姜海濤

（煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧撫順113122）

基于FLAC3D復(fù)合排土場(chǎng)邊坡動(dòng)態(tài)破壞過(guò)程研究

姜海濤

（煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧撫順113122）

為了從本質(zhì)上揭示復(fù)合排土場(chǎng)邊坡動(dòng)態(tài)變形與破壞過(guò)程，通過(guò)工程地質(zhì)鉆探，準(zhǔn)確掌握地層及軟弱巖層分布特點(diǎn)，通過(guò)室內(nèi)科學(xué)試驗(yàn)，準(zhǔn)確獲得巖土體物理力學(xué)指標(biāo)，在此基礎(chǔ)之上，運(yùn)用理論分析及FLAC3D數(shù)值模擬對(duì)復(fù)合排土場(chǎng)邊坡動(dòng)態(tài)變形與破壞規(guī)律進(jìn)行了科學(xué)的研究，科學(xué)地分析了復(fù)合排土場(chǎng)邊坡動(dòng)態(tài)變形與破壞過(guò)程。

邊坡動(dòng)態(tài)破壞過(guò)程；工程地質(zhì)鉆探；理論分析；數(shù)值模擬

0 引言

邊坡按照成因可分為自然邊坡和人工邊坡，按照物質(zhì)的組成進(jìn)而分為巖質(zhì)邊坡和土質(zhì)邊坡[1]。土為巖石高度風(fēng)化的結(jié)果，結(jié)構(gòu)致密的巖石在物理、化學(xué)及生物風(fēng)化作用下逐漸形成松散、破碎、粒徑較小的土體，因此巖質(zhì)邊坡和土質(zhì)邊坡在礦物組成上并無(wú)本質(zhì)的區(qū)別；然而巖石和風(fēng)化后的土體在結(jié)構(gòu)上、物理力學(xué)特性截然不同，使得巖質(zhì)邊坡和土質(zhì)邊坡的破壞過(guò)程及滑坡模式的差別十分顯著。

露天煤礦在回收煤炭資源的過(guò)程中，不可避免的逐漸形成不同規(guī)模的排土場(chǎng)，根據(jù)排土場(chǎng)形成的時(shí)空關(guān)系，分為外排土場(chǎng)和內(nèi)排土場(chǎng)。其中外排土場(chǎng)的基底絕大多數(shù)是第四紀(jì)地質(zhì)歷史時(shí)期所形成的土體[2]，極少情況下為基巖；而內(nèi)排土場(chǎng)的基底為不同地質(zhì)歷史時(shí)期所形成的煤田中特定開(kāi)采煤層的底板基巖，因此在分析露天煤礦排土場(chǎng)邊坡動(dòng)態(tài)變形破壞時(shí)，必需結(jié)合排棄物料的空間形態(tài)、排土場(chǎng)基底巖性等諸多因素共同分析。黑山露天煤礦開(kāi)采初期排土方式為外排方式，隨著煤炭資源開(kāi)采，逐漸具備內(nèi)排條件下，本著運(yùn)距短、成本低的原則逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)排方式，構(gòu)成了復(fù)雜的復(fù)合排土場(chǎng)邊坡，復(fù)合排土場(chǎng)邊坡動(dòng)態(tài)的變形與破壞嚴(yán)重影響到露天煤礦的安全生產(chǎn)，因此分析復(fù)合排土場(chǎng)邊坡的動(dòng)態(tài)變形破壞過(guò)程對(duì)后期邊坡的治理具有重要的意義。

1 工程概況

黑山露天煤礦位于托克遜縣西北約90 km，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1.2 Mt/a，核定生產(chǎn)能力4.0 Mt/a。礦區(qū)出露的地層有泥盆系天格爾組（D3t）、石炭系牙滿蘇組（C1y）、侏羅系（J）、下第三系及第四系全新統(tǒng)（Q4）。地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，由北向南傾斜，小范圍內(nèi)屬于單斜構(gòu)造，地層走向約95°，傾角13°～25°不等。主采煤層為13-1#煤層，是全區(qū)主要可采煤層，含夾矸0～1層，屬于巨厚穩(wěn)定煤層，其它煤層局部可采。

黑山露天煤礦2015年底，于內(nèi)排土場(chǎng)北部邊坡出現(xiàn)數(shù)條長(zhǎng)度不等的大裂縫，給礦山的安全生產(chǎn)造成了重大隱患。在內(nèi)排土場(chǎng)邊坡上共計(jì)施工4個(gè)工程地質(zhì)鉆孔，累計(jì)進(jìn)尺177.24 m。通過(guò)施工工程地質(zhì)鉆孔可知自上而下地層的巖性主要為排棄物，泥巖，砂巖、煤層（13-2#煤層）泥巖及基巖。其中13-2#煤層厚度較薄，其底板為泥巖，厚度變化不大，強(qiáng)度較低，具有可塑性[3]。

2 巖體動(dòng)態(tài)變形破壞原理

巖體是由結(jié)構(gòu)面及結(jié)構(gòu)面包圍的結(jié)構(gòu)體組成，因此巖體強(qiáng)度位于軟弱結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)致密的結(jié)構(gòu)體強(qiáng)度之間。同時(shí)巖體的變形、破壞是個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，根據(jù)目前的試驗(yàn)研究，可把巖體受力后產(chǎn)生變形和破壞的過(guò)程分為4個(gè)階段[4]，其應(yīng)力-應(yīng)變過(guò)程曲線如圖1所示。

圖1 巖體應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1）壓密階段：多裂隙的巖體在受力的條件下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線首先表現(xiàn)出凹狀形式，主要表現(xiàn)在巖體裂隙的閉合，變形量的大小取決于巖體中結(jié)構(gòu)面的數(shù)量、方向和性質(zhì)等，而完整的、結(jié)構(gòu)較致密的巖體，此階段的變形量較小；

2）彈性階段：巖體裂隙閉合后，在應(yīng)力繼續(xù)增加時(shí)，結(jié)構(gòu)體開(kāi)始承受載荷和變形，此階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線為直線，彈性變形階段是巖體變形的主要組成部分；

3）塑性階段：作用在線彈性階段的巖體上的應(yīng)力繼續(xù)增加，巖體便進(jìn)入縮性階段，此階段的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)面剪切滑移變形為主，同時(shí)伴隨著結(jié)構(gòu)體的變形，整個(gè)巖體的內(nèi)部出現(xiàn)微裂隙，表現(xiàn)出體積增大、擴(kuò)容等現(xiàn)象，軟弱巖石需要結(jié)果很長(zhǎng)的時(shí)間才能完成此階段的變形，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)松弛、蠕變等現(xiàn)象。

4）破壞階段：如果作用在巖體上的應(yīng)力繼續(xù)增加，達(dá)到巖體自身的極限載荷時(shí)，巖體會(huì)沿著破損面發(fā)生滑動(dòng)、發(fā)生破壞。此階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線緩慢下降，巖體處于破裂積累階段，當(dāng)積累到一定的程度后，巖體才發(fā)生完全破壞。

3 地質(zhì)剖面及力學(xué)指標(biāo)的確定

在內(nèi)排土場(chǎng)施工4個(gè)鉆孔，累計(jì)進(jìn)尺將近200 m，對(duì)采集的82個(gè)樣品進(jìn)行了單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)；同時(shí)對(duì)在排土場(chǎng)邊坡上獲取的巖土進(jìn)行了3組三軸壓縮試驗(yàn)，獲取了可信度較高的巖土物理力學(xué)指標(biāo)；在此基礎(chǔ)之上，采用工程類比法，對(duì)鄰近礦區(qū)試驗(yàn)資料的收集、整理及分析，得出了黑山露天煤礦相應(yīng)地層巖土物理力學(xué)指標(biāo)的推薦值[3]，各巖層的物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。依據(jù)工程地質(zhì)鉆孔，對(duì)地質(zhì)剖面賦予相應(yīng)的地層，遵循以上的原則，建立的典型地質(zhì)剖面如圖2所示。

表1 物理力學(xué)指標(biāo)

圖2 典型地質(zhì)剖面

4 模擬結(jié)果分析

FLAC3D軟件能夠很好的模擬工程地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞或塑性流動(dòng)的力學(xué)行為，分析漸變破壞和失穩(wěn)[5]。運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)黑山露天煤礦復(fù)合排土場(chǎng)邊坡進(jìn)行了科學(xué)的模擬，可以從本質(zhì)上揭示黑山露天煤礦復(fù)合排土場(chǎng)邊坡動(dòng)態(tài)漸變破壞過(guò)程，復(fù)合邊坡動(dòng)態(tài)破壞過(guò)程如圖3所示。

從FLAC3D數(shù)值模擬的結(jié)果可以看出，首先外排土場(chǎng)發(fā)生了變形與破壞，表現(xiàn)為排棄物料自身的固結(jié)沉降；其次是內(nèi)排土場(chǎng)及基底發(fā)生了相應(yīng)的塑性流動(dòng)。從圖3看出內(nèi)排土場(chǎng)基底的動(dòng)態(tài)漸變過(guò)程：首先內(nèi)排土場(chǎng)基底的上部巖體首先變形破環(huán)，然后向上擴(kuò)展，直至發(fā)展到基底的頂部；其次內(nèi)排土場(chǎng)基底的底部發(fā)生變形破壞，沿著巖層依然逐漸向上部擴(kuò)展，形成變形破壞的貫通面，內(nèi)排土場(chǎng)基底完全進(jìn)入塑性流動(dòng)破壞階段。

圖3 復(fù)合邊坡動(dòng)態(tài)破壞過(guò)程

從黑山露天煤礦復(fù)合排土場(chǎng)邊坡的應(yīng)力及位移云圖如圖4，水平應(yīng)力在內(nèi)排土場(chǎng)的坡腳處發(fā)生了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，而垂直應(yīng)力的應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯；外排土場(chǎng)以垂直沉降為主，水平位移為輔，最大沉降量0.16 m左右，水平位移量為0.15 m；內(nèi)排土場(chǎng)的變形破壞以水平位移為主，垂直位移為輔，水平變形量的最大值約為0.17 m，總位移量最大值約為0.26 m。

5 結(jié)論

黑山露天煤礦自2015年底內(nèi)排土場(chǎng)邊坡發(fā)生了較大的變形，甚至局部出現(xiàn)了嚴(yán)重的破壞現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)黑山露天煤礦復(fù)合排土場(chǎng)的動(dòng)態(tài)漸變破壞過(guò)程的研究，可得到如下的結(jié)論：

1）黑山露天煤礦復(fù)合排土場(chǎng)邊坡的變形破壞原因比較復(fù)雜，外排土場(chǎng)的位置距內(nèi)排土場(chǎng)的距離較近，成為內(nèi)排土場(chǎng)變形失穩(wěn)的一個(gè)主要因素。

2）黑山露天煤礦外排土場(chǎng)與內(nèi)排土場(chǎng)的變形破壞截然不同，外排土場(chǎng)主要表現(xiàn)為排棄物料的固結(jié)沉降變形為主，而內(nèi)排土場(chǎng)在表現(xiàn)固結(jié)沉降的同時(shí)主要以水平位移為主。

3）黑山露天煤礦復(fù)合排土場(chǎng)邊坡動(dòng)態(tài)變形破壞過(guò)程大致表現(xiàn)為；內(nèi)排土場(chǎng)基底的中上部巖體先破壞，逐漸向上擴(kuò)展；隨后坡腳處的基巖破壞并沿著巖層向上擴(kuò)展，與中上部破壞的巖體慣通，最后形成整體破壞的貫通面。

圖4 應(yīng)力及位移云圖

［1］沈明榮，陳建峰.巖體力學(xué)［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2006.

［2］李廣信，張丙印，于玉貞.土力學(xué)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2013.

［3］孫帥，李淑霞.黑山露天礦采空區(qū)處理實(shí)驗(yàn)［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2014（4）：191-192.

［4］錢鳴高，石平五，許家林.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2010.

［5］譚文輝，王家臣，周汝弟.巖體邊坡漸變破壞的物理模擬和數(shù)值模擬研究［J］.礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2000（10）：9-10.

【責(zé)任編輯：陳毓】

Research on slope dynamic failure process of composite dump based on FLAC3D

JIANG Haitao
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute,Fushun 113122,China)

In order to reveal the slope dynamic failure of composite mine,through drilling of engineering geology,the mine masters the distribution regularities of stratum and soft strata.By means of indoor scientific experiment,the mine accurately grasps the physical and mechanical indexes of rock.On this basis,the article researches on slope dynamic failure process of composite dump using theoretical analysis and FLAC3Dnumerical simulation,and analyzes slope dynamic failure process of composite dump.

dynamic failure process;engineering geological drilling;theoretical analysis;numerical simulation

TD824.7

B

1671-9816（2017）05-0016-03

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.05.005

姜海濤.基于FLAC3D復(fù)合排土場(chǎng)邊坡動(dòng)態(tài)破壞過(guò)程研究［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（5）：16-18.

2017-03-14

國(guó)家自然科學(xué)基金煤炭聯(lián)合基金（U1361211）

姜海濤（1987—），男，黑龍江哈爾濱人，二級(jí)注冊(cè)建造師，2014年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），現(xiàn)在煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，從事露天邊坡穩(wěn)定性分析、邊坡變形破壞及其監(jiān)測(cè)等科研工作。