布沼坝露天西帮边坡破坏机制的数值模拟分析

李春生张保林

摘要：针对布沼坝露天西帮边坡复杂构造及其下部煤炭资源待开发的特点，本文应用三维弹塑性数值模拟方法，模拟了下部煤炭开采后边坡岩体的滑移破坏机制，得到了上部山坡以弧型滑移破坏为主、中间坍塌和下部顺层滑移“三段式”破坏模式，整体与局部连锁式循环嵌套破坏特点，因此，要保证边坡的稳定状态，需要控制下部顺层滑移量或削减上部岩体自重荷载为主，以便减小边坡岩体的变形和破坏。

关键词：数值模拟，破坏机制，滑坡，变形

Abstract: For the west slop of Buzhaoba open pits complex structure and the characteristics of its lower coal resources to be developed, in this paper, three-dimensional elastic-plastic numerical simulation method is applied to simulate the slip failure mechanism of the slope rock mass in the lower part of the coal mining, and has obtained "three-stage" failure mode which is expressed as the upper parts curved slip damage, the middles collapse and lowers bedding slip and whole and the local chain loop nest damage characteristics. Therefore, to ensure the steady state of the slope, need to mainly control the lower part of the bedding slip or cut the dead weight load of the upper rock mass, in order to reduce the deformation and failure of rock slope.

Keyword: numerical simulation; failure mechanism; landslide; deformation

中图分类号：U416.1+4文献标识码：A文章编号：

1、 工程概况

布沼坝露天矿西帮边坡是由自然山坡和下部人工开挖边坡共同组成，累计高度为340m，由于受F7、F8断层构造的影响，使原地层倒转，导致T2g1和T2g2灰岩段成为煤层N3的上覆岩层（见图1），从而形成了以粘土岩为基底的高大边坡，导致深部煤层开采诱发边坡岩体的剧烈变形和破坏；然而，如何保障开采过程中边坡安全就成了安全生产的关键技术问题，为此，本文运用数值模拟的方法对西帮边坡进行了数值模拟分析，以便研究西帮开挖后边坡岩体的变形与破坏机制，从而为后续深部开采提供依据。

2、特殊地质构造影响下边坡岩体破坏机制的数值模拟分析

2.1 计算模型设计

根据西帮边坡工程地质特性，本次数值模拟以西帮346剖面为中心，宽度向南北两侧各延伸200 ，长度取1000 、高度取400 。模型尺寸为 。模型地层包含新第三系东升桥粘土岩段、主煤段、泥灰岩段、薄煤层粘土岩段等。数值模拟单元体网格划分如图2所示，共划分29558个节点19045个单元。

2.2 数值模拟结果及边坡岩体演变特点

根据西帮下部煤层开采分三步进行的设计方案，开采后边坡角为：第一步开挖后边坡整体坡角为19°，第二步开挖后边坡整体坡角为27°，第三步开挖后的到界边坡整体坡角为34°。本次数值模拟分别模拟现状和最终到界边坡开挖后边坡岩体变形与破坏规律。

图3至图7分别是现状边坡和第三步开挖后边坡位移矢量的数值模拟图。从模拟结果来看，边坡岩体破坏模式基本以F7、F8断裂带为界，F7以上边坡岩体主要以弧状滑面为主、F8以下近似以平面顺层破坏为主，在F7与F8之间以非连续的倾倒坍塌为主，从而形成了“三段式”非连续的破坏模式；它们之间既有整体的有机联系，属于整体破坏；又有分段式局部破坏的先后次序。

对于西帮边坡而言，随着下部煤炭资源的开采，软粘土岩的裸露高度增大，又由于其承载能力低，再加上雨季雨水的浸泡等因素的影响，导致顺层边坡首先开始滑移变形，在F8断层处形成台阶状非连续变形，并形成张裂缝；当裂缝宽度达到一定深度和宽度时，F8与F7之间的碎裂岩体形成坍塌破坏，并在F7与上部山体灰岩之间产生张拉裂缝、形成非连续变形；随着坍塌深度的加大，F7与上部山体之间大的裂缝逐渐加大，从而导致上部山体产生宽度不同的系列裂缝群。雨季雨水的润滑及软化其软弱夹层，将导致上部山体产生剧烈的滑移变形。因此上部山体向下滑移推力进一步加剧了下部顺层边坡的滑移变形和破坏，由此形成循环往复式破坏模式。每次循环都会加大边坡的变形和破坏，由此构成了西帮边坡的破坏特性。

图5是应用滑移场理论方法搜寻到的危险滑面，首先破坏的区域也是下部顺层边坡，说明数值模拟结果是正确的。因此，西帮边坡稳定性与下部开采安全控制是安全生产的关键问题，需要采取合理的技术措施和手段，以便确保深部资源开采过程中矿山的安全生产。

图1 西帮346剖面工程地质剖面图

图2模型网格划分图

图3现状边坡位移矢量图

图4最终到界边坡开采位移矢量图

图5 现状边坡危险滑面搜寻结果

3、结论

通过数值模拟分析得出如下几点结论：

（1）从位移矢量图中可以看出，边坡上部岩体按弧线型滑面滑移，下部按近似平面滑移，中间F7与F8之间断裂带按倾倒坍塌破坏。属于“三段式”破坏模式。

其中下部位移矢量在渐近坡趾处指向临空面，表现为“剪出”。在F7和F8断层附近，由于断层的存在使得位移矢量图呈现了明显的相对集中现象，这是因为断层带力学参数较低，断层对边坡稳定性影响较大；

（2）从整体位移云图中可以看出，位移最大的部分主要集中在边坡中部，并且从坡表至深部位移逐渐减小。随着开挖深度的增大，边坡位移逐渐增大，主位移矢量方向集中在水平方向。

在边坡坡面上部以拉应力为主，所以产生系列裂缝群，边坡中下部基本上以压应力为主，从而产生切层破坏或底鼓现象。

针对上述破坏特性，需要控制下部顺层滑移或削减上部荷载为主，以便减小边坡岩体的变形和破坏，确保安全生产。

参考文献

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注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。