断层对露天矿边坡稳定性影响数值模拟

侯林

（山西煤炭运销集团猫儿沟煤业有限公司，山西 忻州 036500）

断层对露天矿边坡稳定性影响数值模拟

侯林

（山西煤炭运销集团猫儿沟煤业有限公司，山西 忻州 036500）

为研究断层对露天矿边坡稳定性的影响，以国内某露天矿为例，通过对矿区地质条件的分析，确定岩土体物理力学指标，建立含断层的典型数值模拟剖面。根据建立的典型剖面，利用数值模拟软件FLAC3D进行边坡变形破坏数值模拟。

露天矿；边坡；断层；数值模拟

0 引 言

露天开采具有大型化、机械化、综合化等特点，随着开采深度的不断增加，生产过程中的问题逐步凸显，同时边坡安全性引起大家的广泛关注。露天矿边坡安全问题研究既有理论的指导意义，又具有鲜明的实践意义。边坡安全研究建立在多学科的基础上，对复杂的多学科边缘问题综合分析，研究结果最终用于生产实践[1]。

露天矿边坡失稳、变形、破坏是由多种因素作用下引起，在研究过程中显得极为复杂且十分困难，对于该问题，普遍采用模型试验研究、理论研究和数值计算分析相结合的研究方法，以理论分析为基础，利用试验研究和数值分析等手段，得出边坡变形破坏机理和变形破坏规律[2]。目前，对于这类问题，国内外一般运用的数值分析方法有：有限差分法、有限元法、边界元法、离散元法及流形元法等，其中有限元数值分析方法在处理各种边界和边界条件的组合问题相对较容易，因而常被人们所使用且已达到非常高的使用水平。

露天矿边坡与其它类型边坡主要的不同点之一在于人们不能轻易去改变周围的地质条件，导致露天矿边坡在断层、弱层、构造破坏作用下，边坡自身的变形破坏机理及自身稳定分析成为及其复杂的问题，特别是含断层的露天矿边坡，成为安全生产的重要隐患[3]。

鉴于此类复杂条件下的边坡稳定问题，依据传统的极限平衡理论，在地质构造等因素影响下对边坡变形破坏的整个过程进行论述、分析，无法清晰的揭示出变形破坏机理，进而影响边坡稳定性预判[4-5]。因此，以国内某露天矿为研究对象，通过对边坡工程地质条件分析，利用数值模拟方法，断层对露天矿边坡变形破坏、稳定性的影响，揭示边坡变形破坏机理，同时为国内相似露天矿边坡工程提供借鉴意义[6]。

1 边坡工程地质条件

露天矿典型工程地质剖面图如图1所示，断层带及断层面在局部边坡已出露，以岩石分类为基础，以岩性特征，结构构造为特点及岩石力学实验参数等为依据，对岩石进行岩组划分，岩组自上而下分别为：第四系松散层，侏罗系泥岩组，砂岩组，煤层组。第四系松散层主要由黑褐色腐植土，黄色砂质黏土、黏土、黄褐色砂砾石组成，与下伏第三系呈不整合接触，厚度13.00～31.75 m。断层走向北东，倾向北西，倾角54°～64°，区内延展长度9.4 km，落差0～ 87 m。数值模拟时，岩土体物理力学指标见表1。

图1 典型工程地质剖面图

表1 岩土体物理力学指标

2 边坡稳定性数值模拟

为研究断层对露天矿边坡变形规律、变形机理影响，采用的数值分析软件为FLAC3D，该软件能方便地模拟各种复杂的结构、复杂边界及荷载条件，在模型构建、材料的物理力学参数取值、荷载确定合适的条件下，可以得到比较准确的解答，且能直观地反映边坡应力场及位移场随开采进度等的动态变化过程，对探讨不同开采条件下边坡的变形机理具有重大作用[7-8]。

2.1 数值模拟模型的建立

为研究断层对边坡变形破坏机理的影响，本次模拟计算选取典型工程地质剖面，模型的左边界、右边界和底部边界分别以水平（X）和垂直（Y）方向的位移约束，从而构成位移边界条件，介质的弹塑性状采用理想的弹塑性模型描述，以保持整个系统受力体系的平衡计算模型如图2[9-10]。

图2 典型工程地质剖面计算模型图

2.2 数值模拟结果及分析

利用FLAC3D对建立含断层的典型工程地质剖面进行数值模拟，模拟结果主要分为以下4部分：水平位移云图、总位移云图、剪切应变云图和剪切应力云图，分别如图3—图6。

由图3水平位移云图、图4总位移云图可知，边坡随着露天矿的逐渐开挖，在临空方向产生较为明显的应力释放现象，从而使边坡整体向临空方向产生明显的位移，最大位移发生上部第四、第五和第七平盘外缘，其主要原因是两平盘坡体内赋存明显软弱层组，同一水平断层两侧位移明显不同，主要原因是受断层揉皱作用，岩土体力学强度明显降低，断层上部沿矿坑方向和沉降位移较大；图5剪切应变云图反映了上部第四、第五和第七平盘平盘坡脚处存在较为明显的应变破坏区，断层附近剪切应变较大，且形成几近连续的塑性应变区；图6剪切应力云图显示，该剖面受断层影响，断层周围形成较为明显的应力集中现象，主要由于断层破碎带岩石力学强度与原岩相比强度较低，因而在断层破碎带形成了较为明显的应力集中。

图3 典型剖面水平位移云图

图6 典型剖面剪切应力云图

因此，露天矿边坡有断层存在的情况下，影响边坡的变形破坏模式，导致边坡稳定性受到影响，其根本原因是断层的存在引起边坡坡体内应力状态发生改变，同时在揉皱作用下断层强度降低。

3 结 论

通过对边坡地质条件的分析，利用数值模拟软件FLAC3D进行计算分析，结合数值模拟结果得出以下结论：

1）露天开采过程中，断层揭露后坡体内应力状态发生改变，断层周围形成明显的应力集中现象，边坡的变形破坏模式发生改变；

2）断层带岩体在揉皱作用下，自身强度发生改变，断层揭露后边坡稳定性降低；

3）为相似地质条件露天矿，在开采过程中边坡变形破坏模式及稳定性分析具有一定的借鉴意义。

［1］邓鹏宏，王海龙，张德辉.弓长岭露天矿含断层边坡稳定性研究［J］.金属矿山，2016（9）：53-57.

［2］曹兰柱，张秀平，王东，等.含断层露天矿逆倾层状边坡稳定性数值模拟［J］.金属矿山，2015（3）：178-182.

［3］戴超.复杂断层带露天矿高边坡开挖稳定性研究［D］.重庆：重庆大学，2016.

［4］刘立岩.断层边坡稳定性研究及防治措施［J］.露天采矿技术，2014（3）：47-49.

［5］丁川.平庄西露天矿西北帮F3断层区边坡稳定性研究［D］.阜新：辽宁工程技术大学，2013.

［6］张保俊.基于FLAC～（3D）的边坡稳定数值模拟［J］.煤炭与化工，2014（1）：103-1048.

［7］程伟，郭永翔，朱杰.FLAC3D在岩体边坡稳定分析中的应用［J］.水力发电，2015（12）：33-35.

［8］任志丹，吕力行.极限平衡法与FLAC3D在露天矿边坡稳定分析中的应用［J］.河南科学，2014（7）：1300-1302.

［9］王向东，文江泉.用FLAC3D进行土质高边坡稳定性分析［J］.西华大学学报（自然科学版），2005（3）：87-89.

［10］王旭春，管晓明，杜明庆，等.安太堡露天矿边坡蠕滑区滑动机理与稳定性分析［J］.煤炭学报，2013（S2）：312-318.

【责任编辑：陈 毓】

Numerical simulation of the effect of faultage on slope stability in Open-pit M ine

HOU Lin
(Shanxi Coal Transportation and Sale Group Mao'ergou Coal Co.,Ltd.,Xinzhou 036500,China)

In order to research the effect of faultage on slope stability,taking the open-pitmine for example,through the analysis of the geological conditions,the article determines soil physical and mechanical indexes,and establishes the typical numerical simulation section with faultage.According to the established typical section,the author carries out the numerical simulation of slope deformation and failure by using numerical simulation software FLAC3D.

open-pitmine;slope;faultage;numerical simulation

TD824.7

B

1671－9816（2017）09－0059－04

2017-06-20

侯 林（1981—），男，工程师，本科，2004年毕业于辽宁工程技术大学矿物资源工程露天采矿专业，现就职于山西煤炭运销集团猫儿沟煤业有限公司，主要从事露天采矿技术管理工作。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.09.015

侯林.断层对露天矿边坡稳定性影响数值模拟［J］.露天采矿技术，2017，32（9）：59-62.