劉洪臻，周子涵，馬詩(shī)飏，秦 凡，王 潤(rùn)，劉小剛

（1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司齊大山分公司，遼寧鞍山 114000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083）

礦產(chǎn)資源的開采方式，一般有井下開采和露天開采2 種，相比之下，露天開采具有規(guī)模大、效率高的優(yōu)勢(shì)，具備露天開采條件的礦區(qū)一般都盡可能采用露天開采的方法[1-3]。巖質(zhì)邊坡的爆破開挖方法不僅施工簡(jiǎn)單，而且施工速度快，可以帶來(lái)巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，是國(guó)內(nèi)外露天開采主要采用爆破開挖的方式[4]。然而，在爆破開挖的過(guò)程中，受動(dòng)力擾動(dòng)的影響，局部邊坡穩(wěn)定性不可避免地會(huì)受到一定的影響，甚至?xí)a(chǎn)生滑坡災(zāi)害，不僅影響礦山開采的進(jìn)度還會(huì)威脅工作人員的生命。因此，對(duì)爆破作用下的礦山邊坡穩(wěn)定性做出評(píng)價(jià)對(duì)礦山生產(chǎn)安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

當(dāng)前對(duì)于爆破荷載作用下巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性和動(dòng)力響應(yīng)的研究手段主要包括理論模型分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)調(diào)查等。周子涵[5]等基于二維斜坡平面滑動(dòng)失穩(wěn)力學(xué)模型，引入爆破荷載因素，建立了露天爆破荷載作用下巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)的尖點(diǎn)突變理論模型，探討了爆破荷載幅值和爆破荷載頻率對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，導(dǎo)出了邊坡的動(dòng)態(tài)自穩(wěn)臨界高度，并提出了失穩(wěn)的判據(jù)條件；王建明[6]等利用斷裂力學(xué)理論，分析了爆破和降雨雙重工況下的裂縫起裂擴(kuò)展判據(jù)并基于格里菲斯（Griffith）能量準(zhǔn)則推導(dǎo)了邊坡滑動(dòng)塊斷裂后沿底滑面的劇動(dòng)距離；葉明班[7-8]等建立了巖質(zhì)邊坡動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值計(jì)算模型，系統(tǒng)分析了邊坡巖體質(zhì)點(diǎn)峰值振速、應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)的變化和分布規(guī)律；代金豪[9]等根據(jù)某節(jié)理巖質(zhì)邊坡實(shí)測(cè)位移數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合數(shù)值模擬研究了爆破荷載誘發(fā)節(jié)理巖體邊坡位移突變機(jī)理及其變化規(guī)律；劉斌[10-11]等利用地基InSAR 系統(tǒng)可近實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)露天礦邊坡活動(dòng)特征，為安全生產(chǎn)提供可靠數(shù)據(jù)。

近年來(lái)，基于離散元法的顆粒流程序PFC 展現(xiàn)了在模擬巖體大變形破壞等方面的顯著優(yōu)勢(shì)，逐漸成為國(guó)內(nèi)外巖石力學(xué)和工程領(lǐng)域研究的重要手段[12-13]。為此，以齊大山以齊大山鐵礦東幫邊坡為背景，利用PFC2D研究了持續(xù)爆破擾動(dòng)下邊坡的破壞模式、動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律及應(yīng)力演化規(guī)律。

1 工程概況

齊大山鐵礦為鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司的主要礦石原料生產(chǎn)基地。礦區(qū)東幫采取多臺(tái)階并段技術(shù)，在垂直高程-40～240 m 開挖形成了高度為200 m，52°的陡坡。該區(qū)域巖層主要成分為邊坡混合巖，還夾雜有平均厚達(dá)20 m 的軟弱綠泥石英片巖。綠泥石英片巖巖性較差，不利于邊坡穩(wěn)定，2019 年3 月20日，該區(qū)域邊坡由于爆破擾動(dòng)等因素的綜合影響發(fā)生了1 次較大規(guī)模的滑坡，滑坡量高達(dá)4 萬(wàn)m3。目前，在原-40～106 m 的斜坡道上仍存在長(zhǎng)達(dá)460 m 的大裂縫，部分臺(tái)階已下沉1 m 多，此區(qū)域尚存有滑坡的風(fēng)險(xiǎn)。為保障齊大山鐵礦東幫邊坡在擴(kuò)幫階段的安全施工，同時(shí)為了避免出現(xiàn)重大人員傷亡從而造成被迫停產(chǎn)的被動(dòng)局面，對(duì)齊大山鐵礦東幫邊坡進(jìn)行整體的穩(wěn)定分析迫在眉睫。

2 邊坡數(shù)值模擬分析

2.1 邊坡數(shù)值模型及相關(guān)參數(shù)

齊大山東幫邊坡的剖面如圖1。為了計(jì)算準(zhǔn)確，將剖面處的臺(tái)階進(jìn)行了合并，保證邊坡坡度不變，將2 個(gè)臺(tái)階合并成1 個(gè)。對(duì)于上部和下部的臺(tái)階，取寬7～10 m，高10～15 m，對(duì)于中部臺(tái)階，取寬9～13 m，高10～15 m，每隔3 個(gè)臺(tái)階建立1 個(gè)15 m 寬的平臺(tái)。深部巖體不參與滑坡的破壞運(yùn)動(dòng)，固基巖顆粒在邊坡混合巖的基礎(chǔ)上將顆粒半徑放大了2 倍，其他參數(shù)與邊坡混合巖相同。邊坡顆粒流如圖2，整個(gè)邊坡模型中共生成顆粒3.4 萬(wàn)個(gè)，為了監(jiān)測(cè)顆粒的速度、位移等特征值，設(shè)置如圖2 中的10 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖1 模型剖面圖

圖2 邊坡顆粒流模型

通過(guò)采用單軸壓縮等數(shù)值模擬試驗(yàn)來(lái)調(diào)整邊坡模型參數(shù)，并通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)取樣室內(nèi)試驗(yàn)中獲得的巖石宏觀力學(xué)參數(shù)如抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、黏聚力和內(nèi)摩擦角等相匹配來(lái)標(biāo)定微觀參數(shù)[14]，最終確定PFC2D中采用的巖質(zhì)邊坡顆粒流模型的細(xì)觀參數(shù)，模擬的巖石宏觀力學(xué)參數(shù)為:①軟弱石英片巖：?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度16 MPa，彈性模量3.7 GPa,泊松比0.10,內(nèi)摩擦角10°,黏聚力5.0 MPa；②混合巖:單軸抗壓強(qiáng)度33 MPa，彈性模量11.5 GPa,泊松比0.30,內(nèi)摩擦角27°,黏聚力11.5 MPa。同時(shí)，參考文獻(xiàn)[14]并通過(guò)一系列的數(shù)值模擬試驗(yàn)與敏感性分析，最終取顆粒局部阻尼系數(shù)為0.6。

2.2 爆破震動(dòng)波的選取與施加方式

本次模擬旨在模擬露天礦東幫邊坡在多次爆破荷載作用下邊坡的邊坡破壞模式和動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)爆破地震波形，選取了3 段典型的爆破地震波，根據(jù)振動(dòng)峰值速度由小即大的順序，分別連續(xù)地輸入模型底部，從而模擬出從遠(yuǎn)到近的爆破開挖施工條件下，爆破震動(dòng)對(duì)既有露天礦邊坡的影響。每個(gè)爆破地震波波的持續(xù)時(shí)間約為2 000 ms，整個(gè)過(guò)程為持時(shí)6 s 的爆破震動(dòng)的模擬。實(shí)測(cè)的爆破震動(dòng)波如圖3。

圖3 實(shí)測(cè)的爆破震動(dòng)波

2.3 模擬結(jié)果

2.3.1 邊坡的破壞模式

以每1 段爆破地震波的持續(xù)時(shí)間為1 個(gè)破壞階段，邊坡的破壞階段共分為3 段。截取各個(gè)破壞階段的圖像，整個(gè)模擬過(guò)程的位移云圖如圖4～圖6。

圖4 第1 破壞階段的位移云圖

圖5 第2 破壞階段的位移云圖

圖6 第3 破壞階段的位移云圖

第1 段輸入的爆破地震波波形如圖3（a），震動(dòng)波持續(xù)時(shí)間為2.0 s，第1 破壞階段的位移云圖如圖4。由圖4 可知，0.1 s 時(shí)，邊坡坡腳處的臺(tái)階開始崩解，出現(xiàn)較為明顯的位移；此后，邊坡下部滑移區(qū)域向上延伸，直至邊坡的中部，同時(shí)邊坡中部臺(tái)階相繼開始崩解，邊坡上部臺(tái)階仍保持原本形狀（圖略）；0.7 s 時(shí)，坡腳處出現(xiàn)新一輪的位移增長(zhǎng)，同時(shí)整個(gè)邊坡中下部的表面都出現(xiàn)較為明顯的位移，并且在坡腳處開始出現(xiàn)貫通的圓弧狀的位移云圖；1.2 s時(shí)，與之前的規(guī)律相同；2.0 s 時(shí)，在原本位于邊坡下部的滑移趨勢(shì)的區(qū)域表層出現(xiàn)新一輪的突增位移，表明邊坡會(huì)首先在表層出現(xiàn)滑動(dòng)。

第2 段輸入的爆破地震波波形如圖3（b），震動(dòng)波持續(xù)時(shí)間為2.0 s，第2 破壞階段的位移云圖如圖5。由圖5 可知，0.3 s 時(shí)，邊坡下部表面的位移區(qū)域持續(xù)向上和向深部延伸，邊坡上部的臺(tái)階開始逐漸崩壞，但邊坡整體無(wú)明顯的滑坡現(xiàn)象；0.7 s 時(shí)，具有明顯位移的區(qū)域已經(jīng)逐漸延伸至邊坡頂部，預(yù)示著整個(gè)邊坡表面會(huì)首先開始出現(xiàn)滑移；1.2 s 時(shí)，邊坡頂部的臺(tái)階已經(jīng)完全崩解，同時(shí)邊坡上部開始出現(xiàn)比較明顯的沉降；2.0 s 時(shí)，邊坡頂部的沉降持續(xù)加深，根據(jù)邊坡表層的綠色位移云圖已經(jīng)貫通整個(gè)邊坡表面，形成圓弧形的滑塊，此區(qū)域已經(jīng)開始產(chǎn)生滑移，形成第1 處滑坡。并且軟弱層出現(xiàn)局部錯(cuò)位，表層的滑動(dòng)已經(jīng)開始。

第3 段輸入的爆破地震波波形如圖3（c），震動(dòng)波持續(xù)時(shí)間為2.0 s，第3 階段的位移云圖如圖6。由圖6 可知，0.2 s 時(shí)，在表層滑坡逐漸發(fā)育時(shí)，從坡腳深部存在著不斷向上發(fā)展的新1 輪位移趨勢(shì)，預(yù)計(jì)會(huì)在表層滑坡的下部出現(xiàn)新的滑坡，并且會(huì)形成上至坡頂?shù)某两堤帯⑾轮霖灤┢履_的滑動(dòng)面；0.5 s時(shí)，坡腳深部處的位移增長(zhǎng)持續(xù)向上延伸，軟弱層出現(xiàn)第2 處錯(cuò)位，位于深部的第2 處滑坡形成；此后，邊坡上部也開始出現(xiàn)突增的位移，并沿著這條明顯的滑坡線向下延伸，同時(shí)邊坡下部深部的突增位移趨勢(shì)也持續(xù)向上延伸，預(yù)計(jì)最后會(huì)在中上部匯合，形成最終的第2 個(gè)滑坡面（圖略）；1.2 s 時(shí)，至此，第2個(gè)滑移面已貫通形成，同時(shí)沿此滑面開始出現(xiàn)明顯的滑坡運(yùn)動(dòng)；2 s 時(shí)，滑坡體到達(dá)最終形態(tài)。

綜上所述，東幫邊坡在爆破動(dòng)荷載持續(xù)擾動(dòng)下將發(fā)生2 次滑坡。第1 次的滑坡先在坡腳處形成位移突增的趨勢(shì)，在沿著邊坡表面向上持續(xù)發(fā)展后，首先在邊坡表面出現(xiàn)第1 個(gè)滑坡，在計(jì)算過(guò)程中，表層的邊坡一直在發(fā)育，位移也在不斷增大。第2 次的滑坡是在第1 個(gè)滑坡形成后，先在坡腳形成突增的位移，坡腳深部和邊坡頂部幾乎同時(shí)開始向邊坡中部發(fā)展的位移趨勢(shì)，貫通后形成的。

2.3.2 邊坡的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律

在動(dòng)力響應(yīng)的分析過(guò)程中，主要針對(duì)峰值速度、峰值位移進(jìn)行分析。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的峰值速度和峰值位移變化規(guī)律如圖7。

根據(jù)圖7（a）中峰值速度和位移的分布可知，水平方向上越靠近邊坡表面，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的峰值位移和峰值速度越大，表現(xiàn)出趨表效應(yīng)；隨著水平距離的不斷增大，峰值位移和峰值速度逐漸減小并趨于穩(wěn)定，主要原因可能是越深入邊坡內(nèi)部，巖石受到的周邊應(yīng)力作用越大，限制了其自由度?？梢?jiàn)邊坡沿水平方向上巖體的動(dòng)力響應(yīng)程度與巖體和坡表的距離有著顯著的關(guān)聯(lián)。

由圖7（b）可知，各模型沿豎直方向上監(jiān)測(cè)點(diǎn)的峰值速度隨著高程增加而減小，峰值位移隨高程增加呈線性增大趨勢(shì)。說(shuō)明在爆破荷載作用下，邊坡巖體的峰值位移存在明顯的高程放大效應(yīng)。

2.3.3 邊坡的應(yīng)力演化規(guī)律

在模型中設(shè)置了4 個(gè)應(yīng)力測(cè)量圓，在坡體位置從坡腳往上依次為1、2、3、4，用于測(cè)量在爆破地震波作用下巖質(zhì)邊坡的應(yīng)力變化情況，測(cè)量圓所測(cè)得的應(yīng)力為圓內(nèi)顆粒的平均接觸應(yīng)力。測(cè)量圓內(nèi)的應(yīng)力隨爆破地震波的變化曲線如圖8（其中負(fù)值表示壓應(yīng)力）。

圖8 測(cè)量圓內(nèi)平均應(yīng)力隨爆破地震波持時(shí)的變化曲線

由圖8（a）可知，針對(duì)x 軸方向的平均應(yīng)力，上方3 個(gè)測(cè)量圓內(nèi)的平均應(yīng)力值變化不大，這說(shuō)明爆破地震波對(duì)于高位置顆粒的水平方向的作用并不明顯，對(duì)于坡腳處的測(cè)量圓，其初始應(yīng)力較大，在爆破地震波的作用下，一開始1 號(hào)測(cè)量圓內(nèi)的壓應(yīng)力有所減少，表明此時(shí)坡腳處的顆粒首先在爆破地震波的作用下會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)破壞作用，顆粒間的應(yīng)力小于初始應(yīng)力，隨后平均應(yīng)力保持穩(wěn)定。最后平均應(yīng)力又有所增長(zhǎng)，表明此時(shí)由于邊坡的滑動(dòng)，坡腳處顆粒被壓實(shí)，導(dǎo)致顆粒間的應(yīng)力又有所增長(zhǎng)。因此在進(jìn)行邊坡治理時(shí)，首先需要在坡腳處采取措施進(jìn)行加固，避免其過(guò)早破壞而導(dǎo)致滑坡的發(fā)育。由圖8（b）可知，對(duì)于y 軸方向上的平均應(yīng)力，1～3 號(hào)的測(cè)量圓內(nèi)的應(yīng)力變化規(guī)律與上述的x 軸方向的平均應(yīng)力變化規(guī)律一致，這里不再贅述。

3 結(jié)論

1）東幫邊坡在連續(xù)爆破荷載作用下最終將發(fā)生雙層形式的滑坡破壞，并且滑坡整體趨勢(shì)都是由坡腳開始出現(xiàn)明顯的位移趨勢(shì)，并逐漸向上發(fā)育，最終貫通形成的，說(shuō)明了在爆破震動(dòng)波的不斷擾動(dòng)下，邊坡的穩(wěn)定性不斷劣化，且可能出現(xiàn)多次的失穩(wěn)垮塌。

2）越靠近邊坡表面和坡頂，顆粒的峰值位移和峰值速度越大，表現(xiàn)出一定的趨表效應(yīng)和高程放大效應(yīng)，說(shuō)明邊坡沿水平與垂直方向上巖體的動(dòng)力響應(yīng)程度與巖體和坡表、坡頂?shù)木嚯x有著顯著的關(guān)聯(lián)。

3）邊坡上部顆粒的應(yīng)力值比較穩(wěn)定，僅在有限的空間里波動(dòng)，而位于坡腳處的顆粒，由于初始應(yīng)力較大，會(huì)出現(xiàn)因爆破地震波的松動(dòng)破壞而導(dǎo)致的應(yīng)力減小，隨后又由于滑坡導(dǎo)致坡腳處顆粒壓實(shí)而引起的應(yīng)力增大。