含斷層露天礦逆傾層狀邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬

曹蘭柱 張秀平 王 東 宋子嶺

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

含斷層露天礦逆傾層狀邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬

曹蘭柱 張秀平 王 東 宋子嶺

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

平莊西露天礦西北幫為逆傾層狀邊坡，受坡體內(nèi)F3斷層及弱層的影響，開(kāi)采過(guò)程中存在滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。為保障采剝作業(yè)安全，開(kāi)展了西北幫邊坡穩(wěn)定性研究工作。選取西北幫斷層區(qū)的典型工程地質(zhì)剖面作為研究對(duì)象，應(yīng)用有限差分軟件FLAC3D，基于強(qiáng)度折減理論，將D-P準(zhǔn)則作為巖體破壞準(zhǔn)則，以塑性區(qū)貫通作為邊坡失穩(wěn)判據(jù)，對(duì)平莊西露天礦西北幫F3斷層區(qū)逆傾層狀邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。通過(guò)分析斷層與邊坡空間位置不同以及不含斷層條件下西北幫邊坡失穩(wěn)破壞特征，揭示了F3斷層對(duì)西北幫邊坡滑移模式與穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明，F(xiàn)3斷層的存在及其位置控制了平莊西露天礦西北幫斷層區(qū)邊坡的潛在滑坡模式，進(jìn)而影響了邊坡的穩(wěn)定性；滑坡的力學(xué)成因?yàn)閹r體在自身重力作用下順F3斷層面滑移，進(jìn)而擠壓下部巖體沿MD弱層向臨空面滑移，形成推動(dòng)式滑坡；斷層的存在會(huì)加速滑坡的進(jìn)程，且斷層距離邊坡面越近，這種作用越明顯。

邊坡穩(wěn)定性 逆傾層狀邊坡 斷層 滑移模式 數(shù)值模擬

邊坡穩(wěn)定性是露天礦開(kāi)采過(guò)程中需要面臨的重大問(wèn)題，其受多方面因素綜合作用，其中地質(zhì)條件構(gòu)建了含煤地層邊坡的內(nèi)在形態(tài)，人工開(kāi)挖活動(dòng)又直接誘發(fā)滑坡發(fā)生。地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜通常使得開(kāi)采難度加大，特別是斷層發(fā)育的區(qū)域滑坡事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響露天礦安全生產(chǎn)。1999年7月至2000年6月，南芬鐵礦礦區(qū)下盤(pán)邊坡中段370 m至620 m臺(tái)階受F2、F7斷層影響發(fā)生了大規(guī)模滑坡，邊坡破壞高度達(dá)252 m，使得+370 m臺(tái)階無(wú)法靠幫[1-2]。大冶鐵礦對(duì)20多a中發(fā)生的邊坡失穩(wěn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，該礦邊坡失穩(wěn)多表現(xiàn)為順層面滑動(dòng)和由斷裂與結(jié)構(gòu)面不同組合形成的楔體破壞，其中由斷層引起的滑坡土方量占總方量的77%[3]。

鑒于邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題的重要性與普遍性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從多個(gè)角度作了大量研究。在邊坡滑動(dòng)面形式方面，豐定祥等[4]探討了垂直裂縫、圓弧型和二次曲線型及其組合等多種形式。對(duì)于傳統(tǒng)條分法在邊坡最小安全系數(shù)和潛在滑動(dòng)面確定方面，曹平等[5]提出采用分區(qū)間利用混沌優(yōu)化和復(fù)合形法聯(lián)合搜索的方法；陳云敏等[6]采用粒子群優(yōu)化算法搜索最危險(xiǎn)滑面，經(jīng)過(guò)有限次迭代分析潛在滑動(dòng)面確定臨界滑動(dòng)面及最小安全系數(shù)。數(shù)值計(jì)算方面多采用強(qiáng)度折減法[7-10]計(jì)算邊坡穩(wěn)定性，王旭春等[11]應(yīng)用MIDAS-GTS軟件對(duì)安太堡露天礦西北幫邊坡蠕滑現(xiàn)象進(jìn)行了分析，曹蘭柱等[12-13]采用FLAC3D對(duì)水電站廠房邊坡的三維穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，趙尚毅等[14]采用ANSYS分析了巖質(zhì)邊坡的結(jié)構(gòu)力學(xué)行為，李連崇等[15]采用RFPA對(duì)節(jié)理巖質(zhì)邊坡變形破壞進(jìn)行了分析。盡管如此，對(duì)于含斷層露天礦邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題研究較少，仍未得到很好的解決。

平莊西露天礦西北幫有一斜交大斷層F3，隨著采剝工程向北推進(jìn)，F(xiàn)3斷層對(duì)西北幫邊坡穩(wěn)定性的影響日漸凸顯。為保障采剝作業(yè)安全，急需開(kāi)展西北幫斷層影響下的邊坡穩(wěn)定性研究。本研究針對(duì)平莊西露天礦西北幫邊坡工程地質(zhì)條件，采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D，對(duì)西北幫F3斷層區(qū)逆傾層狀邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，揭示F3斷層對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，為制定合理的開(kāi)采方案、實(shí)現(xiàn)資源安全回收提供依據(jù)。

1 邊坡工程地質(zhì)條件分析

平莊西露天礦西北幫邊坡工程地質(zhì)如圖1所示，其頂部邊坡已采掘到界，坡頂最大標(biāo)高545.3 m，坑底最低標(biāo)高+445.2 m，采掘垂深約100 m，共有10～14個(gè)臺(tái)階，邊坡角10°～13°，F(xiàn)3斷層帶及斷層面局部大面積出露。西北幫邊坡揭露的巖層有第四系和侏羅系。第四系松散巖組分布于地表，厚度約20 m，上部為粉質(zhì)黏土、次生黃土，底部為沖擊砂礫層。侏羅系位于第四系之下，與之呈角度不整合接觸，由上侏羅統(tǒng)的水泉組和元寶山組煤層構(gòu)成；傾向西，傾角8°～23°，平均13°左右，為反傾結(jié)構(gòu)邊坡；巖性以灰白色～灰色砂巖、砂泥巖為主，在底部南側(cè)，有一呈灰黑色、致密玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)的巖床狀巖漿侵入體(輝綠巖)。煤層由下而上分為1煤和2煤，在西北幫侏羅系巖層與煤層底板發(fā)育A弱層和MD弱層，均對(duì)西北幫邊坡穩(wěn)定性造成不利影響。F3斷層為一級(jí)構(gòu)造結(jié)構(gòu)面，左旋張扭性斷裂，在西北幫水平露頭寬度為7～13 m，落差150～300 m，傾向98°～130°，傾角22°～31°。巖土體物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

2 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬

邊坡穩(wěn)定性分析的方法比較多，但總的來(lái)說(shuō)可以分為2大類(lèi)，即以極限平衡理論為基礎(chǔ)的條分法和以彈塑性理論為基礎(chǔ)的數(shù)值計(jì)算方法。對(duì)于傳統(tǒng)的條分法，由于滑動(dòng)面是人為假定的，只能通過(guò)系統(tǒng)地求出一系列滑面發(fā)生滑動(dòng)時(shí)的破壞荷載，才能求得可能存在的最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面，因此計(jì)算精度粗糙、過(guò)程復(fù)雜，且傳統(tǒng)方法未考慮巖土體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，無(wú)法分析邊坡破壞的發(fā)生發(fā)展過(guò)程。對(duì)于邊坡破壞機(jī)制復(fù)雜或需考慮內(nèi)部應(yīng)力變形時(shí)，有必要采取數(shù)值計(jì)算進(jìn)行分析。本研究基于強(qiáng)度折減理論，采用有限差分軟件FLAC3D，將D-P準(zhǔn)則作為巖體破壞準(zhǔn)則，以塑性區(qū)貫通作為邊坡失穩(wěn)判據(jù)，對(duì)平莊西露天礦F3斷層作用下西北幫逆傾層狀邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，通過(guò)分析斷層與邊坡空間位置不同以及不含斷層條件下西北幫邊坡失穩(wěn)破壞特征，揭示F3斷層對(duì)西北幫邊坡穩(wěn)定性的影響。

圖1 西北幫典型工程地質(zhì)剖面

巖 組容 重/(kN/m3)黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)彈性模量/MPa泊松比Q黃土、砂質(zhì)黏土19.00.0524500.3J5-13泥巖、砂泥巖22.10.17311700.3J5-23砂巖、砂泥巖22.40.15311700.3煤 層12.80.14352000.25βμ輝綠巖26.70.261483400.25A弱層19.00.0510200.35MD弱層20.00.00214.5300.35F3斷層19.00.01911250.35

2.1 數(shù)值模擬模型的建立

為研究西北幫F3斷層發(fā)育形態(tài)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，按照斷層與邊坡面的空間關(guān)系與是否存在斷層的情況，分別選取了4 700 m剖面、4 900 m剖面和不含斷層的4 700 m剖面邊坡作為研究對(duì)象，分別建立了3個(gè)邊坡穩(wěn)定性模擬模型(如圖2所示)。其中，模型I為原4 700 m剖面，斷層與邊坡面距離較大；模型II為原4 900 m剖面，斷層與邊坡面距離較小；模型III為不含斷層的4 700 m剖面。模型的邊界條件均為：模型左右邊界施加水平約束，即使模型的邊界水平位移為零；模型底部邊界固定，即使底部邊界水平、鉛直位移為零；模型頂部及坡面部位為自由邊界。此外，分別在各個(gè)模擬模型中布置了10個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)比分析模擬得出的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D、位移場(chǎng)矢量圖及位移歷時(shí)曲線，可揭示斷層對(duì)邊坡滑移模式與穩(wěn)定性的影響。

圖2 計(jì)算模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

圖3所示為3個(gè)模擬模型的剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D，當(dāng)折減系數(shù)Ks=1.17時(shí)，模型I的剪切應(yīng)變塑性區(qū)貫通；當(dāng)折減系數(shù)Ks=1.10時(shí)，模型Ⅱ的剪切應(yīng)變塑性區(qū)貫通；當(dāng)折減系數(shù)Ks=1.31時(shí)，模型III也沒(méi)有形成一個(gè)貫通的塑性區(qū)，只是在坡腳形成局部的破壞。當(dāng)有斷層存在時(shí)，F(xiàn)3斷層、MD弱層構(gòu)成了的潛在滑體的邊界，表明此時(shí)邊坡的潛在滑坡模式為以MD弱層為底界面、以F3斷層為側(cè)界面的切層-順層滑動(dòng)；當(dāng)不含斷層時(shí)，僅在MD弱層的部分區(qū)域形成了塑性貫通區(qū)，此時(shí)邊坡的潛在滑坡模式為以MD底板弱層為底界面、以剪切圓弧為側(cè)界面的切層-順層滑動(dòng)。上述分析表明，隨著斷層位置變化而遠(yuǎn)離邊坡面，邊坡穩(wěn)定性逐漸增大，不含斷層時(shí)，邊坡穩(wěn)定性明顯提高。

圖4所示為3個(gè)模擬模型的位移矢量場(chǎng)，描述了坡體內(nèi)部各點(diǎn)的位移分布規(guī)律。可以看出，當(dāng)有斷層存在時(shí)，斷層、MD弱層與邊坡面所包絡(luò)形成的潛在滑體與滑床之間有明顯的相對(duì)位移，尤其當(dāng)斷層與邊坡面相距較近時(shí)更為明顯；上部巖體位移以下沉為主，下部巖體位移以水平為主，表明滑坡是由于上部巖體在自身重力作用下順F3斷層面滑移，進(jìn)而擠壓下部巖體沿MD弱層向臨空面滑移而發(fā)生推動(dòng)式滑坡。當(dāng)不含斷層時(shí)，MD弱層以上靠近坡面的巖體向臨空方向位移量最大，隨著遠(yuǎn)離邊坡面，坡體內(nèi)各點(diǎn)的位移量逐漸變小，以下沉方向?yàn)橹鳌?/p>

圖3 剪切應(yīng)變?cè)隽?/p>

圖4 位移矢量

圖5所示為3個(gè)模擬模型的水平位移歷時(shí)曲線，描述了滑體與滑床內(nèi)部各點(diǎn)的位移演變規(guī)律。模型I中，斷層上盤(pán)內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1#、3#、5#、7#、9#的最大水平位移分別為1.686 m、1.726 m、1.756 m、1.832 m和0.188 5 m，下盤(pán)內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)2#、4#、6#、8#、10#的最大水平位移分別為0.011 94 m、0.020 62 m、0.04 m、0.253 4 m和0.203 1 m，表明越靠近MD弱層，巖體位移越明顯。模型Ⅱ中，斷層上盤(pán)內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1#、3#、5#、7#、9#的最大水平位移分別4.658 m、4.784 m、4.878 m、5.294 m、0.337 9 m，下盤(pán)內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)2#、4#、6#、8#、10#的最大水平位移分別為0.108 2 m、0.226 6 m、0.275 9 m、0.221 0 m和0.301 2 m，同樣表明越靠近MD弱層，巖體位移越明顯。模型III中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1#～10#的最大水平位移分別0.223 3 m、0.121 2 m、0.449 4 m、0.291 2 m、0.330 6 m、0.374 7 m、0.405 0 m、0.579 1 m、0.341 7 m、0.107 m，無(wú)明顯位移，表明邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 水平位移歷時(shí)曲線

對(duì)比分析可知，當(dāng)斷層存在時(shí)，其上盤(pán)內(nèi)、MD弱層以上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移明顯，表明斷層的存在加速了位移的發(fā)展，進(jìn)而加速了滑坡的進(jìn)程，且斷層距離邊坡面越近，這種作用越明顯；滑坡發(fā)生前，位移累積增加，且初期邊坡位移增長(zhǎng)率較小，當(dāng)折減系數(shù)增大至某一值時(shí)，位移增長(zhǎng)率突然增大，預(yù)示著滑坡即將發(fā)生，表明滑坡的發(fā)生并不是一蹴而就，而是累進(jìn)性的。無(wú)斷層時(shí)，邊坡累積位移較小，且趨于平緩，表明邊坡較穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

(1) F3斷層的存在及其位置控制了平莊西露天礦西北幫斷層區(qū)邊坡的潛在滑坡模式，進(jìn)而影響了邊坡的穩(wěn)定性。當(dāng)斷層與邊坡面的距離較小時(shí)，滑坡模式為以MD底板弱層為底界面、以F3斷層為側(cè)界面的切層-順層滑動(dòng)；當(dāng)斷層逐漸遠(yuǎn)離邊坡面時(shí)，斷層對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響隨之減小，滑坡模式逐漸過(guò)渡為以MD底板弱層為底界面、以切件圓弧為側(cè)界面的切層-順層滑動(dòng)；無(wú)斷層時(shí)邊坡穩(wěn)定性較好。

(2) 滑坡的力學(xué)成因可描述為巖體在自身重力作用下順F3斷層面滑移，進(jìn)而擠壓下部巖體沿MD弱層向臨空面滑移，屬推動(dòng)式滑坡；斷層的存在加速了位移的發(fā)展，進(jìn)而加速了滑坡的進(jìn)程，且斷層距離邊坡面越近，這種作用越明顯。

(3)滑坡發(fā)生前，位移累積增加，且初期邊坡位移增長(zhǎng)率較小，當(dāng)位移增長(zhǎng)率突然增大時(shí)，即預(yù)示著滑坡即將發(fā)生而形成累進(jìn)式滑坡，應(yīng)對(duì)斷層區(qū)邊坡進(jìn)行動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測(cè)。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Numerical simulation on the Stability of Anti-dip Layered Slope at Open-pit Mine with Faults

Cao Lanzhu Zhang Xiuping Wang Dong Song Ziling

(MiningCollege，LiaoningTechnicalUniversity，F(xiàn)uxin123000，China)

During mining process in Pingzhuang west open-pit coal，there exists a serious sliding risk at northwest slope influenced by the F3fault and weak bedrock layer.To make sure the security of mining-stripping operation，stability researches on northwestern slope were carried out.Based on the strength reduction theory and the rule of D-P，taking transfixion of plastic zone as the slope instability criterion，F(xiàn)LAC3Dsoftware was used to make the numerical simulation on the stability of the anti-dip layered slope at northwest F3fault in Pingzhuang West open-pit coal.From the analysis of different spatial location of fault and slope，and the unstable failure characteristics of slope which did not have fault in northwest，it is indicated that F3fault has a great effect on slope slippage pattern and stability in northwest.The potential slide pattern of northwest slope was controlled by F3fault and its location in Pingzhuang West open-pit coal.Landslide was caused by the rock gravity，as the rock slides along F3fault.Lower rock was squeezed to slide along MD weak layer to the free face，which formed the pushing landslide.Because the existence of fault，landslide was accelerated.The nearer distance of fault from slope surface，the more obvious the effect is.

Slope stability，Anti-dip layered slope，F(xiàn)aults，Slip mode，Numerical simulation

2014-11-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51104084，51474119)，國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(編號(hào)：U1361211)，高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)基金項(xiàng)目(編號(hào)：20122121110003)。

曹蘭柱(1962—)，男，教授，博士研究生導(dǎo)師。

TD824.7

A

1001-1250(2015)-03-178-05