作为地质作用与人工建设形成的共同工程，露天矿边坡形成过程中始终受断层、弱层等不良地质构造影响，变形机制极其复杂，对露天矿安全生产及其施工具有严重威胁。弓长岭露天铁矿北帮、黑山露天铁矿西帮、平庄西露天煤矿西北帮、胜利西二露天煤矿首采区西帮、胜利乌煤露天煤矿首采区西帮等均曾沿断层发生滑坡[1-4]，给企业造成巨大损失。因此，随着采矿业的发展、科技的进步，工程技术人员对含断层边坡稳定性问题越来越关注。牟会宠等[5]基于工程现场的地质情况，对断层破碎带的压缩性、粘土矿物的膨胀性和断层空间形态这三个因素对边坡稳定性的影响进行了大量研究；李文秀等[6]通过有限元数值模拟，对比分析了有、无断层两种情况下爆破作用对边坡所构成的稳定性威胁；李瑞青等[7]借助LS-DYNA软件，研究了断层产状、厚度、充填物性质等特征对动载边坡稳定性的影响；杨继红等[8]通过研究某水电工程坝址区的二级结构面，明确得出断层产状是控制边坡稳定性的主要因素；王鑫瑀等[9]运用FLAC，研究了断层作用下弓长岭铁矿北帮边坡的变形演化规律；曹兰柱等[3]运用Slope3D，分析了含斜交断层边坡的三维破坏模式与稳定性；王东等[4，10]采用理论分析、数值模拟等方法，综合论述了不同的断层空间位置对顺倾层状边坡滑移模式与稳定性的影响。

整体上，以往大部分研究人员采用数值模拟或极限平衡法针对某一工程实例研究断层对边坡稳定性影响，除文献[4]中分析了断层位置对边坡稳定性的影响外，未形成规律性认识。基于此，笔者结合元宝山露天煤矿东帮工程实际，应用FLAC3D数值进行模拟分析，研究顺倾层状边坡滑移模式与稳定性问题中断层倾角所起到的作用并揭示其规律，用以指导该矿边坡设计及治理，实现安全生产，同时为类似矿山的边坡工程提供借鉴[11]。

由于DEDS固有的离散性和内部机制的复杂性，往往难以用常规的差分方程、微分方程等数学模型来描述，同时关于系统动态过程的解析表达也很难得到，而离散事件系统仿真则能借助仿真的方式很好地描述DEDS各方面的性能，因此，它是目前研究DEDS最为流行的方法之一。

1 边坡工程地质条件分析

元宝山露天煤矿东帮位置的边坡从地表到地层深处分别为第四系、第三系以及侏罗系。第四系的岩性组成为砂砾、圆砾、泥砾，呈散体结构；第三系的岩性组成为细砂岩、粉砂岩、泥砾岩，呈半散体结构；侏罗系含煤地层以泥岩、炭质泥岩、砂岩、煤为主，呈层状结构。坡体内发育有4个走向与边坡基本一致的泥岩、炭质泥岩顺倾弱层，按从上至下依次编号为①～④；存在1个大型斜交且与边坡倾向一致的正断层F1，与边坡走向相差30°～40°、倾角46°～64°、落差达到200余米、延展5km以上。元宝山露天矿东帮边坡典型工程地质剖面图如图1所示。设计的边坡高200m左右，边坡角为20°，显然，影响东帮边坡破坏模式的重要因素是弱层及F1断层，F1断层倾角的改变必将影响滑体的形态与力学边界，进而影响其稳定性。边坡岩体以及土体的实测物理力学参数见表1。

  

图1 元宝山露天矿东帮边坡典型工程地质剖面图

 

表1 岩土体物理力学指标

  

地层土、岩黏聚力/kPa内摩擦角/(°)容重/(kN·m-3)弹性模量/MPa泊松比第四系砂土00376222300037第三系细砂岩1200250200550030侏罗系煤600310131600029侏罗系砂岩1730270211880025侏罗系弱层21516918020045

2 边坡稳定性数值模拟

数值模拟采用有限差分软件FLAC3D，在运算分析中本构模型为理想弹塑性和强度准则为Mohr-Coulomb准则[12]，同时主要考虑两种破坏的机制为剪切和拉伸，在强度折减理论[13]基础上运算得出边坡稳定系数；通过模拟得出剪应变增量图、总位移云图及速度矢量场，获取边坡的滑坡方式及坡体滑动的力学成因。

2.1 模拟模型的构建

以上9种不同倾角情况的断层边坡最大位移和位移矢量场以及坡体内部的剪切应变增量图分别如图3和图4所示，边坡稳定系数计算结果见表2，据此可绘制断层倾角与边坡稳定系数间的关系曲线如图5所示。

由表8可看出，复合缓蚀阻垢剂的防腐满足油田控制指标，其N80钢在3种相态下的腐蚀速率均在0.076 mm/a以内。

  

图2 数值模拟模型图

2.2 数值模拟结果及分析

以图1边坡工程地质剖面为原型，分别考虑断层倾角为45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°、80°、85°等9种工况，由于F1断层下盘岩层未对坡体滑动造成影响，且F1断层中含断层泥，其中成分与弱层相似，因此在建立模型时，仅考虑断层上盘岩层，并按真实厚度将断层赋以弱层指标，数值模拟模型如图2所示。为满足Goodman建议[11]，避免边界效应，网格划分宽度取边坡高度的1/10，模型尺寸为280m×800m，侧向拉伸10m；其两侧与底部边界施加位移约束，加载方式为自重加载。

 

表2 边坡稳定系数计算结果

  

断层倾角δ/(°)455055606570758085稳定系数Ks118119120121121121121121121

  

图3 不同倾角情况的断层边坡最大位移与位移矢量场云图

  

图4 不同倾角情况的断层坡体内部的剪应变增量图

  

图5 断层倾角与边坡稳定性系数的关系曲线

通过对图3～5所示的模拟结果进行对比分析可知，F1断层倾角介于45°～60°时，东帮边坡的滑移模式为经由剪切圆弧以及断层结合的滑面，最后沿弱层剪出的组合滑动，断层倾角每增大1°，边坡稳定系数增加0.002；F1断层倾角介于65°～85°时，边坡滑坡模式与稳定性和断层倾角无关，组合滑动的滑面仅由剪切圆弧及弱层组成；岩体沿③号弱层也存在一定空间位置的错动，在矿山生产及边坡治理时应及时加以考虑。

水利普查需要多个部门通力协作、积极配合才能完成。闻喜县水利普查工作在闻喜县人民政府统一组织下，成立了水利普查领导机构，由水利部门牵头，统计、国土、工业、农业、建筑业等相关部门共同参与。由于普查涉及部门多，在组织和协调上工作量大，难度也大。

3 结 语

本文依托元宝山露天煤矿东帮探讨了断层倾角对边坡稳定性的影响，结果表明：元宝山露天煤矿东帮边坡稳定性与其滑坡的具体方式主要受控于④号弱层以及F1断层；F1断层倾角δ满足45°≤δ≤60°时，东帮的滑移模式为剪切圆弧-断层-弱层共同形成滑面的组合滑动，边坡稳定系数伴随着断层倾角呈0.002/(°)的线性规律增大；F1断层倾角δ≥65°时，东帮的滑坡模式不再受F1断层影响，均发生剪切圆弧-弱层相交形成新滑面的组合滑动，因此边坡稳定性也不再发生变化。

参考文献：

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[2] 王金龙，王洪秋，范利超，等.黑山铁矿露天采场边坡稳定性研究与治理实践[J].金属矿山，2012(5)：53-56.

[3] 曹兰柱，郑 杰.斜交断层作用下露天矿逆倾边坡破坏模式及稳定性[J].科技导报，2013，31(28)：61-65.

[4] 王 东，王 珍，曹兰柱，等.断层位置对露天矿顺倾层状边坡稳定性的影响研究[J].中国安全科学学报，2014，24(12)：83-89.

[5] 牟会宠，张 弭.大冶铁矿扩帮区F9、F13断层的特性及其对边坡稳定性的影响[J].勘察科学技术，1988(1)：6-8.

[6] 李文秀，侯晓兵，杨少冲，等.含断层高陡岩石边坡稳定性的弹塑性分析[J].岩土力学，2006，27(S1)：665-670.

[7] 李瑞青，许红涛，陈占军，等.含断层高边坡在爆破震动作用下的动力响应特性研究[J].中国农村水利水电，2007(12)：67-70，73.

[8] 杨继红，董金玉，刘汉东，等.岩体结构控制下的边坡变形破坏模式分析[J].煤炭学报，2011，36(S1)：58-62.

[9] 王鑫瑀，常来山，李 闻，等.弓长岭露天矿顺坡断层影响的数值分析[J].金属矿山，2011(10)：58-60.

[10] 王 东，王 珍，曹兰柱，等.露天矿含斜交断层顺倾层状边坡稳定性三维数值模拟[J].安全与环境学报，2016，15(3)：140-144.

[11] 徐学锋，李正可，庞龙龙，等.三软厚煤层综放开采工作面窄煤柱合理尺寸研究[J].煤炭工程，2016，48(9)：64-67.

[12] 李常文，唐烈先，唐春安，等.南芬露天矿边坡失稳数值模拟[J].煤炭工程，2006(7)：74-76.

[13] 黄润秋，许 强.显式拉格朗日差分分析在岩石边坡工程中的应用[J].岩石力学与工程学报，1995，14(4)：346-354.