陈庆峰 黄文忠 程 斌 陈 涛 韩 流

（1.宝钢资源控股（上海）有限公司，上海 200080；2.安徽皖宝矿业股份有限公司，安徽 池州 247100；3.中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221116）

随着国民经济的不断增长和道路交通建设快速发展，对石灰岩资源需求量也不断增加，在世界范围内露天矿岩质边坡滑坡灾害频繁发生，造成了严重的经济损失和人员伤亡，对铁路、公路、露天矿等行业的安全运营影响重大［1，2］。未来一段时间内我国石灰岩供需问题仍将呈不断紧张的趋势［3］，使得石灰岩矿山面临着边坡高度和边坡角不断加大［4，5］，才能保证开采效率最大化。

秀山矿在施工挖掘过程中频频出现断层现象，局部石方脱落严重，断层破碎带形成楔形体情况明显，且岩体结构松散，极易发生边坡岩体倾倒破坏现象。诱发边坡产生倾倒变形的因素众多，程东幸等［6］指出，初始水平应力、边坡高度和边坡角、岩体力学参数、结构面发育情况等是影响岩质边坡倾倒变形破坏的关键性因素。解析分析法、相似模型试验法和数值分析法是反倾边坡稳定性分析常用的方法。安明旭等［7］基于悬臂梁模型，并考虑坡脚岩层的剪切破坏，认为边坡在倾角较陡、坡角较大时稳定性最差。郑达等［8］采用离心模型试验对古水水电站坝前倾倒变形体进行开挖，试验表明岩性、结构面和采矿活动等是发生倾倒变形的关键因素。随着计算机技术的发展，有限元、有限差分、离散元等数值模拟方法在边坡工程中应用广泛，如FLAC3D［9，10］、UDEC［11，12］、PFC［13，14］等。学者们对此也开展了大量研究，提出了众多耦合建模方法，但与真实地质体之间仍有较大差异［15，16］。因此，建立复杂高精度的真实地质模型是数值模拟分析的关键。

本研究首先对秀山矿采场进行详细的地质调查，对楔形体弯曲倾倒破坏机制和边坡变形机理进行分析，然后以整个采场为例，介绍了Rhino6.0—FLAC3D6.0高精度耦合建模方法，对采场整体以及楔形体倾倒边坡进行数值模拟稳定性分析。

1 工程概况

秀山熔剂石灰岩矿位于池州市南直距约24 km处，矿区位于皖南山区北缘，山势大致呈北东向，属丘陵低山区。山体走向为近东西向，山顶浑圆较平坦，以椭圆及长条形为主，宽一般10～20 m。区内山峰最高海拔354.84 m，一般184～338 m，最低海拔43.69 m，最大相对高差310.64 m，切割浅。矿山设计生产量为250万t/a，由于矿体分布差异，形成东、西2个独立的露天采场（图1）。东采场矿层东西南北受控于 F8、F7、F3、F1断层，矿体总体倾向 230°，倾角39°。西采场因受F4、F5断层破坏，矿体沿走向呈阶梯状被切成东、中、西三段，矿层总体走向130°～310°倾向220°，倾角35°。

随着西采场采剥台阶的逐步到界，采场边坡受F1断层影响，西采场西北帮揭露了一个宽度为10 m左右的破碎带，不仅自身破碎、易风化崩落，而且会影响到上覆盖层的稳定性。F1断层在矿区内呈北西走向，地表出露长2 200 m，总体走向100°，倾向南，倾角约为70°，为南盘下降北盘上升的正断层，该断层被北东向断层错断，使西矿段呈阶梯状，东矿段落呈齿状。

2 断层破碎带边坡变形机制分析

2.1 弯曲倾倒破坏机理分析

由于西采场北帮和西帮边坡的下覆岩体中存在F1断层，造成北帮和西帮边坡形成顺倾倾倒型台阶。这种断层破碎带楔形体倾倒破坏现象类似于顺层倾斜岩质边坡弯曲倾倒破坏，在降段开采过程中，楔形体下部岩体极易发生折断，后部岩体会随着岩体软弱结构面发生滑移—弯曲变形；当变形破坏较为严重时，楔形体发生强烈折剪，在边坡下部岩层发生离层反向的倾倒变形，如图2所示。根据材料力学中梁板理论，将边坡岩层简化成梁板力学模型，分析其垂直于坡面作用力下变形的临界坡长，从而判断发生滑移—弯曲倾倒变形破坏［7］的概率。

2.1.1 基本力学模型的建立

本研究将秀山矿北帮、西帮边坡顶部台阶的顺倾楔形体简化成图3所示的基本梁板力学模型。假设岩层倾向两侧不受约束，边坡的AB段发生离层且向外鼓起弯曲，BC段岩层向下滑动。

将模型进行简化，在岩层走向上选取单位宽度，可知岩体自重q沿着x轴方向分力q1和沿y轴方向上的分力q2分别可以表示为

式中，γ为岩层的容重，N/m3；t为滑动岩层的厚度，m；α为岩层的倾角，（°）。

则BC段滑动岩层的自重，分解为沿岩层滑动的分力P可以表示为

式中，l0为滑动段的岩层长度，m；φ为层间摩擦角，（°）；c为黏聚力，MPa。

2.1.2 力学机理分析

采用能量法原理对图3中所示的顺倾楔形体边坡模型进行计算分析，则BC段岩层的分力P所做的总功ΔW应与岩体内部所积蓄的变形能ΔU相互平衡，即满足ΔW=ΔU。最终可得到能量平衡方程式为

式中，y′是BC段岩层自重产生的变形量y的一阶导数；EI(y″)2是BC段岩体的变形能的内力，其中y″是BC段岩层自重产生的变形量y的二阶导数。

假设在AB段取垂直于岩层倾向上的弹性变形方程有：

则对式（4）进行分析，若岩层发生滑移—弯曲式破坏时，其变形量y将趋于无穷大，即y→∞，则可以计算得到变形破坏时的临界荷载：

在方程式Pcr=P中，如果令l0=0，Pcr=0，则可以计算出发生变形破坏的极限长度：

当坡长超过了临界长度，即l＞lcr时，岩层在自重作用下，将发生滑移—弯曲式倾倒变形破坏。

由于采场边坡受断层破碎带影响，边坡上部岩体强度较大，断层破碎带岩体强度较低，导致在开采过程中形成高陡边坡，其边坡角超过台阶下覆岩层倾角，导致顶部台阶形成“头重脚轻”的楔形体，在受到降雨、爆破等影响下，极易形成楔形体倾倒现象。

2.2 边坡变形机理分析

2.2.1 岩石力学性质

断层破碎带岩性是影响边坡稳定性的关键因素。通过现场勘查，楔形体倾倒区岩层发生大规模断裂和碎石滚落，然后开展了断层破碎带岩样（由于断层破碎带岩性较为松散破碎和现场不便开展原位试验，取断层上下盘岩样进行试验，判定断层破碎带与周围岩性的完整程度）的室内单轴抗压强度试验，对其抗压性能进行研究。如图4（a）为WDW-600岩石单轴试验机，图4（b）为现场岩样品经精加工后的安装过程。

试验结果显示：断层破碎带上下盘试样（上盘试样为微晶灰岩、下盘试样为灰质白云岩）在荷载不断增加的过程中，试样有明显压密阶段，变形从1.5%～2.8%左右开始表现出弹性特征，直至试样破坏。破坏过程发出巨响，试样整体瞬间爆裂呈现一系列碎块，如图5所示。试样的强度较高，弹性模量较大，残余强度几乎为零，如图6所示，试样呈X状共轭斜面剪切破坏方式。总体而言，断层破碎带上下盘岩性较好，在采场开拓延深过程，当边坡下部的断层破碎带被采动，形成了以断层上盘滑动为主的楔形体，当超过一定的临界长度，边坡断层破碎带将会发生滑移—弯曲式破坏现象。

2.2.2 结构面发育

断层、节理等结构面的存在对岩质边坡的稳定性起关键作用。受地质构造作用，楔形体弯曲倾倒体区域发育大量断层破碎带及节理密集带。根据现场勘查，楔形体倾倒区发育1条控制性断层F1，该断层倾向南，倾角较陡，约70°，为一南盘下降北盘上升的正断层。边坡开挖过程中，坡体发生应力重分布，岩体处于卸荷状态，断层、节理等结构面逐渐张开发育贯通形成大的滑裂面。此外岩体内储存的弹性应变能不断向边坡临空面释放，导致临空面岩体具有一定运动趋势或已经发生变形，且采矿过程中爆破振动等对结构面的发育贯通以及对整个滑坡的稳定性都会产生不利的影响。

3 边坡数值模拟稳定分析

大量研究证明，由于算法和维度的差异性，三维模型的安全系数计算结果通常比二维的略大［17］。但是，三维地质模型能够较为真实地反映实际情况。因此，对于露天矿重要边坡采用三维数值模拟计算是有必要的。本次研究真实地质建模、数值计算采用Rhino6.0作为建模前处理，FLAC3D6.0作为数值计算软件，其建模计算流程如图7所示。

对采场实体地质模型进行边界条件约束，采用弹塑性模型平衡初始应力，基于Mohr-Coulom破坏准则，采用强度折减法对采场边坡进行系数折减，并计算收敛准则为不平衡力比率小于10-5的求解要求。本次数值计算参数确定采用“局部—整体—局部”的反演思路，即通过选取典型的已发生滑坡，调整由室内试验获得的岩性参数，对滑坡进行参数的反算，最终确定适用于秀山矿采场的岩体强度参数。经过一系列的参数反演过程，最终获得适用于FLAC3D软件的岩体强度参数如表1所示。

采场复杂三维数值模拟计算结果如图8所示。图8（a）和8（b）分别为采场现状位移云图和应变增量云图。边坡失稳区域主要发生于西采场北帮，并且滑坡区域主要集中于北帮靠西部，其破坏范围相对较小，主要为多台阶的局部破坏，与实际边坡断层破碎带的勘察变形情况基本一致。图8（c）和8（d）分别为西采场最终境界的位移云图和应变增量云图。其破坏范围相对于现状出现了较大扩展，北帮西侧、中部整体失稳，并且北帮西侧也出现大规模失稳现象。因此，需要对采场最终境界方案做出一定调整或对边坡进行合理有效的加固，以防止开采过程中滑坡灾害事故的发生。

对西采场开挖最终数值模型选取具有代表性的楔形体倾倒区，分析其倾倒破坏机理。图9（a）为边坡塑性区云图，边坡内部破坏区域主要以剪切破坏为主，在边坡顶部出现拉张破坏。图9（b）为边坡总位移计算结果，变形量最大位置发生在边坡坡面处，且由坡面向内逐渐递减，最大位移量已经达到了3.37 m。图9（c）为边坡剪应变增量云图，其滑动带已经发育贯通，且在坡脚位置剪应变增量相对集中，表明坡脚处受上覆岩层重力作用已发生的严重破坏，无法提供足够的支撑力，与现场勘查坡脚处发生挤压隆起现象一致。由于断层上下盘岩性较为完整，断层破碎带的岩性松散破碎，岩体强度较差，造成边坡滑动面沿着断层破碎带贯通，当采场开拓延深至一定阶段，边坡整体弯曲倾倒失稳破坏发生。

4 结 论

（1）针对秀山矿边坡断层破碎带形成的楔形体弯曲倾倒破坏，根据梁板理论建立滑移—弯曲倾倒力学模型，计算分析出发生变形的临界坡长，判断其发生滑移—弯曲式倾倒变形的概率。

（2）西采场边坡的上下盘岩性较为完整，在开采过程易形成沿断层破碎带松散垮落区域，楔形体倾倒区断层破碎带较为发育，边坡开挖过程中，断层、节理等破碎结构面逐渐张开发育贯通形成大的滑裂面。

（3）采用Rhino6.0—FLAC3D6.0高精度耦合建模，有效解决了FLAC3D建模与实际地质情况不相符的情况。基于此建立采场现状和最终模型，对整个采场的稳定性进行分析。数值模拟结果表明：随着采场开拓延深，边坡高度不断加大，西采场北帮受断层破碎带影响，变形区域由局部变为整体失稳。