安太堡露天矿边坡岩体结构面统计及力学特性分析.doc

第五章 安太堡露天矿边坡岩体结构面统计及力学特性分析
5.1 现场条件简介
平朔矿区位于陕西省朔州市境内，安太堡露天矿位于平朔矿区的中南部，处于黄土高原地区，根据矿区地质勘察资料，地表覆盖有厚层第四系黄土，矿区赋存地层主要有排弃物料、第四系黄土、第三系红土和石炭系基岩。北帮边坡体石炭系基岩中有泥岩层、砂岩层和煤层，其中砂岩层岩组以灰白色为主，以灰白色为主，也有灰黄色、棕黄色、棕红色等，主要分布于1200m~1400m标高。矿物组成主要是石英、岩屑、长石，石英含量占绝对优势，岩屑与长石的含量在不同的层位互有增减，砂岩以粘质胶结的呈酥粉状或手可粉之，以铁质或硅质胶结的质硬。通过野外节理裂隙调查北端边坡岩体节理、裂隙、层理、片理，断续分布，数量较多，且通常闭合无充填。
随着采矿规模、强度的不断扩大，地质环境条件的渐变脆弱，环境地质灾害在空间、规模和发生频率上均显现出一定程度的延续和增强。尤其在矿区北帮边坡曾出现过滑坡现象，经现场勘查，整体上矿区边坡岩体风化严重，岩体支离破碎严重，潜在的地质灾害，将严重威胁着矿山生产及人身安全，并对矿山周边建筑造成严重的影响。
5.2 现场结构面测试及统计分析
根据现场勘察资料，安太堡露天矿北帮边坡砂岩岩组节理裂隙发育，大多平直光滑，延展性较好，隙宽很小，大多闭合，只是在机械振动或者风化作用下裂隙才张开，属于硬性结构面，是现场结构面测试得重点区域。测试选取太堡露天矿北帮1330水平作业平台，进行边坡砂岩节理岩体进行结构面测试，如图5.1所示。
利用奥地利3GSM公司生产的ShapeMetriX 3D岩体几何参数三维不接触测量系统进行现场结构面测试，然后运用3GSM系统软件识别的岩体出露结构面的空间分布，根据主要结构面的产状信息，对其进行分组，如图5.2所示，同一种颜色表示同一组结构面，即图中的红色组和蓝色组。图5.3为结构面的赤平极投影，图中可以明显看出，图5.3是软件自动生成的第1、2组节理迹线分布。

图5. 1 安太堡露天矿现场节理岩体照片 图5. 2 岩体模型中节理分布情况

图5. 3 结构面赤平极投影

(a) 第一组节理迹线分布 (b) 第二组节理迹线分布
图5. 4 节理迹线分布
Fig.5.4 Distribution map of joint trace
将搜集到的数据进行整理，根据统计学原理分别统计出结构面的倾向、倾角、迹长、间距和断距信息，得到结构面的统计分布规律，统计结果如表5.1所列。
表5.1 结构面概率模型统计表
Table 5.1 Statistics table of structural plane probability model
组
别
结构面几何参数特征值
倾向/°
倾角/°
迹长/m
间距/m
断距/m
分布状态
均值
标准差
分布状态
均值
标准差
分布状态
均值
标准差
分布状态
均值
标准差
分布状态
均值
标准差
1
均匀
149.8
15.7
均匀
18.6
8.2
正态
2.4
3.8
对数正态
0.45
0.86
负指数
0.61
0.45
2
均匀
283.0
16.5
正态
83.1
5.3
对数正态
1.6
5.6
正态
1.36
1.42
对数正态
0.87
0.40
5.3 节理岩体力学参数确定
假设结构面为无厚度的Beacher圆盘模型，依据表5.1得到的结构面统计信息，通过Mont Carlo方法编制程序生成三维边坡模型中的结构面网络模型，如图5.5所示。

图5. 5 边坡三维节理分布图
Fig.5.5 3D fracture network of sandstone slope
根据Kawamoto【1】等人提出的几何损伤张量的计算方法，对于空间问题，损伤张量D可以写为：
（5.1）
式中为三维损伤张量的特征向量，为特征向量对应的特征值。对于空间体积为V的节理岩体，对所有结构面的损伤进行积分，求得岩体表征单元体的损伤张量表达式为：
（i，j=1，2，3） (5.2)
式中：N为节理面条数；l为节理面最小间距；V为岩体体积；n(k)为第k条节理面法向矢量；三维情况下，a(k)为第k条节理面面积，二维情况下，a(k)为第k条节理迹长。根据杨建平、陈卫忠等【2-3】提出的节理岩体尺寸效应研究方法，对节理网格模型进行尺寸效应分析，求得安太堡露天矿砂岩节理岩体的尺寸效应为9m，通过计算机程序求解，计算得岩体三维损伤主值为，，。根据Sidoroff提出的能量等价原理，节理岩体各向异性变形参数与损伤主值之间的关系【4】为：
(14)
其中，为岩块的弹性模模量和泊松比，根据现场岩心取样，室内试验测试得，砂岩岩块的弹性模量，泊松比，那么安太堡露天矿砂岩节理岩体的各向异性变形参数如表5.2所列。
表5.2. 节理岩体各向异性参数表
Table 5.2. The mechanical parameters of rock mass
弹性模量/GPa
泊松比
E1=12.48
v12=0.23
E2=6.27
v13=0.27
E3=9.25
v23=0.35
为了便于工程应用，边坡损伤区计算时采用第三章描述的各向同性拉、剪屈服准则。分析安家岭露天矿边坡损伤区所有强度分析指标，以实际边坡工程地质勘探与岩石物理力学性质试验成果为主【5-7】，安太堡露天矿边坡砂岩岩体强度参数如表5.3所列。
表5.3 边坡节理岩体强度参数
Table 5.3 mechanical parameter of slope rock mass for Isotropic constitution model
岩性
密度/kg/m3
内聚力/kPa
摩擦角/°
抗拉强度/kPa
砂岩
2.46
600
33
420
5.4 力学建模及岩体力学分析
根据赤平极投影对结构面进行分组，找出优势节理方位，每组结构面所属的结构面产状要素包括倾向、倾角。在二维岩体结构模型中，在一定产状的剖面上，每一条迹线代表一个结构面，该迹线的产状由θ角（也叫伪倾角）唯一确定，θ角由下式计算：

式中为二维结构面的倾角，也叫真倾角；为结构面走向角与剖面走向角的夹角。为了求得边坡剖面中的优势节理方向方向，对图5.5中边坡三维节理模型进行剖切，得出二维边坡节理岩体模型如图5.6所示，通过文献【8】中的求解方法，计算的安太堡露天矿测点砂岩边坡优势节理方向（伪倾角）为15°，如图5.7所示。

图5. 6边坡二维节理分布图 图5. 7 二维损伤变量计算结果
根据安太堡露天矿北帮边坡实际情况，建立单台阶二维计算模型，模型几何尺寸及边界条件如图5.8所示，边坡顶部施加梯形分布荷载，模拟上部约20m的台阶自重应力，模拟计算一步开挖完成后，边坡稳态下的应力场分布。

图5. 8 安太堡边坡单台阶二维计算模型
依据第三章二维边坡节理岩体各向异性的计算方法对安太堡露天矿砂岩边坡节理岩体进行数值计算。计算结果见图5.9-图5.11。其中图5.9为剪应力分布，图5.10为主应力矢量图，图5.11为的损伤区分布。
由图5.9及图5.10可知，在坡脚附近剪应力集中明显，最大剪应力达到1MPa，最大主应力显著增高，最小主应力相比剖面附近其他位置略有增高，且最大主应力方向与节理15°倾角方向基本一致。坡脚附近坡体中应力变化梯度较大且最大剪应力相对集中部位，通常也是边坡体中最容易发生局部损伤破坏的部位，如图5.11中的损伤区分布。

图5. 9 剪应力云图

图5. 10 主应力矢量图

图5. 11损伤区分布图
图5.12和图5.13分别为未考虑开挖作用和考虑开挖作用下边坡的总位移及位移矢量图。由图可知，未考虑开挖作用时，边坡体在自重及外荷载作用下，以沉降位移为主，临空面附近在水平地应力作用下有一定的滑移运动趋势；考虑开挖作用时，边坡由于弹性势能释放，变形回弹，边坡位移以弹性恢复为主，最大变形集中在坑底附近，边坡滑移变形趋势更加明显。

图5. 12 未考虑开挖作用总位移及位移矢量图

图5. 13 考虑开挖作用总位移及位移矢量图
5.5 小结
（1）简述了安太堡露天矿边坡的工程地质条件，运用3GSM系统对砂岩节理岩体结构面进行了现场测试，获取了节理几何参数及其统计学分布规律。
（2）通过Mont Carlo方法生成了三维边坡节理网络模型，依据实际边坡工程地质勘探与岩石物理力学性质试验成果，结合几何损伤理论，求出了节理岩体的变形参数，确定了节理岩体强度参数及二维情况下，砂岩的优势节理方向。
（3）建立了砂岩节理岩体单台阶边坡二维各向异性计算模型，考虑开挖作用下对其进行了数值计算。计算结果充分表明了主应力矢量与优势节理方向的相关性，即应力场的各向异性；另外坡脚处在高度集中的剪应力和主应力共同影响下，产生局部损伤区，对台阶稳定不利。

1 Kawamoto L M. Introduction to continuum damage mechanics. Martiouo Nijhoff Publishers, Dordrecht, Netherlands, 1983(7): 371-384.
2 杨建平、陈卫忠，戴永浩. 裂隙岩体变形模量尺寸效应研究Ⅰ：有限元法[J]. 岩土力学，2011,32(5): 1538-1545.
3 杨建平、陈卫忠，戴永浩. 裂隙岩体变形模量尺寸效应研究Ⅱ：解析法[J].2011,32(6):1607-1612.
4 孙培峰. 节理岩体各向异性特征分析及工程应用[D]. 东北大学
5 美国陈氏公司. 安太堡露天矿勘测研究报告[R]. 北京. 1986
6 朱建明，刘宪权，吴吉南等. 安太堡矿露井联采边坡稳定性研究及其边界参数优化[J]. 工程地质学报，2008,16(增刊)：456-463
7 陈仕阔，杨天鸿，张华兴. 平朔安家岭露天矿地下采动条件下的边坡稳定性[J]. 煤炭学报. 2008.33(2): 148-152.
8 杨天鸿，师文豪，于庆磊等. 巷道围岩渗流场和应力场各向异性特征分析及应用[J]. 煤炭学报. 2012,37(11): 1815-1822.