基于FLAC3D的露天礦采場邊坡破壞機理研究

馬駿驊

（中煤科工集團沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧沈陽110015）

基于FLAC3D的露天礦采場邊坡破壞機理研究

馬駿驊

（中煤科工集團沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧沈陽110015）

以鳳城市某露天采礦場邊坡為例，通過工程鉆探、物探、大型剪切試驗等得到各巖層屬性參數(shù)。利用FLAC3D軟件對該邊坡進行三維數(shù)值模擬，分析應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，得出變形較大及應(yīng)力集中區(qū)域，給出了邊坡破壞的機理，驗證數(shù)值模擬可靠性，為邊坡抗滑設(shè)計提供依據(jù)。

FLAC3D；露天邊坡；破壞機理

0 引言

露天礦邊坡變形破壞研究是一項關(guān)系到礦山安全建設(shè)、礦山生態(tài)可持續(xù)發(fā)展以及閉坑后綜合治理與利用的炙熱課題。加深加陡重利益的開采也為人民生命財產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重的危害，因此對露天礦山邊坡的破壞及穩(wěn)定性研究具有重要的意義[1]。目前對邊坡的穩(wěn)定性破壞評價方法主要包括極限平衡法，有限元法、離散元法等[2]，F(xiàn)lAC3D作為有限差分法，適用于多種不同本構(gòu)關(guān)系材料[3]，對連續(xù)介質(zhì)可進行非線性大變形分析，突破了簡化為平面應(yīng)變二維模擬的局限性，應(yīng)用效果良好。

對岫巖縣某邊坡變形破壞效應(yīng)采用三維模型進行分析，使模擬條件更接近工程實際[4]，為邊坡的安全生產(chǎn)以及進一步抗滑設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況

采礦場邊坡位于遼寧省鳳城市劉家河與四門子兩鎮(zhèn)之交界處，采礦場東東南距鳳城市40 km。東側(cè)有沈丹鐵路、沈丹公路、沈丹高速公路通過，交通方便。勘察區(qū)礦山處于遼東低山丘陵區(qū)，地貌類型為剝蝕低山區(qū)和山間谷地，海拔高度在280～613 m，山坡原始地形坡度25°～35°。目前采礦邊坡走向呈東西展布，最高標(biāo)高580 m，最低點標(biāo)高為430 m，坡面主要分為3級臺階，各級臺階高約為20 m，且傾角約為45°～66°，最小工作平臺寬度不足1 m。

工作區(qū)域出露的地層巖性單一，主要為中下元古界遼河群里爾峪組，由黑云變粒巖組成，其中夾多層透輝變粒巖、電氣變粒巖、磁鐵淺粒巖等。巖石中見有寬度0.5～2.0 cm長石英質(zhì)脈，混合巖化較強，受爆破開采以及區(qū)域構(gòu)造影響，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，邊坡巖體破碎較嚴(yán)重。根據(jù)鉆探揭露情況判別，普遍孔深前25 m為極破碎。

2 邊坡穩(wěn)定性三維數(shù)值模擬

2.1 模型建立及參數(shù)選取

由于FLAC3D在數(shù)值模擬的前期處理方面的不足，在這里采用ANSYS建立幾何模型并進行網(wǎng)格剖分，將節(jié)點、單元導(dǎo)入FLAC3D中進行計算。

為防止邊界效應(yīng)對研究區(qū)域產(chǎn)生影響，模型尺寸應(yīng)大于研究區(qū)域，邊坡尺寸設(shè)置為沿坡體走向近長800 m，寬392 m,高240 m，鑒于ANSYS強大的前處理功能，幾何模型的構(gòu)建及網(wǎng)格的劃分在ANSYS中完成。對模型的兩側(cè)（X方向）、前后（Y方向）施加水平約束，底面（Z方向）施加垂直約束。對于巖土體采用摩爾-庫倫模型。對于單元的劃分，在巖體風(fēng)化殼表層節(jié)理裂隙發(fā)育地帶進行更精細(xì)的劃分，共剖分了56 936個單元，11 061個節(jié)點。

根據(jù)現(xiàn)場勘察，邊坡巖層表面以下約25 m內(nèi)，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，25 m以下巖層完整性較好，故將邊坡分為2個巖層屬性，模型參數(shù)統(tǒng)計見表1。

表1 模型參數(shù)統(tǒng)計

2.2 基本原理

FLAC3D即快速拉格朗日差分分析，廣泛的應(yīng)用于工程數(shù)值分析當(dāng)中，其原理是利用有限差分的方法進行求解計算，具體過程要先生成網(wǎng)格，并把物理網(wǎng)格映射到數(shù)學(xué)網(wǎng)格上，使數(shù)學(xué)網(wǎng)格編號為i、j的節(jié)點同物理網(wǎng)格相應(yīng)的節(jié)點x、y對應(yīng)起來，形成相互映射。假設(shè)某時刻的各個節(jié)點的速度為已知，根據(jù)高斯定理求出各個單元的應(yīng)變率，再根據(jù)材料的本構(gòu)關(guān)系求得單元的新應(yīng)力。通過不斷的迭代求解，可以得出邊坡各單元、節(jié)點的應(yīng)力應(yīng)變值，便可以對邊坡的破壞過程進行模擬[5]。

2.3 邊坡穩(wěn)定性模擬結(jié)果

2.3.1 三維數(shù)值模擬應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律

通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件得出邊坡的各個方向的三維應(yīng)力應(yīng)變云圖如圖1—圖7。

圖1 X方向應(yīng)力云圖

圖2 Y方向應(yīng)力云圖

圖3 Z方向應(yīng)力云圖

圖4 X方向位移云圖

圖5 Y方向位移云圖

圖6 Z方向位移云圖

圖7 塑性帶云圖

如圖1—圖3，從總體應(yīng)力分布可以看出，最大主應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在坡體內(nèi)部，表層臨空面為最小主應(yīng)力區(qū)，在表層節(jié)理裂隙發(fā)育密集區(qū)巖層中出現(xiàn)局部拉應(yīng)力區(qū)域，Z軸方向由于重力壓致拉裂，形成大范圍壓力區(qū)以及少部分拉力區(qū)，和現(xiàn)場發(fā)生的巖層傾倒拉裂較為一致。該邊坡巖體中發(fā)育陡傾角節(jié)理面，且存在著與此結(jié)構(gòu)面平行的邊坡臨空面使邊坡巖體沿不連續(xù)面逐步變形傾倒，一般規(guī)模不大多為臺階邊坡破壞。根據(jù)現(xiàn)場觀測，本次勘察每個邊坡均存在一組傾向與坡面傾向基本一致的陡傾角節(jié)理面，在邊坡坡角陡的地段，邊坡巖體已出現(xiàn)傾倒型破壞，規(guī)模較小，為臺階邊坡破壞；如果邊坡坡腳進一步加大開挖，將形成臨空面使邊坡巖體沿不連續(xù)面逐步變形傾倒，使邊坡巖體發(fā)生傾倒破壞[6]。X方向應(yīng)力云圖臺階臨空面上出現(xiàn)少量拉張應(yīng)力區(qū)以及坡面受巖層傾倒破壞所致，出現(xiàn)較大范圍的拉張力。

從圖4—圖6可見，Y方向位移明顯大于X方向位移，且主要向南側(cè)坡外即Y軸方向產(chǎn)生位移，這與滑坡體沿著主軸方向產(chǎn)生位移的規(guī)律是一致的。坡底巖體由于邊坡向坑內(nèi)的擠壓，形成大滑動趨勢，而后緣坡體拉張傾倒裂隙，產(chǎn)生正位移。坡體Z方向位移分布與總體位移分布規(guī)律大體一致。表層位移變化量最大，向下位移值逐漸減小，直至相對于上層滑帶形成相對位移。

從圖7可見，滑坡區(qū)域有塑性區(qū)域發(fā)生，從剖面圖上看，主要分布在坡體的臨空面上的各臺階處，滑面處為剪切應(yīng)力集中區(qū)域，出現(xiàn)沿層面上的局部剪應(yīng)力區(qū)域，當(dāng)這些局部剪應(yīng)力帶全部貫通，總剪切力超過滑帶極限抗剪強度，坡體會產(chǎn)生滑坡的可能。但目前坡體尚未形成連貫的破壞區(qū)。當(dāng)邊坡巖體破碎、極破碎，巖體呈散體狀結(jié)構(gòu)或碎裂狀結(jié)構(gòu)，可能產(chǎn)生圓弧型破壞。該邊坡臺階處受礦山放炮及開采等活動影響，一般深度20～25 m、局部30 m范圍的巖體為破碎～極破碎，可能在破碎～極破碎山體內(nèi)發(fā)生圓弧型滑動破壞[7]。

因此從數(shù)值模擬結(jié)果來看，該露天采場邊坡的破壞模式可能會發(fā)生圓弧滑動或是傾倒破壞，結(jié)合現(xiàn)場，局部陡峻的斜坡地段，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎的情況下易也發(fā)生了破碎巖體的崩塌現(xiàn)象，人為的爆破和開采也加重了邊坡的崩塌破壞[8]。

2.3.2 切割剖面應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律

從整個坡體來看，位于x=350 m處剖面發(fā)生的變形值較大，具體剖面上應(yīng)力應(yīng)變云圖見圖8—圖12。

圖8 x=350面最小主應(yīng)力切片云圖

圖9 x=350面最大主應(yīng)力切片云圖

圖10 x=350面X方向位移切片云圖

圖11 x=350面Y方向位移切片云圖

圖12 x=350面Z方向位移切片云圖

從云圖可見x=350 m剖面上Z軸方向發(fā)生豎向位移從坡頂?shù)狡碌字饾u減小，由于邊坡向坑內(nèi)的擠壓，形成大滑動趨勢，使得坑底隆起形成拉張破壞，發(fā)生沿Z軸正方向位移，而坡體后緣拉張裂隙至坡頂，位移量逐漸減小。其他在X軸方向位移，表層大于內(nèi)部，而Y軸位移中部臺階集中區(qū)形成的向坑內(nèi)的位移量明顯大于其他方向。從應(yīng)力云圖上來看，最大主應(yīng)力位于坡體內(nèi)部，最小主應(yīng)力位于表層臨空面。

3 結(jié)論

1）露天礦采場邊坡的破壞模式可能會發(fā)生圓弧滑動或傾倒破壞，結(jié)合現(xiàn)場，局部陡峻的斜坡地段也易發(fā)生崩塌破壞。

2）通過FLAC3D軟件采用數(shù)值模擬技術(shù)對鳳城縣某露天采礦邊坡進行三維數(shù)值模擬，直觀的得出邊坡開挖后的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)場分析了變形破壞模式，對邊坡的進一步治理帶來指導(dǎo)。

［1］金文佳，楊澤，侯克鵬，等.尖山邊坡穩(wěn)定性的三維動態(tài)數(shù)值模擬分析［J］.有色金屬（礦山部分），2010，62（6）：42-46.

［2］鄧建輝，魏進兵，閩弘.基于強度折減概念的滑坡穩(wěn)定性三維分析方法（I）：滑帶土抗剪強度參數(shù)反演分析［J］.巖土力學(xué)，2003，24（6）：896-900.

［3］王振勉，易武，孟召平，等.FLAC3D在滑坡數(shù)值分析及監(jiān)測預(yù)警設(shè)計中的應(yīng)用［J］.地下空間與工程學(xué)報，2006，2（8）：1477-1480.

［4］許鵬.汪延公路膨脹性軟巖滑坡抗滑樁土效應(yīng)研究［D］.吉林大學(xué)，2013.

［5］鄭穎人，趙尚毅，鄧衛(wèi)東.巖質(zhì)邊坡破壞機制有限元數(shù)值模擬分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22（12）：1943-1952.

［6］王學(xué)志，翟誠，畢重，等.FLAC3D在邊坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用［J］.吉林水利，2010（6）：39-41.

［7］李旭東.FLAC3D在邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用［J］.中國水運月刊，2008（4）：77-79.

［8］夏元友，李梅.邊坡穩(wěn)定性評價方法研究及發(fā)展趨勢［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2002，21（7）：1087-1091.

【責(zé)任編輯：陳毓】

Study on mechanism of slope failure based on FLAC3Din the open-pit mine stope

MA Junhua
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China)

Taking stope slope in Fengcheng Open-pit Mine for example,the mine obtains parameters of each rock stratum through engineering drilling,geophysical exploration,large shear test.The mine carries out three-dimensional numerical simulation on the slope by FLAC3D,analyzes the relationship of stress-strain to get a large deformation and stress concentration area,gives the mechanism of slope failure and verifies the reliability of numerical simulation,which provide the basis for the anti-sliding design of the slope.

FLAC3D;open-pit slope;failure mechanism

TD824.7

B

1671－9816（2017）01－0016－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.01.005

馬駿驊.基于FLAC3D的露天礦采場邊坡破壞機理研究［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（1）：16-18.

2016-07-13

馬駿驊（1984—），男，黑龍江牡丹江人，工程師，地質(zhì)工程專業(yè)碩士，主要從事巖土工程勘察、地質(zhì)災(zāi)害設(shè)計工作。