常来山,陈亚楠,陶东海,牛文杰,郭 杨

(1.辽宁科技大学,辽宁 鞍山 114051；2.鞍钢集团矿业公司,辽宁 鞍山 114001；3.鞍钢矿业设计研究院,辽宁 鞍山 114004)

层状岩体是由多种不同属性、不同厚度岩层按某种方式组合而成的天然复杂岩体[1]，其变形破坏特性具有明显的各向异性，为横观各向同性体。层状岩体是边坡稳定性分析中常见的一种介质，由于不同年代的沉积和地质构造作用，岩层的倾角、层厚会呈现复杂的变化，从工程岩体角度而言，岩层的走向与边坡的空间组合会出现平行、斜交、垂直等关系，其中以岩层走向平行于边坡最为不利，倾向和倾角的变化又组合出水平、直立、顺倾、反倾等多种岩体边坡结构，力学特征与破坏机制差异极大，而岩体局部即可能发生沿层破坏，也可能产生切层破坏，使得目前广泛使用的各向同性模型不再适用，传统的基于Mohr-Coulomb模型的极限平衡法分析复杂层状岩体边坡稳定性亦有一定的缺陷，FLAC提供的节理化本构模型，可以同时考虑岩块破坏和层理破坏的复合型式，较合理的模拟层状岩体破坏的各向异性特征，分析层状岩体边坡的稳定性[1-3]。本文利用节理化本构模型对鞍钢集团矿业公司鞍千矿业许东沟采场上盘顺倾层状岩体边坡进行了FLAC多分部开挖的数值模拟，获得了矿山开采下延至各水平的应力场、位移场及边坡岩体内岩块、层理塑性破坏的演变情况，对矿山安全高效开采具有一定的指导作用。

1 节理化本构模型

节理化模型是各向异性塑性模型，它包括了包含在摩尔-库仑体内特殊方向上的弱面。根据应力状态、弱面走向以及模型体和弱面的材料特性的不同，屈服可能发生在模型体内，或者发生在弱面上，或者在两个部位同时发生。图1显示了整体坐标系(x，y)和局部坐标系(x′,y′)下存在于摩尔-库仑体内的软弱面。

这种模型在FLAC中的实现方法是首先判别总体破坏，同时应用到和FLAC中摩尔—库仑模型中相同的相关塑性修正，然后对更新的应力在弱面上产生的破坏进行分析，同时对这些应力分别进行进一步的校正。弱面内的破坏准则存在于包含了拉应力路径的摩尔—库仑屈服条件的局部形式中，与局部剪切流动法则不相关联而与局部拉应力流动法则相关联。弱面的破坏准则可以在图2表示出来。

图1 整体坐标系中沿θ角方向的软弱面

图2 FLAC中的软弱面破坏准则

将摩尔—库仑破坏准则定义为fs=0，从点A到点B的局部破坏包络线定义为

将拉应力破坏准则定义为ft=0，从点B到点C的局部破坏包络线定义为

对于摩擦角不为零的弱面，抗拉强度的最大值定义如下

剪切和张拉势函数gs，gt对应于不相关联的流动法则，剪胀角ψj对应于相关联的流动法则,它们分别表示为

破坏准则边界附近的流动法则的函数形式为

平面内的剪切破坏的流动法则如下

弱面上的拉应力破坏的流动法则为

同样可以计算出弱面上拉应力破坏的应力修正值。

2 鞍千矿业许东沟采场概况

鞍钢集团矿业公司鞍千矿业许东沟采场年设计生产能力500万t，最终境界上口长1513m，宽156～378m，下口长940m，宽50～163m，地表最高标高250m，封闭圈标高60m，露天底标高-48m，边坡最大垂高298m。运输平台、清扫平台、安全平台宽度分别取18m、8m、8m，台阶高度12m，并段高度为24m。东帮上盘台阶坡面角为65°，最终边坡角45°～55°，主要岩性为顺倾层状结构的绿泥石英片岩和含铁石英岩构成。西帮下盘台阶坡面角为55°,下盘最终边坡角40°～50°，主要由反倾层状、比较破碎的散体结构的辽河群千枚岩和含铁石英岩构成，辽河群千枚岩构成的边坡高度较小。采场现状最低开采水平为96m，西帮下盘尚无靠界边坡形成，东帮上盘120m水平已靠界。

采场东帮上盘边坡是岩体稳定性维护的重点部位，边坡长约1350m，地表标高为100～250m，中间高两头低，采场底标高为-48m，最终边坡高148～298m。边坡岩体主要由绿泥石英片岩、绢云母石英片岩和含铁石英岩组成，5900勘探线在72m水平以下的边坡由铁矿体组成，由绿泥石英片岩、绢云母石英片岩组成的边坡高约160m。边坡岩体为典型的顺坡向层状结构，绿泥石英片岩和绢云母石英片岩的片理非常发育，片理走向与边坡走向基本一致，倾向相同，片理面平直光滑，产状稳定，延展较长，贯通性较好，倾角主要变化在50°～70°之间，顺倾层状结构为控制东帮上盘边坡稳定性的主要因素(图3)。

图3 东帮上盘靠界边坡形态

鞍千矿许东沟采场上盘边坡主要由顺倾层状结构的绿泥石英片岩构成，5900勘探线在72m水平以下的边坡由铁矿体组成，下盘边坡主要由反倾层状、比较破碎的散体结构的辽河群千枚岩构成。其中采场上盘边坡的坡顶高为192m，开采最低水平-48m，总高程为240m，绿泥石英片岩的片理非常发育，片理走向与边坡走向基本一致，倾向相同，边坡倾角60°，岩层倾角主要变化在50°～70°之间，顺坡层状结构为控制上盘边坡稳定性的重要因素。

3 FLAC建模与分析

选择边坡最高、稳定性最差的5900剖面建立FLAC数值分析模型，顺倾层状结构的绿泥石英片岩采用节理化本构模型，反倾层状、比较破碎的散体结构的辽河群千枚岩和含铁石英岩采用摩尔-库仑模型，FLAC数值模拟计算参数见表1。

数值模拟首先计算初始应力场，不平衡力达到要求后，按实际开采水平分11步进行模拟开挖，分别为192m、168m、144m、120m、96m、72m、48m、24m、0m、-24m和-48m水平。

表1 FLAC数值模拟计算参数表

模拟开采结束的主应力、位移、τmax和γmax等值线云图如图4～图9所示。受矿山开采影响，边坡岩体进行应力场重新调整，坡面处应力完全释放，最大主应力σ1和最小主应力σ3从坡面向坡体内逐渐增加，并过渡到原岩应力状态。坡面附近最小主应力σ3总体上为0～0.5MPa，个别平台坡顶处出现了拉应力，如168m水平、48m水平、24m水平和-24m水平。从最大剪应力τmax等值线图、最大剪应变γmax等值线图可以看出，边坡体内未形成较大的贯通性剪切变形带，仅在边坡平台的根部出现剪切变形较大的现象。水平向位移ux和垂直向位移uy等值线图表明，边坡岩体质点主要为弹性卸荷回弹变形，量级较小，位移较大区域位于边坡中下部。

图4 最大主应力等值线云图

图5 最小主应力等值线云图

图6 最大剪应力等值线云图

图7 最大剪应变等值线云图

图8 水平位移等值线云图

图9 垂直位移等值线云图

矿山开采实质上是对岩体边坡的开挖扰动，岩体因开挖从一个平衡态向另一个平衡态或非平衡态的动态演变过程，FLAC采用动态松弛算法可以进行较好的模拟。

鞍千矿业许东沟采场的11步开挖模拟结果表明，均是从一个平衡态向另一个平衡态的转化，计算到静态平衡后，未出现较多单元处于塑性状态，设计的整体边坡是稳定的。

但从168m水平模拟开采开始，边坡体内刚一开挖时均有单元出现塑性屈服和弱面破坏，而后随着应力的调整，重回弹性状态(图10)。

图10 边坡体塑性区分布图

模拟开采至168m水平时，上盘168～192m间边坡体内即出现过大量弱面破坏单元和岩体屈服单元，并且随每一步向下模拟开挖在靠界边坡体均有新增加的弱面破坏单元和岩体屈服单元，直至开采到96m水平时，由于96m水平公路宽平台及72m水平以下铁矿体的影响，以后的模拟开采未增加破坏单元。96m水平以上开采扰动塑性区宽度约30m，弱面破坏单元主要集中在边坡表面，对于顺倾层状结构岩体边坡而言，这种破坏具有特殊的意义，层面开裂是不可逆的，雨水侵蚀冻融等风化作用加剧，将表现为经常性的台阶剥落破坏，对矿山的日常生产影响较大。

综合分析5900剖面边坡岩体塑性区分布及应力场、位移场等模拟分析结果可以确定，鞍千矿业许东沟采场上盘由顺倾层状结构的绿泥石英片岩构成的边坡的稳定性较差，整体失稳的可能性不大，每步开挖对岩体均有破坏性扰动，沿片理的台阶型破坏将给矿山的日常生产造成较大的影响，必顺给予足够的重视并采取合适的防治措施。

4 结语

FLAC节理化本构模型可以同时考虑岩块破坏和层理破坏的复合型式，能较合理的模拟层状岩体破坏的各向异性特征，分析层状岩体边坡的稳定性。鞍千矿业许东沟采场顺倾层状结构岩体边坡的模拟表明，开采时对岩体的破坏性扰动，会增加沿片理的台阶型破坏的可能性，对矿山的日常生产影响较大，但岩层的渐次剥落也会减少整体失稳的可能。

[1]冷霜，层状岩体变形试验的数值模拟[D].成都：西南交通大学，2008.

[2]蒋青青，胡毅夫，赖伟明.层状岩质边坡遍布节理模型的三维稳定性分析[J].岩土力学，2009(3)：712-716.

[3]王曰国，王星华，林杭.基于Ubiquitous-Joint模型的层状岩坡稳定性分析[J].灾害学，2007(12)：46-50.

[4]黄书岭，丁秀丽，邬爱清.层状岩体多节理本构模型与试验验证[J].岩石力学与工程学报，2012(8)：1627-1635.