胜利露天矿边坡工程渐进性破坏分析研究

吕金星，韩 磊，陈 辉，刘洪林

(1.新疆大学 地质与矿业工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047；2.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116；3.中煤平朔集团有限公司 安家岭露天矿，山西 朔州 036006)

岩石的流变性是岩石的重要力学特性之一，矿山边坡的长期不稳定渐进性破坏大多与岩石流变性有密切关系。这些边坡工程的长期稳定性问题一直以来是人们关注的焦点。随着人类对边坡失稳机理探索和认识的不断深入，发现边坡产生失稳破坏现象不是没有征兆的，而是呈现渐进性破坏的特征[1-4]。因此，开展岩石流变特性和边坡工程的渐进性破坏的研究具有重要的理论和实践意义[5，6]。关于岩石流变特性的研究多采用理论分析和试验研究的方法。然而，理论分析所建立的岩石流变特性方程通常含有较多的不易测定的参数，使得这些理论成果的应用受到较大的限制；室内试验是进行岩石流变特性研究的一个重要手段，但流变试验因周期长、工作量大，需要耗费较大的人力和物力，限制了这一研究方法的进一步应用。

近30年来，由于计算机硬件和软件的快速更新，以及世界各地的学者在岩石材料本构关系的建立上取得的很大的进展，为研究岩石流变的局部化变形及整体性的稳定性问题提供了基础保障[7-10]。研究表明：当受到外荷载作用后，岩石材料内部必然存在不均匀的塑性变形，即产生局部变形现象。此时，岩石材料本身的刚性有显著降低，该区域的变形量明显比其他区域大。受到外荷载作用，岩石材料变形先经历均一过程，当变形积累至值后，变形开始进入局部化过程，局部化过程造成应力集中现象，使得变形迅速扩展至岩石材料本身发生破坏[10，11]。在这个渐进性破坏过程中，不同的材料表现出不同的特性，例如：剪切硬化/软化，体积硬化/软化，抗拉软化等。

1 工程概况

以神华北电胜利能源有限公司胜利露天煤矿为研究对象。胜利露天煤矿于2005年正式开工，2006年按3.0Mt/a移交生产，2007年达到规模5.0Mt/a，生产剥采比为2.15m3/t，2006年2月得到国家发展改革委员会的核准，设计规模为20.0Mt/a，2010年达产。随着矿山工程的不断延伸，该矿山边坡已发生多次不同规模的破坏，给矿山的安全生产带来明显影响。

滑坡过程：由于受地层岩性影响及第四系潜水的侵蚀、浸泡作用下，边坡一直处于稳定的蠕变过程中。滑坡区域首先沿坡面底部发生蠕动滑移现象；3个月后在顶部发现平行端帮的裂缝，后受春季融水和雨水的影响，裂缝加速延伸；滑移7个月内，裂缝延伸长度达到150m，宽0.10～0.23m，最大落差0.35m；蠕变发生9个月后，北部端帮突发较大范围的滑坡，造成出入沟道路全部毁坏。

2 岩石应变软化力学特性

2.1 基本力学性能

通过建立合理有效的模型进行数值分析，可以部分避免实验研究的不足。一般情况下，材料发生变形时，应变分布是不均匀的，那么最大应变的部分比其他的部分变得更弱，也就是说，它只能承受更小的力[12]。因此，邻近的部位将承受初始应力，弱单元将就会脱离平衡(因为内外应力不平衡)。因此，弱单元开始发生更大的应变，从而更加软化。这种“弱联结”过程是形成“应变软化”材料局部化的原因。

2.2 数值计算分析

通过FLAC3D模拟单元试件剪切试验来展示材料在局部变形过程中的软化力学行为。根据数值模拟试验分析的需要，选用的几何模型为∅1.5m×3.0m的圆柱体，本构模型采用剪切硬化/软化模型，岩体物理力学参数见表1。

表1 岩体性质参数表

单轴试验应力—位移关系如图1所示，由图1可知，剪应力和轴向应力先达到峰值后减少，可以明显发现砂岩的软化行为。由于平均应力减少，试件由于弹性卸载也发生膨胀。但是由于试样破坏时的瞬时破坏，岩石单轴压缩实验机未能有效记录峰值后的残余强度。单轴压缩试验结果如图2所示，从图2中可以明显的看到，砂岩本身发生软化现象，这种作用是由于水平应力的减少而产生的，由上述表观软化促使形成局部化(剪切带)，实验室在对试件进行单轴压缩时，也产生相似位置的破坏。

图1 单轴试验应力—位移关系

图2 单轴压缩试验

3 边坡渐进性破坏过程数值模拟

通过以上分析可知岩石具有一定的流变性，故岩土工程破坏同样具有渐进性破坏。岩土工程渐进性破坏过程其实是岩土材料硬化或软化的过程。破坏时，由于岩石的微裂化以及土体的颗粒的滑动，将导致变形变得越来越无弹性，直到破裂而致破坏。在这个过程中也会造成材料强度的降低和剪切带的出现。

以露天矿边坡为研究对象，对边坡渐进性破坏的过程进行模拟分析。由于矿山边坡受到开挖影响，边坡中岩土体材料的力学性质随时间增加而逐渐降低，造成边坡潜在破坏区域的抗滑力降低，进一步影响边坡稳定性。忽视了材料本身的时效性和渐进性，对露天矿山的安全生产会造成一定的影响[13]。

3.1 各向同性应变软化模型简介

为了更加清楚的了解渐进性破坏的原理，首先要建立材料产生屈服与破坏的条件与准则。岩土工程渐进性破会一般是产生无限制的塑性流动而导致的。而莫尔-库仑模型是常用的岩土本构模型，适用于那些剪应力下屈服，但剪应力只取决于最大、最小主应力，而第二主应力屈服不产生影响的材料，故不适合用来进行渐进性分析。应变软化/硬化模型实际上是莫尔-库仑模型的衍生模型，它允许材料的强度发生硬化或软化。故本文选用应变软化/硬化模型进行渐进性分析。

一般岩土材料在静荷载作用下的塑性模型都采用各向同性硬化/软化模型。各向同性硬化/软化的加载函数可以由硬化/软化参量的显示表示为[14]：

f(σij，H)=f(σij)-H=0

式中，f为屈服函数；σij为应力张量；H为反应材料性质的参数，一般为硬化/软化参量Ha的函数。

可得出：

式中，Q为塑性势函数。

当φ(σij，H)<0时，材料就按硬化/软化模量A进行屈服变化。根据此原理，通过计算可给出每个网格各个时步的塑性状态，再由网格的塑性状态便可判断网格的变形破坏情况。

3.2 数值模型建立与关键参数确定

根据现场实际生产和实验综合所得各项物性参数，通过FLAC3D软件中应变-强化/软化模型进行相关稳定性模拟，选取胜利露天煤矿上部台阶为例进行分析。边坡岩性依次为第四系、粉砂和粘土岩。

分析模型高度为140m，沿台阶倾向长280m，沿走向长100m。对模型的边界分别进行位移约束，在前后方向以Y方向进行位移约束，在左、右方向以X方向进行位移约束，在底部以Z方向进行位移约束，从而构成分析模型的边界条件，进而来保障系统的受力平衡[15]，岩体性质参数见表2。

表2 岩体性质参数表

3.3 数值计算结果分析

通过分析边坡体各单元的塑性区变化，得出的随时步增长边坡体的塑性状态发展情况。分析结果如图3所示。

图3 边坡渐进性破坏过程

边坡破坏时，其塑性应变区必然是贯通的。由图3可知，边坡破坏中塑性区的出现并不是一开始就全部贯通，而是受到开挖影响后，边坡的塑性区的破坏首先产生于各个台阶的表面。初始在坡脚位置产生剪应力集中区域，而坡顶则只产生拉应力，使得该区域岩土体的力学强度降低；然后塑性区从坡脚和坡顶的破坏向坡体内部扩展，当边坡岩土体中剪应力超过其强度之后，则塑性区进一步扩展；随着边坡变形的进一步加剧，加速边坡的破坏，直至在边坡体内部产生贯通的滑动面，坡体完全破坏。

通过以上分析，可以直观了解边坡渐进性破坏的特征。同时可以通过对边坡顶、底部的裂隙变形扩展情况进行监测，进而对潜在滑坡提前预报和防范[16]。只有从被动防范到主动的预防控制，才能在今后矿山在生产过程中做到对重点部位进行针对性的重点防治，做到有的放矢。这样既可以节省大量的人力和物力，而且保证矿山安全生产。

4 结 论

1)系统分析了胜利露天煤矿出现滑坡的类型，发现出现滑坡的根源在于岩石流变特性引起的渐进性破坏。

2)采用三维有限差分软件中内置的应变软化模型对露天边坡塑性区出现的时间以及演化特征展开系统研究，发现塑性区出现的位置和范围与时间存在着直接关系。

3)边坡的塑性变形区首先产生于坡顶和坡底。首先在坡底产生剪应力区，坡顶产生拉应力集中区，然后逐渐向坡体内部扩展；当塑性区贯通过后，加速边坡破坏，继续向边坡体内部逐渐扩展，最后塑性区完全贯通，直至边坡破坏。