露天矿顺层岩质边坡稳定性数值试验研究

[摘 要] 边坡稳定是保证露天矿安全、持续生产的关键问题之一。本文结合元宝山露天煤矿东帮边坡工程实际，基于强度折减理论，应用RFPA-SRM软件对顺层岩质边坡稳定性进行数值试验研究，确定了边坡的潜在滑坡模式，分析了边坡岩体的位移分布特征和变形破坏特征，阐明了滑坡机理。结果表明，宝山露天煤矿东帮边坡的稳定性较差，滑坡模式为以4#弱层为底界面的切层-顺层滑动，坡体沿不同出露弱层均有一定程度的错动变形。对类似条件下边坡稳定性控制措施的提出给出了依据。

[关键词] 露天矿 顺层岩质边坡 稳定性 滑坡模式 强度折减法 数值试验

0.引言

边坡稳定性问题一直是露天矿山工程领域的一个重要研究内容，而边坡稳定性评价结果的正确与否直接关系到露天矿作业人员及设备的安全及正常、持续生产。边坡工程是一项系统工程，其稳定性受诸如地层岩性、地质构造、岩体结构、地下水等多种因素影响，其变形破坏机制极为复杂，尤其是顺层岩质边坡。如何根据露天矿特有的工程地质特征，正确评价顺层岩质边坡的稳定性，确定其潜在的滑坡模式是采矿工程领域工程技术人员亟待解决的问题之一。随着计算机技术的飞速发展，数值试验在边坡工程中的应用越来越广泛，对于分析边坡岩体的应力、位移及变形破坏特征，阐明滑坡机理发挥了重要的作用[1-6]。本文应用东北大学岩石破裂与失稳中心唐春安教授研发的RFPA-SRM数值分析软件，以元宝山露天煤矿东帮边坡为工程实例，对露天矿顺层岩质边坡的稳定性进行数值试验研究，分析研究其变形破坏特征，确定其潜在滑坡模式，为边坡稳定性控制措施提出提供依据。

1.RFPA-SRM简介

RFPA-SRM是将强度折减法的基本原理引入到岩石破裂过程的RFPA分析方法中形成的。它基于有限元作为应力分析工具，全面满足静力平衡、应变相容及岩土体的非线性应力应变关系，并秉承RFPA系统在岩石破裂过程分析中的特色[6,7]。

(1)强度准则。以往的强度折减方法在模型中主要考虑剪切破坏准则，而很少考虑拉伸破坏的影响。但在实际问题中，特别是岩石的破坏问题中，拉伸破坏有时是诱发边坡失稳的重要因素，必须在模型中加以考虑。因此，RFPA-SRM的细观本构模型在引入剪切强度准则的同时，还引入拉伸破坏准则，运用这2种准则实现对岩土细观破坏的判断，进而得到岩土结构稳定性分析的结果。

(2)岩土结构失稳判据。大部分滑坡都是一个边坡渐进破坏诱致失稳的演化过程，而不是一个毫无前兆的突然失稳过程。因此，稳定性分析的一个关键问题是如何根据计算结果来判别边坡是否处于失稳状态。目前，边坡分析软件的失稳判据主要有2类：①在有限元计算过程中采用力和位移求解的不收敛作为边坡失稳标志；②以塑性应变从坡脚到坡顶贯通作为边坡失稳的标志。

通常，边坡的失稳会伴随着大位移的出现，而在有限元计算中，大位移的出现是由局部大变形造成的，必然造成基元的破坏。RFPA-SRM采用折减计算步中出现基元破坏数最大时的时刻作为边坡失稳的临界点。这种方法，在本质上与上述2类方法是一致的。由于RFPA-SRM在进行计算分析时，自动记录每一折减步中的基元破坏个数，用这种方法来判断边坡失稳，是简单而有效的。

(3)安全系数的定义。传统边坡稳定性的极限分析中安全系数FS定义为滑动面的抗滑力与下滑力之比。基于强度储备概念的安全系数FS的定义为：当材料的抗剪强度参数c和φ分别用其临界强度参数c′和φ′所代替后，边坡将处于临界平衡状态，其中：

（1）

在用有限元计算寻找FS时，就是不断对强度参数按一定步长或比例进行折减，当计算达到平衡状态，即边坡失稳破坏时，此时求得的FS即为边坡的强度储备安全系数。

基于上述强度储备的概念，同时结合RFPA的基元本构模型特征，RFPA-SRM的强度折减方法采用对初始强度f0折减。f0为统一基元的抗压(抗剪)、抗拉强度，其折减准则为：

（2）

其中，为试验强度，为试验安全系数。

在计算过程中，对强度按一定步长进行折减，则每折减一次，当前的试验强度就对应一个试验安全系数，当基元的破坏数目达到最大值，即边坡失稳的时候，此时的试验安全系数即为最终的安全系数FS。

（3）

其中，为滑坡时计算步数；为强度折减系数。

2.工程概况

露天矿采场东帮勘察所见边坡岩体组成，自上而下由第四系、侏罗系地层组成。第四系松散砂砾石可视为均质连续的岩体，其厚度占整个边坡高度的25.26％。表层为3-5m厚的亚粘土、其余为冲积、洪积圆砾、河泥砾为主，地层厚为46m～61m，平均厚53.5m。侏罗系地层控制到元宝山含煤组地层7煤底板以下，该套地层以泥岩、碳质泥岩、砂岩、砂砾岩、煤为主。层厚控制150-172m，平均厚161m。泥岩占30.33%；砂岩、占30.2%；煤占28.75%；碳质泥岩占10.72%。该区域煤层以马尾状分布，与岩石互层沉积，形成层状岩体结构，岩性较软，岩层倾角3～9°，力学强度低。边坡内赋存多个顺倾弱层于各台阶上出露，其特点是以泥岩和炭质泥岩为主，遇水泥化，强度低。总体上可划为4个弱层。露天区内的充水因素主要为大气降水、第四系潜水疏干残余水涌水、煤系砂岩孔隙裂隙含水层涌水。由于地下水的影响，导致边坡岩土体强度及弱层强度进一步降低，形成了边坡稳定的不利因素。整体上看，元宝山露天煤矿东帮边坡第四系地层厚度大、涌水量大、岩层破碎，使得工程地质条件更加复杂，因此有必要研究边坡的稳定性，有针对性的提出滑坡防治方案及措施。东帮边坡的典型断面几何形态及地层分布如图1所示，各地层岩体及弱层的物理力学指标见表1所列。

图1 地质剖面图

3.边坡稳定性数值试验

根据图1所示地层赋存条件建立边坡的数值模型(见图2)。其边界条件为：模型的两侧为位移约束，即水平位移为0；模型底部固定不动，相当于固定支座提供的约束；加载方式为自重加载。由于F1断层距离边坡较远，其影响不予考虑。

通过数值试验，再现了东帮边坡失稳的动态过程。经计算，其稳定系数为1，表明稳定性较差，边坡到界后极易发生滑坡。可以通过分析边坡失稳过程中的位移分布特征和变形破坏特征来探讨滑坡机理。

图2 边坡稳定性计算数值模型

(1) 位移分布特征

图3和图4分别为边坡失稳过程中的位移等值线云图和位移矢量场演变过程图描述了边坡从变形到破坏的整个动态过程。上部岩体在自重作用下发生以沉降为主的变形，挤压下部岩体沿着弱层向临空面滑动，当位移达到一定程度时，滑坡发生；在这一过程中，经历了裂缝发生、扩展和贯通阶段；滑移模式为以4#弱层为底界面，剪切圆弧为侧边界的切层-顺层滑动；滑体沿3#弱层亦发生一定程度的错动，说明3#和4#弱层是控制边坡稳定性的重要因素。

图4 位移矢量场

(2) 变形破坏特征

图5为边坡失稳过程中的声发射特征，表明边坡岩体破坏方式有两种类型，边坡顶面附近岩体以张拉破坏为主，而下部即弱层附近岩体则以剪切破坏为主；在失稳过程中，坡体内岩土体破坏范围逐渐增加，增至一定范围后，发生滑坡。

图5 声发射特征图

4.结论

本文基于强度折减理论，以元宝山露天煤矿采场东帮边坡为工程背景，应用RFPA-SRM数值软件试验研究了东帮边坡的稳定性，分析了边坡失稳过程中变形破坏特征、位移特征及应力分布特征，确定了滑坡模式。对于元宝山露天矿东帮边坡，破坏形式为上部岩体发生拉张破坏，下部岩体发生剪切破坏；其滑坡模式为以4#弱层为底界面的切层―顺层滑动。上部岩体在自重作用下发生以沉降为主的变形，挤压下部岩体沿着弱层向临空面滑动，当位移达到一定程度时，滑坡发生；在这一过程中，经历了裂缝发生、扩展和贯通阶段。边坡稳定性较差，3#和4#弱层是控制边坡稳定性的重要因素。

参考文献：

[1] 郑颖人, 赵尚毅. 有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用[J].岩石力学与工程学报,2004,23(19):3381-3388.

[2] Griffiths D V, Lane P A. Slope stability analysis by finite elements[J]. Geotechnique,1999,49(3):387-403.

[3] Dawson E M, Roth W H，Drescher A. Slope stability analysis by strength reduction[J].Geotechnique,1999,49(6):835-840.

[4] 蓝航.基于FLAC3D的边坡单元安全度分析及应用[J].中国矿业大学学报, 2008, 37(4):570-574.

[5] 曾晟, 杨仕教, 孙 冰,等.基于ABAQUS-ANFIS的露天矿边坡可靠度分析[J].煤炭学报, 2006,31(4):437-441.

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[7] 唐春安, 于广明, 刘红元, 等. 采动岩体破裂与岩层移动数值实验[M].吉林: 吉林大学出版社,2003.3

作者简介：

史庆武(1966- )，男，辽宁新民人，2005年本科毕业于阜新市委党校企业管理专业，工程师，主要从事从事露天开采及井巷工程等方面的研究工作。

李廷泽(1960- )，男，辽宁新民人，1993年本科毕业于阜新矿业学院采矿工程专业，工程师，主要从事露天开采及井巷工程等方面的研究工作。