基于FLAC3D的露天矿采场边坡破坏机理研究

马骏骅

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳110015）

基于FLAC3D的露天矿采场边坡破坏机理研究

马骏骅

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳110015）

以凤城市某露天采矿场边坡为例，通过工程钻探、物探、大型剪切试验等得到各岩层属性参数。利用FLAC3D软件对该边坡进行三维数值模拟，分析应力应变关系，得出变形较大及应力集中区域，给出了边坡破坏的机理，验证数值模拟可靠性，为边坡抗滑设计提供依据。

FLAC3D；露天边坡；破坏机理

0 引言

露天矿边坡变形破坏研究是一项关系到矿山安全建设、矿山生态可持续发展以及闭坑后综合治理与利用的炙热课题。加深加陡重利益的开采也为人民生命财产安全带来严重的危害，因此对露天矿山边坡的破坏及稳定性研究具有重要的意义[1]。目前对边坡的稳定性破坏评价方法主要包括极限平衡法，有限元法、离散元法等[2]，FlAC3D作为有限差分法，适用于多种不同本构关系材料[3]，对连续介质可进行非线性大变形分析，突破了简化为平面应变二维模拟的局限性，应用效果良好。

对岫岩县某边坡变形破坏效应采用三维模型进行分析，使模拟条件更接近工程实际[4]，为边坡的安全生产以及进一步抗滑设计提供理论依据。

1 工程地质概况

采矿场边坡位于辽宁省凤城市刘家河与四门子两镇之交界处，采矿场东东南距凤城市40 km。东侧有沈丹铁路、沈丹公路、沈丹高速公路通过，交通方便。勘察区矿山处于辽东低山丘陵区，地貌类型为剥蚀低山区和山间谷地，海拔高度在280～613 m，山坡原始地形坡度25°～35°。目前采矿边坡走向呈东西展布，最高标高580 m，最低点标高为430 m，坡面主要分为3级台阶，各级台阶高约为20 m，且倾角约为45°～66°，最小工作平台宽度不足1 m。

工作区域出露的地层岩性单一，主要为中下元古界辽河群里尔峪组，由黑云变粒岩组成，其中夹多层透辉变粒岩、电气变粒岩、磁铁浅粒岩等。岩石中见有宽度0.5～2.0 cm长石英质脉，混合岩化较强，受爆破开采以及区域构造影响，岩石节理裂隙发育，边坡岩体破碎较严重。根据钻探揭露情况判别，普遍孔深前25 m为极破碎。

2 边坡稳定性三维数值模拟

2.1 模型建立及参数选取

由于FLAC3D在数值模拟的前期处理方面的不足，在这里采用ANSYS建立几何模型并进行网格剖分，将节点、单元导入FLAC3D中进行计算。

为防止边界效应对研究区域产生影响，模型尺寸应大于研究区域，边坡尺寸设置为沿坡体走向近长800 m，宽392 m,高240 m，鉴于ANSYS强大的前处理功能，几何模型的构建及网格的划分在ANSYS中完成。对模型的两侧（X方向）、前后（Y方向）施加水平约束，底面（Z方向）施加垂直约束。对于岩土体采用摩尔-库伦模型。对于单元的划分，在岩体风化壳表层节理裂隙发育地带进行更精细的划分，共剖分了56 936个单元，11 061个节点。

根据现场勘察，边坡岩层表面以下约25 m内，节理裂隙较为发育，25 m以下岩层完整性较好，故将边坡分为2个岩层属性，模型参数统计见表1。

表1 模型参数统计

2.2 基本原理

FLAC3D即快速拉格朗日差分分析，广泛的应用于工程数值分析当中，其原理是利用有限差分的方法进行求解计算，具体过程要先生成网格，并把物理网格映射到数学网格上，使数学网格编号为i、j的节点同物理网格相应的节点x、y对应起来，形成相互映射。假设某时刻的各个节点的速度为已知，根据高斯定理求出各个单元的应变率，再根据材料的本构关系求得单元的新应力。通过不断的迭代求解，可以得出边坡各单元、节点的应力应变值，便可以对边坡的破坏过程进行模拟[5]。

2.3 边坡稳定性模拟结果

2.3.1 三维数值模拟应力应变规律

通过FLAC3D数值模拟软件得出边坡的各个方向的三维应力应变云图如图1—图7。

图1 X方向应力云图

图2 Y方向应力云图

图3 Z方向应力云图

图4 X方向位移云图

图5 Y方向位移云图

图6 Z方向位移云图

图7 塑性带云图

如图1—图3，从总体应力分布可以看出，最大主应力区出现在坡体内部，表层临空面为最小主应力区，在表层节理裂隙发育密集区岩层中出现局部拉应力区域，Z轴方向由于重力压致拉裂，形成大范围压力区以及少部分拉力区，和现场发生的岩层倾倒拉裂较为一致。该边坡岩体中发育陡倾角节理面，且存在着与此结构面平行的边坡临空面使边坡岩体沿不连续面逐步变形倾倒，一般规模不大多为台阶边坡破坏。根据现场观测，本次勘察每个边坡均存在一组倾向与坡面倾向基本一致的陡倾角节理面，在边坡坡角陡的地段，边坡岩体已出现倾倒型破坏，规模较小，为台阶边坡破坏；如果边坡坡脚进一步加大开挖，将形成临空面使边坡岩体沿不连续面逐步变形倾倒，使边坡岩体发生倾倒破坏[6]。X方向应力云图台阶临空面上出现少量拉张应力区以及坡面受岩层倾倒破坏所致，出现较大范围的拉张力。

从图4—图6可见，Y方向位移明显大于X方向位移，且主要向南侧坡外即Y轴方向产生位移，这与滑坡体沿着主轴方向产生位移的规律是一致的。坡底岩体由于边坡向坑内的挤压，形成大滑动趋势，而后缘坡体拉张倾倒裂隙，产生正位移。坡体Z方向位移分布与总体位移分布规律大体一致。表层位移变化量最大，向下位移值逐渐减小，直至相对于上层滑带形成相对位移。

从图7可见，滑坡区域有塑性区域发生，从剖面图上看，主要分布在坡体的临空面上的各台阶处，滑面处为剪切应力集中区域，出现沿层面上的局部剪应力区域，当这些局部剪应力带全部贯通，总剪切力超过滑带极限抗剪强度，坡体会产生滑坡的可能。但目前坡体尚未形成连贯的破坏区。当边坡岩体破碎、极破碎，岩体呈散体状结构或碎裂状结构，可能产生圆弧型破坏。该边坡台阶处受矿山放炮及开采等活动影响，一般深度20～25 m、局部30 m范围的岩体为破碎～极破碎，可能在破碎～极破碎山体内发生圆弧型滑动破坏[7]。

因此从数值模拟结果来看，该露天采场边坡的破坏模式可能会发生圆弧滑动或是倾倒破坏，结合现场，局部陡峻的斜坡地段，节理裂隙发育，岩体破碎的情况下易也发生了破碎岩体的崩塌现象，人为的爆破和开采也加重了边坡的崩塌破坏[8]。

2.3.2 切割剖面应力应变规律

从整个坡体来看，位于x=350 m处剖面发生的变形值较大，具体剖面上应力应变云图见图8—图12。

图8 x=350面最小主应力切片云图

图9 x=350面最大主应力切片云图

图10 x=350面X方向位移切片云图

图11 x=350面Y方向位移切片云图

图12 x=350面Z方向位移切片云图

从云图可见x=350 m剖面上Z轴方向发生竖向位移从坡顶到坡底逐渐减小，由于边坡向坑内的挤压，形成大滑动趋势，使得坑底隆起形成拉张破坏，发生沿Z轴正方向位移，而坡体后缘拉张裂隙至坡顶，位移量逐渐减小。其他在X轴方向位移，表层大于内部，而Y轴位移中部台阶集中区形成的向坑内的位移量明显大于其他方向。从应力云图上来看，最大主应力位于坡体内部，最小主应力位于表层临空面。

3 结论

1）露天矿采场边坡的破坏模式可能会发生圆弧滑动或倾倒破坏，结合现场，局部陡峻的斜坡地段也易发生崩塌破坏。

2）通过FLAC3D软件采用数值模拟技术对凤城县某露天采矿边坡进行三维数值模拟，直观的得出边坡开挖后的应力应变规律，结合现场分析了变形破坏模式，对边坡的进一步治理带来指导。

［1］金文佳，杨泽，侯克鹏，等.尖山边坡稳定性的三维动态数值模拟分析［J］.有色金属（矿山部分），2010，62（6）：42-46.

［2］邓建辉，魏进兵，闽弘.基于强度折减概念的滑坡稳定性三维分析方法（I）：滑带土抗剪强度参数反演分析［J］.岩土力学，2003，24（6）：896-900.

［3］王振勉，易武，孟召平，等.FLAC3D在滑坡数值分析及监测预警设计中的应用［J］.地下空间与工程学报，2006，2（8）：1477-1480.

［4］许鹏.汪延公路膨胀性软岩滑坡抗滑桩土效应研究［D］.吉林大学，2013.

［5］郑颖人，赵尚毅，邓卫东.岩质边坡破坏机制有限元数值模拟分析［J］.岩石力学与工程学报，2003，22（12）：1943-1952.

［6］王学志，翟诚，毕重，等.FLAC3D在边坡稳定分析中的应用［J］.吉林水利，2010（6）：39-41.

［7］李旭东.FLAC3D在边坡稳定性分析中的应用［J］.中国水运月刊，2008（4）：77-79.

［8］夏元友，李梅.边坡稳定性评价方法研究及发展趋势［J］.岩石力学与工程学报，2002，21（7）：1087-1091.

【责任编辑：陈毓】

Study on mechanism of slope failure based on FLAC3Din the open-pit mine stope

MA Junhua
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China)

Taking stope slope in Fengcheng Open-pit Mine for example,the mine obtains parameters of each rock stratum through engineering drilling,geophysical exploration,large shear test.The mine carries out three-dimensional numerical simulation on the slope by FLAC3D,analyzes the relationship of stress-strain to get a large deformation and stress concentration area,gives the mechanism of slope failure and verifies the reliability of numerical simulation,which provide the basis for the anti-sliding design of the slope.

FLAC3D;open-pit slope;failure mechanism

TD824.7

B

1671－9816（2017）01－0016－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.01.005

马骏骅.基于FLAC3D的露天矿采场边坡破坏机理研究［J］.露天采矿技术，2017，32（1）：16-18.

2016-07-13

马骏骅（1984—），男，黑龙江牡丹江人，工程师，地质工程专业硕士，主要从事岩土工程勘察、地质灾害设计工作。