斷層對(duì)露天礦邊坡穩(wěn)定性影響數(shù)值模擬

侯林

（山西煤炭運(yùn)銷(xiāo)集團(tuán)貓兒溝煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036500）

斷層對(duì)露天礦邊坡穩(wěn)定性影響數(shù)值模擬

侯林

（山西煤炭運(yùn)銷(xiāo)集團(tuán)貓兒溝煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036500）

為研究斷層對(duì)露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響，以國(guó)內(nèi)某露天礦為例，通過(guò)對(duì)礦區(qū)地質(zhì)條件的分析，確定巖土體物理力學(xué)指標(biāo)，建立含斷層的典型數(shù)值模擬剖面。根據(jù)建立的典型剖面，利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D進(jìn)行邊坡變形破壞數(shù)值模擬。

露天礦；邊坡；斷層；數(shù)值模擬

0 引 言

露天開(kāi)采具有大型化、機(jī)械化、綜合化等特點(diǎn)，隨著開(kāi)采深度的不斷增加，生產(chǎn)過(guò)程中的問(wèn)題逐步凸顯，同時(shí)邊坡安全性引起大家的廣泛關(guān)注。露天礦邊坡安全問(wèn)題研究既有理論的指導(dǎo)意義，又具有鮮明的實(shí)踐意義。邊坡安全研究建立在多學(xué)科的基礎(chǔ)上，對(duì)復(fù)雜的多學(xué)科邊緣問(wèn)題綜合分析，研究結(jié)果最終用于生產(chǎn)實(shí)踐[1]。

露天礦邊坡失穩(wěn)、變形、破壞是由多種因素作用下引起，在研究過(guò)程中顯得極為復(fù)雜且十分困難，對(duì)于該問(wèn)題，普遍采用模型試驗(yàn)研究、理論研究和數(shù)值計(jì)算分析相結(jié)合的研究方法，以理論分析為基礎(chǔ)，利用試驗(yàn)研究和數(shù)值分析等手段，得出邊坡變形破壞機(jī)理和變形破壞規(guī)律[2]。目前，對(duì)于這類(lèi)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外一般運(yùn)用的數(shù)值分析方法有：有限差分法、有限元法、邊界元法、離散元法及流形元法等，其中有限元數(shù)值分析方法在處理各種邊界和邊界條件的組合問(wèn)題相對(duì)較容易，因而常被人們所使用且已達(dá)到非常高的使用水平。

露天礦邊坡與其它類(lèi)型邊坡主要的不同點(diǎn)之一在于人們不能輕易去改變周?chē)牡刭|(zhì)條件，導(dǎo)致露天礦邊坡在斷層、弱層、構(gòu)造破壞作用下，邊坡自身的變形破壞機(jī)理及自身穩(wěn)定分析成為及其復(fù)雜的問(wèn)題，特別是含斷層的露天礦邊坡，成為安全生產(chǎn)的重要隱患[3]。

鑒于此類(lèi)復(fù)雜條件下的邊坡穩(wěn)定問(wèn)題，依據(jù)傳統(tǒng)的極限平衡理論，在地質(zhì)構(gòu)造等因素影響下對(duì)邊坡變形破壞的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行論述、分析，無(wú)法清晰的揭示出變形破壞機(jī)理，進(jìn)而影響邊坡穩(wěn)定性預(yù)判[4-5]。因此，以國(guó)內(nèi)某露天礦為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)邊坡工程地質(zhì)條件分析，利用數(shù)值模擬方法，斷層對(duì)露天礦邊坡變形破壞、穩(wěn)定性的影響，揭示邊坡變形破壞機(jī)理，同時(shí)為國(guó)內(nèi)相似露天礦邊坡工程提供借鑒意義[6]。

1 邊坡工程地質(zhì)條件

露天礦典型工程地質(zhì)剖面圖如圖1所示，斷層帶及斷層面在局部邊坡已出露，以巖石分類(lèi)為基礎(chǔ)，以巖性特征，結(jié)構(gòu)構(gòu)造為特點(diǎn)及巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)參數(shù)等為依據(jù)，對(duì)巖石進(jìn)行巖組劃分，巖組自上而下分別為：第四系松散層，侏羅系泥巖組，砂巖組，煤層組。第四系松散層主要由黑褐色腐植土，黃色砂質(zhì)黏土、黏土、黃褐色砂礫石組成，與下伏第三系呈不整合接觸，厚度13.00～31.75 m。斷層走向北東，傾向北西，傾角54°～64°，區(qū)內(nèi)延展長(zhǎng)度9.4 km，落差0～ 87 m。數(shù)值模擬時(shí)，巖土體物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖1 典型工程地質(zhì)剖面圖

表1 巖土體物理力學(xué)指標(biāo)

2 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬

為研究斷層對(duì)露天礦邊坡變形規(guī)律、變形機(jī)理影響，采用的數(shù)值分析軟件為FLAC3D，該軟件能方便地模擬各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、復(fù)雜邊界及荷載條件，在模型構(gòu)建、材料的物理力學(xué)參數(shù)取值、荷載確定合適的條件下，可以得到比較準(zhǔn)確的解答，且能直觀地反映邊坡應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)隨開(kāi)采進(jìn)度等的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，對(duì)探討不同開(kāi)采條件下邊坡的變形機(jī)理具有重大作用[7-8]。

2.1 數(shù)值模擬模型的建立

為研究斷層對(duì)邊坡變形破壞機(jī)理的影響，本次模擬計(jì)算選取典型工程地質(zhì)剖面，模型的左邊界、右邊界和底部邊界分別以水平（X）和垂直（Y）方向的位移約束，從而構(gòu)成位移邊界條件，介質(zhì)的彈塑性狀采用理想的彈塑性模型描述，以保持整個(gè)系統(tǒng)受力體系的平衡計(jì)算模型如圖2[9-10]。

圖2 典型工程地質(zhì)剖面計(jì)算模型圖

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

利用FLAC3D對(duì)建立含斷層的典型工程地質(zhì)剖面進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果主要分為以下4部分：水平位移云圖、總位移云圖、剪切應(yīng)變?cè)茍D和剪切應(yīng)力云圖，分別如圖3—圖6。

由圖3水平位移云圖、圖4總位移云圖可知，邊坡隨著露天礦的逐漸開(kāi)挖，在臨空方向產(chǎn)生較為明顯的應(yīng)力釋放現(xiàn)象，從而使邊坡整體向臨空方向產(chǎn)生明顯的位移，最大位移發(fā)生上部第四、第五和第七平盤(pán)外緣，其主要原因是兩平盤(pán)坡體內(nèi)賦存明顯軟弱層組，同一水平斷層兩側(cè)位移明顯不同，主要原因是受斷層揉皺作用，巖土體力學(xué)強(qiáng)度明顯降低，斷層上部沿礦坑方向和沉降位移較大；圖5剪切應(yīng)變?cè)茍D反映了上部第四、第五和第七平盤(pán)平盤(pán)坡腳處存在較為明顯的應(yīng)變破壞區(qū)，斷層附近剪切應(yīng)變較大，且形成幾近連續(xù)的塑性應(yīng)變區(qū)；圖6剪切應(yīng)力云圖顯示，該剖面受斷層影響，斷層周?chē)纬奢^為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要由于斷層破碎帶巖石力學(xué)強(qiáng)度與原巖相比強(qiáng)度較低，因而在斷層破碎帶形成了較為明顯的應(yīng)力集中。

圖3 典型剖面水平位移云圖

圖6 典型剖面剪切應(yīng)力云圖

因此，露天礦邊坡有斷層存在的情況下，影響邊坡的變形破壞模式，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性受到影響，其根本原因是斷層的存在引起邊坡坡體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，同時(shí)在揉皺作用下斷層強(qiáng)度降低。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)邊坡地質(zhì)條件的分析，利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果得出以下結(jié)論：

1）露天開(kāi)采過(guò)程中，斷層揭露后坡體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，斷層周?chē)纬擅黠@的應(yīng)力集中現(xiàn)象，邊坡的變形破壞模式發(fā)生改變；

2）斷層帶巖體在揉皺作用下，自身強(qiáng)度發(fā)生改變，斷層揭露后邊坡穩(wěn)定性降低；

3）為相似地質(zhì)條件露天礦，在開(kāi)采過(guò)程中邊坡變形破壞模式及穩(wěn)定性分析具有一定的借鑒意義。

［1］鄧鵬宏，王海龍，張德輝.弓長(zhǎng)嶺露天礦含斷層邊坡穩(wěn)定性研究［J］.金屬礦山，2016（9）：53-57.

［2］曹蘭柱，張秀平，王東，等.含斷層露天礦逆傾層狀邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬［J］.金屬礦山，2015（3）：178-182.

［3］戴超.復(fù)雜斷層帶露天礦高邊坡開(kāi)挖穩(wěn)定性研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2016.

［4］劉立巖.斷層邊坡穩(wěn)定性研究及防治措施［J］.露天采礦技術(shù)，2014（3）：47-49.

［5］丁川.平莊西露天礦西北幫F3斷層區(qū)邊坡穩(wěn)定性研究［D］.阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2013.

［6］張保俊.基于FLAC～（3D）的邊坡穩(wěn)定數(shù)值模擬［J］.煤炭與化工，2014（1）：103-1048.

［7］程偉，郭永翔，朱杰.FLAC3D在巖體邊坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用［J］.水力發(fā)電，2015（12）：33-35.

［8］任志丹，呂力行.極限平衡法與FLAC3D在露天礦邊坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用［J］.河南科學(xué)，2014（7）：1300-1302.

［9］王向東，文江泉.用FLAC3D進(jìn)行土質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性分析［J］.西華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005（3）：87-89.

［10］王旭春，管曉明，杜明慶，等.安太堡露天礦邊坡蠕滑區(qū)滑動(dòng)機(jī)理與穩(wěn)定性分析［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2013（S2）：312-318.

【責(zé)任編輯：陳 毓】

Numerical simulation of the effect of faultage on slope stability in Open-pit M ine

HOU Lin
(Shanxi Coal Transportation and Sale Group Mao'ergou Coal Co.,Ltd.,Xinzhou 036500,China)

In order to research the effect of faultage on slope stability,taking the open-pitmine for example,through the analysis of the geological conditions,the article determines soil physical and mechanical indexes,and establishes the typical numerical simulation section with faultage.According to the established typical section,the author carries out the numerical simulation of slope deformation and failure by using numerical simulation software FLAC3D.

open-pitmine;slope;faultage;numerical simulation

TD824.7

B

1671－9816（2017）09－0059－04

2017-06-20

侯 林（1981—），男，工程師，本科，2004年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦物資源工程露天采礦專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)就職于山西煤炭運(yùn)銷(xiāo)集團(tuán)貓兒溝煤業(yè)有限公司，主要從事露天采礦技術(shù)管理工作。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.09.015

侯林.斷層對(duì)露天礦邊坡穩(wěn)定性影響數(shù)值模擬［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（9）：59-62.