贯穿断层及隐伏巷道对某露天边坡稳定性影响数值模拟分析

王志修，秦秀山

(1.矿冶科技集团有限公司，北京 100160； 2.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京 102628)

近年来，随着国民经济的快速发展，建筑用花岗岩资源需求量不断增加，露天花岗岩矿边坡是制约矿山安全生产的重要因素，其中影响露天矿边坡稳定性的因素主要有边坡高度、边坡角及复杂地质条件等，目前复杂地质条件边坡稳定性分析一直是研究热点[1-3]。张家明[4]结合自重工况、开挖工况、暴雨和蓄水工况、地震工况方面总结了目前含软弱夹层岩质边坡稳定性的研究现状及进展。田宇等[5]针对露天矿多弱层顺倾到界边坡，采用刚体极限平衡理论与数值模拟方法，对边坡稳定性进行分析。陈庆峰等[6]通过现场地质调查，利用室内试验及数值模拟方法，进行石灰岩矿山边坡稳定性分析。邓鹏宏等[7]采用数值模拟方法对含断层边坡进行稳定性分析。肖开乾等[8]对于结构面贯通至地表的顺层边坡进行分析，结果显示结构面上滑体的安全系数与滑块平均厚度呈负相关，而与滑面长度的相关关系较弱。蒋军等[9]利用正交试验和数值模拟相结合的方法，得出断层相关参数对含断层岩质边坡稳定的影响程度为：断层倾角影响程度最大，断层内摩擦角其次，断层黏聚力较小，断层厚度及其露头与边坡的距离影响程度较小。毕钰璋等[10]研究不同采空区高度造成的滑坡灾害与不同距离结构体之间的动力关系。解联库等[11]提出一种针对露天采场隐伏空区顶板安全厚度的综合判别法，并进行工程验证。

本文以广东某花岗岩矿含断层及空区的露天边坡为研究背景，对含有陡倾断层及采空巷道的边坡稳定性进行综合分析，研究成果可为相关矿山提供设计依据及工程经验。

1 工程概况

广东某花岗岩矿为拟建矿山，采用露天开采方式，设计生产规模600万m3/a，开采标高+565.30～+50 m，年平均降雨量为2 284.23 mm；矿区工程地质岩组划分为全风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩(见图1)及断层破碎带，矿区有一条近东西的断层(F1)，该断层控制长度约2 000 m，宽1～8 m不等，平均宽约5 m，倾角80°～85°，由硅质热液充填胶结；同时在东南区域有两条采空巷道，分别位于154 m水平及197 m水平，水平方向巷道间距平均为10 m，巷道长×宽为4 m×4 m，由于历史原因，无巷道相关资料。拟采露天矿地质模型见图2。

图1 典型钻孔柱状图Fig.1 Typical borehole histogram

图2 拟采露天矿地质模型Fig.2 Geological model of the proposed open-pit mine

根据矿山的矿岩性质、原矿块度的需求、凿岩和装运设备等综合条件选取合理的开采终了边坡参数，根据矿山顶底板的岩石性质及构造特征设定台阶坡面角参数。设计开采终了台阶参数见表1。

表1 设计开采终了台阶参数Table 1 Design parameters of mining terminal step

2 岩体质量评价研究及力学参数分析

2.1 岩体质量评价

现场调查统计7个钻孔的岩石状态、分层厚度、RQD、节理条数、节理密度等，得出微风化岩厚度相对较大，RQD较稳定平均值为88，结构面平滑，无蚀变，裂隙内无充填物。中风化岩厚度不大，RQD较稳定平均值为47，结构面粗糙，有轻微蚀变，局部破碎地段含砂质或泥质充填。全风化岩为砂土或碎石土状态。

根据不同区域钻孔之间的工程地质编录统计结果来看，全矿区不同钻孔可根据风化程度区分，同一风化层花岗岩岩体完整性和裂隙情况变化不大，数据离散性小，后期岩体质量分级可按矿区岩体风化程度进行分类。

通过对整个现场岩体节理裂隙统计数据分析，结果显示，除全风化岩外，矿区岩体节理平均密度为2.44～4.53条/m，平均间距为0.22～0.41 m。根据岩体完整程度的划分标准，矿区的岩体完整程度为“极破碎”风化岩、“较破碎”中风化岩、“较完整”微风化岩。

在现场实际工程地质调查、工程地质编录等野外调查的基础上进行工程岩体的质量评价工作，其评价的可靠性直接影响到后续工程岩体强度参数的确定、岩体工程的稳定性分析及评价。基于现场工程地质调查，采用RQD值分级法、RMR(CSIR)分级法、Q系统分级法、GSI分级法及[BQ]分级法对矿区矿岩进行分级研究，其结果见表2。

表2 岩体质量评价表Table 2 Rock mass quality evaluation table

2.2 岩体抗剪强度指标综合确定

采用Hoek-Brown强度准则法初步确定了岩体抗剪强度参数，根据GSI岩体分级和《工程岩体分级标准》对应级别岩体参数范围，采用工程类比法通过插值计算，得到岩体参数推荐值范围，见表3。

表3 矿区岩体抗剪强度指标综合确定值Table 3 Comprehensive values of shear strength index of rock mass in mining area

3 数值计算分析模型

采用数值计算分析模拟的方法，建立包括矿区地表、露天采坑、F1断层及矿区采空巷道的工程地质力学模型，分析采空巷道及F1断层对露天坑边坡的影响，岩体物理力学参数见表4，三维地质模型见图3。

图3 三维工程地质模型建模区域Fig.3 Modeling area of 3D engineering geology model

表4 工程岩体力学参数综合取值表Table 4 Comprehensive values of mechanical parameters of engineering rock mass

采空巷道三维工程地质力学模型尺寸为长832 m×宽400 m，地表按实际情况建立，模型主要包括露天坑及采空巷道。采空巷道在154 m水平及197 m水平，水平方向巷道间距平均为10 m，巷道长×宽为4 m×4 m，采空巷道在待采边坡面位置出露。

以拟采露天矿断层穿插过的南区为研究对象，南区设计最终边坡角为43°，建立含断层三维工程地质力学模型，模型主要包括全风化岩、中风化岩、微风化岩及断层。断层自地表贯穿矿区，平均厚度5 m。

3.1 矿区采空巷道对露天开采的影响特征

图4中(a)及(b)分别为典型剖面Ⅰ-Ⅰ及Ⅱ-Ⅱ剖面的最小主应力分布图。图4(a)中，在154 m水平及197 m水平采空巷出露区域出现明显拉应力范围区，拉应力最大值为0.33 MPa，由于该区域属于花岗岩微风化区域，抗拉强度为0.5 MPa，因此该区域虽然出现拉应力区域，但拉应力值小于其岩体抗拉强度，因此较为安全。图4(b)中，在197 m水平采空巷道之间的矿柱出现应力集中现象，压应力值为0.39 MPa，该巷道位于花岗岩微风化区域，压应力都低于该区域岩体的抗拉强度0.5 MPa，则压应力对巷道临空面产生的劈裂拉应力一定小于岩体的抗拉强度，因此较为安全；154 m水平采空巷道之间的矿柱，受到拉应力影响，采空巷道临空面拉应力值为1.5 MPa，其值大于岩体抗压强度，因此较易出现采空巷道的临空面劈裂或折断破坏。

图4 典型剖面最小主应力分布图Fig.4 Distribution diagram of minimum principal stress in typical section

图5为典型剖面Ⅰ-Ⅰ的Z方向位移及塑性破坏区分布图。在边坡采空巷道区域地表中部，Z方向最大位移量为13.8 cm，位于露天坑底，154 m水平及197 m水平采空巷道顶底板区域未出现位移变化集中区，位移量约为7 cm，采空巷道未对边坡位移产生影响，因此可以得出在自然工况下，采空巷道对边坡位移影响不大。图5(b)中塑性区破坏以剪切破坏为主，整体模型中，在顶部全风化及半风化及部分采场坡面区域产生塑性破坏。采空巷道在坡面出露区域，即197 m水平和154 m水平采空巷道周围，无贯穿的剪切破坏区域，仅在坡面区域发生塑性破坏，影响范围不大。

图5 剖面塑性区分布图Fig.5 Distribution of section plasticity

综合以上分析，154 m水平及197 m水平，两条出露巷道对边坡稳定性影响不大，但是采空区内部局部可能产生坍塌，建议后期进行物探测试，划分采空巷道坍塌范围。

3.2 贯穿断层对露天开采的影响特征

图6为露天采坑开挖结束后，贯穿断层模型最小主应力分布云图，在全风化区及半风化区的边坡坡面，拉应力值最大达到0.29 MPa，大于全风化岩体抗拉强度0.12 MPa，略小于中风化岩体的抗拉强度0.3 MPa，但拉应力区域范围较小，且在断层贯穿区，除在全风化及半风化区域产生拉应力且数值较小外，其余边坡坡面区域为压应力状态，因此可知在自然工况下，断层对周围区域岩体稳定性影响不大。

图6 最小主应力分布图Fig.6 Distribution of the minimum principal stress

图7为露天采坑开挖结束后，贯穿断层模型Z方向位移分布图，在边坡坡面区域中，Z位移量为梯度变化，在边坡顶部及底部区域产生最大位移量，在断层附近区域岩体，未能产生变形的突变量，即未产生塌陷或位移突变情况。在中风化区域中，产生最大位移量1.4 mm，露天采坑最底部位移量为1.6 mm。在断层影响下，整体区域未发生塌陷灾害，但是在边坡坡顶处出现最大位移量，该区域成为重点危险区域，需要重点管控，建议后期增加断层附近区域的安全监测，必要时采取支护措施。

图7 Z方向位移分布量Fig.7 Displacement distribution in Z direction

由图8可知，计算模型剖面塑性区分布图中，塑性区破坏主要以剪切破坏为主，全风化岩体赋存高度为620～660 m，中风化岩体赋存高度为550～620 m，由塑性区分布可知，剪切破坏主要发生在全风化及中风化岩体区域，在距离断层5 m位置进行剖面，剖面图中塑性区主要集中在中风化区域及全风化区域中，在露天采坑底部局部出现剪切破坏，在微风化围岩坡面中剪切破坏区较少，且可以看出断层区域无集中破坏情况发生，因此可知，断层对露天采坑破坏影响较小。

图8 距离断层两侧5 m处剖面塑性区分布图Fig.8 Plastic differentiation layout of section 5 m away from both sides of the fault

4 结论

本文针对拟建露天矿区中含有采空巷道及贯穿断层等潜在灾害的边坡进行稳定性分析，采用数值模拟方法，建立三维工程地质模型进行模拟分析，得到如下结论：

1)在154 m及197 m水平位置的采空巷道，对该区域的边坡影响不大，区域的边坡顶部及坡面产生较小的位移及拉应力状态，拉应力小于岩体抗拉强度，同时塑性区未能进行上下贯通，因此采空巷道对边坡影响不大，但由于154 m水平巷道距离边坡面较近，建议该区域应加强监测，防止突发灾害发生。

2)矿区贯穿断层F1对边坡整体稳定无明显影响，在全风化围岩及中风化围岩区域，部分边坡表面塑性剪切破坏区范围较大，坡面拉应力值小于全风化抗拉强度。因此，在自然工况下，按照最终边坡角度43°，断层F1对边坡稳定性无明显影响，但是建议针对风化区域开展监测工作，防止危害发生。

3)本文边坡稳定性模拟分析仅在自然工况下进行，随着生产计划推进，在爆破扰动、自然环境变化、地震等作用下，可能会对边坡产生一定危害，因此建议后续开采后进一步加强水文地质条件变化监测，并密切关注断层、空区揭露信息，提前采取应对措施，以保证矿山安全生产。