国仕磊 葛汝豪 熊晶晶

（北方矿业有限责任公司，北京 100054）

0 引言

岩质边坡的破坏模式多种多样，目前就研究成果来看，岩质边坡的破坏模式主要分为平面破坏、楔形破坏、倾倒破坏、圆弧破坏和折线破坏以及复合型破坏等等[1]。平面破坏在矿山开采过程中十分常见，可以在单个台阶上产生局部的破坏，也可以连接多个台阶产生大面积的破坏，后者产生的可能性较小。平面破坏典型的岩质边坡的平面滑动破坏通常是滑体沿与山坡倾向大致相近的单一滑面滑移，滑面可以是岩体内发育的构造结构面等，如岩层层面、层间软弱夹层和长大断层节理裂隙[2]。

对于边坡平面破坏的识别和分析研究，国内学者开展了相关的研究工作。李长洪等结合水厂铁矿的地质环境、构造、岩性和水文地质条件，确定了各岩组可能产生的破坏模式[3]。王飞飞等铜山口铜矿为例，分析了采场各分区平面破坏的可能性，结合分析结果推荐了并段边坡和不并段边坡的坡面角[4]。贺超等分析了刚果（金）南II 矿边坡的平面破坏的可能性，得到了在自重和地下水的基础条件下，有张裂缝存在和施加爆破振动力最易产生平面破坏[5]。路为等将岩质顺层边坡的平面破坏根据其变形破坏的力学机制分成两种地质力学模式:滑移-拉裂型和水力驱动型，并探讨了平面破坏产生的破坏机制[6]。李连祥、冯开帅、李纪良等都针对平面破坏机制进行了相关的试验和研究[7-9]。

本文以刚果（金）庞比铜钴矿为研究对象，针对采场产生的平面破坏开展，研讨台阶平面破坏的识别和分析方法。

1 矿山概况

刚果（金）庞比铜钴矿位于刚果（金）卢阿拉巴省，在科卢韦齐市以东约70km，海拔标高在1470m～1550m之间，地势平坦，仅有一些小山丘，矿区现场植被发育，植被覆盖良好。属热带草原气候，全年一般有两季，11月到4月为雨季，5月到10月为旱季，雨季的特点是经常下大暴雨，时间长短不定，年平均降雨量1220mm，全年最高温度变化不大。矿区位于区域加丹加弧形构造带北西部，矿区范围内出露地层由老至新主要为罗安群（R1及R2）、恩古巴群（Ng），其多被覆盖于第四系残坡积（Q）粉质粘土层下，仅在脊状地表、南部冲沟及零星分布的人工采坑等部位有出露，矿区内未见岩浆岩产出。矿区内褶皱以紧凑、平行的背斜—向斜为主，构造带内次级构造极其复杂，穹隆、残丘、背向斜、推覆构造和断裂极其发育。

矿区内共有PN 矿、KE 矿、KS 矿和PG 矿四个采场，目前只有PN 和KE 采场正在进行开采。现场不具备产生大型平面破坏的条件，台阶平面破坏时有发生。

2 台阶平面破坏形成原理

台阶平面破坏的形成条件必然是有一条结构面，且结构面的走向与边坡面的走向平行或近似平行，结构面的摩擦角小于结构面的倾角小于边坡面的倾角，平面破坏才会在自然条件下产生，如图1 所示。结构面倾角小于边坡面倾角是产生平面破坏或顺层破坏的基础条件，倘若结构面倾角大于边坡面倾角则不会产生破坏或产生倾倒破坏；结构面摩擦角小于结构面倾角是平面破坏滑动的条件。因此基于平面破坏产生的条件，同时结构面摩擦角小于结构面倾角时，平面破坏才会产生滑动。

图1 平面破坏原理分析图

图2 整体平面破坏

图3 上部断裂平面破坏

3 台阶平面破坏的识别

平面破坏的识别方法主要有现场勘察和赤平投影分析两种方式。在现场勘察中比较容易识别，且其重要的特征也较为单一，即在平台坡面上出现一个规整的平面，面上的岩石掉落。

在现场勘察中发现采场出现的平面破坏主要有两种形式，第一种为整体平面破坏，从台阶上部整体沿着平面滑落，堆积在坡面下部；第二种为上部断裂平面破坏，台阶并未整体发生破坏，而是上部岩石断裂导致平面破坏沿着上部断裂面滑落，堆积在坡面下部。

赤平投影分析主要方法为通过现场结构面测量得到岩体的优势结构面产状，与边坡坡面的产状进行对比分析，得到可能会产生平面破坏的优势结构面，之后结合岩石的三轴试验得到的粘聚力和内摩擦角换算出等效内摩擦角，进而分析结构面倾角、边坡倾角和内摩擦角之间的关系分析产生平面破坏的可能性。

从图4 中可以看出优势结构面3（295°∠69°）与边坡坡面（286°∠75°）可能产生平面破坏，通过倾角换算公式1 将优势结构面的倾向划算与边坡坡面倾向相同，划算后得到倾角为68.76°。

岩体等效内摩擦角在工程中应用较广，也为广大工程技术人员所接受，可用其来判断边坡的稳定性。等效内摩擦角计算公式如下：

式中：φ—内摩擦角，°；

φd—等效内摩擦角，°；

c—内聚力，kPa；

σ—正应力，kPa。

表1 白云岩等效内摩擦角

图5 中为边坡面、为结构面、为台阶高度为12m时饱和和自然状态下的等效内摩擦角，根据平面破坏产生的条件，结构面的摩擦角小于结构面的倾角小于边坡面的倾角，可以得到台阶高度为12m，自然状态和饱和状态下都不会产生平面破坏。

4 台阶平面破坏安全分析

（1）结构面参数

根据《工程岩体分级标准》中岩体结构面抗剪断峰值强度建议[10]，参考《水利水电工程地质勘察规范》中结构面、软弱层、断层的抗剪断强度和抗剪强度要求[11]，对结构面进行综合选值，见表2。

（2）分析工况及许用安全系数

对庞比铜钴矿边坡结构面平面破坏进行如下6种受力情况的分析及许用安全系数，安全系数的选用参考《非煤露天矿边坡工程技术规范》要求进行选取：

I：自重（无张裂隙）+地下水状况，K=1.21；

II：自重（无张裂隙）+地下水+爆破振动力状况，K=1.19；

III：自重（无张裂隙）+地下水+地震力状况，K=1.16；

IV：自重（有张裂隙）+地下水状况，K=1.21；

V：自重（有张裂隙）+地下水+爆破振动力状况，K=1.19；

VI：自重（有张裂隙）+地下水+地震力状况，K=1.16。

根据以上六种工况，计算分析时白云岩结构面参数采用饱水状态的数据。

（3）分析结果

采用RocPlane 分析软件，分析北部边坡可能发生平面破坏的可能性。本次平面破坏分析主要考虑台阶高度为12m 情况，并考虑到坡顶有张裂缝存在。典型的平面破坏分析结果图如图6所示，计算结果如表3所示。从分析结果表得知：

表3 白云岩台阶平面破坏分析结果

图6 12m台阶（坡面角75°）受力I和IV时分析结果图

1）受力I～III、IV～VI 条件下，随着坡面角度增大或台阶高度增大台阶安全系数依次降低。

2）白云岩边坡台阶高度为12m 的情况下，坡面角70～75°时，六种受力情况边坡的安全系数均大于许用安全系数，边坡台阶不会发生平面破坏。

3）计算分析结果与赤平投影分析结果一致。

5 结论

（1）平面破坏识别两种主要途径，现场勘察和赤平投影分析，其中赤平投影分析能够判断平面破坏发生的可能性，通过分析可以坡面角为75°，台阶高度为15m时平面破坏不会产生。

（2）通过RocPlane 分析台阶高度为12m 的情况下，坡面角70～75°时，六种受力情况边坡的安全系数均大于许用安全系数，边坡台阶不会发生平面破坏。

（3）计算分析结果与赤平投影分析的结果相同，表明结果可靠。