韋永豪，王振偉，李 斌，王智濤，李元浩，弓啟祥

（1.北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京 100041；2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

在露天煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，滑坡災(zāi)害直接關(guān)系到礦山的安全、高效運(yùn)營(yíng)，特別是當(dāng)?shù)V山在開(kāi)采過(guò)程中遇到了復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，邊坡系統(tǒng)在復(fù)雜因素耦合作用下的災(zāi)變演化機(jī)理更為復(fù)雜。斷層作為一種常見(jiàn)的地質(zhì)構(gòu)造，其在邊坡系統(tǒng)中的不同賦存狀態(tài)對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響極大。特別是當(dāng)斷層傾向與富水邊坡傾向一致時(shí)，由于開(kāi)采擾動(dòng)的影響易使斷層和地下水滲流軟化成為滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害演變的風(fēng)險(xiǎn)源，此類產(chǎn)狀的斷層及地下水賦存形式對(duì)邊坡整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定造成嚴(yán)重威脅，同時(shí)也對(duì)礦山生產(chǎn)作業(yè)的安全帶來(lái)極大隱患。

近年來(lái)，學(xué)者們對(duì)斷層賦存形態(tài)與邊坡災(zāi)變演化規(guī)律進(jìn)行了深入的研究。陳鳳陽(yáng)等[1]應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬分析，對(duì)比在不同傾角條件下順傾層狀邊坡的滑移模式及穩(wěn)定性變化規(guī)律；曹蘭柱等[2]基于強(qiáng)度折減原理，應(yīng)用有限差分軟件FLAC3D模擬分析了斷層位置、傾角及弱層逆傾角度不斷變化時(shí)西幫軟巖邊坡的滑移模式及穩(wěn)定性變化規(guī)律；張臣等[3]研究了單一斷層下推采工作面超前應(yīng)力分布規(guī)律及多斷層疊加影響下工作面超前應(yīng)力分布規(guī)律，以及超前應(yīng)力隨斷層傾角變化的規(guī)律；王珍等[4]基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、理論分析、數(shù)值模擬方法，通過(guò)改變斷層傾角以及斷層走向與邊坡走向交角2 種方式描述斷層空間位置，從邊坡滑移模式的角度闡明斷層影響下邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律；任政等[5]基于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、理論推導(dǎo)以及數(shù)值模擬方法，綜合分析了采動(dòng)影響下逆斷層活化過(guò)程，從動(dòng)靜載擾動(dòng)的角度進(jìn)一步分析了采動(dòng)影響下逆斷層誘沖機(jī)制；吳少康等[6]運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、理論分析及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)糯東煤礦斷層影響下副平硐及回風(fēng)大巷的變形破壞及其主要原因進(jìn)行了研究；朱貴旺等[7]通過(guò)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分析了斷層帶巖體劣化過(guò)程的微震事件分布及震源參數(shù)的響應(yīng)特征，揭示了采動(dòng)誘發(fā)斷層帶巖體劣化微震響應(yīng)特征；和大釗等[8]采用數(shù)值模擬手段，研究斷層的力學(xué)參數(shù)及斷層的斷距、厚度、傾角、相對(duì)臨空面的距離等幾何參數(shù)對(duì)巖質(zhì)邊坡破壞模式和穩(wěn)定性的影響。MU W P 等[9]利用FLAC3D軟件建立流固耦合數(shù)值模型，通過(guò)比較有無(wú)擾動(dòng)情況下斷層帶的變形、破壞及滲流特征，分析了斷層擾動(dòng)帶突水機(jī)理；杜建有等[10]基于數(shù)學(xué)、物理模型，對(duì)駱駝山某斷層進(jìn)行分析研究，通過(guò)應(yīng)力場(chǎng)變化、塑性損傷等特征，總結(jié)出了斷層在采動(dòng)－滲流耦合作用下活化機(jī)理；鐘曉勇等[11]采用極限平衡法對(duì)比分析了地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響程度，最后結(jié)合有限元強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡角進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；尹會(huì)永等[12]使用巖性并置圖、SGR 法和斷層面正壓力法等斷層封閉性方法從側(cè)向和垂向2 個(gè)方面對(duì)天然條件下斷層導(dǎo)水性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并對(duì)工作面采動(dòng)條件下斷層滲流特征及活化規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

現(xiàn)有研究較多主要集中于考慮斷層傾角、厚度、產(chǎn)狀、斷距等地質(zhì)特征對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響，在實(shí)際工程中影響邊坡穩(wěn)定性的因素種類眾多且十分復(fù)雜。斷層及地下水的存在影響著邊坡的整體穩(wěn)定，斷層的存在為滑坡等地質(zhì)災(zāi)害提供了自然邊界，而地下水作為誘發(fā)因素，降低了巖土體抗剪強(qiáng)度，可促進(jìn)滑坡的形成。受開(kāi)采擾動(dòng)和礦壓作用影響，斷層可能從隔水?dāng)鄬愚D(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)水?dāng)鄬?，各種因素分別作用于斷層會(huì)導(dǎo)致斷層活化，多因素的聯(lián)合或耦合作用會(huì)增加致災(zāi)機(jī)理的復(fù)雜性和突水災(zāi)害的隱蔽性，這也是礦山水害探測(cè)與預(yù)測(cè)難度大的主要原因。在實(shí)際開(kāi)采生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于一些富水礦山，為了礦山的生產(chǎn)安全，開(kāi)采前需要進(jìn)行疏干排水，那么就要控制開(kāi)采過(guò)程中滲流場(chǎng)、邊坡穩(wěn)定性隨著開(kāi)采延深發(fā)生變化的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程控制的好與壞決定著礦山生產(chǎn)是否安全。因此，露天礦含斷層邊坡在開(kāi)采擾動(dòng)－滲流等因素耦合作用下的斷層變形規(guī)律、邊坡穩(wěn)定性和滲流變化特性等問(wèn)題的研究，具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。綜上，以某露天礦邊坡為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值模擬的方法，設(shè)置不同開(kāi)挖深度及地下水抽采深度，研究在開(kāi)采－滲流耦合作用下邊坡的穩(wěn)定性，以指導(dǎo)含斷層露天礦山邊坡設(shè)計(jì)及治理。

1 開(kāi)采擾動(dòng)情況下斷層活化理論

斷層活化主要是受其圍巖構(gòu)造、采場(chǎng)巖層頂?shù)装?、礦壓等因素綜合作用所致，它直接影響到礦山的安全生產(chǎn)，因此研究斷層在不同條件下的活化機(jī)理具有重要意義。目前關(guān)于斷層活化對(duì)礦山開(kāi)采影響研究主要集中在煤層頂板穩(wěn)定性方面。據(jù)此可應(yīng)用其部分理論，探究露天開(kāi)采情況下斷層的活化機(jī)制。有研究人員提出斷層傾角α 是其結(jié)構(gòu)面與水平正應(yīng)力σx的夾角，在任何作用力影響下，斷層都必須通過(guò)垂直正應(yīng)力σz、水平正應(yīng)力σx的共同作用，但此觀點(diǎn)較為片面。其中斷層主應(yīng)力方向和斷層的構(gòu)造存在密切的聯(lián)系，在平面應(yīng)力狀態(tài)分析中，可將斷層作為含軟弱結(jié)構(gòu)的巖體進(jìn)行分析。

為方便理解，將斷層上下盤巖土體看作彈性體，則斷層面的法向應(yīng)力σn及切應(yīng)力τn可由式（1）表達(dá)：

式中：σz為垂直正應(yīng)力，MPa；σx為水平正應(yīng)力，MPa；α 為斷層傾角，（°）。

斷層作為軟弱結(jié)構(gòu)面，其力學(xué)性能與其周圍巖體相比強(qiáng)度要低很多，因此，斷層的活化首先是沿?cái)鄬咏Y(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑移破壞，而后隨著應(yīng)力的增加導(dǎo)致斷裂。結(jié)合莫爾－庫(kù)倫準(zhǔn)則能夠?qū)ζ溥M(jìn)行相應(yīng)的推算，其抗剪強(qiáng)度τf為：

式中：C 為黏聚力，MPa；φ 為內(nèi)摩擦角，（°）。

斷層活化判定依據(jù)為：

2 模擬模型及模擬方案

模擬依托某露天礦邊坡地質(zhì)簡(jiǎn)化模型，利用FLAC3D建立流固耦合數(shù)值模型，地質(zhì)體構(gòu)造以斷層為主導(dǎo)，形成上盤下降，下盤上升態(tài)勢(shì)的正斷層。數(shù)值模型尺寸沿邊坡的傾向長(zhǎng)度為1 100 m，高度400 m。邊坡的內(nèi)部賦存有1 個(gè)貫穿整個(gè)邊坡的正斷層，整體邊坡角25°，斷層厚度5 m，斷層傾角25°。在模型前、后、左、右及下方進(jìn)行邊界約束，以確保模型的滑體單元能夠順著坡面方向滑動(dòng)；模型中重力加載為荷載的主要加載方式。斷層面與開(kāi)采邊坡面平行，模型破壞滿足莫爾－庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則。各地層巖體的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，巖層分布模型如圖1。

圖1 巖層分布模型圖

表1 巖體物理力學(xué)指標(biāo)

模型分8 步進(jìn)行開(kāi)采模擬，開(kāi)挖階段以開(kāi)采深度為30 m 的間隔進(jìn)行1 步開(kāi)挖，分為8 步進(jìn)行開(kāi)挖，并在開(kāi)采的同時(shí)伴隨水位降深，斷層下盤水位線在模型頂部保持不變，斷層上盤水位線為相對(duì)應(yīng)開(kāi)采階段坡底下方5 m 位置。

3 采動(dòng)與抽排條件下斷層活化數(shù)值分析

運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)上述模型進(jìn)行求解，通過(guò)強(qiáng)度折減法計(jì)算出各開(kāi)挖步驟邊坡穩(wěn)定系數(shù)，安全系數(shù)隨開(kāi)挖變化如圖2。

圖2 安全系數(shù)隨開(kāi)挖變化圖

由圖2 可知：隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，邊坡安全系數(shù)呈逐步下降趨勢(shì)；開(kāi)挖至210 m 時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)驟降，但邊坡整體穩(wěn)定性依然處于穩(wěn)定狀態(tài)，出現(xiàn)此種現(xiàn)象的原因?yàn)閿鄬由媳P土體受地應(yīng)力及地下水共同作用，煤層抗剪強(qiáng)度降低，內(nèi)摩擦力減小，上盤開(kāi)挖，致使巖土體向臨空面產(chǎn)生橫向位移，邊坡穩(wěn)定性下降。

各開(kāi)采階段x 方向位移云圖如圖3。

由圖3 可知，隨著開(kāi)采深度的增加，斷層在x 方向最大位移值位置逐漸向下發(fā)展，直至發(fā)展至斷層中部位置，最大位移值位置不再向下發(fā)展，此處為煤層、基巖兩兩交界處，由于基巖彈性模量較大，深部位移不再發(fā)展，煤層彈性模量相對(duì)較小，此處應(yīng)力得到釋放，導(dǎo)致位移量增大。

斷層在x 方向主要受拉應(yīng)力影響，開(kāi)采至150 m前，應(yīng)力集中呈散點(diǎn)式分布于斷層內(nèi)部，可導(dǎo)致斷層呈間斷性破壞；開(kāi)采至150 m 時(shí)，應(yīng)力場(chǎng)以線性形式分布于斷層帶內(nèi)部，此時(shí)斷層帶受應(yīng)力作用產(chǎn)生貫通性破壞；開(kāi)采至180 m 時(shí)，應(yīng)力分布范圍增大，此后最大應(yīng)力分布位置向斷層下部發(fā)展。

斷層破壞過(guò)程以張拉破壞為主，開(kāi)采至30 m時(shí)，斷層開(kāi)始產(chǎn)生塑性區(qū)，此時(shí)的斷層非完全破壞，開(kāi)采至150 m 前，斷層塑性區(qū)間斷性發(fā)生，斷層以間斷破壞為主，開(kāi)采至150 m 時(shí)，斷層塑性區(qū)出現(xiàn)線性貫通，此時(shí)斷層產(chǎn)生貫通性破壞，開(kāi)采至150 m 后塑性區(qū)范圍逐步擴(kuò)大，并影響至上下盤巖土體中。

綜上，邊坡系統(tǒng)在開(kāi)采至30 m 時(shí)，斷層出現(xiàn)間斷性破斷，開(kāi)采至150 m 時(shí)，斷層產(chǎn)生貫通性破壞，應(yīng)力集中方式從散點(diǎn)式分布，逐漸向線性分布發(fā)展。

4 滲流場(chǎng)演化規(guī)律數(shù)值分析

對(duì)邊坡數(shù)值模型進(jìn)行滲流分析，根據(jù)某露天礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘察數(shù)據(jù)，對(duì)模型施加孔隙水壓力邊界條件，斷層內(nèi)部初始孔隙水壓力為0 MPa，向下水力梯度為1×104，設(shè)置斷層上盤水位線于開(kāi)挖區(qū)域坡底下方5 m 處，模型兩側(cè)設(shè)為不透水邊界。將坡體表面設(shè)置為自由滲透的表面，以便坡體內(nèi)部地下水沿邊坡表面滲出。部分開(kāi)采階段斷層及坡體孔隙水壓分布圖如圖4。

圖4 部分開(kāi)采階段斷層及坡體孔隙水壓分布圖

由圖4 可知，斷層內(nèi)部最大孔隙水壓位置隨開(kāi)采深度的增加逐漸向下偏移，在開(kāi)采過(guò)程中，采動(dòng)礦壓處于不斷變化的過(guò)程，受礦壓及地下水壓力影響斷層產(chǎn)生剪切破壞，此時(shí)斷層內(nèi)部狀態(tài)從“膠結(jié)”變成“斷開(kāi)”，上下盤巖體也隨之發(fā)生變形，其阻水能力大幅降低，斷層帶內(nèi)地下水滲入并向邊坡方向發(fā)展。開(kāi)采擾動(dòng)破壞斷層原有受力及結(jié)構(gòu)狀態(tài)，斷層上盤因開(kāi)采應(yīng)力及水壓力共同作用，導(dǎo)致孔隙水壓力重新分布，斷層內(nèi)部由隔水?dāng)鄬幼優(yōu)閷?dǎo)水?dāng)鄬?，孔隙水壓力增大，并隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，斷層最大孔隙水壓力大多出現(xiàn)在開(kāi)挖下部50～100 m 處。開(kāi)采至30 m 水位降深35 m 時(shí)，斷層產(chǎn)生小范圍破壞，形成弱導(dǎo)水；開(kāi)采至150 m 水位降深155 m 時(shí)，斷層貫通性破壞，形成完全導(dǎo)水現(xiàn)象；而后隨著開(kāi)采的深入，地下水由斷層下盤高水位向上盤低水位逐漸滲入，并向坡面逐步延伸，從坡面滲出。

5 地下水滲流對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響分析

邊坡所受滲流水的影響主要包括靜水及動(dòng)水壓力2 種類型，其中靜水壓力使滑動(dòng)面的抗滑力減小；動(dòng)水壓則使邊坡的下滑力增大；因此，地下水的滲流對(duì)邊坡的穩(wěn)定起著決定性作用。地下水滲流造成巖土體應(yīng)力的分布發(fā)生改變，而應(yīng)力場(chǎng)的變化將會(huì)對(duì)滲透系數(shù)產(chǎn)生影響，從而引發(fā)邊坡的破壞。地下水的滲透作用，使巖土體的承載力下降，剪應(yīng)力增大，力學(xué)性能發(fā)生改變，致使整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，當(dāng)坡體內(nèi)部某結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度小于此時(shí)的剪應(yīng)力時(shí)，邊坡系統(tǒng)內(nèi)部平衡隨即破壞。

為研究相對(duì)隔水?dāng)鄬涌刂葡碌叵滤畬?duì)邊坡穩(wěn)定系影響，依托上述某露天礦邊坡地質(zhì)簡(jiǎn)化模型，運(yùn)用GEO－SLOPE 軟件建立模型。根據(jù)滲流場(chǎng)演化規(guī)律數(shù)值分析得出的結(jié)論：斷層在開(kāi)采至150 m 水位線155 m 位置時(shí)，斷層產(chǎn)生貫通性破壞，導(dǎo)致地下水由高水位向低水位產(chǎn)生較大滲流現(xiàn)象。因此，地下水水位線位置分布形式如下：斷層下盤水位線為地表，斷層上盤水位線固定在各開(kāi)采階段坡底下方5 m 位置，過(guò)度水位線由解算軟件自動(dòng)生成。地下水滲流邊坡穩(wěn)定性分析如圖5。

圖5 地下水滲流邊坡穩(wěn)定性分析

由圖5 可知：邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨開(kāi)挖的深入逐漸降低；開(kāi)挖初始至120 m 時(shí)，邊坡潛在滑移模式為剪切圓弧滑動(dòng)；當(dāng)開(kāi)挖至150 m 時(shí)，出現(xiàn)部分坡面滲水，邊坡穩(wěn)定系數(shù)降低至1.509，部分滑移面沿?cái)鄬赢a(chǎn)生；開(kāi)挖至150 m 后，隨著開(kāi)采的深入，地下水滲出坡體的水量增加，邊坡潛在滑移模式從剪切圓弧錯(cuò)動(dòng)向剪切圓?。瓟鄬樱瓐A弧錯(cuò)動(dòng)模式轉(zhuǎn)換，最終沿地層或煤層頂?shù)装寤?。斷層的存在為滑?dòng)面提供自然邊界，尤其是斷層傾向與邊坡傾向一致時(shí)，滑動(dòng)面更易沿?cái)鄬咏Y(jié)構(gòu)面產(chǎn)生，從而發(fā)生邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象。

6 結(jié)語(yǔ)

1）隨著采深的增加，斷層x 方向最大位移逐漸增大，在采至180 m 位置后，其最大位移在斷層中部位置不再向下發(fā)展。

2）斷層破壞模式以拉張斷裂為主，開(kāi)采至120 m時(shí)，斷層中部x 方向產(chǎn)生較大應(yīng)力集中，分布形式為散點(diǎn)式，在坡角位置亦有明顯拉應(yīng)力，開(kāi)采卸荷改變了地質(zhì)體內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)分布狀態(tài)，邊坡系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)力失衡導(dǎo)致巖土體豎向位移增大，隨著開(kāi)采的進(jìn)行應(yīng)力集中逐漸向線性分布發(fā)展。

3）斷層從間斷式破壞逐步發(fā)展為貫通式破壞，隨著開(kāi)采的加深，塑性區(qū)范圍逐漸增大。

4）地下水賦存條件下邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)下降1.34%。