（工程力学专业论文）含地下空区的复杂岩土边坡稳定性研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 夹沟铝矿矿区位于河南省偃师市府店镇境内，其边坡由复杂多 变的岩土介质组成，再加上曾经被盗采，内部存在采空区。本文对 河南夹沟露天铝土矿边坡进行稳定性分析，将涉及工程地质学、岩 土力学和相关学科的知识。 本文以河南夹沟露天铝土矿矿区边坡为研究对象，通过现场的 勘探调查，了解其工程地质和水文地质条件，并在现场进行土力学 试验且采取岩石试样，回校进行室内常规岩石力学试验，对试验得 出的物理力学参数进行工程处理，以选取合理计算参数对边坡进行 稳定性分析；再利用河南夹沟露天铝土矿矿区原有的采空区物探测 量研究资料，准确了解采空区情况，运用岩石力学理论进行岩石结 构承载力计算，确定最佳的设备作业的安全顶板厚度。最后设计河 南夹沟露天铝土矿矿区边坡的监测方案，对边坡的稳定性进行长期 的监测，以保证河南夹沟露天铝土矿矿区安全开采。 关键词：岩质边坡，采空区，安全作业，稳定性分析，监测 中南大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t t h ej i a g o ua l u m i n u mm i n i n ga r e al i e si nt h eb o u n d a r i e so ft o w n o fs h o po fm u n i c i p a lg o v e r n m e n to fy a n s h io fh e n a np r o v i n c e t h e s l o p ei sm a d eu po fc o m p l i c a t e da n dc h a n g e a b l er o c ks o i lm e d i u m ，a n d b e c a u s ei ti s e x p l o i t e do n c e ，t h e r ei s t h ee m p t yd i s t r i c ti n s i d et h e s l o p e t h i sp a p e ra b o u tt h ej i a g o uo p e n p i ts l o p es t a b i l i t ya n a l y s e ，w i l l r e l a t et o e n g i n e e r i n gg e o l o g y 、r o c k s o i lm e c h a n i c sa n dr e l e v a n t d i s c i p l i n e s t h i sp a p e rm a k e st h es l o p eo ft h ej i a g o uo p e n - p i tm i n i n ga r e ai n h e n a na st h er e s e a r c ho b j e c t w ei n v e s t i g a t et h r o u g ht h ee x p l o r a t i o no f t h es c e n e ，u n d e r s t a n di t sp r o j e c tg e o l o g ya n dh y d r o l o g yg e o l o g i c a l c o n d i t i o f i ，a n dc a r r yo nt h es o i lm e c h a n i c st e s ta n da d o p tt h er o c k s a m p l ea tt h es c e n e w h e nw eg ob a c kt ot h es c h o o l ，t h er o u t i n er o c k m e c h a n i c st e s ti sc a r r i e do ni nt h er o o m i no r d e rt oc h o o s er e a s o n a b l e c a l c u l a t i o np a r a m e t e rt og oo ns l o p es t a b i l i t ya n a l y s e ，t h er o c kp h y s i c s m e c h a n i c sp a r a m e t e r sh a v eb e e no b t a i n e db yl a b o r a t o r ya n do p t i m i z e d b ye m p i r i c a lf o r m u l a t h e nw eu t i l i z et h e d i t c hm a t e r i a l so fe m p t y d i s t r i c t ，u n d e r s t a n da c c u r a t e l yt h ee m p t yd i s t r i c ts i t u a t i o n ，a n du s et h e t h e o r yo fm e c h a n i c so fr o c kt oc a l c u l a t et h eb e a rs t r e n g t ho fr o c k s t r u c t u r e ，c o n f i r mt h es e c u r i t yr o o ft h i c k n e s so ft h eb e s te q u i p m e n t h o m e w o r k f i n a l l yt h ep a p e rd e s i g n st h em o n i t o r i n gs c h e m eo f t h es l o p e b yt h ej i a g o uo p e n - p i tm i n i n ga r e ai nh e n a n ，f o rc a r r y i n go nl o n g - t e r m m o n i t o r i n gw i t ht h es t a b i l i t yo ft h es l o p e ，s oa st ow ee n s u r et h a tt h e j i a g o uo p e n - p i tm i n i n ga r e ai nh e n a n c a nb ee x p l o i t e ds a f e l y k e y w o r d s ：r o c ks l o p e ，e m p t yd i s t r i c t ，s a f eo p e r a t i o n ，s t a b i l i t y a n a l y s i s ，m o n i t o r i l 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 第一章绪论 i i 边坡稳定性研究的意义与目的 边坡稳定性问题一直是岩土边坡一个重要研究内容，它涉及水电工程，铁 道工程，公路工程，矿山工程等诸多工程领域，能否正确评价其稳定性直接关 系到建设的资金投入和人民的生命财产安全。近年来随着国民经济的发展和 西部大开发建设的需要，在采矿、能源、交通和水电等工程建设领域出现了大 量的高陡边坡，而这些边坡一直是影响工程安全稳定的重要因素，因此边坡稳 定性的研究变得越来越重要了。 为了使资源开发适应经济建设高速发展的需要，新的大型露天矿山不断开 发，原有矿山露天采场逐年加深，使出现失稳边坡和潜在危险边坡也越来越多， 边坡稳定性问题更加突出，从而促使人们越来越重视露天矿边坡稳定性研究旺1 。 边坡稳定性研究的目的是如何经济、安全可靠地设计合理的边坡工程或分析评 价天然边坡的稳定性。露天矿边坡稳定性研究经历了由经验到理论、由定性到 定量、由单一评价到综合评价、由传统理论方法到新理论新方的发展过程。 1 2 边坡稳定性研究概况 边坡稳定性研究方法很多，不同的方法又各具特点，有一定的适用条件。 如何根据具体的边坡工程地质条件，具体地分析目的与精度要求，合理有效地 选用与之相适应的边坡稳定性分析方法，是一项很重要的工作。从边坡工程研 究发展历程可见，边坡稳定性研究发展的过程，同时又是一个边坡稳定性分析 方法不断发展的过程。从最早的定性分析方法到现在的定量分析方法，从开始 的土力学研究到现在的工程地质学、岩石力学和相关学科的综合研究，其发展 经历了漫长的过程。随着人类文明科技的发展和大量的工程实践的证明，边坡 稳定性研究已经越来越成熟。总的说来，边坡稳定性研究的发展大致经历以下 三个阶段： 1 ) 上世纪初至5 0 年代，边坡稳定性研究几乎完全属于土力学范畴。在研究 初期，基本上采用了以材料力学和简单的均质弹性理论为基础的土力学的原理 和方法。土质边坡稳定性的计算分析方法也被应用于岩质边坡稳定性问题的研 究。在这个时期，边坡稳定性的计算分析方法，其半经验半理论性质及假定滑 动面具有某一固定位置和形状为其显著特点。这些方法在土质边坡稳定性分析 中南大学硕七学位论文第一章绪论 中有应用价值，而对岩质边坡稳定分析是不实用的。1 。 岩质边坡稳定性问题是岩体力学研究的重要内容之一。作为岩体力学的一 个重要组成部分，其出现和发展与人类工程活动的迫切需要和有关学科的迅速 发展紧密相关。岩体力学作为- - f l 独立的学科，其历史是较短的。由于第二 次世界大战后世界各国水利、交通和建筑等工程的大量兴建，以及5 0 年代采矿 事业的迅速发展，提出了大量的岩石力学研究课题，其中矿山边坡、路基路堑 边坡、大坝坝肩和河谷岸坡等人工和自然的岩质边坡稳定性问题也亟待解决， 在吸取了前阶段应用土力学原理和方法于岩质边坡工程所产生的不良效果的基 础上，加上有关数学力学科学的一定发展，人们普遍认识到系统开展岩石力学 研究的重要性，同时也使人们感到有必要和有可能引进一些较新的理论和方法。 这一阶段，主要足以均质弹塑性理论和极限平衡理论的普遍应用，均质体光弹 试验和模拟材料模型试验的开展，以及室内小块岩石的物理力学试验大量进行 为其主要特点【3 1 。总体来说这一阶段属于定性研究阶段。 2 ) 6 0 年代至7 0 年代，岩质边坡稳定性研究理论和方法有了较大的发展。 6 0 年代初期意大利瓦依昂水库岸坡失事 4 1 ，在工程地质和岩石力学界引起很 大震动，人们开始意识到边坡失稳破坏是累进性变形破坏过程，有着明显的时 间效应，对边坡研究必须将地质分析和力学机制紧密结合起来。边坡稳定性研 究进入力学机制和内部作用研究阶段。为了解决工程实践中出现的岩石力学问 题和促进岩石力学的进一步发展，全面的、深入地开展了将岩体视为粘弹性、 弹塑性或具有裂隙的脆性介质等方面的研究，岩体的非均匀性，各向异性和非 连续性的研究，岩体的流变特性及其他时问效应的研究，岩体的应力应变关系 和破坏机制的研究，岩体的非连续性介质力学的研究，利用物探、红外线、电 磁波等方法开展原地深部岩体和工程扰动区岩体的变形特性和应力状态的测试 研究，利用遥测技术进行现场岩体的变形、位移特征的测试研究以及引进了快 速电子计算机技术为基础的有限单元法进行岩体力学的计算分析等等【5 】，这一 切都标志着岩体力学进入了全面、深入的崭新的发展阶段。 3 ) 8 0 年代以来，边坡稳定性研究的理论与方法更加成熟，可以利用计算机 或半定量地模拟边坡开挖至破坏的全过程。一些新理论、新方法、新技术诸如 破坏概率分析方法、信息论方法、模糊数学、灰色理论、损伤断裂力学理论、 神经网络模型、数据库与专家系统和计算机仿真技术等被引入边坡稳定性研究， 为定量评价和预测岩质边坡稳定性开辟了更为广阔的前景，边坡稳定性研究已 步入系统工程分析研究阶段。从边坡工程研究发展历程可见，边坡稳定性研究 发展的过程，同时又是一个边坡稳定性分析方法不断发展的过程。新的边坡稳 定性分析方法不断出现，古老的方法有不断改进，且逐步由定性向定量、半定 2 中南大学硕十学付论文第一章绪论 量的方向发展【6 】。 i 3 边坡稳定性研究方法的发展 边坡稳定性研究方法有定性分析法和定量分析法两种，其定性分析法有工 程经验类比法、图解法等，其定量分析法为边坡稳定性计算分析法，两种方法 相互补充，综合利用，为工程设计提供准确的依据。 1 3 1 工程经验类比法 工程经验类比法( 简称类比法) 是根据工程的实际情况及组成边坡的主要 工程地质条件( 岩性和岩体结构的相似) ，边坡的高度和边坡存在年限等因素， 将其与同类边坡进行对比分析，再由设计者根据实际经验来进行工程设计的一 种方法。如果类比法所考虑的主要工程地质条件相似性很高，加之所选用作为 类比的边坡的多年工程实践经验，则类比法可以具有相当高的精度和准确性。 总之，类比法的主要优点是以工程实践为依据，简单易行，易于设计者掌 握和应用，并且设计周期短，可减少大量的工程地质勘探投资。随着信息技术 的发展，工程实例的增多，设计者经验的丰富和提高，类比法将会得到更为广 泛的应用和发展。 1 3 2 图解法 图解法可以分为诺模图法和赤平投影图法。 诺模图法是利用一定的诺模图或关系曲线来标识与边坡稳定有关参数间的 关系，并由此求出边坡稳定安全系数，或根据要求的安全系数及一些参数来分 析其它参数( m ，c ，结构面倾角，坡角，坡高等) 的方法。它实际上是数理 分析方法的一种简化方法，如t a y l o r 图解法。它目前主要用于土质或全风化的 具有弧形破坏面的边坡稳定性分析问。 投影图法就是利用赤平极射投影的原理，通过作图来直观地表示边坡变形 破坏的边界条件，分析不连续面的组合关系，肯恩公室温岩土体形态及其滑动 方向等，进而评价边坡的稳定性，并为力学计算提供信息。常用的有赤平极射 投影图法、实体比例投影图法、m a r k l a n djj 投影图法等。它目前主要用于岩 质边坡岩体的稳定性分析。 1 3 3 计算分析法 边坡稳定性计算方法，可概括地分为两大类：一是传统的极限平衡法；二 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 是正在发展的数值分析方法。就目前的实际情况而言，极限平衡法仍然是边坡 稳定性分析的基本方法，数值分析方法还在不断的探索和完善之中。 1 )极限平衡法 极限平衡分析法是工程实践中应用最早、也是目日口最普遍使用的一种计算 分析方法，该法从土体滑坡计算发展起来，在工程实践中用于评价土体边坡的 稳定性，常常假定滑动面为圆弧形，以此条件建立土体的作用力与土体强度之 比的平衡条件，进行边坡稳定性评价。极限平衡法是边坡稳定分析中最常用的 方法：它是通过分折在临近破坏状况下，土体外力与内部强度所提供抗力之间 的平衡，计算土体在自身和外荷作用下的土坡稳定性程度，通常以边坡稳定系 数表示该边坡的稳定程度。 1 9 1 5 年瑞典彼得森( k e p e t t e r s o n ) 提出的圆弧法，其后在各国得到广泛的 应用，人们将其称之为“瑞典圆弧法”。这一方法用于岩质边坡稳定性分析，只 有在均质各向同性的岩体及破碎或松散岩体中才有某种近似的意义，因为岩质 边坡破坏一般均为非圆弧形滑动面。 1 9 5 5 年毕肖普( a n b i s h o p ) 提出条分法，将圆弧滑动体分为若干等宽垂 直条块，分别求其自重并将重力分解成与滑动面相切和正交的两个分力，并以 圆弧的圆心为力矩中心，求该圆弧的安全系数。这种方法比瑞典圆弧法进了一 步，但与岩质边坡破坏仍有很大的区别。 萨尔玛( s a r m a ) 法是极限平衡法的最新发展 6 1 。自萨尔玛博士于1 9 7 9 年在 边坡和堤坝稳定分析一文中提出该方法以来，在西方国家逐渐普遍采用，近 些年束，在我国露天矿边坡稳定性分析中也有广泛应用。它具有的优点是可以用 于各种形状滑动面的边坡稳定分析，可根据岩体实际存在的断层、节理和层面等 结构面划分为条块，使计算比较接近实际。萨尔玛法比较简单适用，可以对影响 边坡稳定性的各种因素进行敏感度分析；对边坡岩体破坏( 滑坡) 进行反分析， 求滑动面的抗剪强度参数；计算滑坡推力，为抗滑桩设计提供依据。 2 )数值分析法 在边坡稳定性计算中常应用的数值分析法包括有限单元法、边界元法，离 散元法等，其中有限单元法应用比较广泛。此外，尚有d d a 法、运动单元法以 及近年提出的基于余推力法的临界滑动场( c s f ) 法“3 1 等新兴发展起来的分析 方法。 ( 1 ) 有限元法 有限元法是一种十分成熟的数值方法，也是边坡稳定分析中用得较多的一 种方法。目前，已经开发厂多个二维及三维有限元分析程序，可以用来求解弹 性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题：有限元法的优点是部分地考虑了边坡 4 中南大学硕七学位论文 第一章绪论 岩体的非均质和不连续性，可以给出岩体的应力，应变大小与分布，。避免了极 限平衡分析法中将滑体视为刚体而过于简化的缺点，能使我们近似地从应力应 变去分析边坡的变形破坏机制，分析最先、最容易发生屈服破坏的部位和需要 首先进行加固的部位等，但它还不能很好地求解大变形和位移不连续等问题， 对于无限域、应力集中问题等的求鼹还不理想。 ( 2 ) 边界元法 边界元法将单元布置于边界。所以有降维的作用，即二维问题可用一维的 单元，三维的问题用二维的单元，因此数据的准备工作量小，求解的方程组少， 计算效率高。边界元法很适用域求解岩石力学中经常遇到的无限域和半无限域 的问题”。 边界元法和有限元法都是解决边值问题的数值方法，它们的主要区别在于 边界元法是“边界”方法，有限元法是“区域”方法，因此使用边界有降低维 数的效果。边界元法中的位移不连续法虽然还能对岩体中的断层、裂隙等各种 不连续面进行较好的处理。但是，在处理非均质问题和非线性问题方面，不如 有限元法灵活。如果将这两种方法结合起来，在求解域的近处用有限元法来考 虑不均质的情况，而在稍远处用边界元法考虑无限域的远场条件，则可能是解 决复杂岩石力学问题的一种更好的方法“”。 ( 3 ) 离散元法 离散元法由c u n d a l l 于1 9 7 1 年提出。岩体是多裂隙介质，被各种结构面所 切割，特别是在开挖区域的附近，岩石破碎及大变形往往明显呈不连续的性质， 从而不能用传统的有限元法或边界元法来解决问题，而要求助于离散元法。离 散元法用于边坡变形破坏机理的研究是近些年来的一个新进展，是分析不连续 岩体的一种较理想的数值计算方法。该方法充分考虑了节理岩体的不连续性， 以分力的块体为出发点，允许块体有较大的位移。甚至脱离母体而自由下落， 且可以对节理岩体破坏的全过程进行模拟呻。 ( 4 ) d d a 法( 不连续变形分析法) d d a 法是石根华博士提出的分析不连续变形问题的一种新的离散型数据值计 算方法。它兼具有限元与离散元法二法之部分优点。此法将每个块体作为一个单 元，块体与块体间通过接触机构进行连接，通过分析单个块体或块体系统的动态 平衡，求解块体的受力和运动。此法可以反映岩体连续和不连续的具体部位，考 虑了变形的不连续性和时间因素，既可计算静力问题，又可计算动力问题，既可 计算破坏前的小位移，也可计算破坏后的大位移，特别适合于边坡极限状态的设 计计算。然而由于岩体种类繁多，性质复杂，计算时步的大小对结果的影响较大， 计算方法的优化和改进还有待提高。文献 9 在d d a 法基础上，提出了渗流，变形 5 中南大学硕士学位论文第一章 绪论 精合作用的d d a 法，并通过对某隧道的破坏进行数值模拟分析，表明扩展后的d d a 法不仅可以很好模拟裂隙渗流岩体变形的精合作用，而且可以模拟块体结构的 破坏过程 ( 5 ) 流形元法 流形元法是石氏继创立块体理论和d d a 后，并在此基础上首创的一种新的现 代数值方法。它以拓扑流形为基础，应用有限覆盖技术，吸收有限元法与d d a 法 各自的优点，通过在分析域内各物理覆盖上建立一般覆盖函数和加权求和形成总 体位移函数，从而把连续和非连续变形的力学问题统一到流形方法之中。利用该 法不仅可以计算不连续体的大变形，块体接触和运动，也可以象有限元那样提供 单元应力和应交的计算结果，并且可有效地计算连续体的小变形到不连续体大变 形的发展过程。 ( 6 ) 运动单元法 运动单元法由p e t e rg u s s m a r m 教授在8 0 年代创立 1 9 1 ，这种塑性极限数值 分析方法主要争对莫尔一库仑类岩土介质。运动单元法认为，对于所有假设的 塑性滑动区和最危险滑动面。真正的最危险埋性区和滑动面对应的安全系数最 小。因此，对于给定的边坡问题，运动单元法在经验的基础上首先假设一个满 足莫尔一库仑准则的塑性区并得到相应的最危险滑动面，在该塑性区内引出有 限组塑性滑移线( 平面问题) 或塑性滑移面( 空问问题) ，这些滑移线( 面) 将 塑性区离散为单元，即运动单元，然后通过严格的自动搜索过程找到满足约束 方程和边界条件的最小安全系数并确定塑性滑动区和最危险滑动面1 2 0 引, 2 2 1 。 1 4 本文研究工作 1 ) 对夹沟矿露天采场边坡工程地质和水文地质进行调查，对地层、软弱结构 面、地下水、岩石及弱面性质进行研究 2 ) 对岩体进行分类，对节理分布进行统计，对已有的地质资料和研究成果进 行综合； 3 ) 对边坡内典型岩石、土样和典型岩体弱面进行取样。运输和加工试样；进 行土力学实验，测定土的抗剪强度指标( c ，m ) ，液埋限，容重；进行岩石的 抗压、抗剪和抗拉强度试验，确定岩体综合强度； 4 ) 根据材料力学和结构力学理论，确定边坡的滑动模式和滑动机理； 5 ) 运用岩石力学理论，计算含采空区边坡岩石结构承载力，确定最佳设备作 业的安全顶板厚度； 6 ) 设计矿区边坡监测方案，对边坡进行长期稳定性监测； 6 中南大学硕士学位论文 第二章工稃地质条件与水文地质特征 第二章工程地质条件与水文地质特征 2 1 矿山开采现状及矿区地质概况 河南省偃师县夹沟铝矿是中国铝业河南分公司矿山公司联办铝矿下属的五个矿 区之一，是为了解决原郑州铝厂四期技术改造后所需高铝矿石的供应缺口，经国家计 委，原中国有色金属总公司批准，按新模式办矿精神兴建的一座新型矿山，其设计生 产能力为1 2 0 k t a ，由中国铝业河南分公司与偃师市俯店镇政府联合开发，以长铝联 办铝矿为主经营。该矿山于1 9 8 9 年8 月开始基建，1 9 9 1 年投产，设计露天开采，截 至2 0 0 0 年底已完成采剥总量2 5 8 4 2 k m 3 ，供长铝公司高铝矿石6 9 2 3 3 k t 。该矿区位于 河南省偃师市俯店镇境内，矿区北距偃师市火车站3 0 o o k m ，距中国长城铝业公司所 在地一上街8 2 o o k m ，2 0 7 国道在矿区北部2 o o k m 处通过，到矿区有柏油路面支线及 数条简易公路相连，交通尚属方便。 夹沟铝矿由于种种原因，初期的开采报告所提出剥离面积过小，以致在开采过程 中难以降坡，加上第四系土层比较厚，开采后所出露的岩石易于风化，导致采场边坡 在受到雨水的冲刷影响后稳定性降低，同时在生产爆破作业的影响下，采场边坡的西 帮、北帮和东帮已出现了多处滑坡，其北帮滑坡对生产影响特别严重，而且已影响到 目前的采矿作业，西帮的滑坡已给采坑运输带来严重的安全隐患，若不采取一定的治 理措施，那么必将直接影响到该采矿场的正常生产。 另外从1 9 9 3 年始，在夹沟矿区办证范围内的周围有十六眼矿井非法开挖生产， 由于受利益驱使，部分私营矿主在盲目开挖采不出矿石，得不到效益的情况下，将井 下巷道直接延伸到矿区采剥工作面下部进行无序开采，因而在夹沟矿区范围内形成了 大量的采空区，根据采空区在采场内的不同方位大致分为四个区。采空区的存在不但 对现在的采矿工作造成了许多困难，如在前几年的生产过程中出现了多次在采空区上 方挖掘机械垮陷的事故，造成了不良的后果。同时采空区对边坡的稳定性存在着严重 的安全隐患。在2 0 0 0 年河南有色地球物理工程研究所受中国长城铝业公司矿山公司 联办铝矿之邀，采用地球物理方法对该矿区约o 0 8 4 k m 的区域进行地下采空区调查， 目的是查清采空区分布情况及其空间特征，为矿区的生产安全工作提供资料n 9 1 。 矿区地处参店龙门矿带东段，海拔标高3 0 0 - - 4 0 0 m ，长约6 k m ，南北宽约1 7 k m 。 本区为沉积岩分布区，主要为碎屑岩、粘土岩和碳酸岩。矿区构造简单，主要为一向 北倾斜的舒缓单斜构造，近东西走向，倾角1 2 0 1 3 0 ，无明显断裂构造。 矿床赋存于中奥陶系马家沟灰岩侵蚀面上，中石炭系本溪组的中上部。设计区内 有i ，i i 两层矿，l 矿层为主矿层，矿体厚度大，品位高，为设计矿层，而i i 矿层则 7 中南大学硕十学位论文第二章r 程地质条件与水文地质特征 位于i 矿层之下，因品位低和规模小未纳入设计。 图2 - 1 土样取样点方位 矿体似层状、透镜状、漏斗状，平面形态较规则，其形态严格受基底古岩溶地形 的控制，底板产状变化较大，而顶板则较稳定。矿体直接顶板多为生物灰岩，颜色为 灰色深灰色，块状构造，矿物成分为方解石，比较坚硬，其上为砂岩、粉砂岩、页 岩夹粘土岩。部分浅层矿层顶板岩层被侵蚀，从而矿层直接为黄土覆盖。 覆盖层大部分为黄土，占总剥离量的7 3 ，均为粉质粘土，为了详细了解土层 的物理力学特性，选择了几种代表性的土层进行了物理力学试验，得到如表2 - 1 所示 的结果，其取样地点如图2 1 所示。 表2 1夹沟矿区典型土层的物理力学参数实测结果 编号七名 怕( g ，c m ) r ( g c m 3 )w ( )c ( k p a )中( 0 ) q b h 2 粉质粘七 1 4 41 8 l2 5 33 22 6 5 0 q b h 3 粉质粘土i 4 41 7 31 9 94 8 2 4 2 0 q b h 4 粉质粘土i 6 0 1 8 51 5 74 483 4 8 0 q b h 5 粉质粘土1 6 2i 9 l1 7 83 2 3 2 6 0 q b h 6 粉质粘土1 6 01 8 31 4 7 5 7 62 4 1 0 2 1 1 矿区地层 矿区地层除缺失上奥陶统、志留系、泥盆系、下石炭统、侏罗系和自垩系外，自 太古界到新生界地层均有出露，主要地层自老至新为： 中南大学硕七学位论文 第二章t 程地质条件与水文地质特征 ( 1 ) 奥陶系中统马家沟组灰岩，厚度约8 0 o o m ； ( 2 ) 石炭系中统本溪组，为铝( 粘) 土矿的含矿岩系，下段为铁质粘土岩，中段 矿层，上段粘土质页岩，厚度2 5 1 0 r e ； ( 3 ) 石炭系上统太原组灰岩，厚5 1 8 5 m ； ( 4 ) - - 叠系下统： ( 5 ) 第四系土层：a 更新统平均4 0 o o m 左右；b 全新统厚2 o o 5 o o m 。 2 1 2 区域矿产 区内已知矿产2 0 余种。除铝土矿和煤，规模较大称著全国外，还有与铝、煤共 伴生的耐火黏土，陶瓷黏土，水泥灰岩，溶剂灰岩，铝氧灰岩，自云岩，黄铁矿，山 西式铁矿等，均已开采利用。另外，寒武系的沉积磷矿和石膏有找矿前景。 2 1 3 矿区构造 矿区位于嵩山断层的西侧，嵩山背斜的北翼，伊洛河南岸偃龙单斜构造东段的山 前倾斜地带。区内构造简单，为一向北倾斜的舒缓单斜构造，构造线近东西向展布， 倾向3 4 0 2 0 。，倾角2 2 3 0 。 2 2 工程地质特征 矿区内岩石有软硬相间的砂岩和页岩，有可溶解的灰岩，有软硬不一的粘土岩和 铝土矿以及坚硬的铝土岩等。在断裂构造、溶蚀作用、风化侵蚀及地表水和地下水等 作用下，这些岩石在不同地段均受到不同程度的破坏作用。 2 2 1 矿区岩组 就整个矿区而言，石炭一二叠系地层与奥陶系石灰岩之间有溶蚀，风化多种作用 组合的破碎带；有软弱夹层的本溪组粘土岩带和太原组灰岩带。除了复杂的基岩组合 之外，并有地表水、地下水和第四系松散、松软岩层等不良地质环境，从而构成了矿 区工程地质条件的复杂性2 胡。 1 ) 碳酸盐岩 区内碳酸盐岩为石炭系太原组含生物灰岩和奥陶系灰岩。这些岩层中各层的物质 成分都有一定的差异，含生物灰岩的主要成分为方解石和少量的生物化石；奥陶系灰 岩主要成分为方解石和少量的白云质灰岩及泥质灰岩。灰岩表面均受到不同程度的风 化，灰岩中局部发育有溶洞，其充填物为灰岩碎块、粘土和泥质物等。 2 ) 碎屑岩类 9 中南大学硕七学位论文第二章 程地质条件与水文地质特征 包括石炭系的太原组和本溪组中的砂岩、粉砂岩、粉砂质页岩和砂质粘土岩。砂 岩主要成分为石英，以细粒砂岩、粉砂岩为主，局部为中粒砂岩。岩性坚硬，裂隙发 育，砂质页岩和砂质枯上岩岩性较软弱，遇水易软化。此外，该种岩石暴露于空气中 易风化，破坏了岩石的结构，从而对边坡的稳定性不利。 3 ) 第四系松散、软弱沉积层 主要由黄土、砂质粘土和含砂砾石粘土层组成。黄土比较发育的垂直节理可成为 地表水渗入地下的通道，砂质粘土又尚未固结成岩却成为隔水层( 其滞水作用不利于 土层和边坡的稳定) ，含砂砾石层为含泥多少不一的不均质层，该层所有这些特点都 会对边坡造成不利的影响。 2 2 2 露采区岩组 通过现场勘察并结合钻孔资料，现将露采区各岩组特征阐述如下啷3 ： 1 ) 奥陶系马家沟灰岩组 主要为灰色、深灰色一褐色，隐晶质结构和结晶粒状结构。块状、角砾状构造， 上部见1 o o m 厚的含铁质风化灰岩，中部为2 5 0 m 的灰黄色风化灰岩，下部为石灰岩。 其间夹有泥质白云岩、白云质灰岩和薄层粘土岩。局部发育有溶洞，充填物为粘土及 灰岩碎块。该岩组为露采区最坚硬的岩层，其硬度系数为f = 1 0 1 2 ，但不隔水。 2 ) 石炭系本溪粘土岩组 为含铝粘土矿的粘土岩。层厚0 5 0 2 o o m ，铝土矿顶板为不连续的薄层含铁、 含铝质、砂质粘土岩和页岩，岩性松散，局部呈淤泥状，节理发育。铝土矿上部为黄 色，土状、豆鲕状铝土矿，岩性松散。中部为灰黄色的蜂窝状和薄层铝土矿，岩性比 较松散。下部为深灰色的致密块状铝土矿，岩性比较坚硬，硬度系数为f = 6 8 。矿 体中局部夹有薄层的铝土岩和铁矿及粘土矿，底板为铁质粘土岩，整个岩层为隔水层。 3 ) 石炭系太原灰岩组 灰岩上部为分布不连续的杂色含砂质、铁质页岩和粘土岩互层，岩性也比较松散。 页岩层理和节理发育，风化后呈铁褐色，局部已风化成土。下部为分布不连续的细砂 岩和页岩及杂色的含铁质粘土岩，岩性比较松散。砂岩风化后呈黄褐色，节理发育。 灰岩为含生物灰岩：灰色，细粒结构，薄层状构造。主要由方解石组成。岩性比较坚 硬，硬度系数为f = 8 l o 。整个岩层为透水层，但灰岩为透水层。 4 ) 第四系土层 上部为结构松散，垂直节理比较发育的土色一黄色黄土，属于强透水层。下部为 浅黄色的含砂质粘土层，属不透水层。底部为黄色的透水砾石层。局部已胶结成岩， 胶结物为钙质的。 1 0 中南大学硕士学位论文 第二章_ 【程地质条件与水文地质特征 2 2 3 露采区断裂构造 经现场调查，露采区内的构造主要以断层的形式表现出来。从采坑现场可以观察 到数条小型断层构造。其中一条发育在采坑西帮，断层产状为3 0 3 0 2 6 5 0 。断裂带两 盘岩石破碎，上下盘岩层发生错移，错距不大，但对两旁岩层影响较大，使断裂带附 近岩层产状发生明显变化。由于大量的废石堆积和上部浮土掩盖，对其规模尚无法确 定。其性质属于逆断层特征。在其走向方向的东帮上，同样可以观测到该断层对岩层 的破坏作用。 第二条较明显的断裂发育在采坑的南东帮上，产状为3 3 0 。l 5 2 。该断层观测到 的特点是：沿着整个南东帮上岩石相对破碎，在个别露头上见有断层的擦痕现象，岩 层连续性被破坏。周围岩石异常破碎。但也由于废石和浮土的大量掩盖，无法做进一 步的观测，其性质也属逆断层性质。 此外，在采坑四周还发现一些更小的断裂构造存在。上述这些断层的存在对整个 边坡稳定性的影响是较大的。 2 2 4 节理构造特征 这次对该矿坑6 个节理观察点作了实测，这6 个观察点( a 、b 、c 、d 、e 、f ) 的节理等密图均已反映在工程地质分区图上，见第三章的偃师县夹沟铝矿地层及采 空区分布图( 1 ：5 0 0 ) 。露采节理虽然倾向各异，但倾角都很大，一般介于5 0 8 5 0 之间。区内节理相当一部分在其中有充填物，如充填有石英、铝土矿、揭铁矿、粘土 岩等。也有少量充填有泥质物。 1 ) 露采场西帮边坡节理特征 露采场西帮布置有一个节理观测点a ，其节理等密图如图2 - 2 a 所示。该处岩性 为砂岩。从图中可看出该处节理多组发育，其中n n w 向节理的密度为6 8 条m ， 倾角较陡，多数大于6 0 0 。s s e 向节理的密度为8 1 2 条m ，倾角较陡，多数大于6 5 0 。 s w 方向节理的密度为2 4 条m 倾角多数大于5 0 0 。由于s s e 或接近于该方向的节 理产状与西帮边坡的产状近一致，且又十分发育，故对边坡的稳定性影响最为不利。 中南大学硕七学付论文第二章r 程地质条件与水文地质特征 a b 匡唧 1 5 c i 蔓蔓耋二三奎 5 1 0 1 0 图2 - 2 观察点a 、b 、c 节理等密图 2 ) 露采场北帮边坡节理特征 北帮边坡共布置了b 、c 两个观察点，其节理等密图如图2 - 2 - b 和2 - 2 一c 图所示。 观测点b 的岩性为砂岩夹薄层页岩。该种岩石比较易于风化，节理极为发育。从节 理等密图可看出，此处岩石发育有多组节理，其中n w 方向节理的密度为6 8 条m ， 倾角多数大于6 0 0 。n e 方向节理的密度为3 6 条m ，倾角多数大于7 0 0 。s w 方向 节理的密度为8 1 3 条m ，倾角多数大于5 0 0 。s e 方向节理的密度为1 2 1 8 条，m 倾 角多数大于7 0 。后面两组节理倾向与该处坡向相近，又十分发育，故对边坡的稳定 性影响很大。 图2 2 c 为观察点c 的节理统计图，该点岩石为页岩。从节理等密图可看出，此 处页岩易于风化，节理比较发育。其中n e e 方向的密度为7 9 条，m ，倾角多数大于 7 0 0 。正e 方向节理的密度为3 5 条，m ，倾角多数大于6 0 。s w w 方向节理的密度 为9 1 5 条，m ，倾角多数大于6 0 0 。n w 方向节理的密度为6 8 条m ，n e 方向节 理的密度为7 9 条m ，倾角多数大丁二6 5 。 3 ) 露采场东帮边坡节理特征 东帮边坡共布置了3 个观察点( d 、e 、f ) ，其节理统计图如图( 2 3 一d 、2 - 3 一e 、 2 3 f ) 所示。图2 4 d 为观察点d 的节理等密图，此处出露的岩石为砂岩，从等密 图可看出，此处砂岩节理比较发育。其中n w 方向的节理密度为5 8 条m 倾角多数 大于7 0 。，n e 方向的节理密度为4 6y g m ，倾角多数大于6 5 。n n e 方向的节理密度 为9 1 3 条m ，倾角多数大于6 0 0 正w 方向的节理密度为6 9 条m 倾角多数大于 6 5 0 。后一组节理倾向与东帮边坡的坡向一致，故对边坡的稳定性不利。 中南大学硕十学伊论文第二章工程地质条件与水文地质特征 def 匡| 皿匿豳 l 5 5 l o 1 0 图2 - 3 观察点d 、e 、f 节理等密图 图2 3 e 为观察点e 的节理统计图，该点出露为致密铝土矿，从节理图可看出， 可能是由于人工爆破作用，各方向所发育的节理密度比较一样。其中n w 方向的节 理密度为8 1 0 条，m 倾角多数大于6 0 0 。s w 方向的节理密度为8 1 0 条，m ，倾角多 数大于4 0 。n e 方向的节理密度为7 9 条，m ，倾角多数大于4 5 0 。正w 方向的节理 密度为8 1 0 条 n ，倾角多数大于6 5 0 。由于铝土矿不作为永久性边坡的坡体，即在 开采过程中要采掘完，所以分析其对边坡的稳定性没有多大的意义。 图2 3 f 为观察点f 的节理统计图，该处出露的岩石为砂岩夹页岩，构造作用比 较强烈，砂岩多呈透镜状产出。砂岩中夹有0 1 0 3 m 的强风化页岩。从节理图可看 出，该处岩石发育有多组节理，其中正e 方向的节理密度为1 0 1 4 条m ，倾角多数 大于4 5 。s w 方向的节理密度为1 2 1 8 条m ，倾角多数大于6 0 0 。n w 倾向方向的 节理密度为5 1 0 条m ，倾角多数大于6 5 。n w w 倾向方向的节理密度为8 1 2 条 m ，倾角多数大于6 5 。n e 倾向方向节理密度为3 8 条m ，倾角多数大于4 5 0 。该 处所出露的岩石被多组节理切割成块，有的已风化成土状。故该处岩石所发育的节理 对边坡的稳定性都不利。 此外，应注意的是，当节理倾向与边坡倾向大体相当时，若节理的倾角小于边坡 角时，则边坡破坏一般表现为顺层滑动或沿节理面滑动；若节理面倾角大于边坡角时， 则表现为边坡上块体的崩塌破坏。实示上，节理对边坡的稳定不仅仅是表现在其倾向 和边坡相一致( 或基本一致) 上，其他方向的节理同样对其有很大的影响。因为节理 的广泛发育，破坏了边坡体的完整性，其边坡上的岩石力学性质发生很大的改变；再 者，使其渗透性大大提高，加速了水对边坡岩体的浸泡软化作用，从而当雨季到来时， 自然增大岩体容重等不良因素，故无不对边坡的稳定性造成各种各样的影响。 中南大学硕士学位论文第二章r 稃地质条件与水文地质特征 2 3 采坑边坡的工程地质分区 为了进一步了解露采区的工程地质条件现状，现将露采坑及周围的岩石和风化土 层一起进行分区。从“河南省偃师县工程与水文地质图( 1 ：5 0 0 ) ”中可看到，在露采 区范围内划分为5 个主要的岩体质量综合分区。岩体质量综合分区由4 个指标综合评 价获得。这4 个评价指标为：岩体单轴抗压强度；节理发育情况；地下水发育 情况；岩石风化程度。 2 3 1 分区依据 该次岩体质量综合评价分区主要是将岩石、土层和地下水以及节理与裂隙发育程 度结合一起来划分的。通过这样划分，对整个采坑的工程地质性质有比较全面的把握， 从而为边坡的稳定性研究提供有力的地质依据。其划分的依据如下： 首先，对岩石进行常规划分。在对整个矿区所出露的岩石进行有规律的取样，并 做岩石力学试验后，结合现场勘察结果，将全区的岩石按不同评价指标划分为五个等 级。 1 ) 岩石的单轴抗压强度划分标准如下( 表2 - 5 ) ： 表2 5岩石的单轴抗压强度划分标准表 参数数值变动范围( m p a ) 未扰动岩石单 2 0 01 0 0 2 0 05 0 1 0 02 5 5 0 1 0 2 53 1 0 1 2 轴抗压强度 评分o 2 5 2 5 5 05 6 7 5 7 5 9 09 0 1 0 0 2 ) 按岩石中节理发育的组数划分( 表2 - 6 ) ： 表2 - 6按岩石中节理发育的组数划分标准表 节理发育情况评价值 a0 一l 组节理，几乎没有或很少有节理 o b2 组节理2 5 c2 3 组节理 5 0 d3 组节理 7 5 e3 4 组节理，岩体被多组节理切割成块1 0 0 3 ) 按节理频数划分标准表( 表2 7 ) 1 4 中南大学硕十学位论文第二章r 霹地质条件与水文地质特征 表2 - 7按节理频数划分标准表 节理频数( 条，i n )平价值 a1 - - 3 条，几乎没有或很少有节理0 b3 - - 5 条 2 5 c5 8 条5 0 d8 一1 3 条 7 5 e1 3 2 0 条 1 0 0 4 ) 按岩石风化程度划分标准如下表( 表2 8 ) ： 表2 8按岩石风化程度划分标准表 l 岩石风化程基岩微风化弱风化中风化强风化 l评分 o2 5 5 07 51 0 0 2 4 水文地质特征 2 4 1 地形地貌、气候特征及地表水特征 矿山位于嵩山山脉北坡山麓处，地势南高北低，较为平缓，最高标高为4 0 0 m ， 最低标高为3 0 0 m 为侵蚀类型的低山丘陵区，山脉走向大致东西向。南北向冲沟发育， 多是陡险的v ”字型，深沟一般为l o 3 0 m ，有利于降水自然排泄。 本区属于温暖带大陆性季风气候，具“冬长寒冷雨雪少，春季干旱大风多，夏热 多雨且集中，秋天晴和日照长”的特点，绝对气温1 9 5 0 4 3 4 0 1 2 ，年平均气温 1 3 9 0 。无霜期2 l l 天，降雨多集中在6 8 月份，年最大降雨量9 2 4 1 0 m m ，最小 降雨量3 0 9 1 0 m m ，平均5 2 7 1 0 m m 。年均蒸发量1 7 0 8 o o m m ，多年平均最大2 4 小时 降水量为7 4 5 0 m m 。 二级支流伊河流域，区内无大型地表水体，所处宋寨小流域属于黄河流域，发育 一些冲沟水塘。 2 4 2 透水层和隔水层特征 矿区主要含水层为矿层底板奥陶系石灰岩裂隙岩溶水，水位标高2 3 0 2 5 0 m ，次 要含水层为石炭系上统灰岩裂隙岩溶水，水位标高2 3 8 2 7 0 m ，露采矿体皆在地下水 位标高之上。因此，在开采过程中( 除雨季外) 不会出现大涌水。 中南大学硕七学位论文第二章t 捍地质条件与水文地质特征 本矿区透水层自上而下为：1 ) 第四系孔隙透水层；2 ) 上石炭统太原组石灰岩透 水层和中奥陶灰岩含水；层隔水层为中石炭本溪组粘土岩类，矿体顶板隔水层不连续， 底板比较厚。 2 4 3 矿坑充水条件和涌水特征 矿体均赋存于地下水位之上，在开采以后，矿坑水的补给主要为大气降水，补给 方式：一是露天采坑直接接受大气降水；二是汇水面积内的降水迳流经低洼部位补 给矿坑；三是露天采场周边透水岩层的裂隙渗漏水补给矿坑，后者与前两者比较， 所占的比例很小，但对边坡的稳定性却存在一定的影响。 根据现场观测得知：滑坡体底板的涌水主要为上层滞水沿着滑坡面往下流所引起 的，其主要补给为大气降水，随着季节的变化而变化。粘土岩顶板涌水主要是其隔水 作用，所形成的潜水在粘土岩层被剥离以后顺层流出形成的。这些涌水对矿区的边坡 稳定都是不利的。 1 6 中南大学硕七学位论文 第二章露采区t 程与水文地质评价及滑坡和采空区评价 第三章露采区工程与水文地质评价及滑坡和采空区评价 3 1 露采区工程与水文地质评价 3 1 1 不良的地质现象 4 根据现场勘测和资料的整