（矿业工程专业论文）永平铜矿露采延深扩帮边坡稳定性分析.pdf

中南大学硕十学位论文摘要 摘要 边坡稳定性问题一直是岩土工程界的一个重要研究内容，它涉及矿山工程， 土木工程、铁路公路工程，水利水电工程港口、废渣及垃圾处理等诸多工程领 域，以及山坡、岸坡等自然领域。随着社会经济发展步伐的不断加快，工程建设 规模也越来越大，边坡地质灾害更为突出，边坡问题从简单的土坡延伸到复杂的 岩质高大边坡，因此岩质边坡稳定性研究将变得更加重要。 本文以永平铜矿露采边坡为研究对象，遵循现场调研一室内试验一计算模型 建立一稳定性计算分析的研究思路。并对室内常规岩石力学试验得出的物理力学 参数进行工程处理，以选取合理的计算参数进行数值分析。 本文采用北京理j 下软件设计研究所研制的边坡稳定性设计软件3 0 版，即自动 搜索最危险滑动面的条分法对永平铜矿露采扩帮区的四个计算分区的2 6 个计算 剖面进行了稳定性分析。在分别考虑自重影响、自重和地下水同时影响、自重和 地震以及地下水同时影响三种工况下，首先利用等效岩体强度，再模拟各边坡实 际岩层分布和相应岩层的实际强度分别进行稳定性分析，计算了每一边坡的最小 边坡安全系数。 计算结果表明，计算分区i 和分区i i 边坡的稳定性较好，计算分区i i i 和 分区i v 的稳定性较差；地下水和爆破对边坡稳定性影响较大，与实际情况较为符 合。 关键词岩质边坡，岩石力学实验，稳定性分析，计算模型，条分法 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h es l o p es t a b i l 埘h a sb e e na ni m p o r t a n ts t u d yo b j e c to fg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g a l lt h et i m e ，a n di tr e l a t e st oa r t i f i c i a la n dn a t u r a lf i e l d ss u c ha sm i n i n ge n g i n e e r i n g , c i v i lc n g i n e n r i n g , r a i l w a ya n dh i g h w a y 即g i i l 钟渤吕h y d r o l o g i c a la n dh y d r o e l e c t r i c e n g i n e e r i n g , w a s t er e s i d u ea n dg a r b a g em a n a g e r n e n te n g i n e e r i n g , h i l l s i d er i v e r s i d e ，e t c w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fd o m e s t i ce c o n o m y , t h ec o n s t r u c t i o ni so nt h ei n c z e a s e t h es l o p ed i s a s t e rw i l lb em o r ea n dm o r es e r i o u s ，t h ei n v o l v e ds l o p e se x t e n df r o m s i m p l es o i ls l o p et oc o m p l e xh i g hr o c ks l o p e , s ot h er e s e a r c ho f r o c ks l o p es t a b i l i t yw i l l b em o r ea n dm o r es i g n i f i c a t i v e t h i sp a p e rs t u d i e dt h es l o p eo fy o n g p i n go p e n - p i t , f o l l o w i n gt h er e s e a r c hr o u t ea s f i e l di n v e s t i g a t i o n l a b o r a t o r yt e s t - e s t a b l i s h m e n to fc a l c u l a t i o nm o d e l s t a b i l i t y a n a l y s i so fr o c ks l o p e i no r d e rt oe v a l u a t et h es t a b i l i t yo ft h es l o p e , r o c km e c h a n i c s p a r a m e t e r sd e r i v e df r o ml a b o r a t o r yt e s tf i r s t l yw e r eo p t i m i z e db ye m p i r i c a lf o r m u l a t h ed e s i g ns o f e w a r e3 0o fs l o p es t a b i l i t yw a sa d o p t e di nt h i sp a p e r ，w h i c hw a s r e s e a r c h e db yb d j i n gl i z h a ns o r w a r eg r a d u a t ei n s t i t u t e 2 6s e c t i o n so f4 e a l e u l a t i o n a lr e g i o n sw e r ea n a l y z e db ys l i c em e t h o ds e a r c h i n gt h em o s td a n g e r o u ss l i p s u f f g a c ei ny o n g p i n g o p e n - p i te x t e n d e da r e a s t h r e e c o n s t r u c t i o ns t a t u s e sw e r e c o n s i d e r e d , s u c ha sg r a v i t a t i o ne f f e c t , g r a v i t a t i o na n dg r o u n dw a t e re f f e c t , g r a v i t a t i o n 、 g r o u n dw a t e ra n de a r t h q u a k es i m u l t a n e i t ye f f e c t a tf i r s t , o q u l v a l e n tr o c ks t r e n g t hw a s u t i h z e d , s e c o n d l y , t h ea c t u a ld i s t r i b u t i o no fr o c kl a y e ra n dt h er e l e v a n tr o c ks t r e n g t h w e r es i m u l a t e d , a n dt h e nt h el e a s ts a f 哆f a c t o ro f s l o p ec o u l db eo b t a i n e d t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e d ：t h es t a b i l i t yo fs l o p e sw a sb e t t e ri nc a l c u l a t i o n a l r e g i o n1a n di f , w h e n a s , i tw a sw o r s ei nc a l c u l a t i o n a lr e g i o ni l la n di v , a tt h es a m et i m e , t h ei n f e c t i o n so f g r o u n dw a t e ra n de a r t h q u a k et ot h es t a b i l i t yo f s l o p ew e r eb i g g e r k e yw o r d sr o c ks l o p e ，r o c km e c h a n i c st e s t , s t a b i l i t ya n a l y s i s ，c a l c u l a t i o n m o d e l s l i c em e t h o d 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位 或证书而使用过的材料。与我共同工作的人员对本研究所作的贡献均已在论文中 作了明确的说明。 作者签名：期：2 0 0 年生月丝只 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位 论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公行学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部 门规定送交学位论文。 作者签名：闩期：垭年生月丝r 中南大学硕十学位论文第一章前言 第一章前言 1 1 岩质边坡稳定性研究的意义与目的 随着国民经济的快速发展，矿山开采、交通运输、水利建设和国防等建设工 程中所遇到的岩质边坡稳定性问题也相应地增多。为了使资源丌发适应经济建设 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延深和扩 帮，使边坡稳定性问题更加突出【l 】。由于工程的需要，往往在一定程度上破坏或 扰动原来较为稳定的岩体而形成新的人工边坡，因而普遍地存在着边坡稳定的问 题需要解决。显然，从安全观点的角度出发，要求边坡角越小越安全，但从经济 方面看，却要求边坡具有较大的角度【2 】。因此，正确确定在新的条件下的边坡角 及其稳定性，使工程建设符合安全和经济合理的原则，是十分重要的。 1 2 岩质边坡稳定性研究概况 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。岩体力学作为一门独立的学科，其历史是较短的【3 】。最初从事岩质边 坡稳定性研究的是地质工程师，逐渐地，从事力学研究的学者也参加了边坡稳定 性研究，但早期的地质研究与力学研究自成体系，互相分离。对于岩质边坡的研 究，在国际学术界形成两种学派，其一是以m u l l e r 和g o o d m a n 为代表的“岩体不 连续面控制论学派”；另一是单纯的数值学派。随着时问的推移和不断的工程实践， 两种学派趋于融合并相互借鉴，使岩质边坡稳定性研究形成比较完善的理论体系 1 4 】。岩质边坡的稳定性研究大约经历了三个阶段： ( 1 ) 上世纪初至5 0 年代，岩质边坡稳定性评价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。在上世纪4 0 年代丌始进入重要的发展 阶段，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、 路基路辆边坡、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丌展岩石力 中南大学硕十学位论文第一章前言 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，主要是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丌展，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【1 孙。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1 5 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自j 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【3 | 6 】，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丌挖至破坏的全过程。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【”、狄色理论【s 】、损伤断裂力学理论、 神经网络模型、数据库与专家系统 9 】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丌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。 1 3 边坡稳定性计算方法的发展 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；二是 j 下在发展的数值分析方法。就目前的实际情况而占，极限平衡法仍然是边坡稳定 性分析的基本方法，数值分析法还在不断探索和完善之中 1 0 1 。 一、极限平衡方法 极限平衡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。常见方法有：瑞典圆弧条分法、简化毕肖普法、 简御法、萨尔玛法、斯宾塞法以及摩根斯坦一普赖斯法。 中南人学硕士学位论文 第一章前言 1 9 1 5 年瑞典彼得森( k e p e a 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 l 。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 些年来，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。 斯宾塞( s p e n c e r ) 法假定条块之间的作用力与水平线成0 角，0 角及边坡稳 定性安全系数f 。由条块的力矩和力的平衡条件确定，该方法满足力矩与力的平衡 条件，但假定条块之间的作用力方向相同。 摩根斯坦普赖斯法假定两相邻条块法向条问力和切向条间力之间存在一个 对水平方向坐标的函数关系，实际上是假定条块之间的作用力方向随水平坐标变 化，变化的函数关系人为地确定，然后由力矩和力的平衡确定潜在滑移面上的法 向应力及边坡稳定性安全系数。 显然，上述各种极限平衡分析方法均有一定的适用范围及局限性。考虑岩质 边坡的特点及结构面特别是大型地质结构面的控制作用，中科院地质研究所提出 的滑动块体极限平衡分析方法具有明显的优点，在边坡工程实践中已得到普遍的 推广应用【1 2 1 。 二、数值分析方法 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【i 川等新兴发展起来的分析方法。 有限元法在岩石力学中现已得到推广，常用的程序有s a p 5 、a d i n a 等。边 界元法是7 0 年代兴起的一种数值分析法，b r e b b i a 为其代表【l ”。在岩石力学c r o u c h 首先将边界元法用于解决层状岩体的丌挖问题。由于边界元法具有降维作用，计 算精度高，对解决无限域问题尤为理想，所以很适用于岩石力学中比较复杂的工 中南人学硕十学位论文第一章前言 程问题。有限元法和边界元法均是解决连续体力学的数值方法，但岩体是一种复 杂的，受过多次构造运动的多裂隙体，具有明显的不连续性，不能视为理想的连 续体，于是c u n d a l l 提出离散单元法，现已在边坡稳定性分析和巷道稳定性分析方 面得到比较广泛应用。 1 有限元法 有限元法的优越性不仅在于能考虑到介质复杂的物理力学属性，并且可以简 便地处理复杂的边界条件；既可以用于各向异性的分层的弹性体，也可以用于非 均匀的弹性体。既可以用于弹塑性问题，也可用于流变问题，大位移和大变形问 题以及其他非线性应力变形问题等等【b 1 。 有限单元法中不同的单元可以有不同的力学性质，节理、断层等可采用节理 单元和夹层单元，且对节理裂隙发育区段或破碎岩体可以看作无拉力介质等，从 而可以在一定程度上模拟复杂岩体中遇到的实际问题。有限单元法虽是一种比较 好的数值分析方法，但必须认识到它的可靠性取决于对边坡岩石工程地质特性的 认识程度及研究的深度，从根本上来讲，有限元法的计算结果取决于对岩体基本 性质的深入认识程度和对于各种地质因素的合理简化。 2 边界元法 边界元法将单元御置于边界，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”6 1 。 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旧。 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，特别是在丌挖区域的附近，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 4 中南人学硕十学位论文第一章前言 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【1 引。 4 其他方法 d d a 方法是由石根华与古德曼( g o o d m a n ) 提出的块体系统不连续变形分析 方法，是基于岩体介质、非连续性发展起来的一种数值分析方法【l9 1 。节理面切割 岩体形成不同的块体单元，单个块体内部满足连续介质的变形协调方程和本构关 系，但块体之间不满足变形协调关系，块体间的本构关系是通过假定刚度来实现， d d a 方法中的本构关系为块体所受的合外力与块体位移之间的关系【2 0 1 。 运动单元法由p e t e rg u s s m a n n 教授在8 0 年代创立【2 ”，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，真正的最危险塑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【2 2 矧。 1 4 研究课题的来源与技术路线 本论文结合科研项目“永平铜矿露采延深扩帮新境界边坡稳定性分析及合理 边坡角确定”开展研究。 永平铜矿延深扩帮新境界内岩性较复杂，其中部分为古采空区形成的塌陷体。 区域内节理裂隙发育，变化复杂。为研究延深扩帮新境界内边坡的稳定性和确定 边坡的合理坡角，本研究首先对新境界内的工程地质、水文地质进行调查和研究， 通过室内试验确定永平铜矿典型岩石和岩体的物理力学性质，针对具体的岩体赋 存条件，采用不同的边坡稳定性分析方法对延深扩帮新境界内的边坡稳定性进行 研究并相互验证，确保研究成果的先进性和可靠性。在边坡稳定性分析时，充分 考虑工程地质条件、岩石和岩体的物理力学性质、地下水、天然地震、生产爆破 震动等影响因素。 中南人学硕十学位论文第二章扩帮区工程地质与水文地质 2 1 工程概况 第二章扩帮区工程地质与水文地质 永平铜矿为了延长矿山露天开采的服务年限，以获得良好的社会与经济效 益，自1 9 9 8 年以来采用m i n t e c 软件，对矿山整个露采境界进行了优化研究，提 出了对现有露天采场的西北部实行扩帮剥离，以扩大露天开采境界，增加可采储 量。于是在对该延深扩帮区进行采矿设计的同时，须对扩帮新境界的合理边坡角 和边坡的稳定性进行分析研究。扩帮区位于现有露天采场往北延伸至9 1 5 勘探 线之间的范围内。 配合上述研究，于2 0 0 0 年1 1 月至2 0 0 1 年3 月间，对该延深扩帮区完成了 工程地质与水文地质勘查。”。虽然这次工程及水文地质勘查所提供的资料不多， 而且很不全面。但是，由于该露采延深扩帮区就位于现今生产的露采矿坑的北部， 并与之相毗邻，两者的地质构造环境有许多相同之处，加上该区曾投入过大量的 找矿地质勘探工程。因此，在本次工程地质调查的基础上，综合前人已有的工作 成果来论述该区的工程与水文地质特征，收到了良好的效果。 2 2 扩帮区工程地质特征 为了查清扩帮区的工程地质条件，在丌展区内工程钻探的同时，对地表进行 了全面的工程地质调查。查清了区内岩组的组成、特点与分布，构造结构面与边 坡面的组合关系，以及区内的不良地质现象，并对不同边坡进行了工程地质评价。 2 2 1 工程地质岩组 根据这次工程地质勘查成果，结合原有资料，现将扩帮区内工程地质岩组划 分为l o 个岩组，大致自上而下分别为第四系的残坡积体( qo ) 和老窿堆积体( q 2 ) 、 上石炭一下二叠统的船山一茅口狄岩组( l s c m ) 、中石炭统叶家湾组的千枚状 页岩组( p s ) 、石英砂岩组( s s ) 、灰岩组( l s y ) 和含矿矽卡岩组( c u s ) ，即铜 硫原生矿层，以及变质石英砂岩组( s m ) 、混合岩组( s u ) 和酸性岩脉，即石英 斑岩组( q ) 或花岗斑岩组( y ) 等。 1 ) 残坡积体( q 1 ) 扩帮区内，第四系残坡积与老窿堆积均很发育，特别是老窿堆积体在区内堆 积范围较大，占有较大的分量，其最大厚度竞达一百多米，故有必要将它单独划 为一个岩组。 第四系残坡积在扩帮区内均有分布，厚度不一，所揭露的最大厚度为 3 8 4 0 m ，般为1 6 1 1 6 9 m 。包括人工填土、山坡剥蚀坡积物及岩石风化残积 6 中南人学硕十学位论文 第二章扩帮区工程地质与水文地质 物。主要成份有铁帽碎块、岩块、粘土、砂、残积土等，松散，稍湿。 2 ) 老窿堆积体( q 2 ) 老窿堆积体主要分布在扩帮区的n 东面，厚度不一，所揭露的最大厚度为 1 1 0 8 0 m 。该堆积的底部呈锅底状，成份复杂，主要为古人采矿留下的废石、选 矿留下的废渣以及保安矿柱。由于应力破坏而垮塌混合而成，经后期自重固结和 风化剥蚀形成目前的老窿堆积体。主要成份有岩块、泥、砂、铁帽碎块和矿砂等。 松散中密。清水钻进时孔壁极易坍塌。 另外，扩帮区内分布有一定数量的铁帽，也一并归入该岩组。铁帽有两种， 一种为紫红色，主要矿物为赤铁矿、磁铁矿、石英等，蜂窝状结构，块状构造， 岩石较软，清水钻进时掉块，r q d 指标为o 5 3 7 。另一种为紫红色，脉状结 构，土状构造，主要成份有褐铁矿、针铁矿、泥质及少量岩屑，岩石松散。r q d 指标为0 。 3 ) 灰岩组( l s 。m ) 上石炭一下二叠统的船山一茅口灰岩组，主要分布在扩帮区的东s 面，所揭 露的厚度为8 6 。7 8 m ，深灰色，厚层状，致密坚硬。上部为隐晶质，下部为显晶 质。含碳质，岩石裂隙发育，裂隙面偶有硅质和金属矿物充填，多数为干裂隙。 裂隙产状有三组：( 1 2 5 1 6 0 。) 么( 5 0 7 0 。) ；( 2 3 0 2 7 0 。) 么( 7 0 7 8 。) ； 3 4 0 。z 6 3 。，面裂隙率l o 条m 2 。r q d 指标为2 2 4 5 ，岩层产状为9 4 。么 3 8 。 一 4 ) 干枚状页岩组( p s ) 该岩组为中石炭统叶家湾组。分上下两层，上层以千枚状页岩为主，如z k l 3 一0 2 钻孔中所见；下层为千枚状页岩与石英砂岩互层，部分夹有灰岩透镜体。 岩石呈土黄色，片状，鳞片状结构，千枚状构造。主要成份为长石、石英及泥质。 风化强烈，风化后呈片状、土状，遇水易软化。岩石裂隙发育，裂隙中充填硅质 和会属矿物。裂隙发育有三组，产状3 0 。l t l 。，1 9 0 。l 2 6 。，2 8 0 。么2 4 。， 岩层面的产状为8 5 。l 7 2 。，r q d 指标为0 。 5 ) 石英砂岩组( s s ) 该岩组也为中石炭统叶家湾组，以石英砂岩为主，局部夹于枚状页岩互层。 岩石呈紫红一浅红色，砂状结构，块状构造，薄层状，层理清晰。物质成份变化 较大，有粗、中、细粒结构。岩石破碎，风化强烈，风化后呈泥砂状、土状，清 水钻进时敏体，是矿区的主要含矿层位。r q d 指标为0 5 9 2 。 6 ) 变质石英砂岩组( s m ) 中石炭统叶家湾变质石英砂岩组与叶家湾狄岩组互层，厚度不一，灰白色， 强变质，具变余砂状结构，块状构造。硅质含量大于8 0 ，岩石致密峰硬。r q d 中南大学硕十学位论文 第二章扩帮区j l ：程地质与水文地质 指标为4 9 4 。 7 ) 灰岩组( l s ，) 中石炭统叶家湾灰岩组呈浅厌色，上部为隐品质，局部含碳质，伴有硅化、 矽卡岩化、大理岩化，并有矽卡岩化铜矿。下部为显晶质，与混合岩呈不整合接 触，伴有硅化、矽卡岩化、大理岩化，含矽卡岩型铜矿。岩石致密、坚硬，裂隙 较发育。r q d 指标为1 1 5 1 0 0 。 8 1 含矿矽卡岩组( c u s ) 含矿矽卡岩组，即铜硫原生矿体呈灰灰黑色，其中金属矿物有黄铜矿、黄 铁矿等，非金属矿物有石英、高岭土等。金属矿物呈脉状、浸染状、团块状。矿 石较完整。裂隙发育，线裂隙率1 8 条m 。r q d 指标为6 7 2 4 。 9 ) 混合岩组( s u ) 混合岩组属震旦系周潭群( z l z h ) ，成份复杂，由一套变质程度不一的岩组 构成，主要有石英云母片岩、混合花岗岩，夹有少量的变质石英砂岩、矽卡岩透 镜体等。岩石致密颦硬，裂隙较发育。近地表岩石变软。r q d 指标为0 1 0 0 。 1 0 ) 酸性脉岩( q 、y ) 扩帮区所见到的酸性脉岩有石英斑岩( q ) 和花岗斑岩( y ) 。 石英斑岩组( o 丌) ：形成于燕山早期。混合岩、叶家湾组地层中均有分布， 主要沿f 2 断裂充填，呈脉状、枝状。浅红一灰白色，斑状结构，块状构造。斑 晶主要为石英和长石，不规则状，基质为长英质。部分地段岩石风化变软，z k l l - - 0 1 钻孔在6 3 4 6 9 8 m 段见强风化石英斑岩，其形成原因为地下水顺f 2 构造 带浸入使其风化所致。未风化的岩石致密略硬。岩石裂隙较发育，面裂隙率为 l o 条l n 2 ，主要分三组：产状分别为( 5 0 6 5 。) 么( 6 2 6 8 。) ；3 0 5 。么6 4 。 和2 3 2 。么5 8 。r q d 指标为9 4 5 0 。 花岗斑岩组( y 瓢) ：形成于燕山晚期。扩帮区仅在9 线剖面的船山一石 炭系灰岩中分布有一条细脉。厚1 l m ，浅红色，花岗斑状结构，块状构造。风化 后呈碎块状，手搓成粉末。未风化岩石致密唪硬。 2 2 2 构造裂隙 区内构造裂隙可分为断层、裂隙与节理。经调查，扩帮区内大于1 0 0 m 的构 造裂隙只有f 2 断层，而护驾山一带见有多组小断层，但规模小，断距均不大。 调查中还对4 个重点地段，即扩帮区下混合岩、叶家湾组的千枚状页岩和船山一 茅口组灰岩以及护驾山区的上混合岩进行了详测线测量。共测得节理裂隙2 2 8 条，并按不同方向的节理裂隙进行了线密度统计，通过计算机绘制出节理裂隙等 密图，对优势结构面与边坡面的组合关系进行了有效的分析。 1 1 f 2 断层 中南人学硕十学位论文第二章扩帮区 ：程地质与水文地质 矿区f 2 断层为逆冲断层，延长大于5 0 0 0 m ，恰好通过扩帮区的西帮走向 n n e ，倾向e ，倾角约6 0 。，断层走向以1 5 。的夹角斜切地层，该断裂带的倾 向与坡向基本一致，与混合岩和叶家湾组形成走向断层，是扩帮区域西部最不稳 定的因素之一。 燕山晚期侵入的石英斑岩充填于f 2 断层中，同时在9 线、1 1 线和1 3 线剖面上，沿断层带均见有2 、3 层构造角砾岩，其角砾成份为石英砂岩、千枚 状页岩和石英斑岩等，胶结松散。断层两侧裂隙特别发育，岩石破碎，形成许多 碎裂岩，说明该断层活动的时间较长，f 2 断层不仅于石英斑岩侵入之前就已形 成，而且在石英斑岩侵入之后仍有活动。 2 ) 裂隙构造 调查中发现在护驾山一带下二叠统的李家组和周潭群上混合岩中发育有两 组小断层。这些小断层密集发育成组平行排列，其优势方位有两个：第一组为顺 层断裂，产状为1 5 2 。z 5 4 。，线密度为2 4 条m ，可参见照片l ：第二组产状 为2 1 8 。l 7 5 。的断层，密集产出，线密度为3 4 条m ，可参见照片2 。由于这 组断裂的倾向与边坡坡向基本同向，因此对咳处的边坡稳定造成一定的影响。但 中南大学硕士学位论文第二章扩帮区1 ：程地质与水文地质 这组断层裂面紧闭，上下盘岩石坚硬，故可弥补边坡稳定的影响。 3 1 节理构造 照片4 位于扩帮区7 绒西 部3 1 0 m # f l 卜熊 该处为下混台岩 组，岩组中节理卡分麓 育，但算优势方位不能 立即正确确定熙片中 见落赴节理中，多处被 石英脉充填 照片3 位于扩帮区7 线西 部3 1 0 r e # 阶韪。 该姚曲下混合岩 组，照片中见岩屡产状 为8 4 。么5 5 。，岩组 中节理十分麓苜，但其 优势方位不能立即正确 确定。 照2 f - 5 1 i ：蠡于扩帮医9 线西 部2 0 0 m 4 3 睁上。 落楚为千杖状页岩 组，岩层产状为8 3 。么 6 4 。岩组中曼纽节理 的优势方位明显可见， 每纽严被分别为1 7 l 。 么8 矿、3 5 7 。么6 1 。 和2 4 2 0 么3 0 。 对构造节理进行详测线观测和统计分析中发现，上、下混合岩组中节理的优 0 中南人学硕士学位论文第二章扩帮区1 ：程地质与水文地质 势方位不很明显，需要进行大量的节理统计，通过作图的方法才能确定其优势方 位及其产状( 见照片3 、4 ) 。而在千枚状页岩组和灰岩组中则不同，在野外很清 楚地就可以确定其岩组中节理的优势方位和产状及其发育的密集程度，如照片5 中所见。其原因可能与两种因素有关，其一是千枚状页岩和灰岩的岩性比较均匀， 特别是船山茅口组灰岩组在构造应力的作用下所形成的多组节理很有规律，同 一节理组中的不同节理几乎均相互平行产出，产状近乎一致，也反映出该岩组遭 受构造应力作用的性质比较单一；其二是混合岩组形成的年代比较久远，在地史 上可能受到过很多期次不同性质地应力的综合作用因此造成其岩组中节理性质 多样，产状多变。 ( 1 ) 下混合岩组( s u l ) 该观测点位于扩帮区7 线西部，约3 1 0 m 台阶上，该处揭露的是下混合岩组， 岩层产状倾向e ，倾角陡，产状为8 4 。z 5 5 4 。 据详测线观测到的1 6 0 条节理的统计( 图 2 1 ) ，可以看出该处主要存在三组节理裂隙： s e e - - n w w 向、近s n 向和s e - - n w 向节理。 s e e - - n w w 向节理组：倾向n n e ，倾角 较陡，延伸性好，断面平直，中等粗糙一平滑， 泥质充填或无充填，向上张开3 l s m m 不等， 向下闭合。其优势方位的产状为2 5 。么6 0 。， 节理线密度为3 条m 。近s n 向节理组：倾向 e ，倾角陡，延伸性好，断面平直，闭合。 其优势方位的产状为9 5 。z 7 2 。，节理线密 口一目一z 篚一 度为3 条，m 。圈2 - 1 1 - 混合岩组中的节理等密度图 s e n w 向：倾向s w ，按倾角分两组，一组倾角中等、一组陡，前者延伸 性好，断面平直，有含矿石英脉充填，石英脉宽3 0 1 5 0 m m 不等，其优势方位 的产状为2 1 0 。z 8 0 。，节理线密度为4 条m 。后者延伸性中等，断面不平，中 等粗糙一粗糙，泥质充填，张开3 , - v l m m 不等，向下闭合。其优势方位的产状为 2 2 5 。么5 8 。，节理线密度为3 条i n 。 上述优势节理组中，n s 向组节理的倾角大于边坡角，对边坡稳定影响较小， 而s e e - - n w w 向节理与边坡走向之间的夹角相对小，它与其他节理裂隙共同作 用，对边坡稳定影响较大。 ( 2 ) 千枚状页岩组( p s ) 该观测点位于扩帮区9 线西部，约2 0 0 m 台阶上，该处揭露的是为叶家湾 组千枚状页岩组，其页理产状倾向e ，倾角陡，产状为9 6 。么7 6 。 中南大学硕士学位论文第二章扩帮区 ：程地质与水文地质 经现场观测统计( 图2 2 ) ，该处存在4 组主要节理：近e w 向、s e n w 向、n w w - - s e e 向、n e s w 向和n n w - - s s e 向节 理裂隙。其中后2 组相对较弱。 s e n w 向节理组：倾向s s w - - s w ， 倾角8 3 。左右，延伸性中等，断面平直、 平滑，闭合，呈分段密集产出；其中，倾向 近南的节理裂隙发育有硅质薄膜胶结。其优 势方位的产状为2 0 5 。z 8 0 。，节理线密度 为7 条1 0 c m 。n w w - - s e e 向节理组：倾向 n n e ，倾角中等一陡，延伸性中等一较差， 断面平直，闭合。其优势方位的产状为2 0 。么6 2 。，节理线密度为1 7 条m 。 s ! 二一：h i 量莹m 雌豳。_ n 图2 - 2 千枚状页岩组中的节理等密度图 s e - - n w 向节理组：倾向n e ，倾角较陡，延伸性中等，断面平直，闭合； 该组裂隙包含有页岩的层理。其优势方位的产状为1 2 0 。l 6 8 。，节理线密度为 1 2 条m 。 n n w - - s s e 向节理组：倾向w s ，倾角较缓，延伸性好，断面平直，充填有 热液石英脉胶结，石英硫化物矿脉宽5 8 m m 。其优势方位的产状为18 0 。3 8 。，节理线密度为4 条m 。 上述发育节理组中，由于节理密度大，且分段发育，岩体破碎，对目前边坡 稳定有影响很大，故扩帮区将来的边坡不应落在该岩组之上。 ( 3 ) 灰岩组( c 3 r 呻l m ) 该观测点位于扩帮区9 线东部，约2 0 0 m 台阶上，该处揭露的是船山一茅 口灰岩组，岩层厚度为8 0 1 2 0 c m ，岩层产状为1 2 4 。l 4 3 。 灰岩中有规律地发育着2 组节理，其中第一组产状为3 3 4 。z 2 7 。，节理线 密度为3 6 条m ；第二组节理的产状为( 2 3 3 2 5 9 ) 。z ( 5 6 一- 7 8 ) 。，节理线密 度为2 5 条m 。 ( 4 ) 上混合岩组( s u 2 l 该观测点位于护驾山区5 线东部，约2 0 0 m 台阶上，该处揭露的是上混合岩 组岩，岩层产状倾向e ，倾角陡，产状为1 5 2 。么5 4 。 据详测线观测获得的1 6 7 条节理的统计( 图2 3 ) ，可以看出该处主要存在四 组节理裂隙：n e s w 向、n w - - s e 向、近e w 向、和n n w s s e 向节理裂隙。 n e s w 向节理组：倾向s e ，倾角中等一陡，延伸性好，断面平直，充填 有含矿石英脉或石英方解石脉，产状稳定。其优势方位的产状为1 5 0 。z 5 0 。， 中南大学硕士学位论文 第二章扩帮区i ：程地质与水文地质 节理线密度为6 条m 。 n w - - s e 向节理组：倾向s w ，倾角陡， 延伸性好，断面平直、光滑，闭合状连通中 等一好，向坡内连通性降低。节理线密度为 8 条m ，其优势方位的产状为2 2 5 。么7 9 。 近e w 向节理组：倾向n n w ，倾角较 缓，延伸性中等，断面平直，闭合状，连通 中等。其优势方位为3 5 5 。z 2 0 。，节理密 度为4 条f m 。 n n w s s e 向节理裂隙：倾向n e e ， 倾角陡，延伸性好，断面平直，中等粗糙一 平滑，闭合。其优势方位的产状为7 0 。l 7 0 。，节理线密度为4 条m 。图2 - 3 上混合岩纽中的节理等密度图 上述节理组中，走向n w - - s e 组节理最发育，由于其倾角大于坡角，对边 坡稳定有影响较小，其他几组倾向坡内或与边坡走向夹角大，也对边坡稳定性影 响较小。 2 2 3 不良地质现象 通过这次工程地质勘探，同时参考已有资料成果的基础上，发现扩帮区不良 地质现象有老窿采空区、软弱岩层、不整合接触面、断裂及裂隙。 1 1 老窿采空区 扩帮区范围内老窿密布，最深距地表超过l o o m 。成份较复杂，主要成份有 矿砂、岩块、砂、土等，结构松散，强度不均匀。部分地段已完成自重固结，强 度稍高。另一方面，由于地下矿层被采空，矿层上部的岩层失去支撑，平衡条件 被破坏，随之产生弯曲、塌陷，以致发展到使地表下沉变形，这样采空区上部形 成了一套破碎、变形的岩层。 2 ) 松散岩组 受老窿采空区和f 2 构造的影响，扩帮区北西部老窿上部发育一套软弱岩组， 主要岩性有千枚状页岩、石英砂岩、石英斑岩。岩石极破碎。石英砂岩，石英斑 岩钻进进尺慢，孔壁易坍塌，很难采取原状岩芯。具体分布在：z k i i - - 0 1 孔 埋深标高3 1 1 o o 1 9 5 1 0 m ，z k l l7 - - 0 2 孔埋深标高2 6 7 0 1 1 8 3 7 m ，z k l 3 - - 0 1 孔埋深标高2 3 9 6 8 9 7 3 8 m 。 3 ) 软弱岩层 千枚状页岩和强风化石英砂岩。千枚状页岩强度低，易于破碎，遇水易软化、 膨胀、润滑。由于本区岩层产状陡倾，边坡很容易沿该层面滑动，尤其是该岩层 硪 似 墨! 玲 巨嘲 参| 一 伽 网 中南大学硕士学位论文第二二章扩帮区一i ：程地质与水文地质 与混合岩的不整合接触面。强风化石英砂岩抗剪抗压强度低，遇水散体，对边坡 稳定不利。分布范围：1 l7 线剖面长2 0 0 m ，厚8 m ，层顶埋深标高5 0 2 0 0 m ， 1 3 线有两层，第一层长2 5 0 m ，厚4 0 m ，层顶埋深标高o 1 8 0 m ；第二层长3 0 0 m ， 厚1 0 3 0 m ，层顶埋深标高- 8 0 2 0 0 m 。9 线剖面西侧原边坡沿千枚状页岩层 面和不整合接触面垮塌，形成自然边坡，证明软弱滑动面的存在。 4 1 断层及裂隙 f 2 断层，分布在工作区西部，为逆冲断层，走向北北东向，断面东倾，倾 角6 0 。，断层走向以1 5 。交角斜切地层，是扩邦区域西部最不稳定因素之一。 f 2 断层后期多次活动，在9 线、1 1 线和1 3 线剖面均具二、三层构造角砾岩， 构造角砾岩角砾成份为石英斑岩、石英砂岩、千枚状页岩等，胶结松散，它两侧 裂隙特别发育，岩石破碎，形成碎裂岩。岩芯钻钻进非常困难，常有掉块、卡钻 和漏水现象，岩芯多为岩石碎块。该断裂带的倾向与坡向基本一致，与混合岩和 叶家湾组形成走向断层。燕山晚期侵入的石英斑岩充填其中。通过压水试验f 2 构造带中单位吸水量为0 0 6 7 1 m i n m m 。 2 3 工程地质分区 本节将描述1 0 0 m 标高分区和最终理想境界分区的工程地质特征，然后对扩 帮区的稳定性作初步评价。 2 3 1 工程地质分区 1 ) 1 0 0 m 标高工程地质分区 扩帮区在+ 1 0 0 m 标高水平上，所有岩组均呈n n w - - s s e 方向展布。东帮