貫穿斷層及隱伏巷道對某露天邊坡穩定性影響數值模擬分析

王志修，秦秀山

(1.礦冶科技集團有限公司，北京 100160； 2.國家金屬礦綠色開采國際聯合研究中心，北京 102628)

近年來，隨著國民經濟的快速發展，建筑用花崗巖資源需求量不斷增加，露天花崗巖礦邊坡是制約礦山安全生產的重要因素，其中影響露天礦邊坡穩定性的因素主要有邊坡高度、邊坡角及復雜地質條件等，目前復雜地質條件邊坡穩定性分析一直是研究熱點[1-3]。張家明[4]結合自重工況、開挖工況、暴雨和蓄水工況、地震工況方面總結了目前含軟弱夾層巖質邊坡穩定性的研究現狀及進展。田宇等[5]針對露天礦多弱層順傾到界邊坡，采用剛體極限平衡理論與數值模擬方法，對邊坡穩定性進行分析。陳慶峰等[6]通過現場地質調查，利用室內試驗及數值模擬方法，進行石灰巖礦山邊坡穩定性分析。鄧鵬宏等[7]采用數值模擬方法對含斷層邊坡進行穩定性分析。肖開乾等[8]對于結構面貫通至地表的順層邊坡進行分析，結果顯示結構面上滑體的安全系數與滑塊平均厚度呈負相關，而與滑面長度的相關關系較弱。蔣軍等[9]利用正交試驗和數值模擬相結合的方法，得出斷層相關參數對含斷層巖質邊坡穩定的影響程度為：斷層傾角影響程度最大，斷層內摩擦角其次，斷層黏聚力較小，斷層厚度及其露頭與邊坡的距離影響程度較小。畢鈺璋等[10]研究不同采空區高度造成的滑坡災害與不同距離結構體之間的動力關系。解聯庫等[11]提出一種針對露天采場隱伏空區頂板安全厚度的綜合判別法，并進行工程驗證。

本文以廣東某花崗巖礦含斷層及空區的露天邊坡為研究背景，對含有陡傾斷層及采空巷道的邊坡穩定性進行綜合分析，研究成果可為相關礦山提供設計依據及工程經驗。

1 工程概況

廣東某花崗巖礦為擬建礦山，采用露天開采方式，設計生產規模600萬m3/a，開采標高+565.30～+50 m，年平均降雨量為2 284.23 mm；礦區工程地質巖組劃分為全風化花崗巖、中風化花崗巖、微風化花崗巖(見圖1)及斷層破碎帶，礦區有一條近東西的斷層(F1)，該斷層控制長度約2 000 m，寬1～8 m不等，平均寬約5 m，傾角80°～85°，由硅質熱液充填膠結；同時在東南區域有兩條采空巷道，分別位于154 m水平及197 m水平，水平方向巷道間距平均為10 m，巷道長×寬為4 m×4 m，由于歷史原因，無巷道相關資料。擬采露天礦地質模型見圖2。

圖1 典型鉆孔柱狀圖Fig.1 Typical borehole histogram

圖2 擬采露天礦地質模型Fig.2 Geological model of the proposed open-pit mine

根據礦山的礦巖性質、原礦塊度的需求、鑿巖和裝運設備等綜合條件選取合理的開采終了邊坡參數，根據礦山頂底板的巖石性質及構造特征設定臺階坡面角參數。設計開采終了臺階參數見表1。

表1 設計開采終了臺階參數Table 1 Design parameters of mining terminal step

2 巖體質量評價研究及力學參數分析

2.1 巖體質量評價

現場調查統計7個鉆孔的巖石狀態、分層厚度、RQD、節理條數、節理密度等，得出微風化巖厚度相對較大，RQD較穩定平均值為88，結構面平滑，無蝕變，裂隙內無充填物。中風化巖厚度不大，RQD較穩定平均值為47，結構面粗糙，有輕微蝕變，局部破碎地段含砂質或泥質充填。全風化巖為砂土或碎石土狀態。

根據不同區域鉆孔之間的工程地質編錄統計結果來看，全礦區不同鉆孔可根據風化程度區分，同一風化層花崗巖巖體完整性和裂隙情況變化不大，數據離散性小，后期巖體質量分級可按礦區巖體風化程度進行分類。

通過對整個現場巖體節理裂隙統計數據分析，結果顯示，除全風化巖外，礦區巖體節理平均密度為2.44～4.53條/m，平均間距為0.22～0.41 m。根據巖體完整程度的劃分標準，礦區的巖體完整程度為“極破碎”風化巖、“較破碎”中風化巖、“較完整”微風化巖。

在現場實際工程地質調查、工程地質編錄等野外調查的基礎上進行工程巖體的質量評價工作，其評價的可靠性直接影響到后續工程巖體強度參數的確定、巖體工程的穩定性分析及評價?；诂F場工程地質調查，采用RQD值分級法、RMR(CSIR)分級法、Q系統分級法、GSI分級法及[BQ]分級法對礦區礦巖進行分級研究，其結果見表2。

表2 巖體質量評價表Table 2 Rock mass quality evaluation table

2.2 巖體抗剪強度指標綜合確定

采用Hoek-Brown強度準則法初步確定了巖體抗剪強度參數，根據GSI巖體分級和《工程巖體分級標準》對應級別巖體參數范圍，采用工程類比法通過插值計算，得到巖體參數推薦值范圍，見表3。

表3 礦區巖體抗剪強度指標綜合確定值Table 3 Comprehensive values of shear strength index of rock mass in mining area

3 數值計算分析模型

采用數值計算分析模擬的方法，建立包括礦區地表、露天采坑、F1斷層及礦區采空巷道的工程地質力學模型，分析采空巷道及F1斷層對露天坑邊坡的影響，巖體物理力學參數見表4，三維地質模型見圖3。

圖3 三維工程地質模型建模區域Fig.3 Modeling area of 3D engineering geology model

表4 工程巖體力學參數綜合取值表Table 4 Comprehensive values of mechanical parameters of engineering rock mass

采空巷道三維工程地質力學模型尺寸為長832 m×寬400 m，地表按實際情況建立，模型主要包括露天坑及采空巷道。采空巷道在154 m水平及197 m水平，水平方向巷道間距平均為10 m，巷道長×寬為4 m×4 m，采空巷道在待采邊坡面位置出露。

以擬采露天礦斷層穿插過的南區為研究對象，南區設計最終邊坡角為43°，建立含斷層三維工程地質力學模型，模型主要包括全風化巖、中風化巖、微風化巖及斷層。斷層自地表貫穿礦區，平均厚度5 m。

3.1 礦區采空巷道對露天開采的影響特征

圖4中(a)及(b)分別為典型剖面Ⅰ-Ⅰ及Ⅱ-Ⅱ剖面的最小主應力分布圖。圖4(a)中，在154 m水平及197 m水平采空巷出露區域出現明顯拉應力范圍區，拉應力最大值為0.33 MPa，由于該區域屬于花崗巖微風化區域，抗拉強度為0.5 MPa，因此該區域雖然出現拉應力區域，但拉應力值小于其巖體抗拉強度，因此較為安全。圖4(b)中，在197 m水平采空巷道之間的礦柱出現應力集中現象，壓應力值為0.39 MPa，該巷道位于花崗巖微風化區域，壓應力都低于該區域巖體的抗拉強度0.5 MPa，則壓應力對巷道臨空面產生的劈裂拉應力一定小于巖體的抗拉強度，因此較為安全；154 m水平采空巷道之間的礦柱，受到拉應力影響，采空巷道臨空面拉應力值為1.5 MPa，其值大于巖體抗壓強度，因此較易出現采空巷道的臨空面劈裂或折斷破壞。

圖4 典型剖面最小主應力分布圖Fig.4 Distribution diagram of minimum principal stress in typical section

圖5為典型剖面Ⅰ-Ⅰ的Z方向位移及塑性破壞區分布圖。在邊坡采空巷道區域地表中部，Z方向最大位移量為13.8 cm，位于露天坑底，154 m水平及197 m水平采空巷道頂底板區域未出現位移變化集中區，位移量約為7 cm，采空巷道未對邊坡位移產生影響，因此可以得出在自然工況下，采空巷道對邊坡位移影響不大。圖5(b)中塑性區破壞以剪切破壞為主，整體模型中，在頂部全風化及半風化及部分采場坡面區域產生塑性破壞。采空巷道在坡面出露區域，即197 m水平和154 m水平采空巷道周圍，無貫穿的剪切破壞區域，僅在坡面區域發生塑性破壞，影響范圍不大。

圖5 剖面塑性區分布圖Fig.5 Distribution of section plasticity

綜合以上分析，154 m水平及197 m水平，兩條出露巷道對邊坡穩定性影響不大，但是采空區內部局部可能產生坍塌，建議后期進行物探測試，劃分采空巷道坍塌范圍。

3.2 貫穿斷層對露天開采的影響特征

圖6為露天采坑開挖結束后，貫穿斷層模型最小主應力分布云圖，在全風化區及半風化區的邊坡坡面，拉應力值最大達到0.29 MPa，大于全風化巖體抗拉強度0.12 MPa，略小于中風化巖體的抗拉強度0.3 MPa，但拉應力區域范圍較小，且在斷層貫穿區，除在全風化及半風化區域產生拉應力且數值較小外，其余邊坡坡面區域為壓應力狀態，因此可知在自然工況下，斷層對周圍區域巖體穩定性影響不大。

圖6 最小主應力分布圖Fig.6 Distribution of the minimum principal stress

圖7為露天采坑開挖結束后，貫穿斷層模型Z方向位移分布圖，在邊坡坡面區域中，Z位移量為梯度變化，在邊坡頂部及底部區域產生最大位移量，在斷層附近區域巖體，未能產生變形的突變量，即未產生塌陷或位移突變情況。在中風化區域中，產生最大位移量1.4 mm，露天采坑最底部位移量為1.6 mm。在斷層影響下，整體區域未發生塌陷災害，但是在邊坡坡頂處出現最大位移量，該區域成為重點危險區域，需要重點管控，建議后期增加斷層附近區域的安全監測，必要時采取支護措施。

圖7 Z方向位移分布量Fig.7 Displacement distribution in Z direction

由圖8可知，計算模型剖面塑性區分布圖中，塑性區破壞主要以剪切破壞為主，全風化巖體賦存高度為620～660 m，中風化巖體賦存高度為550～620 m，由塑性區分布可知，剪切破壞主要發生在全風化及中風化巖體區域，在距離斷層5 m位置進行剖面，剖面圖中塑性區主要集中在中風化區域及全風化區域中，在露天采坑底部局部出現剪切破壞，在微風化圍巖坡面中剪切破壞區較少，且可以看出斷層區域無集中破壞情況發生，因此可知，斷層對露天采坑破壞影響較小。

圖8 距離斷層兩側5 m處剖面塑性區分布圖Fig.8 Plastic differentiation layout of section 5 m away from both sides of the fault

4 結論

本文針對擬建露天礦區中含有采空巷道及貫穿斷層等潛在災害的邊坡進行穩定性分析，采用數值模擬方法，建立三維工程地質模型進行模擬分析，得到如下結論：

1)在154 m及197 m水平位置的采空巷道，對該區域的邊坡影響不大，區域的邊坡頂部及坡面產生較小的位移及拉應力狀態，拉應力小于巖體抗拉強度，同時塑性區未能進行上下貫通，因此采空巷道對邊坡影響不大，但由于154 m水平巷道距離邊坡面較近，建議該區域應加強監測，防止突發災害發生。

2)礦區貫穿斷層F1對邊坡整體穩定無明顯影響，在全風化圍巖及中風化圍巖區域，部分邊坡表面塑性剪切破壞區范圍較大，坡面拉應力值小于全風化抗拉強度。因此，在自然工況下，按照最終邊坡角度43°，斷層F1對邊坡穩定性無明顯影響，但是建議針對風化區域開展監測工作，防止危害發生。

3)本文邊坡穩定性模擬分析僅在自然工況下進行，隨著生產計劃推進，在爆破擾動、自然環境變化、地震等作用下，可能會對邊坡產生一定危害，因此建議后續開采后進一步加強水文地質條件變化監測，并密切關注斷層、空區揭露信息，提前采取應對措施，以保證礦山安全生產。