体钻构面分布图（上半味赤平极投形） a…d一本次t作(1981年)：c…h一前人工作(1978年) 一边招工程迪质分区示悠图，A…F及I…XT分别为木次及游人分区貔号 Fig.1 Distridution of discontinuities on Da-e pit in reconstructural area. ab&e..hCounter diagrms of discontinuities ours others i--slopes secters A-F&I--XVI-scctor number ours others (11%),及W级一出露长度大于三个台阶(8%)。统计结果，明显可见各优势组在四级统计 图中基本一对应出现，其中Ⅱ级与工级相比，各优势组的方位角及倾角的偏差多数仅在 5一6°以下，必不超过10°。在Ⅲ级及Ⅳ级统计中，依然明显可见①及②两优势组（图2）。 颇为有趣的是：这两优势组的核心，恰好是货穿采场两帮的两条大断层F。及F:3。这便足 以说明，这两条大断层是某次构造运动的主体形迹，而其他中小型结构面是相随作生的次级 形迹。 为了避免量测中的盲区，在水平测线的两端各布置-·条垂直测线，各长2m,以捕捉那 些缓斜结构面。统计结果，仍依稀可见那两个优势组。 1.1.2与前人工作结果对比1978年武汉地院，武汉矿所与该刊矿合作进行裂隙统计工 作，当时与现时的边帮位置有明显差示。现将前人统计转录如图1中的eh。按图1.所 示边帮两次分区编号，对比各相应的极点图，我们惊奇地发现各对应图何其相似！ 我们还进行了区或构造歌墈。根据五年代地质力学所工作表明，在宽达余km的该和 区内，有宏大的走向为NVW一系列裂皱褶和冲击断层，包括数个侵入体。也就是说NNE 向压性应力场构成NVW向构造形迹的控制性格架，因而有该方位的压性断层F。及伴的① 组裂隙。已经查明与F,陡角相交的F13断层属张性断裂，是同序次断裂构造，因而伴生行② 组裂隙。 根据以上分析，可以认为，在该矿区范内，大至区域性断裂构造线，小到节理裂隙， 它们的产状分布是协调一致的，用地质力学观点可以得到明确的解释。我们认为，在所研究 的边帮岩体中，大型结构面无一被遗，而中小型结构面的分布规律已经被掌握。同时所调 查的结构面的其他参数，如长度、间距、充填情况等亦是精确可信的。这样大量的精细的边 坡工程地质工作，在露天矿是难得的。在此基础上绘制了现时采场工程地质平面图及最终边 帮岩体结构面分图。运用多种计算方法，综合分析最终边帮的稳定性，取得令人信服的结 ·5·
图 大 冶 东露 天采 场扩 帮区 边坡 岩休结 构面 分 布 图 上 半 珠赤 平 极 射投 影 二 〔了一木次 工 作 年 ， 二 人一前 人 工 作 年 苦一边 帮 工 程地 质州衷示意图 ， … 及 工… 城 分 别 为 木次 及 范汀人 分区 编 尾 厂 口 、 〔 ， ， 了。 ， 刀 一 … 一 ‘ ，， 。 丁 ， ， 。 口 。 ， “ “ 以 名 一 、 、 一 一 一 ， 及 级一 出露长度大 于 三个 台阶 。 统计 结果 ， 明显 可见 各优势组 在四 级 统 计 图 中墓本一 一对 应 出现 ， 其 中 兀 级 与 工级相 比 ， 各优势组 的方 位 角及倾 角 的偏 差 多 数 仅 在 一 。 以下 ， 必不 超 过 “ 。 在 级 及 级统计 中 ， 依然 明显 可见①及 ② 两优 势 组 图 。 颇为有趣的是 这 两优势组 的核 心 ， 恰好是 贯穿采 场 两帮 的 两条大断 层 。 及 ， 。 。 这 便 足 以说 明 ， 这 两条大 断 层是 某 次构造 运 动 的主 体形 迹 ， 而 其他 中小型 结 构面是 相随 伴生 的次级 形 迹 。 为 了避 免 星 测 中的盲 区 ， 在水平 测线 的两端各布置 一 条垂 直 测线 ， 各 长 ， 以 捕捉 那 些缓斜结构面 。 统计结果 ， 仍依稀 可 见那 两个 优 势组 。 与前人 工作 结 果对 比 年武 汉地 院 、 武 汉矿 山所 与该矿 合作 进行裂 隙统计 工 作 ， 当时与现时的边帮位置有明显 差异 。 现 将前人统计 图转录 如 图 中 的。 二 。 按 图 所 示 边帮两 次分 区编 一 号 ， 对 比 各相应 的极点 图 ， 我 们惊奇 地 发现 各对 应 图何其相似 我 们还进行 一 了区域 钩造踏 勘 。 根 据五 十年代地 质力学所 工作表 明 ， 在宽达 一 ‘ 余 。 的该矿 区内 ， 有宏大 的走 向为万班研一系 列裂 皱褶 和 冲击 断 层 ， 包括数个侵入 体 。 也就是 说 向压性应 力场构成刃 川 邵 向构造形 迹 的控制性格 架 ， 因而有该方 位的压性断 层 。 及 伴生的① 组裂 隙 。 己 经查 明 与 。 陡角相交的 ， 。 断 层属 张 性断裂 ， 是 同序 次断裂构造 ， 因而伴生有② 组裂 隙 。 根 据 以上分析 ， 可 以 认为 ， 在该 矿 区 范 围内 ， 大 至 区域 性断裂 构造 线 ， 小到节理 裂 隙 ， 它们的产状 分布是协 调 一致 的 ， 用地质 力 学观点 可 以得 到 明确 的解释 。 我 们 认为 ， 在所研 究 的边帮岩体 中 ， 大型 结构面无一 被遗漏 ， 而 中小 型 结构面 的分布规律 已 经被 掌握 。 同时所 调 查 的结构面 的其他参 数 ， 如 长度 、 间距 、 充 填情况等亦是 精确可信 的 。 这 样大量 的精细 的边 坡工程地质 工作 ， 在露天矿是难得 的 。 在此 基础 上绘 制 了现时采 场工 程地 质平 面 图及最 终边 帮岩体结构面分 布图 。 运用 多种计算方 法 ， 综合分析最 终边帮的稳定 性 ， 取得 令人信服 的结