勝利露天礦邊坡工程漸進(jìn)性破壞分析研究

呂金星，韓 磊，陳 輝，劉洪林

(1.新疆大學(xué) 地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.中煤平朔集團(tuán)有限公司 安家?guī)X露天礦，山西 朔州 036006)

巖石的流變性是巖石的重要力學(xué)特性之一，礦山邊坡的長期不穩(wěn)定漸進(jìn)性破壞大多與巖石流變性有密切關(guān)系。這些邊坡工程的長期穩(wěn)定性問題一直以來是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著人類對(duì)邊坡失穩(wěn)機(jī)理探索和認(rèn)識(shí)的不斷深入，發(fā)現(xiàn)邊坡產(chǎn)生失穩(wěn)破壞現(xiàn)象不是沒有征兆的，而是呈現(xiàn)漸進(jìn)性破壞的特征[1-4]。因此，開展巖石流變特性和邊坡工程的漸進(jìn)性破壞的研究具有重要的理論和實(shí)踐意義[5，6]。關(guān)于巖石流變特性的研究多采用理論分析和試驗(yàn)研究的方法。然而，理論分析所建立的巖石流變特性方程通常含有較多的不易測(cè)定的參數(shù)，使得這些理論成果的應(yīng)用受到較大的限制；室內(nèi)試驗(yàn)是進(jìn)行巖石流變特性研究的一個(gè)重要手段，但流變?cè)囼?yàn)因周期長、工作量大，需要耗費(fèi)較大的人力和物力，限制了這一研究方法的進(jìn)一步應(yīng)用。

近30年來，由于計(jì)算機(jī)硬件和軟件的快速更新，以及世界各地的學(xué)者在巖石材料本構(gòu)關(guān)系的建立上取得的很大的進(jìn)展，為研究巖石流變的局部化變形及整體性的穩(wěn)定性問題提供了基礎(chǔ)保障[7-10]。研究表明：當(dāng)受到外荷載作用后，巖石材料內(nèi)部必然存在不均勻的塑性變形，即產(chǎn)生局部變形現(xiàn)象。此時(shí)，巖石材料本身的剛性有顯著降低，該區(qū)域的變形量明顯比其他區(qū)域大。受到外荷載作用，巖石材料變形先經(jīng)歷均一過程，當(dāng)變形積累至值后，變形開始進(jìn)入局部化過程，局部化過程造成應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得變形迅速擴(kuò)展至巖石材料本身發(fā)生破壞[10，11]。在這個(gè)漸進(jìn)性破壞過程中，不同的材料表現(xiàn)出不同的特性，例如：剪切硬化/軟化，體積硬化/軟化，抗拉軟化等。

1 工程概況

以神華北電勝利能源有限公司勝利露天煤礦為研究對(duì)象。勝利露天煤礦于2005年正式開工，2006年按3.0Mt/a移交生產(chǎn)，2007年達(dá)到規(guī)模5.0Mt/a，生產(chǎn)剝采比為2.15m3/t，2006年2月得到國家發(fā)展改革委員會(huì)的核準(zhǔn)，設(shè)計(jì)規(guī)模為20.0Mt/a，2010年達(dá)產(chǎn)。隨著礦山工程的不斷延伸，該礦山邊坡已發(fā)生多次不同規(guī)模的破壞，給礦山的安全生產(chǎn)帶來明顯影響。

滑坡過程：由于受地層巖性影響及第四系潛水的侵蝕、浸泡作用下，邊坡一直處于穩(wěn)定的蠕變過程中?；聟^(qū)域首先沿坡面底部發(fā)生蠕動(dòng)滑移現(xiàn)象；3個(gè)月后在頂部發(fā)現(xiàn)平行端幫的裂縫，后受春季融水和雨水的影響，裂縫加速延伸；滑移7個(gè)月內(nèi)，裂縫延伸長度達(dá)到150m，寬0.10～0.23m，最大落差0.35m；蠕變發(fā)生9個(gè)月后，北部端幫突發(fā)較大范圍的滑坡，造成出入溝道路全部毀壞。

2 巖石應(yīng)變軟化力學(xué)特性

2.1 基本力學(xué)性能

通過建立合理有效的模型進(jìn)行數(shù)值分析，可以部分避免實(shí)驗(yàn)研究的不足。一般情況下，材料發(fā)生變形時(shí)，應(yīng)變分布是不均勻的，那么最大應(yīng)變的部分比其他的部分變得更弱，也就是說，它只能承受更小的力[12]。因此，鄰近的部位將承受初始應(yīng)力，弱單元將就會(huì)脫離平衡(因?yàn)閮?nèi)外應(yīng)力不平衡)。因此，弱單元開始發(fā)生更大的應(yīng)變，從而更加軟化。這種“弱聯(lián)結(jié)”過程是形成“應(yīng)變軟化”材料局部化的原因。

2.2 數(shù)值計(jì)算分析

通過FLAC3D模擬單元試件剪切試驗(yàn)來展示材料在局部變形過程中的軟化力學(xué)行為。根據(jù)數(shù)值模擬試驗(yàn)分析的需要，選用的幾何模型為?1.5m×3.0m的圓柱體，本構(gòu)模型采用剪切硬化/軟化模型，巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體性質(zhì)參數(shù)表

單軸試驗(yàn)應(yīng)力—位移關(guān)系如圖1所示，由圖1可知，剪應(yīng)力和軸向應(yīng)力先達(dá)到峰值后減少，可以明顯發(fā)現(xiàn)砂巖的軟化行為。由于平均應(yīng)力減少，試件由于彈性卸載也發(fā)生膨脹。但是由于試樣破壞時(shí)的瞬時(shí)破壞，巖石單軸壓縮實(shí)驗(yàn)機(jī)未能有效記錄峰值后的殘余強(qiáng)度。單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，從圖2中可以明顯的看到，砂巖本身發(fā)生軟化現(xiàn)象，這種作用是由于水平應(yīng)力的減少而產(chǎn)生的，由上述表觀軟化促使形成局部化(剪切帶)，實(shí)驗(yàn)室在對(duì)試件進(jìn)行單軸壓縮時(shí)，也產(chǎn)生相似位置的破壞。

圖1 單軸試驗(yàn)應(yīng)力—位移關(guān)系

圖2 單軸壓縮試驗(yàn)

3 邊坡漸進(jìn)性破壞過程數(shù)值模擬

通過以上分析可知巖石具有一定的流變性，故巖土工程破壞同樣具有漸進(jìn)性破壞。巖土工程漸進(jìn)性破壞過程其實(shí)是巖土材料硬化或軟化的過程。破壞時(shí)，由于巖石的微裂化以及土體的顆粒的滑動(dòng)，將導(dǎo)致變形變得越來越無彈性，直到破裂而致破壞。在這個(gè)過程中也會(huì)造成材料強(qiáng)度的降低和剪切帶的出現(xiàn)。

以露天礦邊坡為研究對(duì)象，對(duì)邊坡漸進(jìn)性破壞的過程進(jìn)行模擬分析。由于礦山邊坡受到開挖影響，邊坡中巖土體材料的力學(xué)性質(zhì)隨時(shí)間增加而逐漸降低，造成邊坡潛在破壞區(qū)域的抗滑力降低，進(jìn)一步影響邊坡穩(wěn)定性。忽視了材料本身的時(shí)效性和漸進(jìn)性，對(duì)露天礦山的安全生產(chǎn)會(huì)造成一定的影響[13]。

3.1 各向同性應(yīng)變軟化模型簡介

為了更加清楚的了解漸進(jìn)性破壞的原理，首先要建立材料產(chǎn)生屈服與破壞的條件與準(zhǔn)則。巖土工程漸進(jìn)性破會(huì)一般是產(chǎn)生無限制的塑性流動(dòng)而導(dǎo)致的。而莫爾-庫侖模型是常用的巖土本構(gòu)模型，適用于那些剪應(yīng)力下屈服，但剪應(yīng)力只取決于最大、最小主應(yīng)力，而第二主應(yīng)力屈服不產(chǎn)生影響的材料，故不適合用來進(jìn)行漸進(jìn)性分析。應(yīng)變軟化/硬化模型實(shí)際上是莫爾-庫侖模型的衍生模型，它允許材料的強(qiáng)度發(fā)生硬化或軟化。故本文選用應(yīng)變軟化/硬化模型進(jìn)行漸進(jìn)性分析。

一般巖土材料在靜荷載作用下的塑性模型都采用各向同性硬化/軟化模型。各向同性硬化/軟化的加載函數(shù)可以由硬化/軟化參量的顯示表示為[14]：

f(σij，H)=f(σij)-H=0

式中，f為屈服函數(shù)；σij為應(yīng)力張量；H為反應(yīng)材料性質(zhì)的參數(shù)，一般為硬化/軟化參量Ha的函數(shù)。

可得出：

式中，Q為塑性勢(shì)函數(shù)。

當(dāng)φ(σij，H)<0時(shí)，材料就按硬化/軟化模量A進(jìn)行屈服變化。根據(jù)此原理，通過計(jì)算可給出每個(gè)網(wǎng)格各個(gè)時(shí)步的塑性狀態(tài)，再由網(wǎng)格的塑性狀態(tài)便可判斷網(wǎng)格的變形破壞情況。

3.2 數(shù)值模型建立與關(guān)鍵參數(shù)確定

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)綜合所得各項(xiàng)物性參數(shù)，通過FLAC3D軟件中應(yīng)變-強(qiáng)化/軟化模型進(jìn)行相關(guān)穩(wěn)定性模擬，選取勝利露天煤礦上部臺(tái)階為例進(jìn)行分析。邊坡巖性依次為第四系、粉砂和粘土巖。

分析模型高度為140m，沿臺(tái)階傾向長280m，沿走向長100m。對(duì)模型的邊界分別進(jìn)行位移約束，在前后方向以Y方向進(jìn)行位移約束，在左、右方向以X方向進(jìn)行位移約束，在底部以Z方向進(jìn)行位移約束，從而構(gòu)成分析模型的邊界條件，進(jìn)而來保障系統(tǒng)的受力平衡[15]，巖體性質(zhì)參數(shù)見表2。

表2 巖體性質(zhì)參數(shù)表

3.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

通過分析邊坡體各單元的塑性區(qū)變化，得出的隨時(shí)步增長邊坡體的塑性狀態(tài)發(fā)展情況。分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 邊坡漸進(jìn)性破壞過程

邊坡破壞時(shí)，其塑性應(yīng)變區(qū)必然是貫通的。由圖3可知，邊坡破壞中塑性區(qū)的出現(xiàn)并不是一開始就全部貫通，而是受到開挖影響后，邊坡的塑性區(qū)的破壞首先產(chǎn)生于各個(gè)臺(tái)階的表面。初始在坡腳位置產(chǎn)生剪應(yīng)力集中區(qū)域，而坡頂則只產(chǎn)生拉應(yīng)力，使得該區(qū)域巖土體的力學(xué)強(qiáng)度降低；然后塑性區(qū)從坡腳和坡頂?shù)钠茐南蚱麦w內(nèi)部擴(kuò)展，當(dāng)邊坡巖土體中剪應(yīng)力超過其強(qiáng)度之后，則塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)展；隨著邊坡變形的進(jìn)一步加劇，加速邊坡的破壞，直至在邊坡體內(nèi)部產(chǎn)生貫通的滑動(dòng)面，坡體完全破壞。

通過以上分析，可以直觀了解邊坡漸進(jìn)性破壞的特征。同時(shí)可以通過對(duì)邊坡頂、底部的裂隙變形擴(kuò)展情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而對(duì)潛在滑坡提前預(yù)報(bào)和防范[16]。只有從被動(dòng)防范到主動(dòng)的預(yù)防控制，才能在今后礦山在生產(chǎn)過程中做到對(duì)重點(diǎn)部位進(jìn)行針對(duì)性的重點(diǎn)防治，做到有的放矢。這樣既可以節(jié)省大量的人力和物力，而且保證礦山安全生產(chǎn)。

4 結(jié) 論

1)系統(tǒng)分析了勝利露天煤礦出現(xiàn)滑坡的類型，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)滑坡的根源在于巖石流變特性引起的漸進(jìn)性破壞。

2)采用三維有限差分軟件中內(nèi)置的應(yīng)變軟化模型對(duì)露天邊坡塑性區(qū)出現(xiàn)的時(shí)間以及演化特征展開系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)塑性區(qū)出現(xiàn)的位置和范圍與時(shí)間存在著直接關(guān)系。

3)邊坡的塑性變形區(qū)首先產(chǎn)生于坡頂和坡底。首先在坡底產(chǎn)生剪應(yīng)力區(qū)，坡頂產(chǎn)生拉應(yīng)力集中區(qū)，然后逐漸向坡體內(nèi)部擴(kuò)展；當(dāng)塑性區(qū)貫通過后，加速邊坡破壞，繼續(xù)向邊坡體內(nèi)部逐漸擴(kuò)展，最后塑性區(qū)完全貫通，直至邊坡破壞。