含断层露天矿逆倾层状边坡稳定性数值模拟
2015-05-05曹兰柱张秀平宋子岭
曹兰柱 张秀平 王 东 宋子岭
(辽宁工程技术大学矿业学院,辽宁 阜新 123000)
含断层露天矿逆倾层状边坡稳定性数值模拟
曹兰柱 张秀平 王 东 宋子岭
(辽宁工程技术大学矿业学院,辽宁 阜新 123000)
平庄西露天矿西北帮为逆倾层状边坡,受坡体内F3断层及弱层的影响,开采过程中存在滑动风险。为保障采剥作业安全,开展了西北帮边坡稳定性研究工作。选取西北帮断层区的典型工程地质剖面作为研究对象,应用有限差分软件FLAC3D,基于强度折减理论,将D-P准则作为岩体破坏准则,以塑性区贯通作为边坡失稳判据,对平庄西露天矿西北帮F3断层区逆倾层状边坡稳定性进行了数值模拟研究。通过分析断层与边坡空间位置不同以及不含断层条件下西北帮边坡失稳破坏特征,揭示了F3断层对西北帮边坡滑移模式与稳定性的影响。研究结果表明,F3断层的存在及其位置控制了平庄西露天矿西北帮断层区边坡的潜在滑坡模式,进而影响了边坡的稳定性;滑坡的力学成因为岩体在自身重力作用下顺F3断层面滑移,进而挤压下部岩体沿MD弱层向临空面滑移,形成推动式滑坡;断层的存在会加速滑坡的进程,且断层距离边坡面越近,这种作用越明显。
边坡稳定性 逆倾层状边坡 断层 滑移模式 数值模拟
边坡稳定性是露天矿开采过程中需要面临的重大问题,其受多方面因素综合作用,其中地质条件构建了含煤地层边坡的内在形态,人工开挖活动又直接诱发滑坡发生。地质构造复杂通常使得开采难度加大,特别是断层发育的区域滑坡事故时有发生,严重影响露天矿安全生产。1999年7月至2000年6月,南芬铁矿矿区下盘边坡中段370 m至620 m台阶受F2、F7断层影响发生了大规模滑坡,边坡破坏高度达252 m,使得+370 m台阶无法靠帮[1-2]。大冶铁矿对20多a中发生的边坡失稳进行统计发现,该矿边坡失稳多表现为顺层面滑动和由断裂与结构面不同组合形成的楔体破坏,其中由断层引起的滑坡土方量占总方量的77%[3]。
鉴于边坡稳定性问题的重要性与普遍性,国内外学者从多个角度作了大量研究。在边坡滑动面形式方面,丰定祥等[4]探讨了垂直裂缝、圆弧型和二次曲线型及其组合等多种形式。对于传统条分法在边坡最小安全系数和潜在滑动面确定方面,曹平等[5]提出采用分区间利用混沌优化和复合形法联合搜索的方法;陈云敏等[6]采用粒子群优化算法搜索最危险滑面,经过有限次迭代分析潜在滑动面确定临界滑动面及最小安全系数。数值计算方面多采用强度折减法[7-10]计算边坡稳定性,王旭春等[11]应用MIDAS-GTS软件对安太堡露天矿西北帮边坡蠕滑现象进行了分析,曹兰柱等[12-13]采用FLAC3D对水电站厂房边坡的三维稳定性进行了分析,赵尚毅等[14]采用ANSYS分析了岩质边坡的结构力学行为,李连崇等[15]采用RFPA对节理岩质边坡变形破坏进行了分析。尽管如此,对于含断层露天矿边坡稳定性问题研究较少,仍未得到很好的解决。
平庄西露天矿西北帮有一斜交大断层F3,随着采剥工程向北推进,F3断层对西北帮边坡稳定性的影响日渐凸显。为保障采剥作业安全,急需开展西北帮断层影响下的边坡稳定性研究。本研究针对平庄西露天矿西北帮边坡工程地质条件,采用数值模拟软件FLAC3D,对西北帮F3断层区逆倾层状边坡稳定性进行分析,揭示F3断层对边坡稳定性的影响,为制定合理的开采方案、实现资源安全回收提供依据。
1 边坡工程地质条件分析
平庄西露天矿西北帮边坡工程地质如图1所示,其顶部边坡已采掘到界,坡顶最大标高545.3 m,坑底最低标高+445.2 m,采掘垂深约100 m,共有10~14个台阶,边坡角10°~13°,F3断层带及断层面局部大面积出露。西北帮边坡揭露的岩层有第四系和侏罗系。第四系松散岩组分布于地表,厚度约20 m,上部为粉质黏土、次生黄土,底部为冲击砂砾层。侏罗系位于第四系之下,与之呈角度不整合接触,由上侏罗统的水泉组和元宝山组煤层构成;倾向西,倾角8°~23°,平均13°左右,为反倾结构边坡;岩性以灰白色~灰色砂岩、砂泥岩为主,在底部南侧,有一呈灰黑色、致密玻璃质结构的岩床状岩浆侵入体(辉绿岩)。煤层由下而上分为1煤和2煤,在西北帮侏罗系岩层与煤层底板发育A弱层和MD弱层,均对西北帮边坡稳定性造成不利影响。F3断层为一级构造结构面,左旋张扭性断裂,在西北帮水平露头宽度为7~13 m,落差150~300 m,倾向98°~130°,倾角22°~31°。岩土体物理力学指标见表1。
2 边坡稳定性数值模拟
边坡稳定性分析的方法比较多,但总的来说可以分为2大类,即以极限平衡理论为基础的条分法和以弹塑性理论为基础的数值计算方法。对于传统的条分法,由于滑动面是人为假定的,只能通过系统地求出一系列滑面发生滑动时的破坏荷载,才能求得可能存在的最危险的滑动面,因此计算精度粗糙、过程复杂,且传统方法未考虑岩土体内部的应力应变关系,无法分析边坡破坏的发生发展过程。对于边坡破坏机制复杂或需考虑内部应力变形时,有必要采取数值计算进行分析。本研究基于强度折减理论,采用有限差分软件FLAC3D,将D-P准则作为岩体破坏准则,以塑性区贯通作为边坡失稳判据,对平庄西露天矿F3断层作用下西北帮逆倾层状边坡稳定性进行数值模拟研究,通过分析断层与边坡空间位置不同以及不含断层条件下西北帮边坡失稳破坏特征,揭示F3断层对西北帮边坡稳定性的影响。
图1 西北帮典型工程地质剖面
岩 组容 重/(kN/m3)黏聚力/MPa内摩擦角/(°)弹性模量/MPa泊松比Q黄土、砂质黏土19.00.0524500.3J5-13泥岩、砂泥岩22.10.17311700.3J5-23砂岩、砂泥岩22.40.15311700.3煤 层12.80.14352000.25βμ辉绿岩26.70.261483400.25A弱层19.00.0510200.35MD弱层20.00.00214.5300.35F3断层19.00.01911250.35
2.1 数值模拟模型的建立
为研究西北帮F3断层发育形态对边坡稳定性的影响,按照断层与边坡面的空间关系与是否存在断层的情况,分别选取了4 700 m剖面、4 900 m剖面和不含断层的4 700 m剖面边坡作为研究对象,分别建立了3个边坡稳定性模拟模型(如图2所示)。其中,模型I为原4 700 m剖面,断层与边坡面距离较大;模型II为原4 900 m剖面,断层与边坡面距离较小;模型III为不含断层的4 700 m剖面。模型的边界条件均为:模型左右边界施加水平约束,即使模型的边界水平位移为零;模型底部边界固定,即使底部边界水平、铅直位移为零;模型顶部及坡面部位为自由边界。此外,分别在各个模拟模型中布置了10个位移监测点,通过对比分析模拟得出的剪应变增量云图、位移场矢量图及位移历时曲线,可揭示断层对边坡滑移模式与稳定性的影响。
图2 计算模型及监测点位置
2.2 数值模拟结果及分析
图3所示为3个模拟模型的剪切应变增量云图,当折减系数Ks=1.17时,模型I的剪切应变塑性区贯通;当折减系数Ks=1.10时,模型Ⅱ的剪切应变塑性区贯通;当折减系数Ks=1.31时,模型III也没有形成一个贯通的塑性区,只是在坡脚形成局部的破坏。当有断层存在时,F3断层、MD弱层构成了的潜在滑体的边界,表明此时边坡的潜在滑坡模式为以MD弱层为底界面、以F3断层为侧界面的切层-顺层滑动;当不含断层时,仅在MD弱层的部分区域形成了塑性贯通区,此时边坡的潜在滑坡模式为以MD底板弱层为底界面、以剪切圆弧为侧界面的切层-顺层滑动。上述分析表明,随着断层位置变化而远离边坡面,边坡稳定性逐渐增大,不含断层时,边坡稳定性明显提高。
图4所示为3个模拟模型的位移矢量场,描述了坡体内部各点的位移分布规律。可以看出,当有断层存在时,断层、MD弱层与边坡面所包络形成的潜在滑体与滑床之间有明显的相对位移,尤其当断层与边坡面相距较近时更为明显;上部岩体位移以下沉为主,下部岩体位移以水平为主,表明滑坡是由于上部岩体在自身重力作用下顺F3断层面滑移,进而挤压下部岩体沿MD弱层向临空面滑移而发生推动式滑坡。当不含断层时,MD弱层以上靠近坡面的岩体向临空方向位移量最大,随着远离边坡面,坡体内各点的位移量逐渐变小,以下沉方向为主。
图3 剪切应变增量
图4 位移矢量
图5所示为3个模拟模型的水平位移历时曲线,描述了滑体与滑床内部各点的位移演变规律。模型I中,断层上盘内监测点1#、3#、5#、7#、9#的最大水平位移分别为1.686 m、1.726 m、1.756 m、1.832 m和0.188 5 m,下盘内监测点2#、4#、6#、8#、10#的最大水平位移分别为0.011 94 m、0.020 62 m、0.04 m、0.253 4 m和0.203 1 m,表明越靠近MD弱层,岩体位移越明显。模型Ⅱ中,断层上盘内监测点1#、3#、5#、7#、9#的最大水平位移分别4.658 m、4.784 m、4.878 m、5.294 m、0.337 9 m,下盘内监测点2#、4#、6#、8#、10#的最大水平位移分别为0.108 2 m、0.226 6 m、0.275 9 m、0.221 0 m和0.301 2 m,同样表明越靠近MD弱层,岩体位移越明显。模型III中,监测点1#~10#的最大水平位移分别0.223 3 m、0.121 2 m、0.449 4 m、0.291 2 m、0.330 6 m、0.374 7 m、0.405 0 m、0.579 1 m、0.341 7 m、0.107 m,无明显位移,表明边坡处于稳定状态。
图5 水平位移历时曲线
对比分析可知,当断层存在时,其上盘内、MD弱层以上的监测点位移明显,表明断层的存在加速了位移的发展,进而加速了滑坡的进程,且断层距离边坡面越近,这种作用越明显;滑坡发生前,位移累积增加,且初期边坡位移增长率较小,当折减系数增大至某一值时,位移增长率突然增大,预示着滑坡即将发生,表明滑坡的发生并不是一蹴而就,而是累进性的。无断层时,边坡累积位移较小,且趋于平缓,表明边坡较稳定。
3 结 论
(1) F3断层的存在及其位置控制了平庄西露天矿西北帮断层区边坡的潜在滑坡模式,进而影响了边坡的稳定性。当断层与边坡面的距离较小时,滑坡模式为以MD底板弱层为底界面、以F3断层为侧界面的切层-顺层滑动;当断层逐渐远离边坡面时,断层对边坡稳定性的影响随之减小,滑坡模式逐渐过渡为以MD底板弱层为底界面、以切件圆弧为侧界面的切层-顺层滑动;无断层时边坡稳定性较好。
(2) 滑坡的力学成因可描述为岩体在自身重力作用下顺F3断层面滑移,进而挤压下部岩体沿MD弱层向临空面滑移,属推动式滑坡;断层的存在加速了位移的发展,进而加速了滑坡的进程,且断层距离边坡面越近,这种作用越明显。
(3)滑坡发生前,位移累积增加,且初期边坡位移增长率较小,当位移增长率突然增大时,即预示着滑坡即将发生而形成累进式滑坡,应对断层区边坡进行动态位移监测。
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(责任编辑 徐志宏)
Numerical simulation on the Stability of Anti-dip Layered Slope at Open-pit Mine with Faults
Cao Lanzhu Zhang Xiuping Wang Dong Song Ziling
(MiningCollege,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China)
During mining process in Pingzhuang west open-pit coal,there exists a serious sliding risk at northwest slope influenced by the F3fault and weak bedrock layer.To make sure the security of mining-stripping operation,stability researches on northwestern slope were carried out.Based on the strength reduction theory and the rule of D-P,taking transfixion of plastic zone as the slope instability criterion,FLAC3Dsoftware was used to make the numerical simulation on the stability of the anti-dip layered slope at northwest F3fault in Pingzhuang West open-pit coal.From the analysis of different spatial location of fault and slope,and the unstable failure characteristics of slope which did not have fault in northwest,it is indicated that F3fault has a great effect on slope slippage pattern and stability in northwest.The potential slide pattern of northwest slope was controlled by F3fault and its location in Pingzhuang West open-pit coal.Landslide was caused by the rock gravity,as the rock slides along F3fault.Lower rock was squeezed to slide along MD weak layer to the free face,which formed the pushing landslide.Because the existence of fault,landslide was accelerated.The nearer distance of fault from slope surface,the more obvious the effect is.
Slope stability,Anti-dip layered slope,Faults,Slip mode,Numerical simulation
2014-11-10
国家自然科学基金项目(编号:51104084,51474119),国家自然科学基金重点项目(编号:U1361211),高等学校博士学科点专项基金项目(编号:20122121110003)。
曹兰柱(1962—),男,教授,博士研究生导师。
TD824.7
A
1001-1250(2015)-03-178-05