多斷層對(duì)露天礦高陡邊坡穩(wěn)定性的影響研究

袁飛虎 朱顯峰 陳德軍 向小東 李 偉

（1.中國(guó)葛洲壩集團(tuán)水泥有限公司；2.北京洛斯達(dá)科技發(fā)展有限公司；3.葛洲壩興山水泥有限公司；4.武漢理正工程科技有限公司）

邊坡穩(wěn)定性是露天礦開(kāi)采過(guò)程中面臨的重大問(wèn)題［1］，受到多方面的綜合影響，如處理不當(dāng)，易造成較大的安全隱患與經(jīng)濟(jì)損失［2］。邊坡巖體內(nèi)部往往存在大量斷層、節(jié)理和泥化層等結(jié)構(gòu)面［3］，塘埡石灰?guī)r礦山所面臨的多個(gè)斷層共同影響下的邊坡破壞機(jī)制問(wèn)題更為復(fù)雜［4］。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞斷層對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響開(kāi)展了一系列的研究。王東等［5-6］利用FLAC3D軟件研究了斷層的位置對(duì)順傾層邊坡的滑移模式和穩(wěn)定性變化規(guī)律的影響；和大釗等［7］采用FLAC3D強(qiáng)度折減法并對(duì)比Sl ide極限平衡法，分別研究力學(xué)參數(shù)和幾何參數(shù)對(duì)巖質(zhì)邊坡破壞模式和穩(wěn)定性的影響；田宇等［8］基于剛體極限平衡理論與數(shù)值模擬的手段，研究了含多弱層-斷層構(gòu)造復(fù)合順傾邊坡的變形破壞特征、滑坡模式以及不同弱層對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響程度；曹蘭柱等［9-10］基于極限平衡理論和數(shù)值模擬手段，研究了斷層位置對(duì)露天礦采場(chǎng)以及采場(chǎng)-排土場(chǎng)復(fù)合邊坡的滑坡模式及穩(wěn)定性的影響規(guī)律；肖開(kāi)乾等［11］采用Sarma法計(jì)算分析不同層位結(jié)構(gòu)面以及不同滑面長(zhǎng)度下邊坡安全系數(shù)，對(duì)含斷層多面臨空順層高邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析；丁川等［12］采用3D slope邊坡計(jì)算軟件對(duì)平莊西露天礦西北幫邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，確定了邊坡穩(wěn)定性系數(shù)；宋健等［13］利用FLAC軟件建立了一個(gè)土質(zhì)邊坡動(dòng)力數(shù)值分析模型，分別研究了具有向前方向性效應(yīng)、滑沖效應(yīng)和無(wú)速度脈沖的近斷層地震動(dòng)作用下邊坡的動(dòng)力響應(yīng)；韓萬(wàn)東等［14］通過(guò)FLAC3D研究邊坡變形破壞和塑性區(qū)分布特征，揭示了鏵尖露天礦非工作幫邊坡的滑坡機(jī)理；楊濤等［15］通過(guò)FLAC3D研究高填方邊坡失穩(wěn)機(jī)理，證明計(jì)算區(qū)域的局部位移不會(huì)導(dǎo)致邊坡整體失穩(wěn)；葉帥華等［16］利用PLAXIS 3D巖土有限元軟件建立邊坡穩(wěn)定性計(jì)算模型，對(duì)降雨入滲影響下多級(jí)黃土高邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析；鄧鵬宏等［17］利用FLAC和Geo-Slope軟件模擬分析斷層位置對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

綜上所述，對(duì)于邊坡失穩(wěn)機(jī)制的討論，主要集中在巖體力學(xué)參數(shù)和邊坡幾何參數(shù)的變化對(duì)邊坡的影響、斷層賦存角度對(duì)邊坡的影響和斷層與裂隙等地質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)邊坡的組合影響。但目前針對(duì)多個(gè)斷層綜合影響下的高陡邊坡穩(wěn)定性研究較少，因此，利用FLAC3D軟件建立高陡巖質(zhì)邊坡模型，導(dǎo)入斷層點(diǎn)數(shù)據(jù)，研究多斷層影響下塘埡露天礦山高陡巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，指導(dǎo)塘埡露天石灰?guī)r邊坡滑坡區(qū)防治工作，以保障礦山的安全生產(chǎn)。

1 邊坡工程地質(zhì)條件

塘埡石灰?guī)r露天礦山設(shè)計(jì)開(kāi)采標(biāo)高為+1 300～+880 m，采用自上而下水平分層法開(kāi)采，目前已形成多個(gè)開(kāi)采平臺(tái)，最高處邊坡達(dá)170 m，臺(tái)階坡面角為64°，臺(tái)階高12 m，+1 064 m平臺(tái)以上最終邊坡角為39°，+1 026～+1 062 m平臺(tái)最終邊坡角為43°，+1 026 m平臺(tái)至最低開(kāi)采標(biāo)高+880 m平臺(tái)的最終邊坡角為25°。從工程實(shí)踐中可以發(fā)現(xiàn)，塘埡石灰?guī)r礦山邊坡屬于高陡巖質(zhì)邊坡，邊坡變形與穩(wěn)定問(wèn)題相對(duì)突出［18］，自投產(chǎn)以來(lái)發(fā)生了多次滑坡事件，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

通過(guò)地表踏勘，對(duì)塘埡露天礦的斷層產(chǎn)狀和分布區(qū)域開(kāi)展了勘察，記錄斷層點(diǎn)數(shù)據(jù)如表1所示。礦山共有F1、F2、F3、F44個(gè)大斷層，極大地影響了邊坡巖體的連續(xù)性。

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F1斷層兩端延伸出露，走向較直，總體走向?yàn)楸蔽鳌蠔|向（116°～296°），傾向北東，傾角70°。斷層帶內(nèi)可見(jiàn)構(gòu)造角礫巖斷續(xù)分布，斷層垂直錯(cuò)距大于80 m，水平錯(cuò)距不清。斷層位于邊坡北端，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響一般。

F2斷層于邊坡最南端出露，寬2～3 m，構(gòu)造巖以角礫巖和碎裂巖為主，充填方解石，具片理化現(xiàn)象。斷面呈波狀，夾層含碎屑、泥質(zhì)物質(zhì)。

F3斷層橫貫全礦區(qū)，延伸1 160 m，斷層總體走向北西—南東向，與地層走向大致平行（130°～310°），出露軌跡呈緩波狀、不對(duì)稱S形狀。斷層傾向南西，傾角69°～89°。斷層破碎帶寬1.5～4 m，其內(nèi)構(gòu)造角礫巖發(fā)育，方解石脈穿插其間。斷距40～50 m，該斷層破壞礦體（層）的連續(xù)性。

F4斷層貫通邊坡中部，構(gòu)造巖寬1 m左右，為角礫巖及碎裂巖，膠結(jié)較好，順斷層面有片理化現(xiàn)象，沿?cái)鄬佑腥芟?，充填方解石?/p>

2 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬

采用有限差分軟件FLAC3D，將M-C準(zhǔn)則作為巖體破壞準(zhǔn)則，以塑性區(qū)貫通作為邊坡失穩(wěn)依據(jù)，對(duì)塘埡露天礦F1～F44個(gè)斷層影響下高陡邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行模擬，揭示多斷層對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響。

2.1 數(shù)值模型建立

為研究斷層發(fā)育對(duì)塘埡露天礦山邊坡穩(wěn)定性影響，通過(guò)無(wú)人機(jī)收集區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)（圖1）［19］，將地質(zhì)勘察的斷層點(diǎn)坐標(biāo)（表1）導(dǎo)入邊坡三維模型（圖2），邊坡與斷層的空間組合關(guān)系如圖3所示。

考慮到數(shù)值計(jì)算中的邊界問(wèn)題，模型沿邊坡傾向長(zhǎng)度為200 m，沿重力方向高度為350 m，采用四周法向約束、底部固定約束、上表面自由的邊界條件。數(shù)值模型采用四面體單元，為充分模擬斷層影響，采用Interface命令法構(gòu)建接觸面，模擬斷層切割邊坡巖體，使其不連續(xù)［20］，基于FLAC3D建立的三維實(shí)體模型如圖4所示。計(jì)算中將邊坡視為理想彈塑性體，并忽略地下水等因素對(duì)露天邊坡穩(wěn)定性的影響，選用摩爾-庫(kù)侖模型作為本構(gòu)模型［21］。巖體物理力學(xué)指標(biāo)從巖石力學(xué)試驗(yàn)和前期地質(zhì)資料中獲取，見(jiàn)表2。

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2.2 邊坡現(xiàn)狀模擬結(jié)果與分析

為揭示現(xiàn)狀條件下斷層對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，將數(shù)值模型開(kāi)采至+966 m標(biāo)高（邊坡高度約96 m），所得到的位移分布和塑性區(qū)分布如圖5和圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：①位移相對(duì)較大的3個(gè)區(qū)域分別位于邊坡北部（圖中1號(hào)區(qū)域）、邊坡中部（圖中2號(hào)區(qū)域）及南側(cè)邊坡（圖中3號(hào)區(qū)域），顯然，位移較大區(qū)域均出現(xiàn)在斷層附近，且兩斷層面之間的礦巖位移明顯小于斷層面附近的位移，說(shuō)明斷層附近邊坡破壞風(fēng)險(xiǎn)更大，斷層的存在影響了邊坡的穩(wěn)定性。②2號(hào)區(qū)域位移變形大于40 mm的范圍相比于3號(hào)區(qū)域和1號(hào)區(qū)域更大，最大位移值也更大，達(dá)到了50 mm，根據(jù)勘察結(jié)果，2號(hào)區(qū)域的斷層分布也較為密集，因此，斷層結(jié)構(gòu)面在局部區(qū)域越密集，邊坡破壞越嚴(yán)重。③塑性區(qū)分布位置與位移較大區(qū)域總體對(duì)應(yīng)，模擬的邊坡破壞位置和范圍與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際邊坡破壞也較為吻合（圖7～圖9），且觀察圖6可以發(fā)現(xiàn)，塑性區(qū)發(fā)育存在沿?cái)鄬雍痛怪睌鄬?種趨勢(shì)，塑性區(qū)沿?cái)鄬影l(fā)育的位置如2號(hào)區(qū)域的上部位置，是以張拉破壞為主的剪切和張拉組合破壞，說(shuō)明此時(shí)邊坡破壞是斷層兩側(cè)巖體相互滑移造成的，塑性區(qū)近似垂直斷層發(fā)育的位置如2號(hào)區(qū)域下部位置和3號(hào)區(qū)域，產(chǎn)生剪切和張拉組合破壞，說(shuō)明此時(shí)邊坡破壞是斷層兩側(cè)巖體相對(duì)擠壓造成的。綜上所述，邊坡破壞的主要原因是多塊巖體間相對(duì)滑移破壞和擠壓破壞，邊坡在斷層的切割下，巖體變成不連續(xù)的塊，斷層越多，邊坡巖體被切割的塊越多，邊坡越不穩(wěn)定。

2.3 邊坡深部開(kāi)采模擬結(jié)果與分析

為揭示斷層發(fā)育狀態(tài)對(duì)后續(xù)深部開(kāi)采的邊坡穩(wěn)定性影響，在當(dāng)前礦山生產(chǎn)過(guò)程模擬的基礎(chǔ)上，根據(jù)礦山深部擴(kuò)界開(kāi)采設(shè)計(jì)，模擬后續(xù)礦山逐層開(kāi)采的過(guò)程，采用邊坡位移及塑性區(qū)發(fā)育2個(gè)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性。

開(kāi)采到+954 m水平時(shí)邊坡整體位移和塑性區(qū)分布見(jiàn)圖10、圖11，邊坡主要有3個(gè)區(qū)域出現(xiàn)較大位移：1號(hào)區(qū)域最大位移值為35.0 mm，2號(hào)區(qū)域最大位移值為50.7 mm，3號(hào)區(qū)域最大位移值為50.0 mm，最大位移值相對(duì)于開(kāi)采現(xiàn)狀增加了0.7 mm。從位移區(qū)域范圍來(lái)看，1號(hào)區(qū)域靠近坡底，且斷層面與邊坡之間呈一定的角度，邊坡位移區(qū)域最??；2號(hào)區(qū)域附近有4個(gè)斷層面對(duì)其造成影響，且有斷層方向與邊坡近乎垂直，邊坡位移區(qū)域最大；3號(hào)區(qū)域的斷層與邊坡近乎垂直，邊坡傾角較大，邊坡位移區(qū)域較小。從塑性區(qū)分布區(qū)來(lái)看，1號(hào)區(qū)域在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生剪切和張拉組合破壞，但范圍較??；2號(hào)區(qū)域上半部分產(chǎn)生以張拉破壞為主的剪切和張拉組合破壞，下半部分產(chǎn)生剪切和張拉組合破壞，上半部分塑性區(qū)主要沿?cái)鄬用姘l(fā)育，下半部分主要垂直于斷層面發(fā)育；3號(hào)區(qū)域出現(xiàn)以拉張破壞為主的剪切和張拉組合破壞，主要垂直于斷層面發(fā)育。

開(kāi)采到+942 m水平時(shí)邊坡整體位移和塑性區(qū)分布見(jiàn)圖12、圖13，邊坡主要有3個(gè)區(qū)域出現(xiàn)較大位移：1號(hào)區(qū)域最大位移值為35.0 mm，2號(hào)區(qū)域最大位移值為50.9 mm，3號(hào)區(qū)域最大位移值為50.0 mm，最大位移值相對(duì)于開(kāi)采現(xiàn)狀增大0.9 mm。從位移區(qū)域范圍來(lái)看，3處區(qū)域相較于+954 m水平均未增加。從塑性區(qū)分布區(qū)來(lái)看，三處區(qū)域塑性區(qū)相比開(kāi)采至+954 m水平，發(fā)育范圍略有擴(kuò)大，但未貫通。

開(kāi)采到+930 m水平時(shí)邊坡整體位移和塑性區(qū)分布見(jiàn)圖14、圖15，邊坡主要有3個(gè)區(qū)域出現(xiàn)較大位移：1號(hào)區(qū)域最大位移值為35.0 mm，2號(hào)區(qū)域最大位移值為50.9 mm，3號(hào)區(qū)域最大位移值為50.0 mm，最大位移值相對(duì)于開(kāi)采現(xiàn)狀增大0.9 mm。從位移區(qū)域范圍來(lái)看，3處區(qū)域相較于+942m水平均未增加。從塑性區(qū)分布區(qū)來(lái)看，3處區(qū)域塑性區(qū)相比開(kāi)采至+942 m水平，發(fā)育范圍略有擴(kuò)大，但未貫通。

開(kāi)采到+918 m水平時(shí)邊坡整體位移和塑性區(qū)分布見(jiàn)圖16、圖17，邊坡主要有3個(gè)區(qū)域出現(xiàn)較大位移：1號(hào)區(qū)域最大位移值為39.5 mm，2號(hào)區(qū)域最大位移值為50.8 mm，3號(hào)區(qū)域最大位移值為50.5 mm，最大位移值相對(duì)于開(kāi)采現(xiàn)狀增大0.8 mm。從位移區(qū)域范圍來(lái)看，3處區(qū)域相較于+930 m水平均未增加。從塑性區(qū)分布來(lái)看，3處區(qū)域塑性區(qū)相比開(kāi)采至+930 m水平，發(fā)育范圍略有擴(kuò)大，但未貫通。

開(kāi)采到+906 m水平時(shí)邊坡整體位移和塑性區(qū)分布見(jiàn)圖18、圖19，邊坡主要有3個(gè)區(qū)域出現(xiàn)較大位移：1號(hào)區(qū)域最大位移值為40.0 mm，2號(hào)區(qū)域最大位移值為51.3 mm，3號(hào)區(qū)域最大位移值為50.5 mm，最大位移值相對(duì)于開(kāi)采現(xiàn)狀增大1.3 mm。從位移區(qū)域范圍來(lái)看，3處區(qū)域相較于+918 m水平均未增加。從塑性區(qū)分布區(qū)來(lái)看，3處區(qū)域塑性區(qū)相比開(kāi)采至+918 m水平，發(fā)育范圍略有擴(kuò)大，但未貫通。

開(kāi)采到+894 m水平時(shí)邊坡整體位移和塑性區(qū)分布見(jiàn)圖20、圖21，邊坡主要有3個(gè)區(qū)域出現(xiàn)較大位移：1號(hào)區(qū)域最大位移值為40.2 mm，2號(hào)區(qū)域最大位移值為51.8 mm，3號(hào)區(qū)域最大位移值為50.5 mm，最大位移值相對(duì)于開(kāi)采現(xiàn)狀增大1.8 mm。從位移區(qū)域范圍來(lái)看，3處區(qū)域相較于+906 m水平均未增加。從塑性區(qū)分布來(lái)看，3處區(qū)域塑性區(qū)相比開(kāi)采至+906 m水平，發(fā)育范圍略有擴(kuò)大，但未貫通。

開(kāi)采結(jié)束時(shí)（+880 m水平）邊坡整體位移和塑性區(qū)分布見(jiàn)圖22、圖23，邊坡主要有3個(gè)區(qū)域出現(xiàn)較大位移：1號(hào)區(qū)域最大位移值為40.6 mm，2號(hào)區(qū)域最大位移值為52.2 mm，3號(hào)區(qū)域最大位移值為50.5 mm，最大位移值相對(duì)于開(kāi)采現(xiàn)狀增大2.2 mm。從位移區(qū)域范圍來(lái)看，3處區(qū)域相較于+894 m水平均未增加。從塑性區(qū)分布來(lái)看，3處區(qū)域塑性區(qū)相比開(kāi)采至+894 m水平，發(fā)育范圍略有擴(kuò)大，但未貫通。

由以上一系列邊坡位移分布云圖和塑性區(qū)分布云圖可以看出，從礦山開(kāi)采+954 m平臺(tái)到+880 m平臺(tái)，邊坡最大位移始終出現(xiàn)在2號(hào)和3號(hào)區(qū)域，1號(hào)區(qū)域位移沒(méi)有明顯增長(zhǎng)，最大位移值從50.0 mm增長(zhǎng)到52.2 mm，如圖24所示；1號(hào)、2號(hào)及3號(hào)區(qū)域塑性區(qū)均沿原發(fā)育方向持續(xù)發(fā)育，但延伸的塑性區(qū)范圍較小，始終沒(méi)有大范圍貫通?？傮w來(lái)說(shuō)，隨著礦山深部擴(kuò)界開(kāi)采的進(jìn)行，邊坡最大位移值持續(xù)增大，但總體增長(zhǎng)較小，深部開(kāi)采過(guò)程對(duì)邊坡塑性區(qū)范圍的增長(zhǎng)作用也較小，因此，得益于斷層發(fā)育產(chǎn)狀未進(jìn)一步向深部區(qū)域延伸，斷層對(duì)深部開(kāi)采過(guò)程中的邊坡穩(wěn)定性的影響較小。

3 結(jié)論

（1）由于斷層的存在，邊坡被切割成多個(gè)巖體，斷層面附近的巖體更容易發(fā)生破壞，斷層密集區(qū)域邊坡位移40 mm以上的范圍較大，斷層面在局部區(qū)域越密集，邊坡破壞越嚴(yán)重。邊坡破壞形式存在2種，在斷層兩側(cè)相互錯(cuò)動(dòng)使塑性區(qū)沿?cái)鄬用姘l(fā)育破壞，在斷層兩側(cè)相對(duì)擠壓使塑性區(qū)垂直斷層面發(fā)育破壞。

（2）在斷層持續(xù)影響下，隨著深部開(kāi)采的進(jìn)行，邊坡最大位移值持續(xù)增大，但總體增長(zhǎng)較小，最大位移值僅從50.0 mm增長(zhǎng)到52.2 mm；塑性區(qū)均沿原發(fā)育方向繼續(xù)小幅度發(fā)育，但始終沒(méi)有大范圍貫通，說(shuō)明斷層對(duì)邊坡穩(wěn)定性的破壞并未隨開(kāi)采大幅度增加，邊坡安全狀態(tài)較好。