开采-渗流耦合作用下含正断层露天矿边坡变形规律研究

韦永豪，王振伟，李 斌，王智涛，李元浩，弓启祥

（1.北方工业大学 土木工程学院，北京 100041；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

在露天煤矿生产过程中，滑坡灾害直接关系到矿山的安全、高效运营，特别是当矿山在开采过程中遇到了复杂的地质构造时，边坡系统在复杂因素耦合作用下的灾变演化机理更为复杂。断层作为一种常见的地质构造，其在边坡系统中的不同赋存状态对边坡稳定性影响极大。特别是当断层倾向与富水边坡倾向一致时，由于开采扰动的影响易使断层和地下水渗流软化成为滑坡、崩塌等地质灾害演变的风险源，此类产状的断层及地下水赋存形式对边坡整体结构的稳定造成严重威胁，同时也对矿山生产作业的安全带来极大隐患。

近年来，学者们对断层赋存形态与边坡灾变演化规律进行了深入的研究。陈凤阳等[1]应用FLAC3D数值模拟分析，对比在不同倾角条件下顺倾层状边坡的滑移模式及稳定性变化规律；曹兰柱等[2]基于强度折减原理，应用有限差分软件FLAC3D模拟分析了断层位置、倾角及弱层逆倾角度不断变化时西帮软岩边坡的滑移模式及稳定性变化规律；张臣等[3]研究了单一断层下推采工作面超前应力分布规律及多断层叠加影响下工作面超前应力分布规律，以及超前应力随断层倾角变化的规律；王珍等[4]基于现场调研、理论分析、数值模拟方法，通过改变断层倾角以及断层走向与边坡走向交角2 种方式描述断层空间位置，从边坡滑移模式的角度阐明断层影响下边坡稳定性变化规律；任政等[5]基于现场数据、理论推导以及数值模拟方法，综合分析了采动影响下逆断层活化过程，从动静载扰动的角度进一步分析了采动影响下逆断层诱冲机制；吴少康等[6]运用现场监测、理论分析及数值模拟相结合的方法，对糯东煤矿断层影响下副平硐及回风大巷的变形破坏及其主要原因进行了研究；朱贵旺等[7]通过微震监测系统，分析了断层带岩体劣化过程的微震事件分布及震源参数的响应特征，揭示了采动诱发断层带岩体劣化微震响应特征；和大钊等[8]采用数值模拟手段，研究断层的力学参数及断层的断距、厚度、倾角、相对临空面的距离等几何参数对岩质边坡破坏模式和稳定性的影响。MU W P 等[9]利用FLAC3D软件建立流固耦合数值模型，通过比较有无扰动情况下断层带的变形、破坏及渗流特征，分析了断层扰动带突水机理；杜建有等[10]基于数学、物理模型，对骆驼山某断层进行分析研究，通过应力场变化、塑性损伤等特征，总结出了断层在采动－渗流耦合作用下活化机理；钟晓勇等[11]采用极限平衡法对比分析了地下水对边坡稳定性的影响程度，最后结合有限元强度折减法对边坡角进行优化设计；尹会永等[12]使用岩性并置图、SGR 法和断层面正压力法等断层封闭性方法从侧向和垂向2 个方面对天然条件下断层导水性进行了评价，并对工作面采动条件下断层渗流特征及活化规律进行了数值模拟研究。

现有研究较多主要集中于考虑断层倾角、厚度、产状、断距等地质特征对边坡稳定的影响，在实际工程中影响边坡稳定性的因素种类众多且十分复杂。断层及地下水的存在影响着边坡的整体稳定，断层的存在为滑坡等地质灾害提供了自然边界，而地下水作为诱发因素，降低了岩土体抗剪强度，可促进滑坡的形成。受开采扰动和矿压作用影响，断层可能从隔水断层转变为导水断层，各种因素分别作用于断层会导致断层活化，多因素的联合或耦合作用会增加致灾机理的复杂性和突水灾害的隐蔽性，这也是矿山水害探测与预测难度大的主要原因。在实际开采生产过程中，对于一些富水矿山，为了矿山的生产安全，开采前需要进行疏干排水，那么就要控制开采过程中渗流场、边坡稳定性随着开采延深发生变化的过程，这个过程控制的好与坏决定着矿山生产是否安全。因此，露天矿含断层边坡在开采扰动－渗流等因素耦合作用下的断层变形规律、边坡稳定性和渗流变化特性等问题的研究，具有极其重要的现实意义。综上，以某露天矿边坡为研究对象，通过数值模拟的方法，设置不同开挖深度及地下水抽采深度，研究在开采－渗流耦合作用下边坡的稳定性，以指导含断层露天矿山边坡设计及治理。

1 开采扰动情况下断层活化理论

断层活化主要是受其围岩构造、采场岩层顶底板、矿压等因素综合作用所致，它直接影响到矿山的安全生产，因此研究断层在不同条件下的活化机理具有重要意义。目前关于断层活化对矿山开采影响研究主要集中在煤层顶板稳定性方面。据此可应用其部分理论，探究露天开采情况下断层的活化机制。有研究人员提出断层倾角α 是其结构面与水平正应力σx的夹角，在任何作用力影响下，断层都必须通过垂直正应力σz、水平正应力σx的共同作用，但此观点较为片面。其中断层主应力方向和断层的构造存在密切的联系，在平面应力状态分析中，可将断层作为含软弱结构的岩体进行分析。

为方便理解，将断层上下盘岩土体看作弹性体，则断层面的法向应力σn及切应力τn可由式（1）表达：

式中：σz为垂直正应力，MPa；σx为水平正应力，MPa；α 为断层倾角，（°）。

断层作为软弱结构面，其力学性能与其周围岩体相比强度要低很多，因此，断层的活化首先是沿断层结构面产生滑移破坏，而后随着应力的增加导致断裂。结合莫尔－库伦准则能够对其进行相应的推算，其抗剪强度τf为：

式中：C 为黏聚力，MPa；φ 为内摩擦角，（°）。

断层活化判定依据为：

2 模拟模型及模拟方案

模拟依托某露天矿边坡地质简化模型，利用FLAC3D建立流固耦合数值模型，地质体构造以断层为主导，形成上盘下降，下盘上升态势的正断层。数值模型尺寸沿边坡的倾向长度为1 100 m，高度400 m。边坡的内部赋存有1 个贯穿整个边坡的正断层，整体边坡角25°，断层厚度5 m，断层倾角25°。在模型前、后、左、右及下方进行边界约束，以确保模型的滑体单元能够顺着坡面方向滑动；模型中重力加载为荷载的主要加载方式。断层面与开采边坡面平行，模型破坏满足莫尔－库伦强度准则。各地层岩体的物理力学参数见表1，岩层分布模型如图1。

图1 岩层分布模型图

表1 岩体物理力学指标

模型分8 步进行开采模拟，开挖阶段以开采深度为30 m 的间隔进行1 步开挖，分为8 步进行开挖，并在开采的同时伴随水位降深，断层下盘水位线在模型顶部保持不变，断层上盘水位线为相对应开采阶段坡底下方5 m 位置。

3 采动与抽排条件下断层活化数值分析

运用FLAC3D软件对上述模型进行求解，通过强度折减法计算出各开挖步骤边坡稳定系数，安全系数随开挖变化如图2。

图2 安全系数随开挖变化图

由图2 可知：随着开挖的进行，边坡安全系数呈逐步下降趋势；开挖至210 m 时，边坡稳定系数骤降，但边坡整体稳定性依然处于稳定状态，出现此种现象的原因为断层上盘土体受地应力及地下水共同作用，煤层抗剪强度降低，内摩擦力减小，上盘开挖，致使岩土体向临空面产生横向位移，边坡稳定性下降。

各开采阶段x 方向位移云图如图3。

由图3 可知，随着开采深度的增加，断层在x 方向最大位移值位置逐渐向下发展，直至发展至断层中部位置，最大位移值位置不再向下发展，此处为煤层、基岩两两交界处，由于基岩弹性模量较大，深部位移不再发展，煤层弹性模量相对较小，此处应力得到释放，导致位移量增大。

断层在x 方向主要受拉应力影响，开采至150 m前，应力集中呈散点式分布于断层内部，可导致断层呈间断性破坏；开采至150 m 时，应力场以线性形式分布于断层带内部，此时断层带受应力作用产生贯通性破坏；开采至180 m 时，应力分布范围增大，此后最大应力分布位置向断层下部发展。

断层破坏过程以张拉破坏为主，开采至30 m时，断层开始产生塑性区，此时的断层非完全破坏，开采至150 m 前，断层塑性区间断性发生，断层以间断破坏为主，开采至150 m 时，断层塑性区出现线性贯通，此时断层产生贯通性破坏，开采至150 m 后塑性区范围逐步扩大，并影响至上下盘岩土体中。

综上，边坡系统在开采至30 m 时，断层出现间断性破断，开采至150 m 时，断层产生贯通性破坏，应力集中方式从散点式分布，逐渐向线性分布发展。

4 渗流场演化规律数值分析

对边坡数值模型进行渗流分析，根据某露天矿现场实地勘察数据，对模型施加孔隙水压力边界条件，断层内部初始孔隙水压力为0 MPa，向下水力梯度为1×104，设置断层上盘水位线于开挖区域坡底下方5 m 处，模型两侧设为不透水边界。将坡体表面设置为自由渗透的表面，以便坡体内部地下水沿边坡表面渗出。部分开采阶段断层及坡体孔隙水压分布图如图4。

图4 部分开采阶段断层及坡体孔隙水压分布图

由图4 可知，断层内部最大孔隙水压位置随开采深度的增加逐渐向下偏移，在开采过程中，采动矿压处于不断变化的过程，受矿压及地下水压力影响断层产生剪切破坏，此时断层内部状态从“胶结”变成“断开”，上下盘岩体也随之发生变形，其阻水能力大幅降低，断层带内地下水渗入并向边坡方向发展。开采扰动破坏断层原有受力及结构状态，断层上盘因开采应力及水压力共同作用，导致孔隙水压力重新分布，断层内部由隔水断层变为导水断层，孔隙水压力增大，并随着开挖的进行，断层最大孔隙水压力大多出现在开挖下部50～100 m 处。开采至30 m 水位降深35 m 时，断层产生小范围破坏，形成弱导水；开采至150 m 水位降深155 m 时，断层贯通性破坏，形成完全导水现象；而后随着开采的深入，地下水由断层下盘高水位向上盘低水位逐渐渗入，并向坡面逐步延伸，从坡面渗出。

5 地下水渗流对边坡稳定性影响分析

边坡所受渗流水的影响主要包括静水及动水压力2 种类型，其中静水压力使滑动面的抗滑力减小；动水压则使边坡的下滑力增大；因此，地下水的渗流对边坡的稳定起着决定性作用。地下水渗流造成岩土体应力的分布发生改变，而应力场的变化将会对渗透系数产生影响，从而引发边坡的破坏。地下水的渗透作用，使岩土体的承载力下降，剪应力增大，力学性能发生改变，致使整体结构失稳，当坡体内部某结构面的抗剪强度小于此时的剪应力时，边坡系统内部平衡随即破坏。

为研究相对隔水断层控制下地下水对边坡稳定系影响，依托上述某露天矿边坡地质简化模型，运用GEO－SLOPE 软件建立模型。根据渗流场演化规律数值分析得出的结论：断层在开采至150 m 水位线155 m 位置时，断层产生贯通性破坏，导致地下水由高水位向低水位产生较大渗流现象。因此，地下水水位线位置分布形式如下：断层下盘水位线为地表，断层上盘水位线固定在各开采阶段坡底下方5 m 位置，过度水位线由解算软件自动生成。地下水渗流边坡稳定性分析如图5。

图5 地下水渗流边坡稳定性分析

由图5 可知：边坡稳定系数随开挖的深入逐渐降低；开挖初始至120 m 时，边坡潜在滑移模式为剪切圆弧滑动；当开挖至150 m 时，出现部分坡面渗水，边坡稳定系数降低至1.509，部分滑移面沿断层产生；开挖至150 m 后，随着开采的深入，地下水渗出坡体的水量增加，边坡潜在滑移模式从剪切圆弧错动向剪切圆弧－断层－圆弧错动模式转换，最终沿地层或煤层顶底板滑出。断层的存在为滑动面提供自然边界，尤其是断层倾向与边坡倾向一致时，滑动面更易沿断层结构面产生，从而发生边坡失稳现象。

6 结语

1）随着采深的增加，断层x 方向最大位移逐渐增大，在采至180 m 位置后，其最大位移在断层中部位置不再向下发展。

2）断层破坏模式以拉张断裂为主，开采至120 m时，断层中部x 方向产生较大应力集中，分布形式为散点式，在坡角位置亦有明显拉应力，开采卸荷改变了地质体内应力场分布状态，边坡系统内部应力失衡导致岩土体竖向位移增大，随着开采的进行应力集中逐渐向线性分布发展。

3）断层从间断式破坏逐步发展为贯通式破坏，随着开采的加深，塑性区范围逐渐增大。

4）地下水赋存条件下边坡整体稳定系数下降1.34%。