多断层对露天矿高陡边坡稳定性的影响研究

2022-12-06袁飞虎朱显峰陈德军向小东

现代矿业 2022年11期

袁飞虎朱显峰陈德军向小东李伟

（1.中国葛洲坝集团水泥有限公司；2.北京洛斯达科技发展有限公司；3.葛洲坝兴山水泥有限公司；4.武汉理正工程科技有限公司）

边坡稳定性是露天矿开采过程中面临的重大问题［1］，受到多方面的综合影响，如处理不当，易造成较大的安全隐患与经济损失［2］。边坡岩体内部往往存在大量断层、节理和泥化层等结构面［3］，塘垭石灰岩矿山所面临的多个断层共同影响下的边坡破坏机制问题更为复杂［4］。

近年来，国内外学者围绕断层对边坡稳定性的影响开展了一系列的研究。王东等［5-6］利用FLAC3D软件研究了断层的位置对顺倾层边坡的滑移模式和稳定性变化规律的影响；和大钊等［7］采用FLAC3D强度折减法并对比Sl ide极限平衡法，分别研究力学参数和几何参数对岩质边坡破坏模式和稳定性的影响；田宇等［8］基于刚体极限平衡理论与数值模拟的手段，研究了含多弱层-断层构造复合顺倾边坡的变形破坏特征、滑坡模式以及不同弱层对边坡稳定性影响程度；曹兰柱等［9-10］基于极限平衡理论和数值模拟手段，研究了断层位置对露天矿采场以及采场-排土场复合边坡的滑坡模式及稳定性的影响规律；肖开乾等［11］采用Sarma法计算分析不同层位结构面以及不同滑面长度下边坡安全系数，对含断层多面临空顺层高边坡稳定性进行分析；丁川等［12］采用3D slope边坡计算软件对平庄西露天矿西北帮边坡进行稳定性计算，确定了边坡稳定性系数；宋健等［13］利用FLAC软件建立了一个土质边坡动力数值分析模型，分别研究了具有向前方向性效应、滑冲效应和无速度脉冲的近断层地震动作用下边坡的动力响应；韩万东等［14］通过FLAC3D研究边坡变形破坏和塑性区分布特征，揭示了铧尖露天矿非工作帮边坡的滑坡机理；杨涛等［15］通过FLAC3D研究高填方边坡失稳机理，证明计算区域的局部位移不会导致边坡整体失稳；叶帅华等［16］利用PLAXIS 3D岩土有限元软件建立边坡稳定性计算模型，对降雨入渗影响下多级黄土高边坡的稳定性进行分析；邓鹏宏等［17］利用FLAC和Geo-Slope软件模拟分析断层位置对边坡稳定性的影响。

综上所述，对于边坡失稳机制的讨论，主要集中在岩体力学参数和边坡几何参数的变化对边坡的影响、断层赋存角度对边坡的影响和断层与裂隙等地质结构对边坡的组合影响。但目前针对多个断层综合影响下的高陡边坡稳定性研究较少，因此，利用FLAC3D软件建立高陡岩质边坡模型，导入断层点数据，研究多断层影响下塘垭露天矿山高陡岩质边坡的稳定性，指导塘垭露天石灰岩边坡滑坡区防治工作，以保障矿山的安全生产。

1 边坡工程地质条件

塘垭石灰岩露天矿山设计开采标高为+1 300～+880 m，采用自上而下水平分层法开采，目前已形成多个开采平台，最高处边坡达170 m，台阶坡面角为64°，台阶高12 m，+1 064 m平台以上最终边坡角为39°，+1 026～+1 062 m平台最终边坡角为43°，+1 026 m平台至最低开采标高+880 m平台的最终边坡角为25°。从工程实践中可以发现，塘垭石灰岩矿山边坡属于高陡岩质边坡，边坡变形与稳定问题相对突出［18］，自投产以来发生了多次滑坡事件，造成了严重的经济损失。

通过地表踏勘，对塘垭露天矿的断层产状和分布区域开展了勘察，记录断层点数据如表1所示。矿山共有F1、F2、F3、F44个大断层，极大地影响了边坡岩体的连续性。

F1断层两端延伸出露，走向较直，总体走向为北西—南东向（116°～296°），倾向北东，倾角70°。断层带内可见构造角砾岩断续分布，断层垂直错距大于80 m，水平错距不清。断层位于边坡北端，对边坡稳定性影响一般。

F2断层于边坡最南端出露，宽2～3 m，构造岩以角砾岩和碎裂岩为主，充填方解石，具片理化现象。断面呈波状，夹层含碎屑、泥质物质。

F3断层横贯全矿区，延伸1 160 m，断层总体走向北西—南东向，与地层走向大致平行（130°～310°），出露轨迹呈缓波状、不对称S形状。断层倾向南西，倾角69°～89°。断层破碎带宽1.5～4 m，其内构造角砾岩发育，方解石脉穿插其间。断距40～50 m，该断层破坏矿体（层）的连续性。

F4断层贯通边坡中部，构造岩宽1 m左右，为角砾岩及碎裂岩，胶结较好，顺断层面有片理化现象，沿断层有溶隙，充填方解石。

2 边坡稳定性数值模拟

采用有限差分软件FLAC3D，将M-C准则作为岩体破坏准则，以塑性区贯通作为边坡失稳依据，对塘垭露天矿F1～F44个断层影响下高陡边坡稳定性进行模拟，揭示多断层对边坡稳定性影响。

2.1 数值模型建立

为研究断层发育对塘垭露天矿山边坡稳定性影响，通过无人机收集区域点云数据（图1）［19］，将地质勘察的断层点坐标（表1）导入边坡三维模型（图2），边坡与断层的空间组合关系如图3所示。

考虑到数值计算中的边界问题，模型沿边坡倾向长度为200 m，沿重力方向高度为350 m，采用四周法向约束、底部固定约束、上表面自由的边界条件。数值模型采用四面体单元，为充分模拟断层影响，采用Interface命令法构建接触面，模拟断层切割边坡岩体，使其不连续［20］，基于FLAC3D建立的三维实体模型如图4所示。计算中将边坡视为理想弹塑性体，并忽略地下水等因素对露天边坡稳定性的影响，选用摩尔-库仑模型作为本构模型［21］。岩体物理力学指标从岩石力学试验和前期地质资料中获取，见表2。

2.2 边坡现状模拟结果与分析

为揭示现状条件下断层对边坡稳定性的影响，将数值模型开采至+966 m标高（边坡高度约96 m），所得到的位移分布和塑性区分布如图5和图6所示。可以发现：①位移相对较大的3个区域分别位于边坡北部（图中1号区域）、边坡中部（图中2号区域）及南侧边坡（图中3号区域），显然，位移较大区域均出现在断层附近，且两断层面之间的矿岩位移明显小于断层面附近的位移，说明断层附近边坡破坏风险更大，断层的存在影响了边坡的稳定性。②2号区域位移变形大于40 mm的范围相比于3号区域和1号区域更大，最大位移值也更大，达到了50 mm，根据勘察结果，2号区域的断层分布也较为密集，因此，断层结构面在局部区域越密集，边坡破坏越严重。③塑性区分布位置与位移较大区域总体对应，模拟的边坡破坏位置和范围与现场实际边坡破坏也较为吻合（图7～图9），且观察图6可以发现，塑性区发育存在沿断层和垂直断层2种趋势，塑性区沿断层发育的位置如2号区域的上部位置，是以张拉破坏为主的剪切和张拉组合破坏，说明此时边坡破坏是断层两侧岩体相互滑移造成的，塑性区近似垂直断层发育的位置如2号区域下部位置和3号区域，产生剪切和张拉组合破坏，说明此时边坡破坏是断层两侧岩体相对挤压造成的。综上所述，边坡破坏的主要原因是多块岩体间相对滑移破坏和挤压破坏，边坡在断层的切割下，岩体变成不连续的块，断层越多，边坡岩体被切割的块越多，边坡越不稳定。

2.3 边坡深部开采模拟结果与分析

为揭示断层发育状态对后续深部开采的边坡稳定性影响，在当前矿山生产过程模拟的基础上，根据矿山深部扩界开采设计，模拟后续矿山逐层开采的过程，采用边坡位移及塑性区发育2个指标综合评价边坡稳定性。

开采到+954 m水平时边坡整体位移和塑性区分布见图10、图11，边坡主要有3个区域出现较大位移：1号区域最大位移值为35.0 mm，2号区域最大位移值为50.7 mm，3号区域最大位移值为50.0 mm，最大位移值相对于开采现状增加了0.7 mm。从位移区域范围来看，1号区域靠近坡底，且断层面与边坡之间呈一定的角度，边坡位移区域最小；2号区域附近有4个断层面对其造成影响，且有断层方向与边坡近乎垂直，边坡位移区域最大；3号区域的断层与边坡近乎垂直，边坡倾角较大，边坡位移区域较小。从塑性区分布区来看，1号区域在生产过程中会产生剪切和张拉组合破坏，但范围较小；2号区域上半部分产生以张拉破坏为主的剪切和张拉组合破坏，下半部分产生剪切和张拉组合破坏，上半部分塑性区主要沿断层面发育，下半部分主要垂直于断层面发育；3号区域出现以拉张破坏为主的剪切和张拉组合破坏，主要垂直于断层面发育。

开采到+942 m水平时边坡整体位移和塑性区分布见图12、图13，边坡主要有3个区域出现较大位移：1号区域最大位移值为35.0 mm，2号区域最大位移值为50.9 mm，3号区域最大位移值为50.0 mm，最大位移值相对于开采现状增大0.9 mm。从位移区域范围来看，3处区域相较于+954 m水平均未增加。从塑性区分布区来看，三处区域塑性区相比开采至+954 m水平，发育范围略有扩大，但未贯通。

开采到+930 m水平时边坡整体位移和塑性区分布见图14、图15，边坡主要有3个区域出现较大位移：1号区域最大位移值为35.0 mm，2号区域最大位移值为50.9 mm，3号区域最大位移值为50.0 mm，最大位移值相对于开采现状增大0.9 mm。从位移区域范围来看，3处区域相较于+942m水平均未增加。从塑性区分布区来看，3处区域塑性区相比开采至+942 m水平，发育范围略有扩大，但未贯通。

开采到+918 m水平时边坡整体位移和塑性区分布见图16、图17，边坡主要有3个区域出现较大位移：1号区域最大位移值为39.5 mm，2号区域最大位移值为50.8 mm，3号区域最大位移值为50.5 mm，最大位移值相对于开采现状增大0.8 mm。从位移区域范围来看，3处区域相较于+930 m水平均未增加。从塑性区分布来看，3处区域塑性区相比开采至+930 m水平，发育范围略有扩大，但未贯通。

开采到+906 m水平时边坡整体位移和塑性区分布见图18、图19，边坡主要有3个区域出现较大位移：1号区域最大位移值为40.0 mm，2号区域最大位移值为51.3 mm，3号区域最大位移值为50.5 mm，最大位移值相对于开采现状增大1.3 mm。从位移区域范围来看，3处区域相较于+918 m水平均未增加。从塑性区分布区来看，3处区域塑性区相比开采至+918 m水平，发育范围略有扩大，但未贯通。

开采到+894 m水平时边坡整体位移和塑性区分布见图20、图21，边坡主要有3个区域出现较大位移：1号区域最大位移值为40.2 mm，2号区域最大位移值为51.8 mm，3号区域最大位移值为50.5 mm，最大位移值相对于开采现状增大1.8 mm。从位移区域范围来看，3处区域相较于+906 m水平均未增加。从塑性区分布来看，3处区域塑性区相比开采至+906 m水平，发育范围略有扩大，但未贯通。

开采结束时（+880 m水平）边坡整体位移和塑性区分布见图22、图23，边坡主要有3个区域出现较大位移：1号区域最大位移值为40.6 mm，2号区域最大位移值为52.2 mm，3号区域最大位移值为50.5 mm，最大位移值相对于开采现状增大2.2 mm。从位移区域范围来看，3处区域相较于+894 m水平均未增加。从塑性区分布来看，3处区域塑性区相比开采至+894 m水平，发育范围略有扩大，但未贯通。

由以上一系列边坡位移分布云图和塑性区分布云图可以看出，从矿山开采+954 m平台到+880 m平台，边坡最大位移始终出现在2号和3号区域，1号区域位移没有明显增长，最大位移值从50.0 mm增长到52.2 mm，如图24所示；1号、2号及3号区域塑性区均沿原发育方向持续发育，但延伸的塑性区范围较小，始终没有大范围贯通。总体来说，随着矿山深部扩界开采的进行，边坡最大位移值持续增大，但总体增长较小，深部开采过程对边坡塑性区范围的增长作用也较小，因此，得益于断层发育产状未进一步向深部区域延伸，断层对深部开采过程中的边坡稳定性的影响较小。