露天边坡滑体冲击下围岩变形特性分析

王 鹏 周传波 蒋 楠

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

露天边坡滑体冲击下围岩变形特性分析

王 鹏 周传波 蒋 楠

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

露天转地下矿山边坡稳定性是一个当前广泛存在的问题，合理评估边坡失稳滑移对边坡底部围岩的影响及破坏效应对地下开采有重要的工程意义。以大冶铁矿露天开挖形成的边坡为工程背景，运用二维数值模拟软件UDEC，对滑体的滑移过程进行了数值模拟分析，从应力场、位移场入手，研究了边坡滑体失稳后其冲击力作用下边坡底部围岩应力应变规律。模拟结果表明：用离散元软件可有效模拟滑体失稳过程，滑体失稳后，其冲击作用影响范围主要集中在北帮边坡坡脚，而对采矿区和南帮边坡影响不大，采矿区和南帮边坡主要受滑体失稳后形成的堆积体的重力作用影响；竖直方向上，围岩受冲击影响程度随深度的增加而减弱；水平方向上，南帮边坡受滑体影响程度远小于采矿区和北帮边坡坡脚。

露天边坡 滑体 围岩 应变特性

露天开采形成的高陡边坡在降水、地下开采爆破振动等诱发因素影响下，坡体内的结构面强度降低，边坡岩土体失稳致使其整体或部分沿斜坡向下滑动或坠落，形成滑体。滑体失稳冲击作用对地下开采产生巨大的影响。为合理评价边坡滑体冲击作用下产生的破坏效应，开展冲击作用下边坡底部围岩变形特性研究具有重要的工程指导意义。

国内外对滑体冲击的影响已进行了一定的研究。常用速滑计算方法计算滑体的冲击能，如能量法[1]和条分法[2]；也有人提出根据相似性原理设计制作滑体冲击物理模型[3]，利用物理模型实验模拟滑体的冲击过程，计算其冲击能，评估冲击的影响；对落石等冲击现象有半理论半经验的算法[4-5]。而岩土体是一种散体，速滑计算法作为经过过多的简化和假设，不能准确描述滑体滑动过程及冲击破坏过程[6]。物理模型试验的方法比较准确，但是相似材料的配比较为困难，且物理模型的相似性设计较为麻烦，模型制作周期长、费用高。相对而言，数值模拟是一种可靠实用的方法。

本研究依托大冶铁矿工程实际，采用离散元数值模拟，从围岩应力场、位移场着手，分析了边坡滑体失稳后在冲击力作用下边坡底部围岩的变形特性。

1 大冶铁矿概况

大冶铁矿东露天采场自西向东由象鼻山、狮子山与尖山3个矿段组成，1958年投产。其中，象鼻山矿段开采至+36 m时，因其北帮发生大规模滑坡而被迫提前闭坑。东露天采场闭坑后，形成了东西长约2 400 m，南北宽约1 000 m的深凹露天坑。露天坑北帮标高170～270 m，南帮86～200 m。露天边坡高度230～440 m，坡角范围38°～53°。

以东露天采场A区边坡为研究对象。F9断层穿过坡体，导致局部地段受力情况复杂、构造发育、岩体破碎。历史上A区边坡曾发生4次规模不一的滑坡，其中，1990年在尖F9和尖F9支断层交汇处发生了约6 000 m3的滑坡，简称A1滑体。A区边坡目前比较稳定，但在自然因素(降雨、地震等)和人为因素(地下开采、爆破震动等)的影响下，此滑体仍可能产生变形失稳。

2 数值建模及参数

现选择通过A滑体的剖面建模，经过合理简化确定模型，模型北帮为大理岩，南帮为闪长岩，中部为铁矿体和回填土体，底部宽800 m，高460 m。在FLAC3D中利用应力折减法[7-9]确定滑体滑动面。

UDEC作为二维离散元软件，是目前国际上比较认同的非连续力学方法程序[10]。根据FLAC3D中得出的滑动面等几何关系建立UDEC数值模型。将模型切分成大量有限差分三角形网格单元,在满足计算结果准确性要求的前提下，对模型划较大网格。图1为UDEC计算模型。

图1 UDEC计算模型Flg.1 UDEC simulative model

本构模型采用Mohr-Coulomb模型，岩体物理参数的选取依据相关科研单位对本地区岩体材料的研究成果[11]，参照相关经验进行折减和取整而得，具体见表1和表2。

表1 不同岩体的力学参数Table 1 Mechanical parameters of different rock mass

表2 不同结构面的力学参数Table 2 Mechanical parameters of different discontinuities

3 模拟计算结果分析

3.1 监测点的设置

为观测滑体下滑过程中，矿体上盘、矿体下盘和采场区矿体位移、应力的具体变化情况，分别在矿体上、下盘以及采场各矿体中设置了测线和测点，对测线和测点应力应变进行追踪观测，以虚线代表测线，圆圈代表测点，其具体布置见图2。

图2 监测点位置Flg.2 Monitoring location

3.2 数值模拟分析

通过现场地应力测试得知，研究区域的地应力以自重应力为主，构造应力很小。故计算只考虑自重应力产生的初始应力场。

边界条件方面，计算模型中的上表面为自由边界，底面固定Y方向的位移，两边固定X方向的位移。由于所建为二维模型，所以只分析Y方向即竖直方向的应力应变状态。

图3为滑体冲击稳定后的状态，整个过程为滑体先在边坡上滑动，滑体整体变形，冲到坡脚处在回填土上方堆积，最终稳定。

3.2.1 应力模拟分析

(1)采矿区应力分析。图4为滑体滑动过程中采矿区测点应力曲线。本区3个测点变化趋势相似，滑体在边坡上滑动时，对采矿区无影响，3个测点应力不变。滑体冲到坡脚时，测点应力增大。12号测点埋深10 m，应力增量约0.9 MPa；22号测点埋深30 m，应力增量约0.7 MPa；23号测点埋深55 m，应力增量约0.6 MPa。可见采矿区围岩从浅表往深层受滑体冲击影响越来越弱。

图3 滑体冲击后的状态Flg.3 Status impacted by sliding mass

图4 采矿区监测点应力曲线Flg.4 Stress curves of the monitor points in mining area

(2)下盘围岩应力分析。图5为滑体滑动过程中下盘围岩测点应力曲线。本区3个测点总体变化趋势相似，滑体在边坡滑动时对坡脚处围岩基本没有影响，滑体冲击时，测点应力有明显变化。13号测点应力增值约1.0 MPa；23号测点应力增值约0.83 MPa；33号测点应力增值约0.6 MPa。表现出从浅表往深层围岩受滑体冲击影响越来越弱的特征。浅层测点在稳定阶段应力变化有起伏现象，这是滑体不同部分间歇跌落的冲击结果，由于上层围岩的缓冲作用，这种现象在深层围岩区表现微弱。

图5 下盘围岩测点应力曲线Flg.5 Stress curves of the monitor points in footwall rock

(3)上盘围岩应力分析。图6为滑体滑动过程中下盘围岩测点应力曲线。本区3个测点在滑体冲到回填土上方一段时间后才发生变化，变化趋势相似，11号测点应力增值约0.6 MPa；21号测点应力增值约0.5 MPa；31号测点应力增值约0.3 MPa。也有浅表比深层受影响大的特征。由于此处离冲击位置相对较远，整体所受影响也较小。

图6 上盘围岩测点应力曲线Flg.6 Stress curves of the monitor points in upper rock

从以上分析，可以看出浅表所受影响大于深层所受影响的特征。另外，从整体上进行横向对比可以发现，上盘坡脚围岩受冲击影响最大，采矿区围岩受影响次之，下盘围岩受影响最小。

3.2.2 应变模拟分析

通过所设测线对围岩应变特征进行分析。

(1)纵向测线应变对比分析。图7为布置的1号、2号、3号纵向测线上各点位移曲线。1号测线位于上盘，最大位移约7.0 cm；2号测线位于采矿区，最大位移约12 cm，最大位移点处于回填土内，有回填土强度较低的因素；3号测线最大位移9 cm，此点位于坡脚，受冲击影响大。3号测线深层点有微小回弹，说明滑体下滑使下盘深层围岩产生卸荷现象。总体上3条曲线走势相似，浅层围岩位移较大，深层围岩位移较小，说明浅层受滑体冲击影响较大，深层围岩受影响相对较小。

图7 纵向测线各点位移曲线Flg.7 Displacement curves of the longitudinal survey line

(2)横向测线应变对比分析。图8为为布置的4号、5号、6号纵向测线上各点位移曲线。4号测线埋深10 m，沉降值约11.0 cm；5号测线埋深40 m，最大沉降值约8.0 cm；6号测线埋深70 m，最大沉降值约6.0 cm。3条测线的最大沉降值都在采矿区内，这个现象产生有2个因素：①回填土强度低，内部松散，受到挤压而产生较大位移；②滑体的部分岩土体在回填土上部堆积，产生较大的自重作用。总的来说，浅层围岩应变大于深层围岩应变。

图8 横向测线各点位移曲线Flg.8 Displacement curves of the lateral survey line

在南帮坡脚处也能看到较大位移，原因是这里虽然围岩强度高，但冲击作用强，所以有较大应变。

南帮滑体原始位置下方围岩有上升位移，说明滑体下滑后，其下部围岩应力卸荷而向上抬升。

4 结 论

边坡中存在复杂结构面，滑坡发生时滑体具有离散性，其内部有大量接触面，传统的速滑计算法只能粗略描述滑体的力学行为，计算的滑体冲击能不够准确，计算的结果也不能准确反映施加在受灾物上应力。物理模型试验可行可靠，但操作复杂且成本高。用离散元软件UDEC对滑坡过程进行数值模拟是可行有效的方法。

通过UDEC对大冶铁矿东露天采场A滑体进行模拟得出滑体冲击时下部围岩的应力应变特征：

(1)滑体下滑有冲击作用和自重作用，下盘坡脚受冲击作用明显，采矿区和上盘受滑动堆积体自重作用明显。

(2)纵向上看，浅层围岩受滑体冲击影响较大，深层围岩由于上部岩体缓冲作用，受冲击影响越来越弱。

(3)横向上看，采矿区和下盘坡脚受冲击影响较大；上盘围岩离滑体冲击位置较远，所受影响较小；下盘围岩底部有应力卸荷现象。

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(责任编辑 徐志宏)

Analysis on Deformation Characteristics of Surrounding Rock Impacted by Sliding Mass in Open-pit Slope

Wang Peng Zhou Chuanbo Jiang Nan

(EngineeringCollege，ChinaUniversityofGeosciences(Wuhan)，Wuhan430074，China)

The slope stability in the mine transferred from open pit to underground mining is a widely existing problem and the rational evaluation of the slope slip effect on surrounding rock at the bottom of the slope has important engineering significance for underground mining.Taking slopes formed in the process of excavation in Daye Iron Mine as project background，the sliding process of slide mass is numerically simulated with UDEC software，and the stress-strain laws of surrounding rock under the impact of sliding slope on the bottom after the slopes became unstable were studied from perspective of the stress field and displacement field.The results showed that the DEM software can effectively simulate the un-stability of sliding mass.After the un-stability occurs，the impact action mainly focuses on the foot of the northern slope and has a less impact on the mining area and the southern slope.The self-weight of sliding mass on mining area and hanging wall is obvious.On the vertical direction，the impact on surrounding rocks is weakened with the mining depth increasing.On the horizontal direction，the impact of sliding mass on the southern slopes is much lower than that on the mining area and the northern slopes.

Open-pit slope，Sliding mass，Surrounding rocks，Deformation characteristics

2014-01-11

国家自然科学基金项目(编号：41372312，51379194)，中央高校基本科研业务费专项(编号：CUGL140817)。

王 鹏(1987—)，男，硕士研究生。通讯作者 周传波(1963—)，男，博士研究生导师。

TD163

A

1001-1250(2014)-05-036-04