呂金星，韓 磊，陳 輝，劉洪林

(1.新疆大學(xué) 地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.中煤平朔集團有限公司 安家?guī)X露天礦，山西 朔州 036006)

巖石的流變性是巖石的重要力學(xué)特性之一，礦山邊坡的長期不穩(wěn)定漸進性破壞大多與巖石流變性有密切關(guān)系。這些邊坡工程的長期穩(wěn)定性問題一直以來是人們關(guān)注的焦點。隨著人類對邊坡失穩(wěn)機理探索和認(rèn)識的不斷深入，發(fā)現(xiàn)邊坡產(chǎn)生失穩(wěn)破壞現(xiàn)象不是沒有征兆的，而是呈現(xiàn)漸進性破壞的特征[1-4]。因此，開展巖石流變特性和邊坡工程的漸進性破壞的研究具有重要的理論和實踐意義[5，6]。關(guān)于巖石流變特性的研究多采用理論分析和試驗研究的方法。然而，理論分析所建立的巖石流變特性方程通常含有較多的不易測定的參數(shù)，使得這些理論成果的應(yīng)用受到較大的限制；室內(nèi)試驗是進行巖石流變特性研究的一個重要手段，但流變試驗因周期長、工作量大，需要耗費較大的人力和物力，限制了這一研究方法的進一步應(yīng)用。

近30年來，由于計算機硬件和軟件的快速更新，以及世界各地的學(xué)者在巖石材料本構(gòu)關(guān)系的建立上取得的很大的進展，為研究巖石流變的局部化變形及整體性的穩(wěn)定性問題提供了基礎(chǔ)保障[7-10]。研究表明：當(dāng)受到外荷載作用后，巖石材料內(nèi)部必然存在不均勻的塑性變形，即產(chǎn)生局部變形現(xiàn)象。此時，巖石材料本身的剛性有顯著降低，該區(qū)域的變形量明顯比其他區(qū)域大。受到外荷載作用，巖石材料變形先經(jīng)歷均一過程，當(dāng)變形積累至值后，變形開始進入局部化過程，局部化過程造成應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得變形迅速擴展至巖石材料本身發(fā)生破壞[10，11]。在這個漸進性破壞過程中，不同的材料表現(xiàn)出不同的特性，例如：剪切硬化/軟化，體積硬化/軟化，抗拉軟化等。

1 工程概況

以神華北電勝利能源有限公司勝利露天煤礦為研究對象。勝利露天煤礦于2005年正式開工，2006年按3.0Mt/a移交生產(chǎn)，2007年達到規(guī)模5.0Mt/a，生產(chǎn)剝采比為2.15m3/t，2006年2月得到國家發(fā)展改革委員會的核準(zhǔn)，設(shè)計規(guī)模為20.0Mt/a，2010年達產(chǎn)。隨著礦山工程的不斷延伸，該礦山邊坡已發(fā)生多次不同規(guī)模的破壞，給礦山的安全生產(chǎn)帶來明顯影響。

滑坡過程：由于受地層巖性影響及第四系潛水的侵蝕、浸泡作用下，邊坡一直處于穩(wěn)定的蠕變過程中。滑坡區(qū)域首先沿坡面底部發(fā)生蠕動滑移現(xiàn)象；3個月后在頂部發(fā)現(xiàn)平行端幫的裂縫，后受春季融水和雨水的影響，裂縫加速延伸；滑移7個月內(nèi)，裂縫延伸長度達到150m，寬0.10～0.23m，最大落差0.35m；蠕變發(fā)生9個月后，北部端幫突發(fā)較大范圍的滑坡，造成出入溝道路全部毀壞。

2 巖石應(yīng)變軟化力學(xué)特性

2.1 基本力學(xué)性能

通過建立合理有效的模型進行數(shù)值分析，可以部分避免實驗研究的不足。一般情況下，材料發(fā)生變形時，應(yīng)變分布是不均勻的，那么最大應(yīng)變的部分比其他的部分變得更弱，也就是說，它只能承受更小的力[12]。因此，鄰近的部位將承受初始應(yīng)力，弱單元將就會脫離平衡(因為內(nèi)外應(yīng)力不平衡)。因此，弱單元開始發(fā)生更大的應(yīng)變，從而更加軟化。這種“弱聯(lián)結(jié)”過程是形成“應(yīng)變軟化”材料局部化的原因。

2.2 數(shù)值計算分析

通過FLAC3D模擬單元試件剪切試驗來展示材料在局部變形過程中的軟化力學(xué)行為。根據(jù)數(shù)值模擬試驗分析的需要，選用的幾何模型為?1.5m×3.0m的圓柱體，本構(gòu)模型采用剪切硬化/軟化模型，巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體性質(zhì)參數(shù)表

單軸試驗應(yīng)力—位移關(guān)系如圖1所示，由圖1可知，剪應(yīng)力和軸向應(yīng)力先達到峰值后減少，可以明顯發(fā)現(xiàn)砂巖的軟化行為。由于平均應(yīng)力減少，試件由于彈性卸載也發(fā)生膨脹。但是由于試樣破壞時的瞬時破壞，巖石單軸壓縮實驗機未能有效記錄峰值后的殘余強度。單軸壓縮試驗結(jié)果如圖2所示，從圖2中可以明顯的看到，砂巖本身發(fā)生軟化現(xiàn)象，這種作用是由于水平應(yīng)力的減少而產(chǎn)生的，由上述表觀軟化促使形成局部化(剪切帶)，實驗室在對試件進行單軸壓縮時，也產(chǎn)生相似位置的破壞。

圖1 單軸試驗應(yīng)力—位移關(guān)系

圖2 單軸壓縮試驗

3 邊坡漸進性破壞過程數(shù)值模擬

通過以上分析可知巖石具有一定的流變性，故巖土工程破壞同樣具有漸進性破壞。巖土工程漸進性破壞過程其實是巖土材料硬化或軟化的過程。破壞時，由于巖石的微裂化以及土體的顆粒的滑動，將導(dǎo)致變形變得越來越無彈性，直到破裂而致破壞。在這個過程中也會造成材料強度的降低和剪切帶的出現(xiàn)。

以露天礦邊坡為研究對象，對邊坡漸進性破壞的過程進行模擬分析。由于礦山邊坡受到開挖影響，邊坡中巖土體材料的力學(xué)性質(zhì)隨時間增加而逐漸降低，造成邊坡潛在破壞區(qū)域的抗滑力降低，進一步影響邊坡穩(wěn)定性。忽視了材料本身的時效性和漸進性，對露天礦山的安全生產(chǎn)會造成一定的影響[13]。

3.1 各向同性應(yīng)變軟化模型簡介

為了更加清楚的了解漸進性破壞的原理，首先要建立材料產(chǎn)生屈服與破壞的條件與準(zhǔn)則。巖土工程漸進性破會一般是產(chǎn)生無限制的塑性流動而導(dǎo)致的。而莫爾-庫侖模型是常用的巖土本構(gòu)模型，適用于那些剪應(yīng)力下屈服，但剪應(yīng)力只取決于最大、最小主應(yīng)力，而第二主應(yīng)力屈服不產(chǎn)生影響的材料，故不適合用來進行漸進性分析。應(yīng)變軟化/硬化模型實際上是莫爾-庫侖模型的衍生模型，它允許材料的強度發(fā)生硬化或軟化。故本文選用應(yīng)變軟化/硬化模型進行漸進性分析。

一般巖土材料在靜荷載作用下的塑性模型都采用各向同性硬化/軟化模型。各向同性硬化/軟化的加載函數(shù)可以由硬化/軟化參量的顯示表示為[14]：

f(σij，H)=f(σij)-H=0

式中，f為屈服函數(shù)；σij為應(yīng)力張量；H為反應(yīng)材料性質(zhì)的參數(shù)，一般為硬化/軟化參量Ha的函數(shù)。

可得出：

式中，Q為塑性勢函數(shù)。

當(dāng)φ(σij，H)<0時，材料就按硬化/軟化模量A進行屈服變化。根據(jù)此原理，通過計算可給出每個網(wǎng)格各個時步的塑性狀態(tài)，再由網(wǎng)格的塑性狀態(tài)便可判斷網(wǎng)格的變形破壞情況。

3.2 數(shù)值模型建立與關(guān)鍵參數(shù)確定

根據(jù)現(xiàn)場實際生產(chǎn)和實驗綜合所得各項物性參數(shù)，通過FLAC3D軟件中應(yīng)變-強化/軟化模型進行相關(guān)穩(wěn)定性模擬，選取勝利露天煤礦上部臺階為例進行分析。邊坡巖性依次為第四系、粉砂和粘土巖。

分析模型高度為140m，沿臺階傾向長280m，沿走向長100m。對模型的邊界分別進行位移約束，在前后方向以Y方向進行位移約束，在左、右方向以X方向進行位移約束，在底部以Z方向進行位移約束，從而構(gòu)成分析模型的邊界條件，進而來保障系統(tǒng)的受力平衡[15]，巖體性質(zhì)參數(shù)見表2。

表2 巖體性質(zhì)參數(shù)表

3.3 數(shù)值計算結(jié)果分析

通過分析邊坡體各單元的塑性區(qū)變化，得出的隨時步增長邊坡體的塑性狀態(tài)發(fā)展情況。分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 邊坡漸進性破壞過程

邊坡破壞時，其塑性應(yīng)變區(qū)必然是貫通的。由圖3可知，邊坡破壞中塑性區(qū)的出現(xiàn)并不是一開始就全部貫通，而是受到開挖影響后，邊坡的塑性區(qū)的破壞首先產(chǎn)生于各個臺階的表面。初始在坡腳位置產(chǎn)生剪應(yīng)力集中區(qū)域，而坡頂則只產(chǎn)生拉應(yīng)力，使得該區(qū)域巖土體的力學(xué)強度降低；然后塑性區(qū)從坡腳和坡頂?shù)钠茐南蚱麦w內(nèi)部擴展，當(dāng)邊坡巖土體中剪應(yīng)力超過其強度之后，則塑性區(qū)進一步擴展；隨著邊坡變形的進一步加劇，加速邊坡的破壞，直至在邊坡體內(nèi)部產(chǎn)生貫通的滑動面，坡體完全破壞。

通過以上分析，可以直觀了解邊坡漸進性破壞的特征。同時可以通過對邊坡頂、底部的裂隙變形擴展情況進行監(jiān)測，進而對潛在滑坡提前預(yù)報和防范[16]。只有從被動防范到主動的預(yù)防控制，才能在今后礦山在生產(chǎn)過程中做到對重點部位進行針對性的重點防治，做到有的放矢。這樣既可以節(jié)省大量的人力和物力，而且保證礦山安全生產(chǎn)。

4 結(jié) 論

1)系統(tǒng)分析了勝利露天煤礦出現(xiàn)滑坡的類型，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)滑坡的根源在于巖石流變特性引起的漸進性破壞。

2)采用三維有限差分軟件中內(nèi)置的應(yīng)變軟化模型對露天邊坡塑性區(qū)出現(xiàn)的時間以及演化特征展開系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)塑性區(qū)出現(xiàn)的位置和范圍與時間存在著直接關(guān)系。

3)邊坡的塑性變形區(qū)首先產(chǎn)生于坡頂和坡底。首先在坡底產(chǎn)生剪應(yīng)力區(qū)，坡頂產(chǎn)生拉應(yīng)力集中區(qū)，然后逐漸向坡體內(nèi)部擴展；當(dāng)塑性區(qū)貫通過后，加速邊坡破壞，繼續(xù)向邊坡體內(nèi)部逐漸擴展，最后塑性區(qū)完全貫通，直至邊坡破壞。