王凱，范柱國，雍偉勛

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，昆明 650093; 2.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計研究院有限公司，昆明 650051)

1 引言

含斷層的露天礦邊坡在采動過程中的穩(wěn)定性問題變得日益突出，使得邊坡體的變形破壞機制及穩(wěn)定性問題變得極為復(fù)雜，對礦山人員以及安全的生產(chǎn)產(chǎn)生很大的危害[1-6]，如新疆的阿爾塔什水利工程由于受到F9斷層的作用,對其右岸壩址高邊坡造成很大的影響[7]。由于F1斷層的規(guī)模較大造成其對白云鄂博鐵礦東礦及其對下盤邊坡發(fā)生變形破壞[8]。弓長嶺露天礦北幫邊坡受斷層的控制，在擴幫時坡面進入斷層影響范圍，斷層作用會加大邊坡的位移，加快了邊坡產(chǎn)生滑坡進程[9]。這些案例表明，含斷層的邊坡是極其不穩(wěn)定的，對安全高效生產(chǎn)造成極其不利的影響。

有限差分模擬軟件FLAC3D能較好的模擬巖土體塑性區(qū)變化及變形破壞的全過程。FLAC3D能有效的模擬巖土體的工程力學(xué)過程，這種方法在巖土工程與采礦工程領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛[10,12]。針對這種情況，本文采用有限差分模擬軟件FLAC3D對含斷層邊坡進行建模研究。

2 數(shù)值模型的建立

為了研究邊坡的開挖對斷層活化的影響，本次研究選取合適的剖面進行分析，并設(shè)計了2個開挖方案，方案一和方案二的一次開挖量一樣，因為一次開挖距離斷層較遠，對斷層的影響較弱，所以設(shè)計開挖的方量可以較大。后面主要研究不同開挖方式對斷層的位移場和應(yīng)力場的影響，將開挖方式再分為6次進行。其中方案一的豎向開挖是以30°的坡度角從左到右進行削坡。方案二的橫向開挖是以現(xiàn)狀的坡度角自上而下進行開挖。開挖的右邊界均為現(xiàn)狀邊界線。

為建立計算所需的力學(xué)模型,選取合適工程地質(zhì)剖面,剖面計算域的上邊界取至地表,下邊界取到地表600 m水平；為了消除過近的邊界影響,左右邊界向外擴展一定的距離，總長2 000 m，最終建立的計算模型示意圖，如圖1、2所示，尺寸為2 000 m×120 m×745 m。為保證計算精度,并在保證單元無崎變的情況下,整個模型共劃分238 755個單元。

圖1 方案一豎向開挖模型

圖2 方案二橫向開挖模型

模型的計算邊界條件為：用 FLAC3D里的FIX 命令將模型X和Y方向法向位移約束，模型底部為固定邊界，頂部為自由邊界，如圖3所示。

圖3 模型邊界條件示意圖

3 參數(shù)選取與計算方案

采用莫爾-庫倫(Mohr-Coulomb)彈塑性本構(gòu)模型。計算模型除地表面設(shè)為自由邊界外,模型底部約束垂直位移,其它邊界均約束水平位移。巖體力學(xué)參數(shù)見表1。為分析計算過程斷層應(yīng)力場及位移場的變化情況，記錄斷層面上不同位置的12個點。

表1 剖面計算推薦巖體力學(xué)參數(shù)

4 計算結(jié)果與分析

4.1 開挖對斷層位移的影響分析

圖4和圖5可以得知兩種開挖方式的結(jié)果為斷層的水平位移方向為X軸負方向，垂直位移方向為Z軸負方向，整個斷層面的位移為西南方向。其中方案一開挖后的水平位移量大于方案二開挖后的水平位移量。方案一最大水平位移量為0.418 m，方案二的最大水平位移量為0.224 m。方案一最大垂直位移量為2.072 m，方案二的最大垂直位移量為1.774 m。采取方案二的開采方法對斷層的位移量的影響要小。方案一與方案二均表明隨著開挖的進行水平位移量增加，垂直位移量減少。斷層的埋藏越深其垂直的位移量越大。

4.2 開挖對斷層應(yīng)力的影響分析

圖6和圖7可以得知兩種開挖方式的結(jié)果為斷層面上的水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力的大小相差不大。方案一最大水平主應(yīng)力為5.3 MPa，方案二的最大水平主應(yīng)力為5.38 MPa。方案一最大垂直主應(yīng)力為9.33 MPa，方案二的最大垂直主應(yīng)力為9.32 MPa。方案一與方案二均表明隨著開挖的進行,水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力的的值均在減小。整個斷層面的水平主應(yīng)力越靠近開挖區(qū)域越大。垂直主應(yīng)力則越來越小。

圖8和圖9可以得知兩種開挖方式的結(jié)果為斷層面上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力的大小相差不大。方案一最大剪應(yīng)力為3.28 MPa，方案二的最大剪應(yīng)力為3.25 MPa。方案一最大正應(yīng)力為6.33 MPa，方案二的最大正應(yīng)力為6.41 MPa。方案一與方案二均表明隨著開挖的進行，正應(yīng)力越來越小。剪應(yīng)力在標高1 290 m以下也是越來越小，標高1 290 m以上剪應(yīng)力開始變大。斷層面的剪應(yīng)力在1 020 m以下增加，1 020～1170 m之間剪應(yīng)力減小。1 170～1 290 m之間剪應(yīng)力減小，隨后又迅速增加。斷層面的正應(yīng)力在1 080 m以下增加，1 080～1 310 m之間整體減小，1 310 m以上又增加。

圖4 方案一和方案二斷層面水平位移圖

圖5 方案一和方案二開挖斷層面垂直位移圖

圖6 方案一和方案二的水平主應(yīng)力圖

圖7 方案一和方案二的垂直主應(yīng)力圖

圖8 方案一豎向開挖斷層面剪應(yīng)力和正應(yīng)力圖

圖9 方案二橫向開挖斷層面剪應(yīng)力和正應(yīng)力圖

圖10可以得知兩種開挖方式的結(jié)果為斷層面上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力比值方案一要大于方案二的。

圖10 兩種開挖方案的剪應(yīng)力/正應(yīng)力圖

方案一最大比值為0.946，方案二的最大比值為0.913。方案一與方案二均表明隨著開挖的進行，剪應(yīng)力與正應(yīng)力比值在標高1 170 m以下也是越來越小，標高1 170～1 225 m以上剪應(yīng)力開始變大。斷層面的比值在1 225～1 290 m減小，1 290～1 310 m之間迅速增加。1 310 m之后比值減小。剪應(yīng)力和正應(yīng)力比值越大，那么斷層就越不穩(wěn)定。所以方案二的開挖方式更加安全穩(wěn)定。

5 結(jié)論

(1) 采取方案二的開采方法對斷層的位移量的影響要小。方案一與方案二均表明隨著開挖的進行水平位移量增加，垂直位移量減小。斷層的埋藏越深其垂直的位移量越大。

(2) 方案一與方案二均表明隨著開挖的進行,水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力的的值均在減小。整個斷層面的水平主應(yīng)力越靠近開挖區(qū)域越大。垂直主應(yīng)力則越來越小。

(3) 方案一與方案二均表明隨著開挖的進行，正應(yīng)力越來越小。剪應(yīng)力在標高1 290 m以下也是越來越小，標高1 290 m以上剪應(yīng)力開始變大。斷層面的剪應(yīng)力在1 020 m以下增加，1 020～1 170 m之間剪應(yīng)力減小。1 170～1 290 m之間剪應(yīng)力減小。隨后又迅速增加。斷層面的正應(yīng)力在1 080 m以下增加，1 080～1 310 m之間整體減小，1 310 m以上又增加。

(4) 兩種開挖方式的結(jié)果為斷層面上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力比值方案一要大于方案二的。剪應(yīng)力和正應(yīng)力比值越大，那么斷層就越不穩(wěn)定。所以方案二的開挖方式更加安全穩(wěn)定。

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