開采-滲流耦合作用下含正斷層露天礦邊坡變形規(guī)律研究

韋永豪，王振偉，李 斌，王智濤，李元浩，弓啟祥

（1.北方工業(yè)大學 土木工程學院，北京 100041；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

在露天煤礦生產過程中，滑坡災害直接關系到礦山的安全、高效運營，特別是當礦山在開采過程中遇到了復雜的地質構造時，邊坡系統(tǒng)在復雜因素耦合作用下的災變演化機理更為復雜。斷層作為一種常見的地質構造，其在邊坡系統(tǒng)中的不同賦存狀態(tài)對邊坡穩(wěn)定性影響極大。特別是當斷層傾向與富水邊坡傾向一致時，由于開采擾動的影響易使斷層和地下水滲流軟化成為滑坡、崩塌等地質災害演變的風險源，此類產狀的斷層及地下水賦存形式對邊坡整體結構的穩(wěn)定造成嚴重威脅，同時也對礦山生產作業(yè)的安全帶來極大隱患。

近年來，學者們對斷層賦存形態(tài)與邊坡災變演化規(guī)律進行了深入的研究。陳鳳陽等[1]應用FLAC3D數值模擬分析，對比在不同傾角條件下順傾層狀邊坡的滑移模式及穩(wěn)定性變化規(guī)律；曹蘭柱等[2]基于強度折減原理，應用有限差分軟件FLAC3D模擬分析了斷層位置、傾角及弱層逆傾角度不斷變化時西幫軟巖邊坡的滑移模式及穩(wěn)定性變化規(guī)律；張臣等[3]研究了單一斷層下推采工作面超前應力分布規(guī)律及多斷層疊加影響下工作面超前應力分布規(guī)律，以及超前應力隨斷層傾角變化的規(guī)律；王珍等[4]基于現場調研、理論分析、數值模擬方法，通過改變斷層傾角以及斷層走向與邊坡走向交角2 種方式描述斷層空間位置，從邊坡滑移模式的角度闡明斷層影響下邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律；任政等[5]基于現場數據、理論推導以及數值模擬方法，綜合分析了采動影響下逆斷層活化過程，從動靜載擾動的角度進一步分析了采動影響下逆斷層誘沖機制；吳少康等[6]運用現場監(jiān)測、理論分析及數值模擬相結合的方法，對糯東煤礦斷層影響下副平硐及回風大巷的變形破壞及其主要原因進行了研究；朱貴旺等[7]通過微震監(jiān)測系統(tǒng)，分析了斷層帶巖體劣化過程的微震事件分布及震源參數的響應特征，揭示了采動誘發(fā)斷層帶巖體劣化微震響應特征；和大釗等[8]采用數值模擬手段，研究斷層的力學參數及斷層的斷距、厚度、傾角、相對臨空面的距離等幾何參數對巖質邊坡破壞模式和穩(wěn)定性的影響。MU W P 等[9]利用FLAC3D軟件建立流固耦合數值模型，通過比較有無擾動情況下斷層帶的變形、破壞及滲流特征，分析了斷層擾動帶突水機理；杜建有等[10]基于數學、物理模型，對駱駝山某斷層進行分析研究，通過應力場變化、塑性損傷等特征，總結出了斷層在采動－滲流耦合作用下活化機理；鐘曉勇等[11]采用極限平衡法對比分析了地下水對邊坡穩(wěn)定性的影響程度，最后結合有限元強度折減法對邊坡角進行優(yōu)化設計；尹會永等[12]使用巖性并置圖、SGR 法和斷層面正壓力法等斷層封閉性方法從側向和垂向2 個方面對天然條件下斷層導水性進行了評價，并對工作面采動條件下斷層滲流特征及活化規(guī)律進行了數值模擬研究。

現有研究較多主要集中于考慮斷層傾角、厚度、產狀、斷距等地質特征對邊坡穩(wěn)定的影響，在實際工程中影響邊坡穩(wěn)定性的因素種類眾多且十分復雜。斷層及地下水的存在影響著邊坡的整體穩(wěn)定，斷層的存在為滑坡等地質災害提供了自然邊界，而地下水作為誘發(fā)因素，降低了巖土體抗剪強度，可促進滑坡的形成。受開采擾動和礦壓作用影響，斷層可能從隔水斷層轉變?yōu)閷當鄬?，各種因素分別作用于斷層會導致斷層活化，多因素的聯(lián)合或耦合作用會增加致災機理的復雜性和突水災害的隱蔽性，這也是礦山水害探測與預測難度大的主要原因。在實際開采生產過程中，對于一些富水礦山，為了礦山的生產安全，開采前需要進行疏干排水，那么就要控制開采過程中滲流場、邊坡穩(wěn)定性隨著開采延深發(fā)生變化的過程，這個過程控制的好與壞決定著礦山生產是否安全。因此，露天礦含斷層邊坡在開采擾動－滲流等因素耦合作用下的斷層變形規(guī)律、邊坡穩(wěn)定性和滲流變化特性等問題的研究，具有極其重要的現實意義。綜上，以某露天礦邊坡為研究對象，通過數值模擬的方法，設置不同開挖深度及地下水抽采深度，研究在開采－滲流耦合作用下邊坡的穩(wěn)定性，以指導含斷層露天礦山邊坡設計及治理。

1 開采擾動情況下斷層活化理論

斷層活化主要是受其圍巖構造、采場巖層頂底板、礦壓等因素綜合作用所致，它直接影響到礦山的安全生產，因此研究斷層在不同條件下的活化機理具有重要意義。目前關于斷層活化對礦山開采影響研究主要集中在煤層頂板穩(wěn)定性方面。據此可應用其部分理論，探究露天開采情況下斷層的活化機制。有研究人員提出斷層傾角α 是其結構面與水平正應力σx的夾角，在任何作用力影響下，斷層都必須通過垂直正應力σz、水平正應力σx的共同作用，但此觀點較為片面。其中斷層主應力方向和斷層的構造存在密切的聯(lián)系，在平面應力狀態(tài)分析中，可將斷層作為含軟弱結構的巖體進行分析。

為方便理解，將斷層上下盤巖土體看作彈性體，則斷層面的法向應力σn及切應力τn可由式（1）表達：

式中：σz為垂直正應力，MPa；σx為水平正應力，MPa；α 為斷層傾角，（°）。

斷層作為軟弱結構面，其力學性能與其周圍巖體相比強度要低很多，因此，斷層的活化首先是沿斷層結構面產生滑移破壞，而后隨著應力的增加導致斷裂。結合莫爾－庫倫準則能夠對其進行相應的推算，其抗剪強度τf為：

式中：C 為黏聚力，MPa；φ 為內摩擦角，（°）。

斷層活化判定依據為：

2 模擬模型及模擬方案

模擬依托某露天礦邊坡地質簡化模型，利用FLAC3D建立流固耦合數值模型，地質體構造以斷層為主導，形成上盤下降，下盤上升態(tài)勢的正斷層。數值模型尺寸沿邊坡的傾向長度為1 100 m，高度400 m。邊坡的內部賦存有1 個貫穿整個邊坡的正斷層，整體邊坡角25°，斷層厚度5 m，斷層傾角25°。在模型前、后、左、右及下方進行邊界約束，以確保模型的滑體單元能夠順著坡面方向滑動；模型中重力加載為荷載的主要加載方式。斷層面與開采邊坡面平行，模型破壞滿足莫爾－庫倫強度準則。各地層巖體的物理力學參數見表1，巖層分布模型如圖1。

圖1 巖層分布模型圖

表1 巖體物理力學指標

模型分8 步進行開采模擬，開挖階段以開采深度為30 m 的間隔進行1 步開挖，分為8 步進行開挖，并在開采的同時伴隨水位降深，斷層下盤水位線在模型頂部保持不變，斷層上盤水位線為相對應開采階段坡底下方5 m 位置。

3 采動與抽排條件下斷層活化數值分析

運用FLAC3D軟件對上述模型進行求解，通過強度折減法計算出各開挖步驟邊坡穩(wěn)定系數，安全系數隨開挖變化如圖2。

圖2 安全系數隨開挖變化圖

由圖2 可知：隨著開挖的進行，邊坡安全系數呈逐步下降趨勢；開挖至210 m 時，邊坡穩(wěn)定系數驟降，但邊坡整體穩(wěn)定性依然處于穩(wěn)定狀態(tài)，出現此種現象的原因為斷層上盤土體受地應力及地下水共同作用，煤層抗剪強度降低，內摩擦力減小，上盤開挖，致使巖土體向臨空面產生橫向位移，邊坡穩(wěn)定性下降。

各開采階段x 方向位移云圖如圖3。

由圖3 可知，隨著開采深度的增加，斷層在x 方向最大位移值位置逐漸向下發(fā)展，直至發(fā)展至斷層中部位置，最大位移值位置不再向下發(fā)展，此處為煤層、基巖兩兩交界處，由于基巖彈性模量較大，深部位移不再發(fā)展，煤層彈性模量相對較小，此處應力得到釋放，導致位移量增大。

斷層在x 方向主要受拉應力影響，開采至150 m前，應力集中呈散點式分布于斷層內部，可導致斷層呈間斷性破壞；開采至150 m 時，應力場以線性形式分布于斷層帶內部，此時斷層帶受應力作用產生貫通性破壞；開采至180 m 時，應力分布范圍增大，此后最大應力分布位置向斷層下部發(fā)展。

斷層破壞過程以張拉破壞為主，開采至30 m時，斷層開始產生塑性區(qū)，此時的斷層非完全破壞，開采至150 m 前，斷層塑性區(qū)間斷性發(fā)生，斷層以間斷破壞為主，開采至150 m 時，斷層塑性區(qū)出現線性貫通，此時斷層產生貫通性破壞，開采至150 m 后塑性區(qū)范圍逐步擴大，并影響至上下盤巖土體中。

綜上，邊坡系統(tǒng)在開采至30 m 時，斷層出現間斷性破斷，開采至150 m 時，斷層產生貫通性破壞，應力集中方式從散點式分布，逐漸向線性分布發(fā)展。

4 滲流場演化規(guī)律數值分析

對邊坡數值模型進行滲流分析，根據某露天礦現場實地勘察數據，對模型施加孔隙水壓力邊界條件，斷層內部初始孔隙水壓力為0 MPa，向下水力梯度為1×104，設置斷層上盤水位線于開挖區(qū)域坡底下方5 m 處，模型兩側設為不透水邊界。將坡體表面設置為自由滲透的表面，以便坡體內部地下水沿邊坡表面滲出。部分開采階段斷層及坡體孔隙水壓分布圖如圖4。

圖4 部分開采階段斷層及坡體孔隙水壓分布圖

由圖4 可知，斷層內部最大孔隙水壓位置隨開采深度的增加逐漸向下偏移，在開采過程中，采動礦壓處于不斷變化的過程，受礦壓及地下水壓力影響斷層產生剪切破壞，此時斷層內部狀態(tài)從“膠結”變成“斷開”，上下盤巖體也隨之發(fā)生變形，其阻水能力大幅降低，斷層帶內地下水滲入并向邊坡方向發(fā)展。開采擾動破壞斷層原有受力及結構狀態(tài)，斷層上盤因開采應力及水壓力共同作用，導致孔隙水壓力重新分布，斷層內部由隔水斷層變?yōu)閷當鄬樱紫端畨毫υ龃?，并隨著開挖的進行，斷層最大孔隙水壓力大多出現在開挖下部50～100 m 處。開采至30 m 水位降深35 m 時，斷層產生小范圍破壞，形成弱導水；開采至150 m 水位降深155 m 時，斷層貫通性破壞，形成完全導水現象；而后隨著開采的深入，地下水由斷層下盤高水位向上盤低水位逐漸滲入，并向坡面逐步延伸，從坡面滲出。

5 地下水滲流對邊坡穩(wěn)定性影響分析

邊坡所受滲流水的影響主要包括靜水及動水壓力2 種類型，其中靜水壓力使滑動面的抗滑力減小；動水壓則使邊坡的下滑力增大；因此，地下水的滲流對邊坡的穩(wěn)定起著決定性作用。地下水滲流造成巖土體應力的分布發(fā)生改變，而應力場的變化將會對滲透系數產生影響，從而引發(fā)邊坡的破壞。地下水的滲透作用，使巖土體的承載力下降，剪應力增大，力學性能發(fā)生改變，致使整體結構失穩(wěn)，當坡體內部某結構面的抗剪強度小于此時的剪應力時，邊坡系統(tǒng)內部平衡隨即破壞。

為研究相對隔水斷層控制下地下水對邊坡穩(wěn)定系影響，依托上述某露天礦邊坡地質簡化模型，運用GEO－SLOPE 軟件建立模型。根據滲流場演化規(guī)律數值分析得出的結論：斷層在開采至150 m 水位線155 m 位置時，斷層產生貫通性破壞，導致地下水由高水位向低水位產生較大滲流現象。因此，地下水水位線位置分布形式如下：斷層下盤水位線為地表，斷層上盤水位線固定在各開采階段坡底下方5 m 位置，過度水位線由解算軟件自動生成。地下水滲流邊坡穩(wěn)定性分析如圖5。

圖5 地下水滲流邊坡穩(wěn)定性分析

由圖5 可知：邊坡穩(wěn)定系數隨開挖的深入逐漸降低；開挖初始至120 m 時，邊坡潛在滑移模式為剪切圓弧滑動；當開挖至150 m 時，出現部分坡面滲水，邊坡穩(wěn)定系數降低至1.509，部分滑移面沿斷層產生；開挖至150 m 后，隨著開采的深入，地下水滲出坡體的水量增加，邊坡潛在滑移模式從剪切圓弧錯動向剪切圓?。瓟鄬樱瓐A弧錯動模式轉換，最終沿地層或煤層頂底板滑出。斷層的存在為滑動面提供自然邊界，尤其是斷層傾向與邊坡傾向一致時，滑動面更易沿斷層結構面產生，從而發(fā)生邊坡失穩(wěn)現象。

6 結語

1）隨著采深的增加，斷層x 方向最大位移逐漸增大，在采至180 m 位置后，其最大位移在斷層中部位置不再向下發(fā)展。

2）斷層破壞模式以拉張斷裂為主，開采至120 m時，斷層中部x 方向產生較大應力集中，分布形式為散點式，在坡角位置亦有明顯拉應力，開采卸荷改變了地質體內應力場分布狀態(tài)，邊坡系統(tǒng)內部應力失衡導致巖土體豎向位移增大，隨著開采的進行應力集中逐漸向線性分布發(fā)展。

3）斷層從間斷式破壞逐步發(fā)展為貫通式破壞，隨著開采的加深，塑性區(qū)范圍逐漸增大。

4）地下水賦存條件下邊坡整體穩(wěn)定系數下降1.34%。