基于三维摄影测量地质调查的边坡破坏模式分析

阮琰文，牛小明

(1.鑫都矿业有限公司， 北京 100055；2.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012)

基于三维摄影测量地质调查的边坡破坏模式分析

阮琰文1，牛小明2

(1.鑫都矿业有限公司， 北京 100055；2.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012)

边坡安全是露天矿山安全生产的重要环节，准确计算分析边坡稳定性必须了解岩体节理产状。通过三维摄影测量系统进行工程地质调查，查明了图木尔廷-敖包锌矿岩体节理裂隙产状，并对每种岩体的节理裂隙进行了分析，得出了其可能导致的边坡破坏模式，为边坡稳定性计算提供了基本依据。

工程地质调查；三维摄影测量；边坡破坏模式

图木尔廷-敖包锌矿位于蒙古国东部的无林草原带，该地区是典型的丘陵地形，相对高差较小，海拔标高一般在1000～1100 m之间。矿山为露天开采，设计规模为30万t/a。设计凹陷露天采场规格为上口尺寸660 m×460 m，下口尺寸为160 m×(20～50) m，坑底标高902 m，地面封闭圈标高1070 m，露天边坡最大高差下盘208 m，上盘170 m。目前露天开采阶段主要有1070 m台阶、1058 m台阶、1046 m台阶、1034 m台阶和1022 m台阶。根据露天边坡采场岩体的赋存条件，采场顶帮一般为中—粗粒花岗岩、粘土板岩、钠长角岩、晶状石灰岩、大理石，底帮和西端帮为晶状石灰岩、大理石，东端帮为中-粗粒花岗岩。

为计算分析露天采场边坡稳定性，须对边坡岩体进行工程地质调查，尤其是查明岩体节理裂隙情况。传统的调查方法主要采用测线法和体积密度法，主要是用罗盘、卷尺等工具对待调查的岩体对象进行手工测量并记录相应测量数据(包括节理裂隙产状，结构面间距、长度和宽度，充填物厚度等)，同时对岩体的结构面形状、干燥程度等内容进行描述。这种方法现场工作量大、效率较低且因人而异调查结果会产生误差。本次工程采用了较为先进的三维摄影测量系统，利用该系统测量岩体节理裂隙参数并通过分析参数得到了不同边坡的破坏模式。这种方法可极大地减轻现场工作量，同时获得较为准确的调查结果。

1 地质调查

露天矿边坡稳定性受到诸多因素的影响，包括工程地质条件(主要是边坡所在位置的岩体结构、构造以及应力环境)、水文地质条件、设计边坡参数和外力影响等。其中对边坡岩体的节理裂隙现场调查是岩体质量评价和边坡破坏模式分析的重要步骤，对边坡稳定性计算分析有重要影响。

1.1 调查方法

为查清矿山节理裂隙情况，采用的调查方法是SIROVISION三维数字摄影测量和岩体结构分析系统，该系统利用数码相机获取待调查的地质体的高清图像，经过系统软件将高清图像合成为三维模型，并通过对此三维模型进行岩体结构参数分析获得调查对象的地质信息。SIROVISION系统主要用于矿山及岩体工程领域，为快速、高效和安全地进行地质信息调查、岩体稳定性分析提供了新型处理工具。

该系统由两大部分组成：硬件部分主要为相机以及配套支架、测距仪、罗盘等，软件部分主要为具备三维成像功能的SIRO3D软件和三维模型分析软件SIROJOINT。

1.2 调查内容

为分析边坡岩体的破坏模式，本次调查主要包括岩体中的节理裂隙产状、规模等，主要是：节理面在空间上的分布状态用倾向和倾角表示，节理间距、长度和宽度等用线节理密度或体积节理密度表示，节理性质，节理裂隙充填物性质，节理裂隙含水情况等。最终统计结果用极点等密度图和赤平极射投影图表示。

1.3 边坡岩体摄影测量

根据前期资料，该区域边坡主要以大理岩、矽卡岩和花岗岩为主。因此将本次调查对象分为3组，分别是大理岩组、矽卡岩组、花岗岩组。边坡岩体摄影测量分析见图1～图3所示。

图1 矽卡岩摄影测量分析

图2 花岗岩摄影测量分析

图3 大理岩摄影测量分析

2 破坏模式分析

2.1 矽卡岩

根据摄影测量分析统计，矽卡岩主要分布在北边坡，由石灰岩经双交代作用形成，岩体结构类型为块状结构，主要发育有3组节理：

(1) J1组节理，产状为179°∠86°；

(2) J2组节理，产状为233°∠63°；

(3) J3组节理，产状为312°∠71°。

节理长度大于2 m，同一地点一般发育3组节理，基本以剪节理为主，局部充填有少量的方解石、铁质和泥质，节理面平直、干燥；节理间距为0.1～2.1 m，平均线节理密度λ为2.10条/m，经换算的RQD值为98.1%。其中第1、第3组节理斜切边坡，节理与边坡方位见图4。

图4 矽卡岩破坏模式

从图4可以看出，该边坡破坏模式主要为楔体滑动破坏，在第1、第3组节理与边坡面的共同作用下，边坡岩体被切割为楔形体，由于1、3组节理交线的倾角小于坡面角，楔形体将沿交线往下滑动(图中所示方向)。同时由于第2组节理(平行边坡的陡倾斜顺层节理)的存在，楔形体被分割为多个小的楔体产生滑动破坏，破坏模式见图5，现场照片见图6。

图5 矽卡岩边坡破坏模式

图6 矽卡岩边坡破坏情况

2.2 花岗岩

花岗岩主要分布在南部边坡，为中风化中-粗颗粒花岗岩，岩体节理裂隙发育，由于风化蚀变强烈，强度较低，岩体为块状和碎裂结构。通过摄影测量可知，该岩体主要发育有3组节理：

(1) J1组节理，产状为154°∠38°；

(2) J2组节理，产状为255°∠82°；

(3) J3组节理，产状为350°∠40°。

节理长度一般为10 m左右，同一地点一般发育3组节理，基本以剪节理为主，节理面一般无充填物，局部有少量的泥质，节理面平直、干燥；节理间距为0.1～2.5 m，平均节理间距为0.82 m，平均体积节理密度Jv为5.15条/m3，平均线节理密度λ为1.22条/m，经换算的RQD值为98%。节理与边坡方位见图7。

图7 花岗岩破坏模式

通过图7可以看出，边坡被3组节理切割为长方形岩块，其中J3组节理近平行于边坡面，边坡破坏容易产生沿该组节理的滑动。现场调查被切割后的单个岩块高度约为H=0.4～2.5 m，底边长为b=0.5～1.3 m，斜面倾角α=55°，节理面摩擦角φ=30°，由此可以得出：α>φ并且b/H

2.3 大理岩

大理岩主要分布在西边坡，岩体结构类型为块状结构，通过摄影测量可知，主要发育4组节理：

(1) J1组节理，产状为121°～128°∠71°～80°；

(2) J2组节理，产状为210°～240°∠60°～63°；

(3) J3组节理，产状为38°～43°∠60°～67°；

(4) J4组节理，产状为38°～49°∠38°～40°。

节理长度一般为3～5 m，同一地点一般发育3～4组节理，基本以剪节理为主，节理面一般无充填物，节理面平直、干燥；节理间距为0.2～1.0 m，平均节理间距为0.57 m，平均线节理密度λ为1.75条/m，经换算的RQD值为98.6%。节理与边坡方位见图10。

图8 花岗岩边坡破坏模式

图9 花岗岩边坡破坏情况

图10 大理角岩破坏模式

通过图10可以看出，大理岩岩体边坡被4组节理切割，其中J1组节理近平行于边坡面，边坡破坏容易产生沿该组节理的滑动。在第2、第3组和第2、第4组节理与边坡面共同作用下，边坡岩体被切割为楔形体，由于楔体交线倾角小于坡面角，楔形体将沿交线往下滑动。破坏模式见图11，现场照片见图12。

图11 大理岩边坡破坏模式

图12 大理岩边坡破坏情况

3 结 论

通过SIROVISION三维数字摄影测量和岩体结构分析系统对图木尔廷—敖包锌矿各岩组边坡节理裂隙进行了工程地质调查，综合分析调查数据和现场实际情况得到了不同边坡破坏模式，主要形成了以下结论：

(1) 三维摄影测量系统能够准确获取露天边坡岩体节理裂隙产状等参数，其具有测量精度高、测量速度快和携带方便等特点。

(2) 通过对边坡岩体节理裂隙的调查，可分析出边坡破坏模式，为边坡稳定性分析提供依据。

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2017-04-05)

阮琰文，男，陕西渭南人，工程师，主要从事露天开采现场技术管理工作,Email：476418948@qq.com。