秀山礦邊坡斷層破碎帶區(qū)域變形破壞模擬分析

陳慶峰 黃文忠 程 斌 陳 濤 韓 流

（1.寶鋼資源控股（上海）有限公司，上海 200080；2.安徽皖寶礦業(yè)股份有限公司，安徽 池州 247100；3.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116）

隨著國民經(jīng)濟的不斷增長和道路交通建設快速發(fā)展，對石灰?guī)r資源需求量也不斷增加，在世界范圍內(nèi)露天礦巖質(zhì)邊坡滑坡災害頻繁發(fā)生，造成了嚴重的經(jīng)濟損失和人員傷亡，對鐵路、公路、露天礦等行業(yè)的安全運營影響重大［1，2］。未來一段時間內(nèi)我國石灰?guī)r供需問題仍將呈不斷緊張的趨勢［3］，使得石灰?guī)r礦山面臨著邊坡高度和邊坡角不斷加大［4，5］，才能保證開采效率最大化。

秀山礦在施工挖掘過程中頻頻出現(xiàn)斷層現(xiàn)象，局部石方脫落嚴重，斷層破碎帶形成楔形體情況明顯，且?guī)r體結構松散，極易發(fā)生邊坡巖體傾倒破壞現(xiàn)象。誘發(fā)邊坡產(chǎn)生傾倒變形的因素眾多，程東幸等［6］指出，初始水平應力、邊坡高度和邊坡角、巖體力學參數(shù)、結構面發(fā)育情況等是影響巖質(zhì)邊坡傾倒變形破壞的關鍵性因素。解析分析法、相似模型試驗法和數(shù)值分析法是反傾邊坡穩(wěn)定性分析常用的方法。安明旭等［7］基于懸臂梁模型，并考慮坡腳巖層的剪切破壞，認為邊坡在傾角較陡、坡角較大時穩(wěn)定性最差。鄭達等［8］采用離心模型試驗對古水水電站壩前傾倒變形體進行開挖，試驗表明巖性、結構面和采礦活動等是發(fā)生傾倒變形的關鍵因素。隨著計算機技術的發(fā)展，有限元、有限差分、離散元等數(shù)值模擬方法在邊坡工程中應用廣泛，如FLAC3D［9，10］、UDEC［11，12］、PFC［13，14］等。學者們對此也開展了大量研究，提出了眾多耦合建模方法，但與真實地質(zhì)體之間仍有較大差異［15，16］。因此，建立復雜高精度的真實地質(zhì)模型是數(shù)值模擬分析的關鍵。

本研究首先對秀山礦采場進行詳細的地質(zhì)調(diào)查，對楔形體彎曲傾倒破壞機制和邊坡變形機理進行分析，然后以整個采場為例，介紹了Rhino6.0—FLAC3D6.0高精度耦合建模方法，對采場整體以及楔形體傾倒邊坡進行數(shù)值模擬穩(wěn)定性分析。

1 工程概況

秀山熔劑石灰?guī)r礦位于池州市南直距約24 km處，礦區(qū)位于皖南山區(qū)北緣，山勢大致呈北東向，屬丘陵低山區(qū)。山體走向為近東西向，山頂渾圓較平坦，以橢圓及長條形為主，寬一般10～20 m。區(qū)內(nèi)山峰最高海拔354.84 m，一般184～338 m，最低海拔43.69 m，最大相對高差310.64 m，切割淺。礦山設計生產(chǎn)量為250萬t/a，由于礦體分布差異，形成東、西2個獨立的露天采場（圖1）。東采場礦層東西南北受控于 F8、F7、F3、F1斷層，礦體總體傾向 230°，傾角39°。西采場因受F4、F5斷層破壞，礦體沿走向呈階梯狀被切成東、中、西三段，礦層總體走向130°～310°傾向220°，傾角35°。

隨著西采場采剝臺階的逐步到界，采場邊坡受F1斷層影響，西采場西北幫揭露了一個寬度為10 m左右的破碎帶，不僅自身破碎、易風化崩落，而且會影響到上覆蓋層的穩(wěn)定性。F1斷層在礦區(qū)內(nèi)呈北西走向，地表出露長2 200 m，總體走向100°，傾向南，傾角約為70°，為南盤下降北盤上升的正斷層，該斷層被北東向斷層錯斷，使西礦段呈階梯狀，東礦段落呈齒狀。

2 斷層破碎帶邊坡變形機制分析

2.1 彎曲傾倒破壞機理分析

由于西采場北幫和西幫邊坡的下覆巖體中存在F1斷層，造成北幫和西幫邊坡形成順傾傾倒型臺階。這種斷層破碎帶楔形體傾倒破壞現(xiàn)象類似于順層傾斜巖質(zhì)邊坡彎曲傾倒破壞，在降段開采過程中，楔形體下部巖體極易發(fā)生折斷，后部巖體會隨著巖體軟弱結構面發(fā)生滑移—彎曲變形；當變形破壞較為嚴重時，楔形體發(fā)生強烈折剪，在邊坡下部巖層發(fā)生離層反向的傾倒變形，如圖2所示。根據(jù)材料力學中梁板理論，將邊坡巖層簡化成梁板力學模型，分析其垂直于坡面作用力下變形的臨界坡長，從而判斷發(fā)生滑移—彎曲傾倒變形破壞［7］的概率。

2.1.1 基本力學模型的建立

本研究將秀山礦北幫、西幫邊坡頂部臺階的順傾楔形體簡化成圖3所示的基本梁板力學模型。假設巖層傾向兩側不受約束，邊坡的AB段發(fā)生離層且向外鼓起彎曲，BC段巖層向下滑動。

將模型進行簡化，在巖層走向上選取單位寬度，可知巖體自重q沿著x軸方向分力q1和沿y軸方向上的分力q2分別可以表示為

式中，γ為巖層的容重，N/m3；t為滑動巖層的厚度，m；α為巖層的傾角，（°）。

則BC段滑動巖層的自重，分解為沿巖層滑動的分力P可以表示為

式中，l0為滑動段的巖層長度，m；φ為層間摩擦角，（°）；c為黏聚力，MPa。

2.1.2 力學機理分析

采用能量法原理對圖3中所示的順傾楔形體邊坡模型進行計算分析，則BC段巖層的分力P所做的總功ΔW應與巖體內(nèi)部所積蓄的變形能ΔU相互平衡，即滿足ΔW=ΔU。最終可得到能量平衡方程式為

式中，y′是BC段巖層自重產(chǎn)生的變形量y的一階導數(shù)；EI(y″)2是BC段巖體的變形能的內(nèi)力，其中y″是BC段巖層自重產(chǎn)生的變形量y的二階導數(shù)。

假設在AB段取垂直于巖層傾向上的彈性變形方程有：

則對式（4）進行分析，若巖層發(fā)生滑移—彎曲式破壞時，其變形量y將趨于無窮大，即y→∞，則可以計算得到變形破壞時的臨界荷載：

在方程式Pcr=P中，如果令l0=0，Pcr=0，則可以計算出發(fā)生變形破壞的極限長度：

當坡長超過了臨界長度，即l＞lcr時，巖層在自重作用下，將發(fā)生滑移—彎曲式傾倒變形破壞。

由于采場邊坡受斷層破碎帶影響，邊坡上部巖體強度較大，斷層破碎帶巖體強度較低，導致在開采過程中形成高陡邊坡，其邊坡角超過臺階下覆巖層傾角，導致頂部臺階形成“頭重腳輕”的楔形體，在受到降雨、爆破等影響下，極易形成楔形體傾倒現(xiàn)象。

2.2 邊坡變形機理分析

2.2.1 巖石力學性質(zhì)

斷層破碎帶巖性是影響邊坡穩(wěn)定性的關鍵因素。通過現(xiàn)場勘查，楔形體傾倒區(qū)巖層發(fā)生大規(guī)模斷裂和碎石滾落，然后開展了斷層破碎帶巖樣（由于斷層破碎帶巖性較為松散破碎和現(xiàn)場不便開展原位試驗，取斷層上下盤巖樣進行試驗，判定斷層破碎帶與周圍巖性的完整程度）的室內(nèi)單軸抗壓強度試驗，對其抗壓性能進行研究。如圖4（a）為WDW-600巖石單軸試驗機，圖4（b）為現(xiàn)場巖樣品經(jīng)精加工后的安裝過程。

試驗結果顯示：斷層破碎帶上下盤試樣（上盤試樣為微晶灰?guī)r、下盤試樣為灰質(zhì)白云巖）在荷載不斷增加的過程中，試樣有明顯壓密階段，變形從1.5%～2.8%左右開始表現(xiàn)出彈性特征，直至試樣破壞。破壞過程發(fā)出巨響，試樣整體瞬間爆裂呈現(xiàn)一系列碎塊，如圖5所示。試樣的強度較高，彈性模量較大，殘余強度幾乎為零，如圖6所示，試樣呈X狀共軛斜面剪切破壞方式?？傮w而言，斷層破碎帶上下盤巖性較好，在采場開拓延深過程，當邊坡下部的斷層破碎帶被采動，形成了以斷層上盤滑動為主的楔形體，當超過一定的臨界長度，邊坡斷層破碎帶將會發(fā)生滑移—彎曲式破壞現(xiàn)象。

2.2.2 結構面發(fā)育

斷層、節(jié)理等結構面的存在對巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性起關鍵作用。受地質(zhì)構造作用，楔形體彎曲傾倒體區(qū)域發(fā)育大量斷層破碎帶及節(jié)理密集帶。根據(jù)現(xiàn)場勘查，楔形體傾倒區(qū)發(fā)育1條控制性斷層F1，該斷層傾向南，傾角較陡，約70°，為一南盤下降北盤上升的正斷層。邊坡開挖過程中，坡體發(fā)生應力重分布，巖體處于卸荷狀態(tài)，斷層、節(jié)理等結構面逐漸張開發(fā)育貫通形成大的滑裂面。此外巖體內(nèi)儲存的彈性應變能不斷向邊坡臨空面釋放，導致臨空面巖體具有一定運動趨勢或已經(jīng)發(fā)生變形，且采礦過程中爆破振動等對結構面的發(fā)育貫通以及對整個滑坡的穩(wěn)定性都會產(chǎn)生不利的影響。

3 邊坡數(shù)值模擬穩(wěn)定分析

大量研究證明，由于算法和維度的差異性，三維模型的安全系數(shù)計算結果通常比二維的略大［17］。但是，三維地質(zhì)模型能夠較為真實地反映實際情況。因此，對于露天礦重要邊坡采用三維數(shù)值模擬計算是有必要的。本次研究真實地質(zhì)建模、數(shù)值計算采用Rhino6.0作為建模前處理，F(xiàn)LAC3D6.0作為數(shù)值計算軟件，其建模計算流程如圖7所示。

對采場實體地質(zhì)模型進行邊界條件約束，采用彈塑性模型平衡初始應力，基于Mohr-Coulom破壞準則，采用強度折減法對采場邊坡進行系數(shù)折減，并計算收斂準則為不平衡力比率小于10-5的求解要求。本次數(shù)值計算參數(shù)確定采用“局部—整體—局部”的反演思路，即通過選取典型的已發(fā)生滑坡，調(diào)整由室內(nèi)試驗獲得的巖性參數(shù)，對滑坡進行參數(shù)的反算，最終確定適用于秀山礦采場的巖體強度參數(shù)。經(jīng)過一系列的參數(shù)反演過程，最終獲得適用于FLAC3D軟件的巖體強度參數(shù)如表1所示。

采場復雜三維數(shù)值模擬計算結果如圖8所示。圖8（a）和8（b）分別為采場現(xiàn)狀位移云圖和應變增量云圖。邊坡失穩(wěn)區(qū)域主要發(fā)生于西采場北幫，并且滑坡區(qū)域主要集中于北幫靠西部，其破壞范圍相對較小，主要為多臺階的局部破壞，與實際邊坡斷層破碎帶的勘察變形情況基本一致。圖8（c）和8（d）分別為西采場最終境界的位移云圖和應變增量云圖。其破壞范圍相對于現(xiàn)狀出現(xiàn)了較大擴展，北幫西側、中部整體失穩(wěn)，并且北幫西側也出現(xiàn)大規(guī)模失穩(wěn)現(xiàn)象。因此，需要對采場最終境界方案做出一定調(diào)整或?qū)吰逻M行合理有效的加固，以防止開采過程中滑坡災害事故的發(fā)生。

對西采場開挖最終數(shù)值模型選取具有代表性的楔形體傾倒區(qū)，分析其傾倒破壞機理。圖9（a）為邊坡塑性區(qū)云圖，邊坡內(nèi)部破壞區(qū)域主要以剪切破壞為主，在邊坡頂部出現(xiàn)拉張破壞。圖9（b）為邊坡總位移計算結果，變形量最大位置發(fā)生在邊坡坡面處，且由坡面向內(nèi)逐漸遞減，最大位移量已經(jīng)達到了3.37 m。圖9（c）為邊坡剪應變增量云圖，其滑動帶已經(jīng)發(fā)育貫通，且在坡腳位置剪應變增量相對集中，表明坡腳處受上覆巖層重力作用已發(fā)生的嚴重破壞，無法提供足夠的支撐力，與現(xiàn)場勘查坡腳處發(fā)生擠壓隆起現(xiàn)象一致。由于斷層上下盤巖性較為完整，斷層破碎帶的巖性松散破碎，巖體強度較差，造成邊坡滑動面沿著斷層破碎帶貫通，當采場開拓延深至一定階段，邊坡整體彎曲傾倒失穩(wěn)破壞發(fā)生。

4 結 論

（1）針對秀山礦邊坡斷層破碎帶形成的楔形體彎曲傾倒破壞，根據(jù)梁板理論建立滑移—彎曲傾倒力學模型，計算分析出發(fā)生變形的臨界坡長，判斷其發(fā)生滑移—彎曲式傾倒變形的概率。

（2）西采場邊坡的上下盤巖性較為完整，在開采過程易形成沿斷層破碎帶松散垮落區(qū)域，楔形體傾倒區(qū)斷層破碎帶較為發(fā)育，邊坡開挖過程中，斷層、節(jié)理等破碎結構面逐漸張開發(fā)育貫通形成大的滑裂面。

（3）采用Rhino6.0—FLAC3D6.0高精度耦合建模，有效解決了FLAC3D建模與實際地質(zhì)情況不相符的情況?；诖私⒉蓤霈F(xiàn)狀和最終模型，對整個采場的穩(wěn)定性進行分析。數(shù)值模擬結果表明：隨著采場開拓延深，邊坡高度不斷加大，西采場北幫受斷層破碎帶影響，變形區(qū)域由局部變?yōu)檎w失穩(wěn)。