露天邊坡滑體沖擊下圍巖變形特性分析

王 鵬 周傳波 蔣 楠

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

露天邊坡滑體沖擊下圍巖變形特性分析

王 鵬 周傳波 蔣 楠

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

露天轉(zhuǎn)地下礦山邊坡穩(wěn)定性是一個當(dāng)前廣泛存在的問題，合理評估邊坡失穩(wěn)滑移對邊坡底部圍巖的影響及破壞效應(yīng)對地下開采有重要的工程意義。以大冶鐵礦露天開挖形成的邊坡為工程背景，運(yùn)用二維數(shù)值模擬軟件UDEC，對滑體的滑移過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，從應(yīng)力場、位移場入手，研究了邊坡滑體失穩(wěn)后其沖擊力作用下邊坡底部圍巖應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。模擬結(jié)果表明：用離散元軟件可有效模擬滑體失穩(wěn)過程，滑體失穩(wěn)后，其沖擊作用影響范圍主要集中在北幫邊坡坡腳，而對采礦區(qū)和南幫邊坡影響不大，采礦區(qū)和南幫邊坡主要受滑體失穩(wěn)后形成的堆積體的重力作用影響；豎直方向上，圍巖受沖擊影響程度隨深度的增加而減弱；水平方向上，南幫邊坡受滑體影響程度遠(yuǎn)小于采礦區(qū)和北幫邊坡坡腳。

露天邊坡 滑體 圍巖 應(yīng)變特性

露天開采形成的高陡邊坡在降水、地下開采爆破振動等誘發(fā)因素影響下，坡體內(nèi)的結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度降低，邊坡巖土體失穩(wěn)致使其整體或部分沿斜坡向下滑動或墜落，形成滑體?；w失穩(wěn)沖擊作用對地下開采產(chǎn)生巨大的影響。為合理評價邊坡滑體沖擊作用下產(chǎn)生的破壞效應(yīng)，開展沖擊作用下邊坡底部圍巖變形特性研究具有重要的工程指導(dǎo)意義。

國內(nèi)外對滑體沖擊的影響已進(jìn)行了一定的研究。常用速滑計(jì)算方法計(jì)算滑體的沖擊能，如能量法[1]和條分法[2]；也有人提出根據(jù)相似性原理設(shè)計(jì)制作滑體沖擊物理模型[3]，利用物理模型實(shí)驗(yàn)?zāi)M滑體的沖擊過程，計(jì)算其沖擊能，評估沖擊的影響；對落石等沖擊現(xiàn)象有半理論半經(jīng)驗(yàn)的算法[4-5]。而巖土體是一種散體，速滑計(jì)算法作為經(jīng)過過多的簡化和假設(shè)，不能準(zhǔn)確描述滑體滑動過程及沖擊破壞過程[6]。物理模型試驗(yàn)的方法比較準(zhǔn)確，但是相似材料的配比較為困難，且物理模型的相似性設(shè)計(jì)較為麻煩，模型制作周期長、費(fèi)用高。相對而言，數(shù)值模擬是一種可靠實(shí)用的方法。

本研究依托大冶鐵礦工程實(shí)際，采用離散元數(shù)值模擬，從圍巖應(yīng)力場、位移場著手，分析了邊坡滑體失穩(wěn)后在沖擊力作用下邊坡底部圍巖的變形特性。

1 大冶鐵礦概況

大冶鐵礦東露天采場自西向東由象鼻山、獅子山與尖山3個礦段組成，1958年投產(chǎn)。其中，象鼻山礦段開采至+36 m時，因其北幫發(fā)生大規(guī)?；露黄忍崆伴]坑。東露天采場閉坑后，形成了東西長約2 400 m，南北寬約1 000 m的深凹露天坑。露天坑北幫標(biāo)高170～270 m，南幫86～200 m。露天邊坡高度230～440 m，坡角范圍38°～53°。

以東露天采場A區(qū)邊坡為研究對象。F9斷層穿過坡體，導(dǎo)致局部地段受力情況復(fù)雜、構(gòu)造發(fā)育、巖體破碎。歷史上A區(qū)邊坡曾發(fā)生4次規(guī)模不一的滑坡，其中，1990年在尖F9和尖F9支斷層交匯處發(fā)生了約6 000 m3的滑坡，簡稱A1滑體。A區(qū)邊坡目前比較穩(wěn)定，但在自然因素(降雨、地震等)和人為因素(地下開采、爆破震動等)的影響下，此滑體仍可能產(chǎn)生變形失穩(wěn)。

2 數(shù)值建模及參數(shù)

現(xiàn)選擇通過A滑體的剖面建模，經(jīng)過合理簡化確定模型，模型北幫為大理巖，南幫為閃長巖，中部為鐵礦體和回填土體，底部寬800 m，高460 m。在FLAC3D中利用應(yīng)力折減法[7-9]確定滑體滑動面。

UDEC作為二維離散元軟件，是目前國際上比較認(rèn)同的非連續(xù)力學(xué)方法程序[10]。根據(jù)FLAC3D中得出的滑動面等幾何關(guān)系建立UDEC數(shù)值模型。將模型切分成大量有限差分三角形網(wǎng)格單元,在滿足計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性要求的前提下，對模型劃較大網(wǎng)格。圖1為UDEC計(jì)算模型。

圖1 UDEC計(jì)算模型Flg.1 UDEC simulative model

本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型，巖體物理參數(shù)的選取依據(jù)相關(guān)科研單位對本地區(qū)巖體材料的研究成果[11]，參照相關(guān)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行折減和取整而得，具體見表1和表2。

表1 不同巖體的力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of different rock mass

表2 不同結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of different discontinuities

3 模擬計(jì)算結(jié)果分析

3.1 監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)置

為觀測滑體下滑過程中，礦體上盤、礦體下盤和采場區(qū)礦體位移、應(yīng)力的具體變化情況，分別在礦體上、下盤以及采場各礦體中設(shè)置了測線和測點(diǎn)，對測線和測點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行追蹤觀測，以虛線代表測線，圓圈代表測點(diǎn)，其具體布置見圖2。

圖2 監(jiān)測點(diǎn)位置Flg.2 Monitoring location

3.2 數(shù)值模擬分析

通過現(xiàn)場地應(yīng)力測試得知，研究區(qū)域的地應(yīng)力以自重應(yīng)力為主，構(gòu)造應(yīng)力很小。故計(jì)算只考慮自重應(yīng)力產(chǎn)生的初始應(yīng)力場。

邊界條件方面，計(jì)算模型中的上表面為自由邊界，底面固定Y方向的位移，兩邊固定X方向的位移。由于所建為二維模型，所以只分析Y方向即豎直方向的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。

圖3為滑體沖擊穩(wěn)定后的狀態(tài)，整個過程為滑體先在邊坡上滑動，滑體整體變形，沖到坡腳處在回填土上方堆積，最終穩(wěn)定。

3.2.1 應(yīng)力模擬分析

(1)采礦區(qū)應(yīng)力分析。圖4為滑體滑動過程中采礦區(qū)測點(diǎn)應(yīng)力曲線。本區(qū)3個測點(diǎn)變化趨勢相似，滑體在邊坡上滑動時，對采礦區(qū)無影響，3個測點(diǎn)應(yīng)力不變?；w沖到坡腳時，測點(diǎn)應(yīng)力增大。12號測點(diǎn)埋深10 m，應(yīng)力增量約0.9 MPa；22號測點(diǎn)埋深30 m，應(yīng)力增量約0.7 MPa；23號測點(diǎn)埋深55 m，應(yīng)力增量約0.6 MPa?？梢姴傻V區(qū)圍巖從淺表往深層受滑體沖擊影響越來越弱。

圖3 滑體沖擊后的狀態(tài)Flg.3 Status impacted by sliding mass

圖4 采礦區(qū)監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力曲線Flg.4 Stress curves of the monitor points in mining area

(2)下盤圍巖應(yīng)力分析。圖5為滑體滑動過程中下盤圍巖測點(diǎn)應(yīng)力曲線。本區(qū)3個測點(diǎn)總體變化趨勢相似，滑體在邊坡滑動時對坡腳處圍巖基本沒有影響，滑體沖擊時，測點(diǎn)應(yīng)力有明顯變化。13號測點(diǎn)應(yīng)力增值約1.0 MPa；23號測點(diǎn)應(yīng)力增值約0.83 MPa；33號測點(diǎn)應(yīng)力增值約0.6 MPa。表現(xiàn)出從淺表往深層圍巖受滑體沖擊影響越來越弱的特征。淺層測點(diǎn)在穩(wěn)定階段應(yīng)力變化有起伏現(xiàn)象，這是滑體不同部分間歇跌落的沖擊結(jié)果，由于上層圍巖的緩沖作用，這種現(xiàn)象在深層圍巖區(qū)表現(xiàn)微弱。

圖5 下盤圍巖測點(diǎn)應(yīng)力曲線Flg.5 Stress curves of the monitor points in footwall rock

(3)上盤圍巖應(yīng)力分析。圖6為滑體滑動過程中下盤圍巖測點(diǎn)應(yīng)力曲線。本區(qū)3個測點(diǎn)在滑體沖到回填土上方一段時間后才發(fā)生變化，變化趨勢相似，11號測點(diǎn)應(yīng)力增值約0.6 MPa；21號測點(diǎn)應(yīng)力增值約0.5 MPa；31號測點(diǎn)應(yīng)力增值約0.3 MPa。也有淺表比深層受影響大的特征。由于此處離沖擊位置相對較遠(yuǎn)，整體所受影響也較小。

圖6 上盤圍巖測點(diǎn)應(yīng)力曲線Flg.6 Stress curves of the monitor points in upper rock

從以上分析，可以看出淺表所受影響大于深層所受影響的特征。另外，從整體上進(jìn)行橫向?qū)Ρ瓤梢园l(fā)現(xiàn)，上盤坡腳圍巖受沖擊影響最大，采礦區(qū)圍巖受影響次之，下盤圍巖受影響最小。

3.2.2 應(yīng)變模擬分析

通過所設(shè)測線對圍巖應(yīng)變特征進(jìn)行分析。

(1)縱向測線應(yīng)變對比分析。圖7為布置的1號、2號、3號縱向測線上各點(diǎn)位移曲線。1號測線位于上盤，最大位移約7.0 cm；2號測線位于采礦區(qū)，最大位移約12 cm，最大位移點(diǎn)處于回填土內(nèi)，有回填土強(qiáng)度較低的因素；3號測線最大位移9 cm，此點(diǎn)位于坡腳，受沖擊影響大。3號測線深層點(diǎn)有微小回彈，說明滑體下滑使下盤深層圍巖產(chǎn)生卸荷現(xiàn)象。總體上3條曲線走勢相似，淺層圍巖位移較大，深層圍巖位移較小，說明淺層受滑體沖擊影響較大，深層圍巖受影響相對較小。

圖7 縱向測線各點(diǎn)位移曲線Flg.7 Displacement curves of the longitudinal survey line

(2)橫向測線應(yīng)變對比分析。圖8為為布置的4號、5號、6號縱向測線上各點(diǎn)位移曲線。4號測線埋深10 m，沉降值約11.0 cm；5號測線埋深40 m，最大沉降值約8.0 cm；6號測線埋深70 m，最大沉降值約6.0 cm。3條測線的最大沉降值都在采礦區(qū)內(nèi)，這個現(xiàn)象產(chǎn)生有2個因素：①回填土強(qiáng)度低，內(nèi)部松散，受到擠壓而產(chǎn)生較大位移；②滑體的部分巖土體在回填土上部堆積，產(chǎn)生較大的自重作用?？偟膩碚f，淺層圍巖應(yīng)變大于深層圍巖應(yīng)變。

圖8 橫向測線各點(diǎn)位移曲線Flg.8 Displacement curves of the lateral survey line

在南幫坡腳處也能看到較大位移，原因是這里雖然圍巖強(qiáng)度高，但沖擊作用強(qiáng)，所以有較大應(yīng)變。

南幫滑體原始位置下方圍巖有上升位移，說明滑體下滑后，其下部圍巖應(yīng)力卸荷而向上抬升。

4 結(jié) 論

邊坡中存在復(fù)雜結(jié)構(gòu)面，滑坡發(fā)生時滑體具有離散性，其內(nèi)部有大量接觸面，傳統(tǒng)的速滑計(jì)算法只能粗略描述滑體的力學(xué)行為，計(jì)算的滑體沖擊能不夠準(zhǔn)確，計(jì)算的結(jié)果也不能準(zhǔn)確反映施加在受災(zāi)物上應(yīng)力。物理模型試驗(yàn)可行可靠，但操作復(fù)雜且成本高。用離散元軟件UDEC對滑坡過程進(jìn)行數(shù)值模擬是可行有效的方法。

通過UDEC對大冶鐵礦東露天采場A滑體進(jìn)行模擬得出滑體沖擊時下部圍巖的應(yīng)力應(yīng)變特征：

(1)滑體下滑有沖擊作用和自重作用，下盤坡腳受沖擊作用明顯，采礦區(qū)和上盤受滑動堆積體自重作用明顯。

(2)縱向上看，淺層圍巖受滑體沖擊影響較大，深層圍巖由于上部巖體緩沖作用，受沖擊影響越來越弱。

(3)橫向上看，采礦區(qū)和下盤坡腳受沖擊影響較大；上盤圍巖離滑體沖擊位置較遠(yuǎn)，所受影響較??；下盤圍巖底部有應(yīng)力卸荷現(xiàn)象。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Analysis on Deformation Characteristics of Surrounding Rock Impacted by Sliding Mass in Open-pit Slope

Wang Peng Zhou Chuanbo Jiang Nan

(EngineeringCollege，ChinaUniversityofGeosciences(Wuhan)，Wuhan430074，China)

The slope stability in the mine transferred from open pit to underground mining is a widely existing problem and the rational evaluation of the slope slip effect on surrounding rock at the bottom of the slope has important engineering significance for underground mining.Taking slopes formed in the process of excavation in Daye Iron Mine as project background，the sliding process of slide mass is numerically simulated with UDEC software，and the stress-strain laws of surrounding rock under the impact of sliding slope on the bottom after the slopes became unstable were studied from perspective of the stress field and displacement field.The results showed that the DEM software can effectively simulate the un-stability of sliding mass.After the un-stability occurs，the impact action mainly focuses on the foot of the northern slope and has a less impact on the mining area and the southern slope.The self-weight of sliding mass on mining area and hanging wall is obvious.On the vertical direction，the impact on surrounding rocks is weakened with the mining depth increasing.On the horizontal direction，the impact of sliding mass on the southern slopes is much lower than that on the mining area and the northern slopes.

Open-pit slope，Sliding mass，Surrounding rocks，Deformation characteristics

2014-01-11

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號：41372312，51379194)，中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(編號：CUGL140817)。

王 鵬(1987—)，男，碩士研究生。通訊作者 周傳波(1963—)，男，博士研究生導(dǎo)師。

TD163

A

1001-1250(2014)-05-036-04